基于4G移动通信的电源视频监控系统

2018-01-17曲鸣飞马冬宝

电源技术 2017年12期

曲鸣飞，马冬宝

(北京电子科技职业学院机电工程学院，北京100176)

电力系统的正常运转关系到国家的社会生产能否正常进行，人民的日常生活是否受到影响。电源是整个电力系统的核心，保障电源的正常工作至关重要。随着物联网技术、嵌入式技术和移动通信技术的快速发展，基于4G网络的电源监控系统的可视化成为可能。4G网络能够快速传输数据，从而有效应对视频监控中大流量数据的传输[1]，系统的异常信息能够通过4G网络快速传输到控制端，保障系统的安全性和稳定性。

当前视频监控系统的控制逻辑主要通过控制端完成，控制端大多采用分布式监控系统，每一个分布式节点都独立负责当前站点的数据监控，每个分布式节点只需要采集当前站点的温度和湿度等、机房的空调状况、机房的气压情况等诸如此类的系统参数，各个分布式节点将获取到的系统参数传输到控制端，控制端根据各个分布式节点的运作情况进行人工、半人工或者自动化管理，这种通过集中式方式进行电源监控的机制能够快速有效地检测各个站点的系统运行情况，并针对具体站点的不同状况进行快速响应，从而保障电源系统的稳定性以及通信设备的正常运行。本文主要介绍了电源视频监控系统的组成部分，并运用4G移动通信技术构建一套完整的视频监控系统。

1 4G通信组网算法设计

4G移动通信是相对于3G移动通信而言，作为第四代移动通信技术，4G网络能够实现高清图像的快速传输，图像传输的清晰度和图像质量基本没有明显损失，并且具有超过2 MB/s的非对称数据传输能力，对全速移动用户能提供150 MB/s的高质量影像服务，并首次实现三维图像的高质量传输，无线用户之间可以进行三维虚拟现实通信。4G能够连接来自不同终端、不同频带和不同无线平台的网络，在提供无线服务的同时，能在任何时刻任何地点快速接入到互联网中，作为支撑多功能集成移动通信的先驱技术，在实现宽带接入IP系统的同时提供定时定位、数据采集和远程控制等综合功能[2]，是囊括了正交频分复用(OFDM)技术、软件无线电(SDR)技术、智能天线技术(SA)、多输入多输出(MIMO)技术、基于IP的核心网为一体的综合通信技术[3]。

电源监控系统的数据通信层采用4G作为通信载体，数据通信层作为连接上层控制层和底层数据采集层的中间层，一方面需要均衡整体系统的通信负载，另一方面需要对异常情况实时监测，因此本文设计了一种高效的4G通信组网算法。根据地理位置将通信层划分为多个通信簇，通信簇由多个通信节点构成，通信节点直接与底层的数据采集节点连接，每个通信簇选择一个通信主体，通信主体的选取原则以最小通信距离为依据，如公式(1)所示。

式中：d为通信簇的通信距离；nt为选取的通信主体；ni为通信簇中通信节点；M为通信簇中通信节点的数目。

通信主体的选取算法设计如下。

输入：通信簇C和通信节点集合n=(n1,n2,…,nM)；

输出：通信主体n(t=i)。

算法流程：

(1)对节点 ni=(1≤i≤M)，计算通信距离 di，将 di存入集合D中；

(2)对集合D中所有通信距离di排序，选取t=min{di}，记第i个节点为通信主体。

通信簇中通信主体负责与应用层和通信簇中其他节点进行数据交互，由于通信簇中只设置一个通信主体，因此增加数据缓冲区负责簇中其他节点的数据缓存，数据缓冲区的大小设置如公式(2)所示。式中：s为数据缓冲区的大小；πt为通信节点两次通信的时间间隔；πb为通信的平均数据量大小。数据缓冲区采用先写入先消费的设计原则，即通信节点根据时间序将数据写入数据缓冲区，通信主体从数据缓冲区消费数据。

数据通信层采用分布式设计，根据地理位置划分通信簇后，通信簇中通信主体定期与应用层交互节点的工作状态和数据状态，通信主体会实时汇报异常节点以供上层反馈。当通信主体出现异常后，通信簇中节点会重现选择新的通信主体。基于4G通信的组网算法设计如下。

输入：应用层App，通信节点集合n=(n1,n2,…,ns)，底层数据采集层Z；

输出：通信簇Cj选取的通信主体nt。

算法流程：

(1)根据地理位置划分多个通信簇Cj(1≤j≤k)，k为地理位置数目，在Cj中根据上述通信主体选取算法选择通信主体nt；

(2)通信簇Cj中通信主体nt向应用层App汇报，App存入nt到id的映射纪录；

(3)通信节点实时与Z和nt进行数据交互，nt识别通信节点的交互数据为正常数据或异常数据，异常数据则实时上报，正常数据则定期上报；

(4)通信簇实时监测通信主体状态，若异常则重新选择新主体并向App层汇报，App层更新新主体到id的映射纪录。

2 视频监控系统组成部分

完整的视频监控系统包括数据信号采集层、数据通信层和上层应用控制层三个主体部分，数据信号采集层主要通过底层传感器对原始的信号进行提取，数据通信层作为连接数据信号采集层和上层应用控制层的纽带，主要负责数据的传输和通信，将底层传感器采集的信号发送给控制层，同时将控制层的命令下发到底层。

视频监控系统的底层通过传感器节点构建，传感器能够直接获取环境的各项参数，环境参数作为上层应用控制层的重要命令指标。传感器环境参数底层通信时绝大多数采用ZigBee和WiFi等底层组网协议进行数据传输，相对于上层的GPRS和4G移动通信，底层数据通信协议能够支撑的传输距离有限，主要兼容能耗和传输成本等问题。数据信号采集层将底层的环境参数传输给上层控制层进行决策，同时控制层的决策命令通过数据通信层回返给底层进行实时处理。因此，从实现的功能上看，一个完整的视频安防监控系统通常由前端采集、信号传输、控制和显示四个主要部分组成。

2.1 前端采集和传输

底层的数据采集是整个视频监控系统的数据来源，视频监控系统不局限于简单的视频图像，还包括温度、湿度、气压、声音等多种类型的混合数据，在配备红外摄像头的同时，还需要配备温度传感器、湿度传感器和气压传感器等，图像信息在某些状态下无法准确反映环境信息，前端采集到的图像信息、温度气压信息、声音信息等通过数字信号处理技术转换为模拟/数字信息，在经过编码器编码后进行后向传输，如图1所示。

图1 前端数据采集和编码

数据采集器有一定的采集范围，同时底层组网的ZigBee节点也有一定的通信范围，ZigBee能够覆盖的面积为：

式中：R1为数据采集器的采集半径，R2为ZigBee节点的通信半径，因此可根据实际监控范围设置ZigBee节点数目。ZigBee节点采集到数据后，采用16位的Huffman编码进行数据压缩，压缩后数据与通信节点进行数据交互。

2.2 控制显示单元

控制显示单元是整个视频监控系统的核心，所有的控制命令都来自控制单元。控制单元一方面需要对上报的数字信号解码分析，另一方面要根据终端的环境参数做出合理的反馈。控制端采用C/S框架，在网关的设计上采用Cortex-A8处理器，Cortex-A8具有较低的功率消耗，相对于ARM其他系列的处理器，Cortex-A8只需要一半的功率就能够达到高出几倍的处理效率。Cortex-A8也能够应用于复杂的处理环境，ARM Cortex-A8、IVA2＋、POWERVR SGX Graphics Core、Image SignalProcessor(ISP)这四个核心部件都能够独立负责一部分功能。将Linux内核重新编译之后移植到嵌入式系统中。在终端可通过LED显示方式进行图形操作，如图2所示。

3 实验与仿真

仿真平台采用Matlab，实验模拟100个ZigBee节点进行数据采集，ZigBee节点单次数据传输大小为10 bit，单次数据传输时间间隔为10 s。设定10个地域一共构成10个通信簇，每个通信簇中均等分为10个通信节点。实验主要对3G通信、4G通信和GPRS通信三种通信方式在平均通信时延、平均通信丢失率两个数据指标上进行对比。平均通信时延和平均通信丢失率计算为：

图2 控制显示单元

式中：pd和pl分别为平均通信时延和平均通信丢失率；costd(nt)和costl(nt)分别为通信簇中通信节点的通信时延和通信丢失率取平均值。

表1为平均通信时延和平均通信丢失率在3G、4G和GPRS三种指标对比。实验分别按10倍比例调整传输数据量。3G通信在通信时延和通信丢失率上表现较差，在数据量较小时性能差别并不明显，当数据量增大时通信时延和通信丢失率明显增加。相对而言，GPRS通信的效率在数据量较小时优于4G通信，当数据量增大时，4G通信的影响较小，GPRS则出现较为明显的性能差异，这也说明了4G在传输大流量数据时具有先天的优势。