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一、项目需求分析及建设目标

1.1 项目需求分析

  九寨沟风景名胜区位于中国西部四川省阿坝县藏族羌族自治州南坪县。因为九个藏族村寨坐落在这片高山湖泊群中,因而被称为九寨。全区面积约720平方公里,大部分为森林所覆盖。九寨沟风景名胜区主景长80余公里,由沟口一诺日朗一长海和诺日朗一原始森林两条支沟组成,有长海、剑岩、诺日朗,树正、扎如、黑海六大奇观,佳景荟萃, 自然纯净。山、水、林诸多景物中,尤以水景最为奇丽。在狭长的山沟谷地中,有色彩斑斓、清澈若镜的100多个湖泊散布其间,泉、瀑、河、滩将无数碧蓝澄澈的湖泊连缀一体,千姿百态,如诗如画。加之雪峰,蓝天映衬和四时季节变换,使九寨风光有黄山归来不看山,九寨归来不看水中华水景之王之称。

  据用户需求拟定在九寨沟景区安装60套摄像机实行全天候观测,由于九寨沟风景区自然环境优美,且尽量不能破坏其自然环境,如果采用传统的有线来实施,必会导致大量的自然环境的破坏,因此无线的、数字视频监控方式成为景区的首选

1.3 项目建设目标

主要实现无线数字视频监控系统建设目标如下:

u监控点具备高品质、高清晰度的现场视频显示,摄像机的图像可达到 704×576分辨率,同时也可支持 CIF2CIF 4CIF分辨率。

u系统建设完成之后,在需要功能扩充的情况下,可以支持数字电视墙进行实时视频的显示、管理,可在电视墙上以固定显示、自动定时循环显示(可自由设定循环显示间隔时间)、临时指定显示等多种显示方式进行监控显示管理。

u在不同的区域经过授权各级领导可通过网络利用“副控软件”(客户端软件)对任一监控点、情况进行监控。

u监控端能实时控制到所有监控点的实际情况,并且随时提供任一台电脑通过互联网进行实时监控到所有监控点的实际情况。速率可调的实时图像

u H.264 格式传送;任意时间段内可进行录像;为适应不同情况下图像连贯性和图像清晰度的带宽要求, 网络传输带宽可达到网络摄像机的要求。

u系统支持自适应速率控制:根据网路带宽的实际变化,调整输出码流, 使得用户获得与当前网络带宽相匹配的图像质量,提高系统的健壮性和适应性;网络数字摄像机根据网络情况具备降帧增帧功能。帧数由 025 /秒可调,并且图像画质可调。

u系统支持录像资料备份、导出等管理功能。

u实现广域网远程传输控制功能;保证基于远程访问的监控点可通过所有各种网络,如联通、移动、电信、网通、铁通等的网关及防火墙;支持 通过城域网、广域网进行远程实时监控访问;支持以WEB页面、客户端软件两种方式进行访问;支持远程实时录像,远程录像资料下载查询,并能进行视频回放等功能。

项目实现及其原理

在监控系统中,室外无线网桥主要扮演连接被监控点和监控中心传输链路的角色。通过无线网络可以将远程的多个监控点设备连接起来,进行视频传输视频监控系统主要完成如何将被监控点实时采集的视频文件及时地传输给监控中心的工作。通常,被监控点和监控中心之间相隔较远,且被监控点分布较分散,利用有线连接方式,不但成本高、施工困难、建设周期长,而且可扩充性、灵活性差,一旦要增加或者减少被监测点,将会带来新的施工周期。在这种情况下,无线桥接技术WLAN)就显露出其优越的特性。具体系统如图所示:

四川大学九寨沟 

四、系统方案设计

4.1 无线传输链路设计

  此次观测项目为四川大学环境观测的一部分, 规划60个监控点对九寨沟水纹、森林、自然环境进行观测。 监控中心位于四川大学内,由于大部分监控点在山上,因此总汇聚点设在离九寨沟风景区有线资源点不远处。 每5个监控点汇聚到一个小汇聚点,再由4个小汇聚点汇聚到A汇聚点、B汇聚点或者C汇聚点,A、B、C、汇聚点每个汇聚20路视频图像,A、B、C、汇聚点通过无线传输给总汇聚点,总汇聚点把收集到的60路视频信号通过无线传输给有线资源点,

具体系统链路结构如下图所示:

四川大学九寨沟2

 

每路图像在不同画质下占用的带宽不同,考虑系统的稳定,带宽必须有一定冗余。

5.8G骨干传输部分根据无线电波传播模型,则:

P=Pt+ Gt 1+ Gt 2-PL-Pa

PL=32.45+20lgD+20lgf

PL1=117.3dB(3000m范围内

PL1=120.8dB(4500m范围内

PL1=125.8dB(8000m范围内

P1≥-43.3dBm

P2≥-46.8dBm

P3≥-51.8dBm

所以,对任何双向通信链路,设计上可保证双向链路场强。在这个场强下,可充分保证300Mbps的协议带宽。实际链路带宽依据环境确定。

  背靠背传输方式示意图:

四川大学九寨沟3 

4.2 监控中心

根据用户方要求,监控中心对前端的画面需要在电视墙上显示。因整套系统方案已数字监控为主导,如果要求使用电视墙显示功能,则视频流被网络视频录像机转发到相应的解码器进行解码和显示,从而实现了类似于模拟视频矩阵的图像交换功能。视频解码器和前端视频编码器是一一对应的关系,现在前端有36个摄像机那么在监控中心也必须有36个视频解码器对应才能将画面显示在电视墙上。

监控中心可直接使用服务器来存储,同时监控管理服务器具有控制前端摄像机的功能。本地存储主要实现音视频信号的存储。由于本地音视频存储的数据大、周期长,需要性能优越的大容量硬盘。存储容量如下表所示(仅做参考)

画    质

占用带宽/路

每天所需容量/路

10路15天所需硬盘容量

CIF(VCD画质)

350Kb/s

3.6GB

540GB

2CIF(高于VCD画质)

450Kb/s

4.6GB

690GB

D1(DVD画质)

500Kb/s

5.1GB

765GB

4.3 前端设备及布局

前端设备是安装在现场的摄像装置包括各类摄像机镜头防护罩支架, 它的任务是将现场的图像信号转换成数据信号,并传输到控制中心。

4.4 无线链路的安全加密和抗干扰

在整套无线数字视频监控系统中,用户可以根据网络的情况选择不同安全级别的无线网络进行桥接,在数据链路层、网络层、应用层等多层加密的通道中进行数据传输。通过拒绝非授权用户进入网络占用资源的同时,保障合法用户的信息私密性。同时对于不正常的网络行为能够有相应的监控和管理措施,能够通过网络日志来进行网络的安全控管。具体认证加密方式如下:

  • 服务集标识SSID(Service Set Identifier)匹配,隐藏SSID.

  • 物理地址(MACMedia Access Control)过滤.

  • 端口访问控制技术(IEEE 802.1x)和可扩展认证协议(EAP).

  • WEP(Wired Equivalent Privacy)有线等效保密,可支持64/128/152位.

  • WPA保护访问(Wi-Fi Protected Access)技术.包括:WAP、WPA-PSK、WPA2、WPA2-PSK、WPA-AUTO、WPA-PSK-AUTO.

  • 支持WLAN验证与安全标准—IEEE 802.11i.

4.5 电源供电

本系统采用风光互补供电系统:所有前端设备的供电均引自蓄电池供电电源;控制室设备均由中央控制室稳压电源220VAC供电,以保证所有设备的稳定供电。

由于摄像机、网络视频服务器、换机、网桥均需要供电,并且摄像机和视频服务器都是采用直流供电,为了便于管理和减少工程造价,按以下几点来实施:

1.电源线与网线同路由向网络视频服务器供电,与信号线同路由向前端视频摄像机供电。

2.电源线与视频信号线同路由时套单独的 PVC 与信号线距离要大于 10CM 以避免影响图像信号。

3.视频服务器安装在防水盒内,盒内应安装空气开关。


POE供电示意图:

四川大学九寨沟4 

 

4.6避雷

根据当地环境,网桥设备,摄像机,视频服务器都需要有良好的避雷设施,因此在每个监控点和监控中心需安装避雷针并且接地良好,由于监控中心地理位置较高,为了确保无线设备安全稳定的运行,还应该安装高频馈线避雷器。

 

4.7风光互补供电系统

  风能和太阳能是取之不尽用之不竭的可再生能源,风力发电(风电)和太阳能发电(光电)系统在我国已得到初步应用。这两种发电方式各有其优点,但风电和光电分别在无风和阴雨天等气候条件下无法保证电能的连续供应。采用风力发电和太阳能发电互补(风光互补)技术后,可以有效解决单一发电不连续问题,保证基本稳定的供电。


风光互补系统原理:

  小型风光互补发电系统一般包括风力发电机、太阳能电池组件、控制器、逆变器、耗能负载、蓄电池组以及支架等。发电系统具体工作原理如下图所示。白天在太阳光的照射下,太阳能电池组件产生的直流电流与风力发电机组发出的交流电经整流后,通过控制器一部分经逆变器转化成交流电供负载使用,另一部分对蓄电池进行充电;当阳光或风能不足时,蓄电池的电能通过逆变器转化为交流电供交流负载使用。

  其中太阳能光伏、风力控制器尤为重要,它是对光伏电池板和风力发电机所发的电能进行调节和控制,一方面把调整后的能量送往直流负载或交流负载,另一方面把多余的能量按蓄电池的特性曲线对蓄电池组进行充电,当所发的电不能满足负载需要时,控制器又把蓄电池的电能送往负载。蓄电池充满电后,控制器要控制蓄电池不被过充。当蓄电池所储存的电能放完时,控制器要控制蓄电池不被过放电,保护蓄电池。

  储能元件铅酸蓄电池是风光互补独立电源系统常用的储能元件,其成本低、容量大、免维护的特性使其成为风光互补独立电源的首选。由于风电和光电单元必须通过蓄电池储能才能稳定供电,蓄电池合理的容量和科学的充放电是系统寿命的保证。

 

风光互补系统设计:

  系统的具体构成参数由使用时最大用电负荷与日平均用电量决定。最大用电负荷是选择系统逆变器容量的依据,而平均日发电量则是选择风机及光电板容量和蓄电池组容量的依据。同时系统安装地点的风光资源状况也是确定光电板和风机容量的另一个依据。

此高速公路无线监控系统中,前端监控子系统和无线链路传输子系统均采用风光互补系统独立供电,按照前端监控设备功耗(激光夜视仪150W、视频服务器约5W+无线链路传输设备功耗(2台无线网桥约28W、以太网交换机约4W),每个监控点需要风光互补系统提供约200W的功率。

通过分析用户的用电负荷特征以及用户所处区域的太阳能和风能资源状况进行合理的设计和匹配后,系统配置如下(参考配置):1,太阳能组件300W2,风力发电机功率400W3,冲放电控制器 12V40A4,蓄电池组采用12V/400AH  。该配置在无风无光条件下能使一个监控前端(包括前端摄像机、视频服务器、无线网桥、以太网交换机)正常工作3天。系统采用立杆支撑风机和太阳能光板,控制器及蓄电池采用地埋式。

针对不同用户配置适合用户的一整套系统完全可以保障前端监控子系统和无线链路传输子系统的电力供应,无需配备其他电源。


风光互补系统示意图:

四川大学九寨沟5 

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