任虎++陳金柱+張長騰+郭剛

摘 要：提出了一種基于3G網(wǎng)絡(luò)的遠程視頻傳輸系統(tǒng)，本系統(tǒng)利用成熟的RTU遠程遙測遙控終端，利用應(yīng)用編程接口，采集遠端航標燈燈質(zhì)視頻信息；通過成熟的3G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，將數(shù)據(jù)流發(fā)送給遠程監(jiān)控中心，以便于航道技術(shù)人員對航道航標燈燈質(zhì)的損壞程度做出判斷并及時進行響應(yīng)，不僅大幅提高航道航標的維護效率，節(jié)省了時間成本和人力成本，還為延長巡航時間做出有力保障。本系統(tǒng)在北部灣沿海航道中進行試運行，獲得非常好的效果。

關(guān)鍵詞：3G 視頻監(jiān)控 遙控遙測

項目背景

隨著水運經(jīng)濟的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的航標管理模式越來越不適應(yīng)現(xiàn)代化管理的需要，成為制約提高航標管理的瓶頸。為進一步提高航標遙測遙控的技術(shù)水平，在前期航標遙測遙控系統(tǒng)建設(shè)的基礎(chǔ)上，進一步研究開發(fā)具有無線視頻監(jiān)控功能的遙測遙控終端，建設(shè)北部灣沿海航道無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)。采用針對航標維護而專門開發(fā)的視頻傳輸技術(shù)，實現(xiàn)航標燈燈質(zhì)異常的遠程監(jiān)控，就可以對航標燈進行單點監(jiān)控和維護，不僅大大縮短對航標的響應(yīng)時間，節(jié)約成本。

航道航標的由于分布范圍廣，且絕大部分漂浮于水面上，故傳統(tǒng)的通訊方式如RS485總線，或RJ45網(wǎng)線等都不適合航道航標的信息傳輸機制；其他新興的無線傳輸方式諸如藍牙、WIFI、Zig-Bee等，其有限的傳輸距離，同樣無法滿足航道航標分布范圍廣泛的特點。

3G互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的興起，讓遠程視頻傳輸成為了可能，高可用的上下行帶寬，大范圍的傳輸距離，無須布線，組網(wǎng)靈活，升級容易等特點，滿足航道對組網(wǎng)分布廣泛，監(jiān)控實現(xiàn)難度大的需求。因此，通過3G無線通信技術(shù)與互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相結(jié)合，可以實現(xiàn)航道航標在設(shè)備巡航和維護方面的需求，是解決航道監(jiān)控系統(tǒng)最為有效的監(jiān)控方案。

基于3G網(wǎng)絡(luò)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)

1、網(wǎng)絡(luò)整體架構(gòu)

整個航道航標系統(tǒng)基于3G網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信功能和數(shù)字視頻解碼系統(tǒng)為一體，采用3G通訊模塊，H.264高流暢度視頻處理技術(shù)，用現(xiàn)有已廣泛覆蓋的3G網(wǎng)絡(luò)和wifi網(wǎng)絡(luò)，結(jié)合相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)隧道技術(shù)，構(gòu)成了基于3G網(wǎng)絡(luò)的無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)。

3G無線網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控采用時下最經(jīng)濟實惠的第三代移動通信技術(shù)，結(jié)合VPN隧道技術(shù)進行視頻數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)男滦拖到y(tǒng)。采用視頻壓縮技術(shù)，整合了wifi，3G數(shù)據(jù)通訊功能、VPN技術(shù)和數(shù)字視頻編碼功能，把遠端攝像機采集到的數(shù)據(jù)通過壓縮編碼算法壓縮，并通過3G通信發(fā)送到監(jiān)控中心網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)在分發(fā)到視頻監(jiān)控主屏和移動監(jiān)控終端，實現(xiàn)對遠端航標燈燈質(zhì)信息的監(jiān)控。

2、數(shù)據(jù)傳輸方案設(shè)計

3G視頻在傳輸過程中，通過無線通訊發(fā)射基站，接入到Internet廣域網(wǎng)環(huán)境中，再通過基站傳輸回指定的3G網(wǎng)關(guān)；數(shù)據(jù)傳輸過程是雙向傳輸，考慮到將來還將會擴展其他應(yīng)用，在視頻監(jiān)控終端上預(yù)留了足夠的網(wǎng)絡(luò)接口，以便于將來的應(yīng)用擴展；目前可以實現(xiàn)的應(yīng)用是通過遠端監(jiān)控中心或者移動監(jiān)控終端，通過發(fā)送指令，切斷攝像頭對航標燈的視頻錄制，以達到節(jié)省流量和航標燈蓄電池電能的功效。

對于各級監(jiān)控中心之間，以及監(jiān)控中心，他們數(shù)據(jù)傳輸量比較大，而且專線接入比較方便，因此在設(shè)計時候考慮MSTP（多業(yè)務(wù)傳輸平臺）專線技術(shù)，它能實現(xiàn)基于SDH平臺，同時實現(xiàn)TDM、ATM、以太網(wǎng)等多種業(yè)務(wù)的接入、處理和傳送，提供統(tǒng)一網(wǎng)管的多業(yè)務(wù)節(jié)點。

綜上所述，航道航標遙測遙控的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計方案最好的方案是采用移動通信機制作為前端數(shù)據(jù)采集，MSTP傳輸技術(shù)作為業(yè)務(wù)后端數(shù)據(jù)傳輸為較優(yōu)方案。該方案不僅解決了各航道監(jiān)測中心間的數(shù)據(jù)同步互聯(lián)問題，同時只要接入3G網(wǎng)絡(luò)的移動終端客戶，均可通過預(yù)置監(jiān)控客戶端來訪問和監(jiān)控各個終端的燈質(zhì)情況。

3G通信系統(tǒng)

“3G”（3rd—generation）是第三代移動通信技術(shù)的簡稱，是一種支持語音，視頻等高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆涓C移動通信技術(shù)，目前國內(nèi)支持的三個3G無線接口標準，分別是中國電信的CDMA2000，中國聯(lián)通的WCDMA和中國移動的TD—SCDMA。三家運營商的3G技術(shù)均不屬于同一種制式，三種制式的參數(shù)詳見下表1。

3G設(shè)備撥號上網(wǎng)，是通過設(shè)備終端使用3G網(wǎng)絡(luò)連接進運營商的私有網(wǎng)絡(luò)，訪問公網(wǎng)時在運營商內(nèi)經(jīng)過地址轉(zhuǎn)換才進入公用網(wǎng)絡(luò)，而公網(wǎng)無法直接訪問運營商的私有網(wǎng)絡(luò)，即外部無法直接連接3G設(shè)備，只能通過運營商內(nèi)部設(shè)備撥號的方式點對點連接；這樣既保證了設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?，又保證設(shè)備的身份識別只能通過內(nèi)部撥號機制去完成，數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩缘玫竭M一步保障。

從我國現(xiàn)有3G通訊技術(shù)而言，中國聯(lián)通的WCDMA是帶寬速率最大，上下行速率最高的通訊技術(shù)，而從資費上面考慮，中國電信的資費在三家運營商中最低，中國移動的TD-SCDMA，為國內(nèi)自主研發(fā)，從技術(shù)方面，實際測試方面和資費方面都比中國聯(lián)通和中國電信有一定差距；考慮到成本問題，且本項目對傳輸速率要求不是很高，故項目選擇中國電信的CDMA2000作為主要無線通訊方式。

系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)采用STM32L152VDT6芯片作為CPU對整塊電路板做數(shù)據(jù)收發(fā)的控制，NEO-6Q 、SIM900A分別作為GPS和GSM模塊，分別用作整個電路板的衛(wèi)星定位和通訊功能，使用獨立的視頻編碼模塊對攝像頭采集的視頻進行編碼/解碼操作，并通過MPEG4編碼庫壓縮成MPEG4視頻標準格式的文件進行傳輸和保存。

系統(tǒng)通過使用高精度采樣電阻，對連接終端航標燈的蓄電池、太陽能電池板、航標燈等進行電壓電流的采樣，所采集信息通過RS485串口與主機通訊，主機將從機上傳信息通過GSM模塊發(fā)送到基站。系統(tǒng)硬件功能規(guī)劃如圖2所示：

STM32L152VDT6芯片主要控制數(shù)據(jù)間的傳輸，數(shù)據(jù)處理和指令分發(fā)，終端配備Flash/SD卡，通過SPI口與CPU相連接，用于存儲數(shù)據(jù)信息等。終端板卡附帶GPS模塊，可實現(xiàn)精準定位，定位誤差小于5米；數(shù)據(jù)傳輸使用GSM模塊發(fā)送，視頻傳輸使用3G模塊進行傳送。硬件板卡搭載看門狗SP706REN芯片，可防止系統(tǒng)異常重啟，提升系統(tǒng)穩(wěn)定性，使得待機時間大大增加。endprint

視頻監(jiān)控軟件系統(tǒng)

B/S架構(gòu)即客戶端和服務(wù)器架構(gòu)，目前基于B/S結(jié)構(gòu)具有先進的開發(fā)技術(shù)，方便管理和可維護等特性而成為最為流行的應(yīng)用方式。本次項目主要采用B/S、C/S系統(tǒng)相結(jié)合的架構(gòu)設(shè)計，配合電子地圖、網(wǎng)站系統(tǒng)和通訊服務(wù)器間的數(shù)據(jù)通訊來完成數(shù)據(jù)的采集和呈現(xiàn)。

航標遙測遙控通訊服務(wù)依托數(shù)據(jù)通訊平臺， 支持TCP/IP、UDP、HTTP、AT指令集等多種通訊協(xié)議，支持短信貓、GSM/GPRS無線網(wǎng)絡(luò)，Internet互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)和內(nèi)部局域網(wǎng)絡(luò)間復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)通訊，為航標遙測遙控系統(tǒng)提供通訊服務(wù)支持，實現(xiàn)航標遙測遙控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化分級管理與實時監(jiān)控。監(jiān)控中心與遙測遙控終端RTU間的數(shù)據(jù)通訊，各監(jiān)控中心間的數(shù)據(jù)通訊采用TCP/IP協(xié)議，以Socket通訊方式在服務(wù)器和客戶端間進行數(shù)據(jù)通訊。

航標遙測遙控系統(tǒng)嚴格遵照Windows的設(shè)計規(guī)范，充分結(jié)合.NET/XML/GIS/Web Service技術(shù)，按照三層架構(gòu)進行系統(tǒng)設(shè)計（數(shù)據(jù)層、業(yè)務(wù)層和表示層），如下：

軟件系統(tǒng)主要業(yè)務(wù)有航標基準安裝位置信息維護，航標基本屬性信息維護，終端固定屬性信息維護，燈質(zhì)信息維護，終端安裝信息維護，SIM卡信息維護，航道基礎(chǔ)信息維護，航標維護信息管理，3G遠程視頻監(jiān)控等幾個板塊；系統(tǒng)報警方案設(shè)置有警報實時監(jiān)測，警情上報，警情展示和查詢，報警項目管理幾塊，各個功能模塊分工明確，確保遠程視頻監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集監(jiān)測、報警功能能夠正常執(zhí)行。

系統(tǒng)使用3G技術(shù)，將遠程視頻通過運營商網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至監(jiān)控中心，監(jiān)控中心CS系統(tǒng)收集該視頻數(shù)據(jù)，并將視頻和采集上來的其他數(shù)據(jù)通過web界面或客戶端呈現(xiàn)給監(jiān)控人員。通過該系統(tǒng)，監(jiān)控人員、系統(tǒng)維護技術(shù)人員可以實現(xiàn)透過接入互聯(lián)網(wǎng)的PC或者3G手機終端監(jiān)測到航道航標燈的現(xiàn)場燈質(zhì)狀況，并可以實現(xiàn)簡單的操控，以達到對航標燈現(xiàn)場做出快速的反應(yīng)；系統(tǒng)可自設(shè)閥值報警，在系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)超過設(shè)定閥值之后，系統(tǒng)將及時通過GSM，短信或者郵件的方式提醒監(jiān)控人員對報警航標燈進行遠程監(jiān)控；主動將航標燈損壞卻無人監(jiān)管的風險降到最低，實現(xiàn)真正意義上的遠程監(jiān)控。

結(jié)語

基于3G技術(shù)的航標燈遠程視頻監(jiān)控系統(tǒng)，將3G技術(shù)和傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的有點相結(jié)合，使用ArcGIS電子海圖地理信息平臺，利用遠程視頻技術(shù)，全方位模擬現(xiàn)場環(huán)境并進行有效數(shù)據(jù)抓取，從而解決航標燈的遠程監(jiān)控。本產(chǎn)品最大的特點就是跨平臺和覆蓋范圍廣，航道航標監(jiān)控人員可以通過任何具有Internet訪問權(quán)限的PC或手機直接觀測到當前航標燈燈質(zhì)狀況和電流電壓等其他信息，大大縮短了人為對航標燈維護的響應(yīng)時間，及時發(fā)現(xiàn)及時維護；航標燈遙測遙控技術(shù)的推廣，將會為航標燈維護事業(yè)提供更有有力的技術(shù)保障。系統(tǒng)在北部灣沿海航道進行了長達半年的試運行，各項指標都表明研究是成功的。

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（第一作者單位：北京數(shù)字方舟信息技術(shù)有限公司）endprint