北部灣沿海航道航標無線視頻監控系統研究

任虎++陳金柱+張長騰+郭剛

摘 要：提出了一種基于3G網絡的遠程視頻傳輸系統，本系統利用成熟的RTU遠程遙測遙控終端，利用應用編程接口，采集遠端航標燈燈質視頻信息；通過成熟的3G網絡技術，將數據流發送給遠程監控中心，以便于航道技術人員對航道航標燈燈質的損壞程度做出判斷并及時進行響應，不僅大幅提高航道航標的維護效率，節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。本系統在北部灣沿海航道中進行試運行，獲得非常好的效果。

關鍵詞：3G 視頻監控 遙控遙測

項目背景

隨著水運經濟的不斷發展，傳統的航標管理模式越來越不適應現代化管理的需要，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水平，在前期航標遙測遙控系統建設的基礎上，進一步研究開發具有無線視頻監控功能的遙測遙控終端，建設北部灣沿海航道無線視頻監控系統。采用針對航標維護而專門開發的視頻傳輸技術，實現航標燈燈質異常的遠程監控，就可以對航標燈進行單點監控和維護，不僅大大縮短對航標的響應時間，節約成本。

航道航標的由于分布范圍廣，且絕大部分漂浮于水面上，故傳統的通訊方式如RS485總線，或RJ45網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互聯網技術的興起，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，組網靈活，升級容易等特點，滿足航道對組網分布廣泛，監控實現難度大的需求。因此，通過3G無線通信技術與互聯網技術相結合，可以實現航道航標在設備巡航和維護方面的需求，是解決航道監控系統最為有效的監控方案。

基于3G網絡的視頻監控系統

1、網絡整體架構

整個航道航標系統基于3G網絡數據通信功能和數字視頻解碼系統為一體，采用3G通訊模塊，H.264高流暢度視頻處理技術，用現有已廣泛覆蓋的3G網絡和wifi網絡，結合相應的網絡隧道技術，構成了基于3G網絡的無線視頻監控系統。

3G無線網絡視頻監控采用時下最經濟實惠的第三代移動通信技術，結合VPN隧道技術進行視頻數據網絡傳輸的新型系統。采用視頻壓縮技術，整合了wifi，3G數據通訊功能、VPN技術和數字視頻編碼功能，把遠端攝像機采集到的數據通過壓縮編碼算法壓縮，并通過3G通信發送到監控中心網關，網關在分發到視頻監控主屏和移動監控終端，實現對遠端航標燈燈質信息的監控。

2、數據傳輸方案設計

3G視頻在傳輸過程中，通過無線通訊發射基站，接入到Internet廣域網環境中，再通過基站傳輸回指定的3G網關；數據傳輸過程是雙向傳輸，考慮到將來還將會擴展其他應用，在視頻監控終端上預留了足夠的網絡接口，以便于將來的應用擴展；目前可以實現的應用是通過遠端監控中心或者移動監控終端，通過發送指令，切斷攝像頭對航標燈的視頻錄制，以達到節省流量和航標燈蓄電池電能的功效。

對于各級監控中心之間，以及監控中心，他們數據傳輸量比較大，而且專線接入比較方便，因此在設計時候考慮MSTP（多業務傳輸平臺）專線技術，它能實現基于SDH平臺，同時實現TDM、ATM、以太網等多種業務的接入、處理和傳送，提供統一網管的多業務節點。

綜上所述，航道航標遙測遙控的網絡設計方案最好的方案是采用移動通信機制作為前端數據采集，MSTP傳輸技術作為業務后端數據傳輸為較優方案。該方案不僅解決了各航道監測中心間的數據同步互聯問題，同時只要接入3G網絡的移動終端客戶，均可通過預置監控客戶端來訪問和監控各個終端的燈質情況。

3G通信系統

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

3G設備撥號上網，是通過設備終端使用3G網絡連接進運營商的私有網絡，訪問公網時在運營商內經過地址轉換才進入公用網絡，而公網無法直接訪問運營商的私有網絡，即外部無法直接連接3G設備，只能通過運營商內部設備撥號的方式點對點連接；這樣既保證了設備數據傳輸的安全性，又保證設備的身份識別只能通過內部撥號機制去完成，數據傳輸的安全性得到進一步保障。

從我國現有3G通訊技術而言，中國聯通的WCDMA是帶寬速率最大，上下行速率最高的通訊技術，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，為國內自主研發，從技術方面，實際測試方面和資費方面都比中國聯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。

系統硬件設計

系統采用STM32L152VDT6芯片作為CPU對整塊電路板做數據收發的控制，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模塊發送到基站。系統硬件功能規劃如圖2所示：

STM32L152VDT6芯片主要控制數據間的傳輸，數據處理和指令分發，終端配備Flash/SD卡，通過SPI口與CPU相連接，用于存儲數據信息等。終端板卡附帶GPS模塊，可實現精準定位，定位誤差小于5米；數據傳輸使用GSM模塊發送，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，可防止系統異常重啟，提升系統穩定性，使得待機時間大大增加。endprint

視頻監控軟件系統

B/S架構即客戶端和服務器架構，目前基于B/S結構具有先進的開發技術，方便管理和可維護等特性而成為最為流行的應用方式。本次項目主要采用B/S、C/S系統相結合的架構設計，配合電子地圖、網站系統和通訊服務器間的數據通訊來完成數據的采集和呈現。

航標遙測遙控通訊服務依托數據通訊平臺， 支持TCP/IP、UDP、HTTP、AT指令集等多種通訊協議，支持短信貓、GSM/GPRS無線網絡，Internet互聯網絡和內部局域網絡間復雜網絡的數據通訊，為航標遙測遙控系統提供通訊服務支持，實現航標遙測遙控系統的網絡化分級管理與實時監控。監控中心與遙測遙控終端RTU間的數據通訊，各監控中心間的數據通訊采用TCP/IP協議，以Socket通訊方式在服務器和客戶端間進行數據通訊。

航標遙測遙控系統嚴格遵照Windows的設計規范，充分結合.NET/XML/GIS/Web Service技術，按照三層架構進行系統設計（數據層、業務層和表示層），如下：

軟件系統主要業務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，燈質信息維護，終端安裝信息維護，SIM卡信息維護，航道基礎信息維護，航標維護信息管理，3G遠程視頻監控等幾個板塊；系統報警方案設置有警報實時監測，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，確保遠程視頻監控和數據采集監測、報警功能能夠正常執行。

系統使用3G技術，將遠程視頻通過運營商網絡發送至監控中心，監控中心CS系統收集該視頻數據，并將視頻和采集上來的其他數據通過web界面或客戶端呈現給監控人員。通過該系統，監控人員、系統維護技術人員可以實現透過接入互聯網的PC或者3G手機終端監測到航道航標燈的現場燈質狀況，并可以實現簡單的操控，以達到對航標燈現場做出快速的反應；系統可自設閥值報警，在系統監測數據超過設定閥值之后，系統將及時通過GSM，短信或者郵件的方式提醒監控人員對報警航標燈進行遠程監控；主動將航標燈損壞卻無人監管的風險降到最低，實現真正意義上的遠程監控。

結語

基于3G技術的航標燈遠程視頻監控系統，將3G技術和傳統互聯網技術的有點相結合，使用ArcGIS電子海圖地理信息平臺，利用遠程視頻技術，全方位模擬現場環境并進行有效數據抓取，從而解決航標燈的遠程監控。本產品最大的特點就是跨平臺和覆蓋范圍廣，航道航標監控人員可以通過任何具有Internet訪問權限的PC或手機直接觀測到當前航標燈燈質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時間，及時發現及時維護；航標燈遙測遙控技術的推廣，將會為航標燈維護事業提供更有有力的技術保障。系統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。

參考文獻：

[1]王強，胡斌.基于3G與VPN技術的棉花病蟲害遠程視頻診斷系統[D].新疆.石河子大學機械電氣工程學院，2013.

[2]梁居寶，杜克明，孫忠富.基于3G與VPN的遠程監控系統的設計與實現[J].中國農學通報.2011，27（29）：139～144.

[3]車煜暉.基于3G網絡和MPLS-VPN技術的工商移動辦公平臺的研究[D].西安電子科技大學，2010.

[4]李靜，王軍癥，沈偉.基于B/S和流媒體技術的遠程監控系統研究[J].北京理工大學學報.2008，28（8）：682～686.

[5]吳曉云.基于3G技術的嵌入式視頻監控終端設計[D].黑龍江.東北大學，2012.

（第一作者單位：北京數字方舟信息技術有限公司）endprint