基于以太網的分布式視頻設備環境監控系統設計

劉洋+張添+冉偉仡

摘要：重慶市南岸區背街小巷視頻建設工程，在全區范圍內部署了1萬余個視頻監控點位。工程采用了視頻監控文件前端存儲方式，將監控鏡頭配套的NVR、網絡設備、供電設備集成在一個室外機柜內，機柜與監控鏡頭就近部署。由于室外環境較為惡劣，且機柜內設備對溫濕度較為敏感，因此需要對環境進行監控調節。本文介紹了一種基于STM32的分布式環境監控設備，可對各點位的室外機柜內溫濕度情況進行遠程監控調節，經過實際測試，使用該系統管理的監控點位機柜內溫度保持在25℃±3℃范圍內。

關鍵詞：以太網；分布式視頻設備；環境監控系統；STM32微控器

中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2017）06-0169-03

重慶市南岸區建設的背街小巷視頻建設工程，旨在以有限的資金建設盡可能多的視頻監控攝像頭以覆蓋全區偏僻區域和案事件高發區域。工程在設計時拋棄了租用光纖實時傳輸視頻文件至數據中心進行集中存儲方案，采用了了視頻文件就近存儲的分布式存儲方案，在需要調取視頻監控時通過各監控鏡頭的NVR建立的ADSL-VPDN通道傳輸視頻數據，使用低帶寬網絡按需傳輸視頻文件，節省了大量通信費用。由于室外機柜所處環境情況復雜，為了監控眾多分散的前端存儲設備內工作環境溫濕度、提高設備在線率和可用時間，本文設計了一種分布式設備環境監控系統，通過利用現有視頻網絡傳輸監控數據，在監控設備分散和大量部署的情況下，與傳統分布式環境監控系統采用的移動數據網絡相比，在使用本方案可以提高數據傳輸可靠性并節省非?？捎^的通信費[1]。

1 總體方案設計

視頻監控設備機柜內配備環境監控系統通過分布在遠端的室外設備箱內的STM32微控器對機柜內外溫度、濕度、機柜門開閉狀態進行監控，并將狀態數據通過以太網控制器經由NVR連接的VDPN視頻傳輸網絡傳輸至遠程監控中心[2]。監控中心通過遠程設置溫度和濕度門限，由單片機系統自主控制半導體制冷設備和風機開關，實現內溫濕度調節。對于自主調節無效的情況將報警由人工到現場進行處理，總體方案設計如圖1所示。

2 系統硬件設計

2.1 系統硬件組成

系統以STM32F103微控器為核心，通過SPI 接口與以太網控制芯片W5500和存儲芯片W25X64連接，實現以太網通信和數據存儲功能。通過IO輸入接口與數字溫濕度傳感器DHT22和門磁感應模塊連接實現內部溫濕度檢測和門開閉狀體檢測功能。通過IO輸出接口控制半導體制冷模塊和風機開關模塊，實現溫濕度控制功能。系統硬件組成如圖2所示。

2.2 STM32F103微控器

系統核心為ST公司基于ARM Cortex M3內核推出的32位微控器STM32F103RBT6，該微控器工作頻率可達72MHz，并具有豐富的外設，且ST公司提供了外設的驅動函數庫，極大簡化了開發過程。系統同時使用了微控器的兩個SPI接口控制存儲芯片和以太網控制器。通過微控器的IO接口輸入連接機柜門磁感應信號和DHT22溫濕度傳感器接入，IO輸出開關量控制風機和半導體制冷模塊開關?？紤]到系統量產后需要進行現場配置，還用到了微控器的USART接口作為串口通信，計算機使用PL2303或FT232 USB串口轉換模塊連接微控器USART接口即可進行系統初始參數配置[3]。

2.3 溫濕度傳感器

系統采用了DHT22數字式溫濕度傳感器用于內部和外部溫濕度模塊的溫度測量范圍為-40-80℃，分辨率為0.1℃，誤差±0.5℃，濕度測量范圍為0-100%RH，分辨為0.1%RH，誤差±2%RH；該模塊使用微控器一個IO口即可實現數據雙向傳輸。

2.4 W5500以太網控制器

W5500是WIZnet推出的高性能以太網接口芯片，內部集成全硬件TCP/IP協議棧+MAC+PHY。W5500集成硬件化TCP/IP協議棧支持TCP、UDP、IPV4等協議，內部32K字節存儲器作為TX/RX數據緩存，支持10/100Mbps自適應傳輸速率。系統通過微控器的SPI接口與W5500連接，并使用UDP協議進行數據傳輸。

2.5 SPI FLASH存儲器

W25Q64是華邦公司推出的大容量SPI FLASH產品，W25Q64的容量為64Mbit，擦寫周期多達10W次，具有20年的數據保存期限，且支持標準的SPI，系統使用W25Q64存儲事件日志、配置信息。

3 系統軟件設計

系統軟件運行首先對STM32RBT6微控器的中斷、定時器、串口、SPI端口、IO接口外設進行初始化，初始化完成后對W5500和溫濕度傳感器按照預設進行配置。由于初次設置需要在施工現場與NVR提供網絡參數匹配，系統設計了串口程序接收配置信息，通過串口接收W5500的初始化信息并存入W25Q64中的配置信息區，存儲完畢后會對系統設置進行更新[4]。

由于工程采用視頻設備環境監控系統設備眾多，如果同時向遠程監控端發送數據將導致網絡擁塞甚至崩潰，要求在系統軟件設計時必須充分考慮到各個節點應具有自治能力。系統每30s采集一次機柜內外的到的溫濕度，當機柜內溫度超過設定門限時，與機柜外溫度進行對比，若機柜外溫度低于機柜內溫度，打開風機通風即可進行有效散熱。當機柜外溫度高于機柜內溫度，系統將開啟半導體制冷模塊，通過半導體制冷模塊冷端上的風扇將冷風在機柜內循環，半導體制冷模塊熱端的熱量通過水循環將熱量帶到機柜外。降溫設備開啟后每分5鐘對降溫效果進行評估，若溫度降低到門限值以下則只記錄事件，不報警，根據若溫度超出門限3-5度則報黃色警告，需關注后續降溫效果，超出門限5～10度則報紅色警告需立即安排人員前往現場處理。由于監控設備的室外機柜內裝有各種設備，為了防止人為故意破壞和盜竊設備，設備配備了機柜門磁感應，機柜門被打開時系統將記錄機柜打開時間，發布告警信息，通知相關人員進行處理，若機柜門為未授權打開，可以通過系統記錄的機柜門打開時間點調取附近監控點位監控，查看現場情況[5]。

系統的配置參數和事件日志記錄在SPI FLASH存儲芯片W25Q64中，W25Q64具有64Mbit（8Mbyte）存儲容量，系統中規劃前1Mbyte作為配置數據存儲區，用于存儲外設配置信息、系統各種運行參數配置信息，后7Mbyte作為日志存儲區存儲日志信息。遠程計算機通過以太網按照每日預訂計劃對設備進行輪詢，收集狀態和日志信息[6]。系統的軟件流程如圖3所示。

4 結語

經過前期布置10套樣機進行測試，配備分布式視頻設備環境監控系統的機柜內溫度能夠長期保持在25℃±3℃范圍內，因為環境溫濕度因素導致線率故障率有明顯的下降，提高了監控的在線時間和使用壽命。下一步工作將各分布設備的環境溫濕度數據集成到GIS平臺中，通過GIS平臺更直觀展現設備運行環境情況。

參考文獻

[1]STM32F103參考手冊[Z].意法半導體中國投資有限公司，2010.

[2]高性能以太網芯片W5500數據手冊[Z].WIZnet，2014.

[3]張祥，蔡景，林海彬，刁海飛.基于STM32的溫濕度監測系統設計[J].中國儀器儀表，2013（7）：62-65.

[4]李陽輝.基于STM32和GSM的溫度遠程監控系統設計[J].自動化與儀器儀表，2015（1）：56-59.

[5]張光娜.基于GSM的智能溫濕度控制系統的分析[J].黑龍江科學，2016（17）：32-33.

[6]帥晨，王長坤，胡慧，等.基于TC35的智能遠程空調控制系統[J].測控技術2015（2）：69-72.endprint