野外安全防范系統設計淺析

■ 文/黑龍江省添銘物聯科技有限公司 蘇龍

關鍵字：視頻監控 無線網橋 太陽能供電

1 引言

視頻監控系統是安全技術防范工程的重要組成部分，近年來隨著智慧城市建設的不斷深入，越來越多的應用場景涉及到野外視頻監控系統，例如：森林防火、水資源保護、雪亮工程、智慧景區、智慧農業等等。

隨著信息技術的飛速發展，視頻監控系統當前正經歷著“智能化”時代，大數據、云計算、移動互聯網、物聯網、人工智能等技術的融入，使得視頻監控系統實現“智慧化”應用成為可能。

通過視頻監控系統采集的有效的實時視頻信息，相關部門可以通過專業的應用分析平臺，利用生物識別技術和大數據分析技術等先進科學技術對視頻信息進行解讀分析，對一些突發情況進行及時的反應預警、指揮調度和信息存儲等，從而提高管理部門的管理和應急指揮能力。

本文針對目前野外條件下，大型安全防范系統的實際情況，提出了一種基于無線網橋傳輸和太陽能供電的視頻監控系統設計解決方案。本方案主要包括以下幾部分：

·前端監控點設計

·無線傳輸設計

·太陽能供電設計

·防盜報警設計

·防雷接地設計

·監控中心設計

2 前端監控點設計

前端視頻監控點設計應根據管理部門的實際工作需要，確定監控點的安裝位置、設備選型等。

設備選型應堅持因地制宜、從實際業務需求出發，講究實用性，采用技術先進可行、經濟合理的選型方案。在設計中積極采取新工藝、新技術、新材料，同時結合當地的實際情況，妥善的解決好污染治理過程中的環境問題，將環境影響降到最低限度。

根據不同的應用場景選擇不同技術指標的攝像機，例如：森林防火需要用到雙光譜的攝像機，紅外熱成像的探測距離根據使用單位的實際管理需要確定；某些特殊場合，需要安裝超低照度的星光級攝像機（也有廠家叫黑光攝像機），以滿足夜間監控的需求。由于本文是對方案設計的學術性論述，因此，針對前端監控點選型設計不做過多論述。

3 無線傳輸設計

全數字高清視頻監控技術的實現必須具備良好的網絡環境。由于野外環境地形地貌比較復雜，采用光纜的形式進行網絡建設不論在施工難度上還是在今后的日常維護工作中都存在較大的問題。而采用無線網絡覆蓋的方式這些問題就都能得到很好的解決，而且采用無線網絡覆蓋的方式還具備靈活性、擴充性等優點。無論當地地勢地貌發生什么樣的變化，無線網絡覆蓋都可以方便地隨之改變。

無線網絡覆蓋的方式有多種，例如：無線網橋、微波、4G5G等等。本文推薦無線網橋的解決方案。

無線網橋顧名思義就是無線網絡的橋接，它利用無線傳輸方式實現在兩個或多個網絡之間搭起通信的橋梁。目前市場上主流的無線網橋一般分為2.4G和5.8G兩種。

2.4G網橋的優點是頻率低，波長大，繞射能力強。傳播路徑有輕微遮擋也無大礙。缺點是使用2.4G頻段的設備多，網橋發射的電磁波信號容易受其他設備發射的信號干擾，造成傳輸質量下降。2.4GHz 頻段本身的傳輸帶寬，一般不超過300Mbps。

5.8G 網橋的優點是頻率高，信道相對純凈，傳輸帶寬大。傳輸帶寬433Mbps起步，可輕松達到1Gbps以上。適合對數據傳輸要求較高的場景使用。缺點是頻率高，信號波長短，穿透性差，傳播途中不能有遮擋。

無線網橋憑借技術上的優勢，在大型的野外視頻監控系統中已得到廣泛應用。主要的應用場景有：高速公路、環境監測、森林防火、水庫河流監控等。在大多數情況下，我們都會設計選擇5.8G 網橋。

設計5.8G 網橋就必須保持監控點和監控中心之間的暢通，無遮擋。但是，在很多情況下，現場環境都不是十分的理想，總有那么一兩處遮擋物擋住了無線網橋的傳輸路線，這時候就需要用到中繼的傳輸方式了。

無線網橋組網一般有三種組網方式：

3.1 點對點組網

點對點組網，即“直接傳輸”。無線網橋設備可用來連接分別位于不同地點中兩個固定的網絡。如圖1所示：

圖1 點對點組網

3.2 中繼組網

中繼組網，即“間接傳輸”。BC兩點之間不可視，但兩者之間可以通過基站A間接可視。并且AC兩點，BA兩點之間滿足網橋設備通訊的要求?？刹捎弥欣^方式，A作為中繼點。BC各放置網橋，定向天線。A點可選方式有三種。如圖2所示：

圖2 中繼組網

3.3 點對多點組網

點對多點組網就是利用一臺點對多點網橋做為中心網橋采用外接全向或者定向天線或者扇區天線，把多個離散的遠程的網橋連成一體。如圖3所示：

圖3 點對多點組網

大型的野外監控系統無線網橋組網設計的難點就是組網方式設計。由于野外環境地勢、遮擋等因素的影響，單一的組網方式很難滿足野外復雜環境下的網絡傳輸要求。我們設計的時候，根據現場的實際情況，一般會選擇點對點組網、中繼組網和點對多點組網相結合的組網方式。例如下圖就是一個某典型的案例組網方式。我們結合實際案例分析一下組網方式設計。

無線網絡設計最終要的就是關注傳輸帶寬設計，我們以200萬像素的攝像機為例，結合上圖的案例，通常情況下200萬像素圖象所需帶寬為6Mbps（適當做了冗余）。根據實際監控點的分布，以及無線鏈路的構成，以圖4為例，每個基站承載帶寬及組網方式如下：

圖4 典型組網案例

中心基站：橋接1號主站，并覆蓋2臺攝像機，供需承載帶寬為438Mbps。2臺攝像機安裝在一個監控桿上，通過一對點對點網橋傳輸至監控中心。同時，1號主站做為中繼，將其他前端監控信號傳輸至監控中心。

1號主基站：橋接2、3、4號主基站，并覆蓋3臺攝像機，共需承載426Mbps。3臺攝像機安裝在兩個監控桿上，通過點對多點網橋傳輸至1號主基站，再通過中繼網橋傳輸至監控中心。1號主基站做為2、3、4號主基站的中繼基站，提供中繼傳輸。

2號主基站：橋接7號主基站，并覆蓋1臺攝像機，共需承載126Mbps。1臺攝像機通過一對點對點網橋傳輸至2號主基站，然后通過中繼網橋傳輸至監控中心。2號主基站做為7號主基站的中繼基站提供中繼傳輸。

3號主基站：橋接6號主基站，并覆蓋2臺攝像機，共需承載90Mbps。2臺攝像機安裝在一個監控桿上，通過一對點對點網橋傳輸至3號主基站，然后通過中繼網橋傳輸至監控中心，3號主機站做為6號主基站的中繼基站提供中繼傳輸。

4號主基站：橋接5號主基站及1號副基站、7號副基站，共需承載192Mbps。4號主基站做為中繼基站為5號主基站、1號副基站和7號副基站提供中繼傳輸。

5號主基站：橋接2號副基站、3號副基站，并覆蓋6臺攝像機，共需承載144Mbps。6臺攝像機安裝在3個監控桿上，通過點對多點網橋傳輸至5號主基站，再通過中繼網橋傳輸至監控中心。5號主基站做為2號副基站、3號副基站的中繼基站提供中繼傳輸。

6號主基站：橋接4號副基站，并覆蓋6臺攝像機，共需承載78Mbps。6臺攝像機安裝在3個監控桿上，通過點對多點網橋傳輸至5號主基站，再通過中繼網橋傳輸至監控中心。6號主基站做為4號副基站的中繼基站提供中繼傳輸。

7號主基站：橋接5號副基站及6號副基站，并覆蓋5臺攝像機，共需承載120Mbps。5臺攝像機安裝在3個監控桿上，通過點對多點網橋傳輸至7號主基站，再通過中繼網橋傳輸至監控中心。7號主基站做為5號副基站的中繼基站提供中繼傳輸。

1#副基站：覆蓋6個攝像機。需承載的帶寬為：36Mbps。6臺攝像機安裝在3個監控桿上，通過點對多點網橋傳輸至1號副基站，再通過中繼網橋傳輸至監控中心。

2#副基站：覆蓋9個攝像機。需承載的帶寬為：54Mbps。9臺攝像機安裝在5個監控桿上，通過點對多點網橋傳輸至2號副基站，再通過中繼網橋傳輸至監控中心。

3#副基站：覆蓋9個攝像機。需承載的帶寬為：54Mbps。9臺攝像機安裝在5個監控桿上，通過點對多點網橋傳輸至3號副基站，再通過中繼網橋傳輸至監控中心。

4#副基站：覆蓋7個攝像機。需承載的帶寬為：42Mbps。7臺攝像機安裝在4個監控桿上，通過點對多點網橋傳輸至4號副基站，再通過中繼網橋傳輸至監控中心。

5#副基站：覆蓋8個攝像機。需承載的帶寬為：48Mbps。8臺攝像機安裝在4個監控桿上，通過點對多點網橋傳輸至5號副基站，再通過中繼網橋傳輸至監控中心。

6#副基站：覆蓋7個攝像機。需承載的帶寬為：42Mbps。7臺攝像機安裝在4個監控桿上，通過點對多點網橋傳輸至6號副基站，再通過中繼網橋傳輸至監控中心。

7#副基站：覆蓋2個攝像機。需承載的帶寬為：12Mbps。2臺攝像機安裝在1個監控桿上，通過一對點對點網橋傳輸至7號副基站，再通過中繼網橋傳輸至監控中心。

在上面的案例中我們可以看出，整體組網既有點對點組網，又有點對多點組網，同時還要通過中繼的方式才能最終傳輸至監控中心，有些監控點位最多通過四次中繼傳輸，才傳輸至監控中心。足見這種方案組網方式設計的復雜和難度。這是一個比較典型的組網方式，也是野外安全防范系統設計的重點和難點。

帶寬和組網方式設計完畢，接下來就是按照帶寬要求和無線鏈路的距離，選擇滿足要求的網橋設備，主要是考慮網橋的功率和帶寬損耗。傳輸網絡除了網橋意外，還有交換機，需要說明的是，交換機一定要選擇工業級的交換機。

4 供電設計

太陽能是大自然賜予的一種取之不盡、用之不竭、無污染的綠色能源，但它具有隨機性、間歇性的特點。據估計，地球一年從太陽獲得的能量約為7×1017 kWh，我國陸地一年所獲得的太陽能在1.3×1016 kWh左右。由于各地區在地球上所處經緯度不同，我國各地平均日照射量和日照時間有很大差別，我國平均日照射量在2.6 kWh/m2d～6.4 kWh/m2d范圍，年日照數在1000～3300 h。

供電設計是大型野外監控設計的另外一個難點。常規情況下，我們會選擇太陽能供電的方式，根據不同的地區，我們也會設計風光互補供電。

太陽能供電的設計原則遵循環保、經濟、實用、安全、可靠。根據安裝地點太陽能資源具體情況和負載耗電量，確定太陽能發電容量，保證所有設備供電。

太陽能供電系統的工作原理是太陽電池組件將太陽的光能轉化為電能，太陽能充放電控制作為中心控制設備，一方面將太陽電池組件轉化的電能存儲在蓄電池組里，一方面控制蓄電池組對負載供電。如果用電設備中有交流設備，通過逆變器將直流電逆變成交流電，即可向交流設備提供電源。它由以下幾部分組成：太陽電池組件、太陽電池方陣支架、太陽能控制器、逆變器、蓄電池組等。

太陽能發電系統架構圖如下：

圖5 太陽能發電系統架構圖

確定太陽能發電功率及配置的前提是確定前端需要供電設備（負載）的功率及耗電量。前述案例中，設備選型確定好以后，我們根據監控桿上設備總功率和基站上的設備總功率，可以算出負載功率主要有兩種類型：監控桿負載功率P1=100W，基站負載功率P2=300W。我們以負載功率P1=100W為例，做太陽能供電設計。

4.1 光伏組件設計與選型

影響太陽能電池組件給蓄電池充電功率的因素主要有:

蓄電池組充電效率Kc取0.98；

光伏組件表面由于塵污遮蔽或老化引起的修正系數Kx取0.90；

光伏組件陣列組合損耗系數KZ取0.96；

光伏控制器轉換效率Kn取0.88。

則太陽能供電系統充電綜合效率計算如下：

η系統綜合效率=Kc×Kx×Kz×Kn×U系統電壓÷U光伏組件電壓

=0.98×0.90×0.96×0.88×24V÷37V

=0.48

假如當地月平均最低日照時數出現在十二月，在光伏組件正南向安裝傾角為50°的傾斜面上的月平均日照時數為4.23h，結合項目需求，所需光伏陣列功率計算如下：

P組件功率≥[(P1負載平均工作功率×h每日工作時長)-Q風機日發電量]÷(hα=50°，@十二月×η系統綜合效率)

=[（100W×24h) - 315Wh]÷(4.23h×0.48)

=1026Wp（實際選型的組件裝機量應大于理論組件裝機量）

選取峰值功率為300Wp的單晶硅光伏組件4片通過并聯組成1200Wp的光伏陣列，滿足負載用電需求。

4.2 蓄電池設計與選型

根據負載需求，太陽能供電系統在蓄電池常溫滿電的前提下應能保證負載連續4-5個陰雨天正常工作，則需要的蓄電池最小容量計算如下：

Q蓄電池組容量≥(P負載平均工作功率×h每日工作時長×d連續陰雨天數)÷(U系統電壓×τ放電深度)

=(100W×24h×4d)÷(24V×80%)

=500Ah

選取單體12V/250Ah的密封閥控式免維護膠體蓄電池4只串并聯組成24V/500Ah蓄電池組，滿足負載用電需求。

完成了光伏組件設計選型和蓄電池設計選型后，太陽能供電的核心設計就完成了，剩下的就是選擇相應的充放電控制器和逆變器等其他設備。

5 防盜報警設計

電子防盜報警系統是現代科技發展的一種高科技產品。它把人為管理、安全防范、信息處理有機地結合一起，使現代化管理手段有了極大的提高?，F代電子防盜報警系統應充分體現其現代化、科學化、綜合化，同時其選用的設備應考慮先進性、可靠性、實用性，外形美觀、布局合理，真正體現保安自動化、操作簡單化。

由于野外監控范圍較大，監控點分布較廣，前端基站設備大多數安裝在無人值守的密林深處，對監控設施的防盜尤為重要。特別是各類基站和監控點都配備有蓄電池等易盜設備，為了保證設備的正常運行，安裝一套先進的防盜報警系統是十分必要的，并采用雙向語音對講方式起到警告和威懾作用。

根據監控系統分布的具體特點，報警系統采用網絡總線的方式進行組建。報警系統可劃分為報警中心和防區兩個部分。

報警中心部分：報警中心設立在管理部門監控中心，主要由IP網絡控制主機、管理主機和管理平臺軟件構成。

防區：設立在各類基站和監控點，主要由網絡主機、雙鑒探測器、聲光報警器、攝像機、室外防水音柱構成。

當設立在各防區的雙鑒探測器探測到有人進入基站或監控點時，控制網絡主機將進入報警狀態，并將報警信號經無線鏈路傳輸至監控中心，由報警中心IP控制主機分辨出是哪個防區出現報警，并在管理主機上通過電子地圖顯示出發生警情的防區位置。

一旦有人靠近、攀爬基塔，告警系統啟動，監控攝像機錄像回傳至監控中心并實時錄像；同時，現場播放語音警示，監控中心接收到報警信號后，立即通過語音對講系統對現場喊話。

以前述案例為例，報警系統架構圖如圖6所示。

6 防雷接地設計

由于所有設備都是安裝在野外，因此，設備因雷擊遭到破壞的可能性就大大增加了，如果系統前期設計的防雷保護設計存在缺陷，其后果可能會使整個監控系統運行失靈，并造成難以估計的經濟損失。所以，對于野外監控系統的防雷接地設計顯得尤為重要。

6.1 監控點防雷系統

各監控點在桿頂設獨立避雷針、桿身做引下線，避雷針設計按《建筑物防雷設施安裝99D501-1》設計、制造安裝。避雷針保護范圍按《GB 50057建筑物防雷設計規范》之規定執行，按三類設防，滾球半徑（hr）取值60米。接地極制作安裝按《03D501-4接地裝置安裝》執行，采用共用接地系統。電阻小于10歐姆。安裝太陽能發電設備的室外電纜井內采取防閃電電涌侵入的措施，進行防雷等電位聯結，太陽能發電設備控制器處設置過電壓保護裝置(SPD電涌保護器)，所有弱電網線進出機箱處均應設置信息系統專用電涌保護裝置，信息系統防雷保護等級為D級。

6.2 基站防雷系統

各主、副基站通訊鐵塔在塔頂設計獨立避雷針、塔身做引下線，避雷針設計按《建筑物防雷設施安裝99D501-1》設計、制造安裝。避雷針保護范圍按《GB 50057建筑物防雷設計規范》之規定執行，按二類設防，滾球半徑（hr）取值45米。接地極制作安裝按《03D501-4接地裝置安裝》執行。電阻小于4歐姆。安裝太陽能發電設備的室外電纜井內采取防閃電電涌侵入的措施，進行防雷等電位聯結，太陽能發電設備控制器處設置過電壓保護裝置(SPD電涌保護器)，所有弱電網線進出機箱處均應設置信息系統專用電涌保護裝置，信息系統防雷保護等級為D級。

圖6 報警系統架構圖

6.3 監控中心防雷系統

監控中心基站通訊鐵塔在塔頂設計獨立避雷針、塔身做引下線，避雷針設計按《建筑物防雷設施安裝99D501-1》設計、制造安裝。避雷針保護范圍按《GB 50057建筑物防雷設計規范》之規定執行，按二類設防，滾球半徑（hr）取值45米。接地極與庫區管理辦公樓共用接地裝置。電阻小于1歐姆。監控室采取防閃電電涌侵入的措施，進行防雷等電位聯結，監控室專用電源配電箱處設置過電壓保護裝置(SPD電涌保護器)，所有弱電網線進出機箱處均應設置信息系統專用電涌保護裝置，信息系統防雷保護等級為D級。

7 監控中心設計

監控中心設立在管理辦公樓內，通過監控中心能及時瀏覽并回放各監控點的圖像信息。視頻監控中心的建設要滿足如下需求：

構建一套穩定、可靠、高效、安全的IP監控平臺，并為未來監控擴容預留資源，要求IP專網支持平滑升級；采用網絡攝像機（含網絡球機）直接接入IP監控專網，圖像質量要求達到高清畫質。系統支持監控點和存儲系統平滑擴容，要求擴容簡，并且保持系統整體穩定性。

監控點錄像數據保存在監控中心機房的網絡存儲設備中，監控點保存周期為30天，能提供24小時不間斷存儲服務和錄像查詢/回放服務。

監控中心配備電視墻，實時監控各監控點圖像。

統一的監控平臺軟件。提供網絡監視、遠程控制、網絡存儲、流媒體轉發、解碼等各類基于IP網的監控服務，能全面監測網絡攝像機、服務模塊的工作狀態，對異常狀態產生報警。

監控中心主要由存儲服務器、網絡存儲服務器、數字矩陣服務器、交換機、客戶端、操作臺、電視墻等設備構成，見下圖。

由各監控點經無線鏈路傳輸至監控中心的視頻圖像，經交換機與視頻矩陣服務器、存儲服務器、網絡存儲器相連接。

圖7 監控中心設備架構圖

圖像數據由存儲服務器、網絡存儲器企業級硬盤構成的圖像存儲系統進行存儲，存儲時間為30天。

客戶端主機通過交換機與視頻矩陣服務器、存儲服務器、網絡存儲服務器相連接，通過監控平臺軟件，實現對整個監控系統的操作。

圖像顯示由拼接屏實現，通過數字矩陣服務器實現對圖像的拼接、分割和預覽。

8 結語

傳輸和供電是當前野外安全防范系統設計面臨的兩大難點。本文設計的供電方案是太陽能供電方式。根據項目的地點不同，我們也可以考慮采用太陽能和風能互補的設計方式，最大限度提高供電系統的電力輸出穩定性，確保外場用電負載工作可靠、運行穩定。

本文提出的設計方案較好地解決了當前野外條件下前端監控及其配套設備供電和數據傳輸問題。