基于无线传输的水库视频监控系统

傅 川，刘金峰，白萍萍

（山东省胶东调水局，山东 济南 250100）

棘洪滩水库是引黄济青工程的唯一调蓄水库，位于胶州市、即墨市和城阳区交界处，库区面积达14.422 km2，围坝长 14.277 km，设计水位 14.2 m，总库容1.46亿m3，日供水30万m3，为青岛地区经济社会发展提供了可持续的水资源保证。库区范围较广，周边环境较复杂，做好库区安防尤显重要。

1 系统的总体结构

1.1 视频信号的采集、处理和传输

1）视频信号的采集。该系统有1个中心点、11个远端点。远端点距中心点最远距离7 km，且地理位置分布在240度区内，11个远端点与监控中心均可视。每个远端点需要架设一套监控设备，传输1路视频图像和1路报警信号。每路图像经1台编码器采集图像信息后通过无线远端设备传输。在局域网范围内的任意位置经过授权后都可看到视频图像和报警信息。其中远端站点需要在传输视频流媒体的同时传输计算机数据信号。

2）视频信号的处理和传输。由于摄像头拍摄的视频信号是连续的模拟信号，无法直接用网络协议进行传输，因此要通过视频压缩设备对模拟信号进行编码调制成数字信号，再由无线网桥进行发送。每个无线远端网桥设备最大无线带宽为54 Mbps，各个远端点通过无线远端网桥设备实现网络互联,共享中心54 Mbps的带宽。在理想环境下无线远端网桥设备实际总带宽可达35 Mbps左右，实际各远端点可达的速率与现场信噪比及无线网桥设备的型号有关。

1.2 数字云台的控制

为了能更加全面地对水库实现监控，摄像机加装了可控云台，中控室可根据自己的要求对摄像方位进行调整。控制信号由无线网络传送至配线箱内的双码流视频编码器，信号经第一步解析后由该设备上的485总线传送给控制云台的解码器，从而实现对云台、雨刷的控制。

1.3 服务器及客户机

视频图像及监控数据通过无线接入点传至服务器，由服务器接收并存储于视频监控数据库；同时服务器还将建立Web服务器，在局域网内发布历史视频监控数据。服务器端的Web服务器还应能够链接到各无线网络摄像机上，以方便监控人员察看实时监控信息。 客户机只要安装Web浏览器嵌入的Media player视频播放插件，就能播放视频监控图像。

2 关键技术

2.1 视频压缩标准的选择

目前对视频流进行数字压缩的标准主要有：MPEG-1、MPEG-2、MPEG-4 以及 H.263。 H.263 是国际电信联盟为64 K窄带信道制定的极低码率编码标准，对带宽要求低、图像质量较低。MPEG-1、2、4标准是MPEG组织制定的移动图像编码标准，其中，MPEG-1能达到VCD图像效果，在352×288的分辨率下的位速率一般1.5 Mb/s；MPEG-2是MPEG-1的超集，能达到DVD图像质量，在720×576的分辨率下，位速率需3.5 Mb/s以上。MPEG-4标准传输速率要求较低，在4800～64 kbits/sec之间，分辨率为176×144。与 MPEG-1和 MPEG-2相比，MPEG-4为多媒体数据压缩提供了一个更为广阔的平台。它可以将各种各样的多媒体技术充分用进来，包括压缩本工具、算法，也包括图像合成、语音合成等技术。而且MPEG4标准的占用带宽可调，占用带宽与图像的清晰度成正比。采用MPEG-4视频压缩技术，可以从根本上很好地解决图像数字化和带宽之间的突出矛盾，算法的特点在于它实现了高质量视频图像的极高压缩比。

由于MPEG-4视频压缩标准具有压缩比高、图像质量好的优点，本系统将采用这一标准对原始视频图像进行压缩，可以大大的减小在WLAN中需传送的数据量；完全可以达到实际应用的要求。

2.2 无线传输技术以及频率的优化

本系统采用MIMO（多入多出）+OFDM（正交频分复用）的方式进行无线信号的传输。MIMO是指信号系统发射端和接收端，分别使用了多个发射天线和接收天线，因而该技术被称为多发送天线和多接收天线(简称多入多出)技术，它可看成是分集技术的一种衍生。MIMO技术的实质是为系统提供了空间复用增益和空间分集增益。空间复用就是使用多天线系统，使每副发射天线发送的信号都与其它发射天线发送的信号有微小区别，充分利用空间传播中的多径分量，在同一信道中，同时传输多路信号，从而使得系统容量大为提高。在接收端可用单一天线，也可用多个天线进行接收，当然每个接收天线接收到的是所有发送信号与干扰信号的叠加，MIMO的空时解码系统利用数学算法拆开和恢复纠缠在一起的传输信号并将它们正确地识别出来。

MIMO具有抗多径衰落的能力，但对于频率选择性衰落，MIMO技术却是无能为力的。目前解决MIMO技术中频率选择性衰落的方案是结合OFDM技术，将频率选择性衰落转换为载波上的平坦衰落。该技术实际上是MCM（多载波调制）中的一种。

因此，将MIMO技术与OFDM技术相结合而产生出的MIMO-OFDM技术，则能取长补短，相得益彰。其信号的处理过程是：在发射端将信号进行空时编码，然后经OFDM调制后将信号同时从多个天线发射出去；在接收端利用多个接收天线接收信号，信号除作OFDM的解调外，还进行相应的空时解码以还原信号。由于OFDM本身利用了信道的频率分集，MIMO采用了空间分集和时间分集，因而MIMOOFDM技术同时具有了时间、频率和空间3种分集技术，从而使系统抗干扰能力大大增强。利用MIMO-OFDM技术，不仅可大幅提升整个网络的信息吞吐量，增大传输距离，而且提高了信号质量，使WLAN在性能上发生质的飞跃。

由于设备运行的环境复杂，我们对11个外围点运用了不同的信号增益设备，经过反复试验和现场调试，对外围点距中心站小于3 km的设备加DB的增益天线；对外围点距中心站大于3 km而小于5 km的设备加DB的增益天线；对外围点距中心站大于5 km的设备加DB的增益天线。由于无线网络信号穿越水面，根据时间的不同水面上空的水蒸气密度差别也比较大，对信号传输的影响也比较大，因此，在早、中、晚等多时对中心站的频率进行反复的调试设置，最终确定最优频率使各点的视频信号均能及时、清晰的传输到中心站。

2.3 避雷措施

由于棘洪滩水库地处平原，周围没有高建筑群，所以户外设备的避雷措施显得尤为重要。首先，对设备所安装的线杆顶端加上避雷针，防止雷直接落到配线箱上；其次，对配线箱内部做了3层避雷措施。电源线和由无线网桥传输下来的网络线进入三合一避雷模块，经过第一层隔离后，电源线再接入1∶1的隔离变压器，最后接入避雷插排，供其他设备使用。

2.4 低照度摄像头在微光下的效果调试

为了保证水库的夜间安全，本系统所用的摄像机均为低照度摄像机，在白天或光源充足时为彩色摄像机，当夜晚降临或光源不足时 （一般在1LUX～3LUX）即利用数位电路将彩色信号消除掉，成为黑白影像，且为之搭配了红外线，亦拿掉了彩色摄像机不可或缺的红外线滤除器，使它在微光下也能较为清晰的进行拍摄。通过实地的调试，对摄像头的光圈不断调整，使它能发现300 m以外的活动物体。若同时和管理房上的遥控探照灯配合使用，即能清晰观测到500 m范围的地域。

2.5 监控系统与其他安防设备的对接

无线监控系统作为整个水库安防的核心，起到了至关重要的作用。水库的安防还包括一个电子围栏系统，上面带有6 000 V高压和1 000 V低压的电脉冲。它不仅能对入侵者起到警示击退作用，被触发后还能由防区主机发出一个开关量信号，接入到监控配线箱内的解码器上。此信号可通过无线网络传输到中心站的服务器上，实现远程的预警机制。