基于以太网的分布式视频设备环境监控系统设计

刘洋+张添+冉伟仡

摘要：重庆市南岸区背街小巷视频建设工程，在全区范围内部署了1万余个视频监控点位。工程采用了视频监控文件前端存储方式，将监控镜头配套的NVR、网络设备、供电设备集成在一个室外机柜内，机柜与监控镜头就近部署。由于室外环境较为恶劣，且机柜内设备对温湿度较为敏感，因此需要对环境进行监控调节。本文介绍了一种基于STM32的分布式环境监控设备，可对各点位的室外机柜内温湿度情况进行远程监控调节，经过实际测试，使用该系统管理的监控点位机柜内温度保持在25℃±3℃范围内。

关键词：以太网；分布式视频设备；环境监控系统；STM32微控器

中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2017）06-0169-03

重庆市南岸区建设的背街小巷视频建设工程，旨在以有限的资金建设尽可能多的视频监控摄像头以覆盖全区偏僻区域和案事件高发区域。工程在设计时抛弃了租用光纤实时传输视频文件至数据中心进行集中存储方案，采用了了视频文件就近存储的分布式存储方案，在需要调取视频监控时通过各监控镜头的NVR建立的ADSL-VPDN通道传输视频数据，使用低带宽网络按需传输视频文件，节省了大量通信费用。由于室外机柜所处环境情况复杂，为了监控众多分散的前端存储设备内工作环境温湿度、提高设备在线率和可用时间，本文设计了一种分布式设备环境监控系统，通过利用现有视频网络传输监控数据，在监控设备分散和大量部署的情况下，与传统分布式环境监控系统采用的移动数据网络相比，在使用本方案可以提高数据传输可靠性并节省非常可观的通信费[1]。

1 总体方案设计

视频监控设备机柜内配备环境监控系统通过分布在远端的室外设备箱内的STM32微控器对机柜内外温度、湿度、机柜门开闭状态进行监控，并将状态数据通过以太网控制器经由NVR连接的VDPN视频传输网络传输至远程监控中心[2]。监控中心通过远程设置温度和湿度门限，由单片机系统自主控制半导体制冷设备和风机开关，实现内温湿度调节。对于自主调节无效的情况将报警由人工到现场进行处理，总体方案设计如图1所示。

2 系统硬件设计

2.1 系统硬件组成

系统以STM32F103微控器为核心，通过SPI 接口与以太网控制芯片W5500和存储芯片W25X64连接，实现以太网通信和数据存储功能。通过IO输入接口与数字温湿度传感器DHT22和门磁感应模块连接实现内部温湿度检测和门开闭状体检测功能。通过IO输出接口控制半导体制冷模块和风机开关模块，实现温湿度控制功能。系统硬件组成如图2所示。

2.2 STM32F103微控器

系统核心为ST公司基于ARM Cortex M3内核推出的32位微控器STM32F103RBT6，该微控器工作频率可达72MHz，并具有丰富的外设，且ST公司提供了外设的驱动函数库，极大简化了开发过程。系统同时使用了微控器的两个SPI接口控制存储芯片和以太网控制器。通过微控器的IO接口输入连接机柜门磁感应信号和DHT22温湿度传感器接入，IO输出开关量控制风机和半导体制冷模块开关。考虑到系统量产后需要进行现场配置，还用到了微控器的USART接口作为串口通信，计算机使用PL2303或FT232 USB串口转换模块连接微控器USART接口即可进行系统初始参数配置[3]。

2.3 温湿度传感器

系统采用了DHT22数字式温湿度传感器用于内部和外部温湿度模块的温度测量范围为-40-80℃，分辨率为0.1℃，误差±0.5℃，湿度测量范围为0-100%RH，分辨为0.1%RH，误差±2%RH；该模块使用微控器一个IO口即可实现数据双向传输。

2.4 W5500以太网控制器

W5500是WIZnet推出的高性能以太网接口芯片，内部集成全硬件TCP/IP协议栈+MAC+PHY。W5500集成硬件化TCP/IP协议栈支持TCP、UDP、IPV4等协议，内部32K字节存储器作为TX/RX数据缓存，支持10/100Mbps自适应传输速率。系统通过微控器的SPI接口与W5500连接，并使用UDP协议进行数据传输。

2.5 SPI FLASH存储器

W25Q64是华邦公司推出的大容量SPI FLASH产品，W25Q64的容量为64Mbit，擦写周期多达10W次，具有20年的数据保存期限，且支持标准的SPI，系统使用W25Q64存储事件日志、配置信息。

3 系统软件设计

系统软件运行首先对STM32RBT6微控器的中断、定时器、串口、SPI端口、IO接口外设进行初始化，初始化完成后对W5500和温湿度传感器按照预设进行配置。由于初次设置需要在施工现场与NVR提供网络参数匹配，系统设计了串口程序接收配置信息，通过串口接收W5500的初始化信息并存入W25Q64中的配置信息区，存储完毕后会对系统设置进行更新[4]。

由于工程采用视频设备环境监控系统设备众多，如果同时向远程监控端发送数据将导致网络拥塞甚至崩溃，要求在系统软件设计时必须充分考虑到各个节点应具有自治能力。系统每30s采集一次机柜内外的到的温湿度，当机柜内温度超过设定门限时，与机柜外温度进行对比，若机柜外温度低于机柜内温度，打开风机通风即可进行有效散热。当机柜外温度高于机柜内温度，系统将开启半导体制冷模块，通过半导体制冷模块冷端上的风扇将冷风在机柜内循环，半导体制冷模块热端的热量通过水循环将热量带到机柜外。降温设备开启后每分5钟对降温效果进行评估，若温度降低到门限值以下则只记录事件，不报警，根据若温度超出门限3-5度则报黄色警告，需关注后续降温效果，超出门限5～10度则报红色警告需立即安排人员前往现场处理。由于监控设备的室外机柜内装有各种设备，为了防止人为故意破坏和盗窃设备，设备配备了机柜门磁感应，机柜门被打开时系统将记录机柜打开时间，发布告警信息，通知相关人员进行处理，若机柜门为未授权打开，可以通过系统记录的机柜门打开时间点调取附近监控点位监控，查看现场情况[5]。

系统的配置参数和事件日志记录在SPI FLASH存储芯片W25Q64中，W25Q64具有64Mbit（8Mbyte）存储容量，系统中规划前1Mbyte作为配置数据存储区，用于存储外设配置信息、系统各种运行参数配置信息，后7Mbyte作为日志存储区存储日志信息。远程计算机通过以太网按照每日预订计划对设备进行轮询，收集状态和日志信息[6]。系统的软件流程如图3所示。

4 结语

经过前期布置10套样机进行测试，配备分布式视频设备环境监控系统的机柜内温度能够长期保持在25℃±3℃范围内，因为环境温湿度因素导致线率故障率有明显的下降，提高了监控的在线时间和使用寿命。下一步工作将各分布设备的环境温湿度数据集成到GIS平台中，通过GIS平台更直观展现设备运行环境情况。

参考文献

[1]STM32F103参考手册[Z].意法半导体中国投资有限公司，2010.

[2]高性能以太网芯片W5500数据手册[Z].WIZnet，2014.

[3]张祥，蔡景，林海彬，刁海飞.基于STM32的温湿度监测系统设计[J].中國仪器仪表，2013（7）：62-65.

[4]李阳辉.基于STM32和GSM的温度远程监控系统设计[J].自动化与仪器仪表，2015（1）：56-59.

[5]张光娜.基于GSM的智能温湿度控制系统的分析[J].黑龙江科学，2016（17）：32-33.

[6]帅晨，王长坤，胡慧，等.基于TC35的智能远程空调控制系统[J].测控技术2015（2）：69-72.endprint