野外安全防范系统设计浅析

■ 文/黑龙江省添铭物联科技有限公司 苏龙

关键字：视频监控 无线网桥 太阳能供电

1 引言

视频监控系统是安全技术防范工程的重要组成部分，近年来随着智慧城市建设的不断深入，越来越多的应用场景涉及到野外视频监控系统，例如：森林防火、水资源保护、雪亮工程、智慧景区、智慧农业等等。

随着信息技术的飞速发展，视频监控系统当前正经历着“智能化”时代，大数据、云计算、移动互联网、物联网、人工智能等技术的融入，使得视频监控系统实现“智慧化”应用成为可能。

通过视频监控系统采集的有效的实时视频信息，相关部门可以通过专业的应用分析平台，利用生物识别技术和大数据分析技术等先进科学技术对视频信息进行解读分析，对一些突发情况进行及时的反应预警、指挥调度和信息存储等，从而提高管理部门的管理和应急指挥能力。

本文针对目前野外条件下，大型安全防范系统的实际情况，提出了一种基于无线网桥传输和太阳能供电的视频监控系统设计解决方案。本方案主要包括以下几部分：

·前端监控点设计

·无线传输设计

·太阳能供电设计

·防盗报警设计

·防雷接地设计

·监控中心设计

2 前端监控点设计

前端视频监控点设计应根据管理部门的实际工作需要，确定监控点的安装位置、设备选型等。

设备选型应坚持因地制宜、从实际业务需求出发，讲究实用性，采用技术先进可行、经济合理的选型方案。在设计中积极采取新工艺、新技术、新材料，同时结合当地的实际情况，妥善的解决好污染治理过程中的环境问题，将环境影响降到最低限度。

根据不同的应用场景选择不同技术指标的摄像机，例如：森林防火需要用到双光谱的摄像机，红外热成像的探测距离根据使用单位的实际管理需要确定；某些特殊场合，需要安装超低照度的星光级摄像机（也有厂家叫黑光摄像机），以满足夜间监控的需求。由于本文是对方案设计的学术性论述，因此，针对前端监控点选型设计不做过多论述。

3 无线传输设计

全数字高清视频监控技术的实现必须具备良好的网络环境。由于野外环境地形地貌比较复杂，采用光缆的形式进行网络建设不论在施工难度上还是在今后的日常维护工作中都存在较大的问题。而采用无线网络覆盖的方式这些问题就都能得到很好的解决，而且采用无线网络覆盖的方式还具备灵活性、扩充性等优点。无论当地地势地貌发生什么样的变化，无线网络覆盖都可以方便地随之改变。

无线网络覆盖的方式有多种，例如：无线网桥、微波、4G5G等等。本文推荐无线网桥的解决方案。

无线网桥顾名思义就是无线网络的桥接，它利用无线传输方式实现在两个或多个网络之间搭起通信的桥梁。目前市场上主流的无线网桥一般分为2.4G和5.8G两种。

2.4G网桥的优点是频率低，波长大，绕射能力强。传播路径有轻微遮挡也无大碍。缺点是使用2.4G频段的设备多，网桥发射的电磁波信号容易受其他设备发射的信号干扰，造成传输质量下降。2.4GHz 频段本身的传输带宽，一般不超过300Mbps。

5.8G 网桥的优点是频率高，信道相对纯净，传输带宽大。传输带宽433Mbps起步，可轻松达到1Gbps以上。适合对数据传输要求较高的场景使用。缺点是频率高，信号波长短，穿透性差，传播途中不能有遮挡。

无线网桥凭借技术上的优势，在大型的野外视频监控系统中已得到广泛应用。主要的应用场景有：高速公路、环境监测、森林防火、水库河流监控等。在大多数情况下，我们都会设计选择5.8G 网桥。

设计5.8G 网桥就必须保持监控点和监控中心之间的畅通，无遮挡。但是，在很多情况下，现场环境都不是十分的理想，总有那么一两处遮挡物挡住了无线网桥的传输路线，这时候就需要用到中继的传输方式了。

无线网桥组网一般有三种组网方式：

3.1 点对点组网

点对点组网，即“直接传输”。无线网桥设备可用来连接分别位于不同地点中两个固定的网络。如图1所示：

图1 点对点组网

3.2 中继组网

中继组网，即“间接传输”。BC两点之间不可视，但两者之间可以通过基站A间接可视。并且AC两点，BA两点之间满足网桥设备通讯的要求。可采用中继方式，A作为中继点。BC各放置网桥，定向天线。A点可选方式有三种。如图2所示：

图2 中继组网

3.3 点对多点组网

点对多点组网就是利用一台点对多点网桥做为中心网桥采用外接全向或者定向天线或者扇区天线，把多个离散的远程的网桥连成一体。如图3所示：

图3 点对多点组网

大型的野外监控系统无线网桥组网设计的难点就是组网方式设计。由于野外环境地势、遮挡等因素的影响，单一的组网方式很难满足野外复杂环境下的网络传输要求。我们设计的时候，根据现场的实际情况，一般会选择点对点组网、中继组网和点对多点组网相结合的组网方式。例如下图就是一个某典型的案例组网方式。我们结合实际案例分析一下组网方式设计。

无线网络设计最终要的就是关注传输带宽设计，我们以200万像素的摄像机为例，结合上图的案例，通常情况下200万像素图象所需带宽为6Mbps（适当做了冗余）。根据实际监控点的分布，以及无线链路的构成，以图4为例，每个基站承载带宽及组网方式如下：

图4 典型组网案例

中心基站：桥接1号主站，并覆盖2台摄像机，供需承载带宽为438Mbps。2台摄像机安装在一个监控杆上，通过一对点对点网桥传输至监控中心。同时，1号主站做为中继，将其他前端监控信号传输至监控中心。

1号主基站：桥接2、3、4号主基站，并覆盖3台摄像机，共需承载426Mbps。3台摄像机安装在两个监控杆上，通过点对多点网桥传输至1号主基站，再通过中继网桥传输至监控中心。1号主基站做为2、3、4号主基站的中继基站，提供中继传输。

2号主基站：桥接7号主基站，并覆盖1台摄像机，共需承载126Mbps。1台摄像机通过一对点对点网桥传输至2号主基站，然后通过中继网桥传输至监控中心。2号主基站做为7号主基站的中继基站提供中继传输。

3号主基站：桥接6号主基站，并覆盖2台摄像机，共需承载90Mbps。2台摄像机安装在一个监控杆上，通过一对点对点网桥传输至3号主基站，然后通过中继网桥传输至监控中心，3号主机站做为6号主基站的中继基站提供中继传输。

4号主基站：桥接5号主基站及1号副基站、7号副基站，共需承载192Mbps。4号主基站做为中继基站为5号主基站、1号副基站和7号副基站提供中继传输。

5号主基站：桥接2号副基站、3号副基站，并覆盖6台摄像机，共需承载144Mbps。6台摄像机安装在3个监控杆上，通过点对多点网桥传输至5号主基站，再通过中继网桥传输至监控中心。5号主基站做为2号副基站、3号副基站的中继基站提供中继传输。

6号主基站：桥接4号副基站，并覆盖6台摄像机，共需承载78Mbps。6台摄像机安装在3个监控杆上，通过点对多点网桥传输至5号主基站，再通过中继网桥传输至监控中心。6号主基站做为4号副基站的中继基站提供中继传输。

7号主基站：桥接5号副基站及6号副基站，并覆盖5台摄像机，共需承载120Mbps。5台摄像机安装在3个监控杆上，通过点对多点网桥传输至7号主基站，再通过中继网桥传输至监控中心。7号主基站做为5号副基站的中继基站提供中继传输。

1#副基站：覆盖6个摄像机。需承载的带宽为：36Mbps。6台摄像机安装在3个监控杆上，通过点对多点网桥传输至1号副基站，再通过中继网桥传输至监控中心。

2#副基站：覆盖9个摄像机。需承载的带宽为：54Mbps。9台摄像机安装在5个监控杆上，通过点对多点网桥传输至2号副基站，再通过中继网桥传输至监控中心。

3#副基站：覆盖9个摄像机。需承载的带宽为：54Mbps。9台摄像机安装在5个监控杆上，通过点对多点网桥传输至3号副基站，再通过中继网桥传输至监控中心。

4#副基站：覆盖7个摄像机。需承载的带宽为：42Mbps。7台摄像机安装在4个监控杆上，通过点对多点网桥传输至4号副基站，再通过中继网桥传输至监控中心。

5#副基站：覆盖8个摄像机。需承载的带宽为：48Mbps。8台摄像机安装在4个监控杆上，通过点对多点网桥传输至5号副基站，再通过中继网桥传输至监控中心。

6#副基站：覆盖7个摄像机。需承载的带宽为：42Mbps。7台摄像机安装在4个监控杆上，通过点对多点网桥传输至6号副基站，再通过中继网桥传输至监控中心。

7#副基站：覆盖2个摄像机。需承载的带宽为：12Mbps。2台摄像机安装在1个监控杆上，通过一对点对点网桥传输至7号副基站，再通过中继网桥传输至监控中心。

在上面的案例中我们可以看出，整体组网既有点对点组网，又有点对多点组网，同时还要通过中继的方式才能最终传输至监控中心，有些监控点位最多通过四次中继传输，才传输至监控中心。足见这种方案组网方式设计的复杂和难度。这是一个比较典型的组网方式，也是野外安全防范系统设计的重点和难点。

带宽和组网方式设计完毕，接下来就是按照带宽要求和无线链路的距离，选择满足要求的网桥设备，主要是考虑网桥的功率和带宽损耗。传输网络除了网桥意外，还有交换机，需要说明的是，交换机一定要选择工业级的交换机。

4 供电设计

太阳能是大自然赐予的一种取之不尽、用之不竭、无污染的绿色能源，但它具有随机性、间歇性的特点。据估计，地球一年从太阳获得的能量约为7×1017 kWh，我国陆地一年所获得的太阳能在1.3×1016 kWh左右。由于各地区在地球上所处经纬度不同，我国各地平均日照射量和日照时间有很大差别，我国平均日照射量在2.6 kWh/m2d～6.4 kWh/m2d范围，年日照数在1000～3300 h。

供电设计是大型野外监控设计的另外一个难点。常规情况下，我们会选择太阳能供电的方式，根据不同的地区，我们也会设计风光互补供电。

太阳能供电的设计原则遵循环保、经济、实用、安全、可靠。根据安装地点太阳能资源具体情况和负载耗电量，确定太阳能发电容量，保证所有设备供电。

太阳能供电系统的工作原理是太阳电池组件将太阳的光能转化为电能，太阳能充放电控制作为中心控制设备，一方面将太阳电池组件转化的电能存储在蓄电池组里，一方面控制蓄电池组对负载供电。如果用电设备中有交流设备，通过逆变器将直流电逆变成交流电，即可向交流设备提供电源。它由以下几部分组成：太阳电池组件、太阳电池方阵支架、太阳能控制器、逆变器、蓄电池组等。

太阳能发电系统架构图如下：

图5 太阳能发电系统架构图

确定太阳能发电功率及配置的前提是确定前端需要供电设备（负载）的功率及耗电量。前述案例中，设备选型确定好以后，我们根据监控杆上设备总功率和基站上的设备总功率，可以算出负载功率主要有两种类型：监控杆负载功率P1=100W，基站负载功率P2=300W。我们以负载功率P1=100W为例，做太阳能供电设计。

4.1 光伏组件设计与选型

影响太阳能电池组件给蓄电池充电功率的因素主要有:

蓄电池组充电效率Kc取0.98；

光伏组件表面由于尘污遮蔽或老化引起的修正系数Kx取0.90；

光伏组件阵列组合损耗系数KZ取0.96；

光伏控制器转换效率Kn取0.88。

则太阳能供电系统充电综合效率计算如下：

η系统综合效率=Kc×Kx×Kz×Kn×U系统电压÷U光伏组件电压

=0.98×0.90×0.96×0.88×24V÷37V

=0.48

假如当地月平均最低日照时数出现在十二月，在光伏组件正南向安装倾角为50°的倾斜面上的月平均日照时数为4.23h，结合项目需求，所需光伏阵列功率计算如下：

P组件功率≥[(P1负载平均工作功率×h每日工作时长)-Q风机日发电量]÷(hα=50°，@十二月×η系统综合效率)

=[（100W×24h) - 315Wh]÷(4.23h×0.48)

=1026Wp（实际选型的组件装机量应大于理论组件装机量）

选取峰值功率为300Wp的单晶硅光伏组件4片通过并联组成1200Wp的光伏阵列，满足负载用电需求。

4.2 蓄电池设计与选型

根据负载需求，太阳能供电系统在蓄电池常温满电的前提下应能保证负载连续4-5个阴雨天正常工作，则需要的蓄电池最小容量计算如下：

Q蓄电池组容量≥(P负载平均工作功率×h每日工作时长×d连续阴雨天数)÷(U系统电压×τ放电深度)

=(100W×24h×4d)÷(24V×80%)

=500Ah

选取单体12V/250Ah的密封阀控式免维护胶体蓄电池4只串并联组成24V/500Ah蓄电池组，满足负载用电需求。

完成了光伏组件设计选型和蓄电池设计选型后，太阳能供电的核心设计就完成了，剩下的就是选择相应的充放电控制器和逆变器等其他设备。

5 防盗报警设计

电子防盗报警系统是现代科技发展的一种高科技产品。它把人为管理、安全防范、信息处理有机地结合一起，使现代化管理手段有了极大的提高。现代电子防盗报警系统应充分体现其现代化、科学化、综合化，同时其选用的设备应考虑先进性、可靠性、实用性，外形美观、布局合理，真正体现保安自动化、操作简单化。

由于野外监控范围较大，监控点分布较广，前端基站设备大多数安装在无人值守的密林深处，对监控设施的防盗尤为重要。特别是各类基站和监控点都配备有蓄电池等易盗设备，为了保证设备的正常运行，安装一套先进的防盗报警系统是十分必要的，并采用双向语音对讲方式起到警告和威慑作用。

根据监控系统分布的具体特点，报警系统采用网络总线的方式进行组建。报警系统可划分为报警中心和防区两个部分。

报警中心部分：报警中心设立在管理部门监控中心，主要由IP网络控制主机、管理主机和管理平台软件构成。

防区：设立在各类基站和监控点，主要由网络主机、双鉴探测器、声光报警器、摄像机、室外防水音柱构成。

当设立在各防区的双鉴探测器探测到有人进入基站或监控点时，控制网络主机将进入报警状态，并将报警信号经无线链路传输至监控中心，由报警中心IP控制主机分辨出是哪个防区出现报警，并在管理主机上通过电子地图显示出发生警情的防区位置。

一旦有人靠近、攀爬基塔，告警系统启动，监控摄像机录像回传至监控中心并实时录像；同时，现场播放语音警示，监控中心接收到报警信号后，立即通过语音对讲系统对现场喊话。

以前述案例为例，报警系统架构图如图6所示。

6 防雷接地设计

由于所有设备都是安装在野外，因此，设备因雷击遭到破坏的可能性就大大增加了，如果系统前期设计的防雷保护设计存在缺陷，其后果可能会使整个监控系统运行失灵，并造成难以估计的经济损失。所以，对于野外监控系统的防雷接地设计显得尤为重要。

6.1 监控点防雷系统

各监控点在杆顶设独立避雷针、杆身做引下线，避雷针设计按《建筑物防雷设施安装99D501-1》设计、制造安装。避雷针保护范围按《GB 50057建筑物防雷设计规范》之规定执行，按三类设防，滚球半径（hr）取值60米。接地极制作安装按《03D501-4接地装置安装》执行，采用共用接地系统。电阻小于10欧姆。安装太阳能发电设备的室外电缆井内采取防闪电电涌侵入的措施，进行防雷等电位联结，太阳能发电设备控制器处设置过电压保护装置(SPD电涌保护器)，所有弱电网线进出机箱处均应设置信息系统专用电涌保护装置，信息系统防雷保护等级为D级。

6.2 基站防雷系统

各主、副基站通讯铁塔在塔顶设计独立避雷针、塔身做引下线，避雷针设计按《建筑物防雷设施安装99D501-1》设计、制造安装。避雷针保护范围按《GB 50057建筑物防雷设计规范》之规定执行，按二类设防，滚球半径（hr）取值45米。接地极制作安装按《03D501-4接地装置安装》执行。电阻小于4欧姆。安装太阳能发电设备的室外电缆井内采取防闪电电涌侵入的措施，进行防雷等电位联结，太阳能发电设备控制器处设置过电压保护装置(SPD电涌保护器)，所有弱电网线进出机箱处均应设置信息系统专用电涌保护装置，信息系统防雷保护等级为D级。

图6 报警系统架构图

6.3 监控中心防雷系统

监控中心基站通讯铁塔在塔顶设计独立避雷针、塔身做引下线，避雷针设计按《建筑物防雷设施安装99D501-1》设计、制造安装。避雷针保护范围按《GB 50057建筑物防雷设计规范》之规定执行，按二类设防，滚球半径（hr）取值45米。接地极与库区管理办公楼共用接地装置。电阻小于1欧姆。监控室采取防闪电电涌侵入的措施，进行防雷等电位联结，监控室专用电源配电箱处设置过电压保护装置(SPD电涌保护器)，所有弱电网线进出机箱处均应设置信息系统专用电涌保护装置，信息系统防雷保护等级为D级。

7 监控中心设计

监控中心设立在管理办公楼内，通过监控中心能及时浏览并回放各监控点的图像信息。视频监控中心的建设要满足如下需求：

构建一套稳定、可靠、高效、安全的IP监控平台，并为未来监控扩容预留资源，要求IP专网支持平滑升级；采用网络摄像机（含网络球机）直接接入IP监控专网，图像质量要求达到高清画质。系统支持监控点和存储系统平滑扩容，要求扩容简，并且保持系统整体稳定性。

监控点录像数据保存在监控中心机房的网络存储设备中，监控点保存周期为30天，能提供24小时不间断存储服务和录像查询/回放服务。

监控中心配备电视墙，实时监控各监控点图像。

统一的监控平台软件。提供网络监视、远程控制、网络存储、流媒体转发、解码等各类基于IP网的监控服务，能全面监测网络摄像机、服务模块的工作状态，对异常状态产生报警。

监控中心主要由存储服务器、网络存储服务器、数字矩阵服务器、交换机、客户端、操作台、电视墙等设备构成，见下图。

由各监控点经无线链路传输至监控中心的视频图像，经交换机与视频矩阵服务器、存储服务器、网络存储器相连接。

图7 监控中心设备架构图

图像数据由存储服务器、网络存储器企业级硬盘构成的图像存储系统进行存储，存储时间为30天。

客户端主机通过交换机与视频矩阵服务器、存储服务器、网络存储服务器相连接，通过监控平台软件，实现对整个监控系统的操作。

图像显示由拼接屏实现，通过数字矩阵服务器实现对图像的拼接、分割和预览。

8 结语

传输和供电是当前野外安全防范系统设计面临的两大难点。本文设计的供电方案是太阳能供电方式。根据项目的地点不同，我们也可以考虑采用太阳能和风能互补的设计方式，最大限度提高供电系统的电力输出稳定性，确保外场用电负载工作可靠、运行稳定。

本文提出的设计方案较好地解决了当前野外条件下前端监控及其配套设备供电和数据传输问题。