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一种远程网络摄像机系统的设计与实现

2008-04-18 嵌入式在线收藏 | 打印

目前远程视频监控系统已经成为计算机监控系统的重要分支，同时也是人们研究的热点和难点之一。

国内外现有的远程监控系统大多基于光纤，而光纤如果遇到机械冲击、碰撞等都会造成光缆断缆或断芯，光缆断裂后，很难快速修复，且修复设备复杂，普通用户根本无法进行焊接修复，再加上光端机价格较高，这些都限制了光纤远程监控系统的应用和普及。为了解决这个问题，人们找到了价格相对便宜、维护十分简单的极低比特率双绞线解决方案。文中以基于MODEM直连方式的矿井远程视频监控系统为例，介绍这套非常经济、实用且具有广播能力的远程矿井网络摄像机系统。

引言

中国是一个煤炭大国，煤炭的开采主要以井工开采为主，所以，为了提高生产效率和增强煤矿安全生产，进行矿井远程监控系统的研究十分重要。但是，煤炭生产条件恶劣：存在甲烷等爆炸性气体、

矿尘大、潮湿、顶板垮落、空间狭小、工作场所分散且相距遥远（有时长达10余公里）等。特别是瓦斯爆炸、煤尘爆炸、水灾、火灾、顶板垮落、机电等事故时有发生，这些都严重威胁着现有监控系统的正常工作。如何有效地将井下的监控数据及时传输到井上控制中心，已经成为了制约矿井远程监控系统发展的严重障碍。

国内外现有的远程监控系统大多基于光纤和视频电缆，但将这两种方式运用到矿井条件下都存在不同程度的问题。

光纤传输方式：在井下光纤工业电视监控系统中，光纤是沿着井下巷道架敷设的。由于煤矿井下环境恶劣，常伴有垮落、机械冲击、碰撞、人为破坏等情况发生，这些都会造成传输光缆断缆或断芯，而光缆一旦断裂后，普通用户很难快速修复。这是由于井下空间窄小，且混有甲烷、一氧化碳等易燃易爆气体，致使焊接技术复杂，设备昂贵。所有这些因素，再加上光端机价格较高，都限制了井下光纤传输方式的应用和普及。

视频电缆传输方式：由于视频电缆的传输距离短，因此必须采用中继器实现远程传输，然而在煤矿井下的恶劣环境中，中继设备的串入必然降低系统的可靠性；同时中继器是有源设备，在有易燃易爆气体的井下，其供电也存在很大的问题，而且视频电缆断缆后，其维护也远比矿用双绞线复杂。

为了解决这些问题，人们找到了价格相对便宜、维护十分简单的双绞线MODEM解决方案。

1 系统总体方案

基于普通MODEM传输技术的矿井网络摄像机系统的基本结构如图1所示：

图1 基于普通MODEM传输技术的矿井网络摄像机系统[1]

图1是整个系统的基本结构模型。来自摄像机的模拟视频输入信号(采用PAL制)，经放大后到达视频解码器，由CPLD实现精确采样和图像裁剪，之后将用户需要的数字图像信息存入帧存储器；发送时，先将帧存储器的数据读入DSP，用H.263算法进行压缩之后，通过缓冲存储器对数据速率进行平滑处理，输出均匀速率的视频编码数据流，最终，通过普通MODEM发送到电话网上。在监控中心的PC机上，由普通MODEM解调出来的信号经软件解压还原成原始图像信号显示在监视器上；为了满足一点布控、多点监视的需要，在监控中心的普通PC机可同时兼做视频服务器使用，它可将从矿井传输来的视频信号进行WEB广播，以此来实现监控资源的共享。同时，为最大限度地减少传送数据，满足实际监控需要，本系统采用黑白图像，象素为176×144点（QCIF格式），灰度等级为256级。

2 MODEM直连传输方案

通常的外置MODEM有拨号与直连两种工作方式[3]，但目前大多数只用到了MODEM 的拨号功能，而MODEM的直连方式在大楼之间、甚至一个城市之内传送数据方面，较拨号方式有很多的优势，如：长时间的持续工作、自动恢复连接等。在股票信息传送、社会保障查询系统、储蓄查询等需要长期持续性服务的系统上采用MODEM的直连方式，将收到“价廉物美”的效果，获得优良的性能/价格比。有鉴于此，本课题的长线传输便采用了MODEM直连传输方式。

MODEM直连方式用于两台设备的远程直接相连，常用的MODEM电缆两端的插头一头是 9 针母插头，另一头是25针母插头，如图2所示。

图2　9 针母插头、25针母头俯视图

其中9针母头管脚定义如下表1所示，25针母头管脚定义如下表2所示。

表1　9针母头管脚定义

管脚号	管脚中英文名
1	Data Carrier Detect 数据载波检测
2	Receive Data 接收数据
3	Transmit Data 发送数据
4	Data Terminal Ready 数据终端就绪
5	System Ground 　信号地
6	Data Set Ready 数据设备就绪
7	Request to Send 　　请求发送
8	Clear to Send 　清除发送

表2　25针母头管脚定义(其中在该连接中，只有8根针起作用)

管脚号	管脚中英文名
2	Transmit Data 发送数据
3	Receive Data 接收数据
4	Request to Send 　　请求发送
5	Clear to Send 　清除发送
6	Data Set Ready 数据设备就绪
7	System Ground 　信号地
8	Data Carrier Detect 数据载波检测
20	Data Terminal Ready 数据终端就绪

如果连接两头均为9针母插头时(如图4所示)，线路连接应该按照下表3形式进行连接。

表3　9针母插头、9针母插头连接形式

D-Sub 9		D-Sub 25
Data Carrier Detect	1	7+8	Request to Send + Clear to Send
Receive Data	2	3	Transmit Data
Transmit Data	3	2	Receive Data
Data Terminal Ready	4	6	Data Set Ready
System Ground	5	5	System Ground
Data Set Ready	6	4	Data Terminal Ready
Request to Send + Clear to Send	7+8	1	Data Carrier Detect
RI	9	9	RI

另外，为了保证串口物理上可以正常工作，可以通过使用制作堵头来测试该口工作是否正常，即形成一个发送与接收的自环来检查串口的状态。堵头的连接形式如图4所示[2]。

图4　堵头的连接形式

3 试验结果

实际实验表明：有效传输距离大于10公里[4]。10公里之内速率可以达到19.2Kbits—38.4Kbits。下面是本系统采集到的一组视频图像。图5是本系统获得的176*144（QCIF格式）图像。实验表明：本系统所获得的视频图像质量良好，可以满足远程监控的需要。

　　　　图5　系统获得的图像176*144（QCIF格式）

4 结论

在全面分析了矿井环境的特殊性，并对现行的、主要的二种远程通讯方式进行了比较之后，指出了光纤传输方式的缺点和采用视频电缆传输方式的不足[5]。给出了基于普通MODEM的远程视频传输方案。为了提高传输系统的可靠性，本文采用了MODEM专线直连方式，因为它比传统的拨号方式有很多的优势，如：长时间的持续工作、自动恢复连接等。实践证明：在需要长期持续性工作的远程视频传输系统上采用MODEM的直连方式，将收到“价廉物美”的效果。

综上所述，在现行条件下，基于普通铜质双绞线的MODEM方案是矿井远程监控系统更为现实、可行的传输方式。

本文的创新点:

1、提出了维护简单的极低比特率双绞线解决方案；

2、实现了基于MODEM直连方式的远程网络摄像机系统。

参考文献

[1] 关永. 基于红外探测技术的矿井远程视频监控系统[D].中国矿业大学北京校区博士论文,2004。

[2] 刘福才,张海良,王冬云.一种基于VC的Modem分布式远程监控系统设计[J].微计算机信息,2006,22-2:100-102。

[3] 王群. 新版局域网一点通[M]. 北京:人民邮电出版社,2006。

[4] 关永,张杰,孙继平. xDSL技术群与矿井远程通讯的研究[J] .辽宁工程技术大学学报,2004,23(4):493-495。

[5] 孙继平，关永. DSP极低码率的远程视频监控系统. 电子元件与材料，2003，22（1）:36~38。