北部湾沿海航道航标无线视频监控系统研究
任虎++陈金柱+张长腾+郭刚
摘 要：提出了一种基于3G网络的远程视频传输系统，本系统利用成熟的RTU远程遥测遥控终端，利用应用编程接口，采集远端航标灯灯质视频信息；通过成熟的3G网络技术，将数据流发送给远程监控中心，以便于航道技术人员对航道航标灯灯质的损坏程度做出判断并及时进行响应，不仅大幅提高航道航标的维护效率，节省了时间成本和人力成本，还为延长巡航时间做出有力保障。本系统在北部湾沿海航道中进行试运行，获得非常好的效果。
关键词：3G 视频监控 遥控遥测
项目背景
随着水运经济的不断发展，传统的航标管理模式越来越不适应现代化管理的需要，成为制约提高航标管理的瓶颈。为进一步提高航标遥测遥控的技术水平，在前期航标遥测遥控系统建设的基础上，进一步研究开发具有无线视频监控功能的遥测遥控终端，建设北部湾沿海航道无线视频监控系统。采用针对航标维护而专门开发的视频传输技术，实现航标灯灯质异常的远程监控，就可以对航标灯进行单点监控和维护，不仅大大缩短对航标的响应时间，节约成本。
航道航标的由于分布范围广，且绝大部分漂浮于水面上，故传统的通讯方式如RS485总线，或RJ45网线等都不适合航道航标的信息传输机制；其他新兴的无线传输方式诸如蓝牙、WIFI、Zig-Bee等，其有限的传输距离，同样无法满足航道航标分布范围广泛的特点。
3G互联网技术的兴起，让远程视频传输成为了可能，高可用的上下行带宽，大范围的传输距离，无须布线，组网灵活，升级容易等特点，满足航道对组网分布广泛，监控实现难度大的需求。因此，通过3G无线通信技术与互联网技术相结合，可以实现航道航标在设备巡航和维护方面的需求，是解决航道监控系统最为有效的监控方案。
基于3G网络的视频监控系统
1、网络整体架构
整个航道航标系统基于3G网络数据通信功能和数字视频解码系统为一体，采用3G通讯模块，H.264高流畅度视频处理技术，用现有已广泛覆盖的3G网络和wifi网络，结合相应的网络隧道技术，构成了基于3G网络的无线视频监控系统。
3G无线网络视频监控采用时下最经济实惠的第三代移动通信技术，结合VPN隧道技术进行视频数据网络传输的新型系统。采用视频压缩技术，整合了wifi，3G数据通讯功能、VPN技术和数字视频编码功能，把远端摄像机采集到的数据通过压缩编码算法压缩，并通过3G通信发送到监控中心网关，网关在分发到视频监控主屏和移动监控终端，实现对远端航标灯灯质信息的监控。
2、数据传输方案设计
3G视频在传输过程中，通过无线通讯发射基站，接入到Internet广域网环境中，再通过基站传输回指定的3G网关；数据传输过程是双向传输，考虑到将来还将会扩展其他应用，在视频监控终端上预留了足够的网络接口，以便于将来的应用扩展；目前可以实现的应用是通过远端监控中心或者移动监控终端，通过发送指令，切断摄像头对航标灯的视频录制，以达到节省流量和航标灯蓄电池电能的功效。
对于各级监控中心之间，以及监控中心，他们数据传输量比较大，而且专线接入比较方便，因此在设计时候考虑MSTP（多业务传输平台）专线技术，它能实现基于SDH平台，同时实现TDM、ATM、以太网等多种业务的接入、处理和传送，提供统一网管的多业务节点。
综上所述，航道航标遥测遥控的网络设计方案最好的方案是采用移动通信机制作为前端数据采集，MSTP传输技术作为业务后端数据传输为较优方案。该方案不仅解决了各航道监测中心间的数据同步互联问题，同时只要接入3G网络的移动终端客户，均可通过预置监控客户端来访问和监控各个终端的灯质情况。
3G通信系统
“3G”（3rd—generation）是第三代移动通信技术的简称，是一种支持语音，视频等高速数据传输的蜂窝移动通信技术，目前国内支持的三个3G无线接口标准，分别是中国电信的CDMA2000，中国联通的WCDMA和中国移动的TD—SCDMA。三家运营商的3G技术均不属于同一种制式，三种制式的参数详见下表1。
3G设备拨号上网，是通过设备终端使用3G网络连接进运营商的私有网络，访问公网时在运营商内经过地址转换才进入公用网络，而公网无法直接访问运营商的私有网络，即外部无法直接连接3G设备，只能通过运营商内部设备拨号的方式点对点连接；这样既保证了设备数据传输的安全性，又保证设备的身份识别只能通过内部拨号机制去完成，数据传输的安全性得到进一步保障。
从我国现有3G通讯技术而言，中国联通的WCDMA是带宽速率最大，上下行速率最高的通讯技术，而从资费上面考虑，中国电信的资费在三家运营商中最低，中国移动的TD-SCDMA，为国内自主研发，从技术方面，实际测试方面和资费方面都比中国联通和中国电信有一定差距；考虑到成本问题，且本项目对传输速率要求不是很高，故项目选择中国电信的CDMA2000作为主要无线通讯方式。
系统硬件设计
系统采用STM32L152VDT6芯片作为CPU对整块电路板做数据收发的控制，NEO-6Q 、SIM900A分别作为GPS和GSM模块，分别用作整个电路板的卫星定位和通讯功能，使用独立的视频编码模块对摄像头采集的视频进行编码/解码操作，并通过MPEG4编码库压缩成MPEG4视频标准格式的文件进行传输和保存。
系统通过使用高精度采样电阻，对连接终端航标灯的蓄电池、太阳能电池板、航标灯等进行电压电流的采样，所采集信息通过RS485串口与主机通讯，主机将从机上传信息通过GSM模块发送到基站。系统硬件功能规划如图2所示：
STM32L152VDT6芯片主要控制数据间的传输，数据处理和指令分发，终端配备Flash/SD卡，通过SPI口与CPU相连接，用于存储数据信息等。终端板卡附带GPS模块，可实现精准定位，定位误差小于5米；数据传输使用GSM模块发送，视频传输使用3G模块进行传送。硬件板卡搭载看门狗SP706REN芯片，可防止系统异常重启，提升系统稳定性，使得待机时间大大增加。
视频监控软件系统
B/S架构即客户端和服务器架构，目前基于B/S结构具有先进的开发技术，方便管理和可维护等特性而成为最为流行的应用方式。本次项目主要采用B/S、C/S系统相结合的架构设计，配合电子地图、网站系统和通讯服务器间的数据通讯来完成数据的采集和呈现。
航标遥测遥控通讯服务依托数据通讯平台， 支持TCP/IP、UDP、HTTP、AT指令集等多种通讯协议，支持短信猫、GSM/GPRS无线网络，Internet互联网络和内部局域网络间复杂网络的数据通讯，为航标遥测遥控系统提供通讯服务支持，实现航标遥测遥控系统的网络化分级管理与实时监控。监控中心与遥测遥控终端RTU间的数据通讯，各监控中心间的数据通讯采用TCP/IP协议，以Socket通讯方式在服务器和客户端间进行数据通讯。
航标遥测遥控系统严格遵照Windows的设计规范，充分结合.NET/XML/GIS/Web Service技术，按照三层架构进行系统设计（数据层、业务层和表示层），如下：
软件系统主要业务有航标基准安装位置信息维护，航标基本属性信息维护，终端固定属性信息维护，灯质信息维护，终端安装信息维护，SIM卡信息维护，航道基础信息维护，航标维护信息管理，3G远程视频监控等几个板块；系统报警方案设置有警报实时监测，警情上报，警情展示和查询，报警项目管理几块，各个功能模块分工明确，确保远程视频监控和数据采集监测、报警功能能够正常执行。
系统使用3G技术，将远程视频通过运营商网络发送至监控中心，监控中心CS系统收集该视频数据，并将视频和采集上来的其他数据通过web界面或客户端呈现给监控人员。通过该系统，监控人员、系统维护技术人员可以实现透过接入互联网的PC或者3G手机终端监测到航道航标灯的现场灯质状况，并可以实现简单的操控，以达到对航标灯现场做出快速的反应；系统可自设阀值报警，在系统监测数据超过设定阀值之后，系统将及时通过GSM，短信或者邮件的方式提醒监控人员对报警航标灯进行远程监控；主动将航标灯损坏却无人监管的风险降到最低，实现真正意义上的远程监控。
结语
基于3G技术的航标灯远程视频监控系统，将3G技术和传统互联网技术的有点相结合，使用ArcGIS电子海图地理信息平台，利用远程视频技术，全方位模拟现场环境并进行有效数据抓取，从而解决航标灯的远程监控。本产品最大的特点就是跨平台和覆盖范围广，航道航标监控人员可以通过任何具有Internet访问权限的PC或手机直接观测到当前航标灯灯质状况和电流电压等其他信息，大大缩短了人为对航标灯维护的响应时间，及时发现及时维护；航标灯遥测遥控技术的推广，将会为航标灯维护事业提供更有有力的技术保障。系统在北部湾沿海航道进行了长达半年的试运行，各项指标都表明研究是成功的。
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（第一作者单位：北京数字方舟信息技术有限公司）
