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以太网矩阵实现监控系统多用户多设备全局控制方案

资讯频道文章B

大型项目中所使用的视频监控系统已从防范偷盗逐步向预防事故隐患、环境监察检测、提高生产效率和人员有效管理等方面过渡,并与企业经营管理的结合日益紧密。这就要求视频监控系统从原先单一的扩展为多客户同时控制,而矩阵在这其中就起到核心作用。

    随着国家对基础设施建设的投入力度不断加大,在这些项目中部署实施视频监控系统的作用也逐渐从防范偷盗逐步向预防事故隐患、环境监察检测、提高生产效率和人员有效管理等方面过渡,并与企业经营管理的结合日益紧密,这就要求视频监控系统从原先单一控制键盘扩展为多客户同时控制。这不仅是矩阵需要支持多个可独立授权的控制键盘的现场指挥调度,同时还要求系统提供基于数字视频方式的网络浏览客户端,以便多个部门均能介入各自相关区域的远程监管。

    这类大中型视频监控系统的架构为:前端(固定摄像机、快球)+传输(光端机)+后端(矩阵+网络视频编码器DVS或硬盘录像机DVR),矩阵实现本地切换控制,DVR或DVS实现本地/异地存储和远程浏览控制。采取这类模式的主要原因是:借助矩阵保证就地监控效果实时清晰,便于现场调度;通过网络视频平台使得相关部门都能远程监看巡查,参与决策讨论。还有一个原因是有些项目已经部署了大型模拟矩阵系统,出于保证建设投资、合理利用资源的目的,也大多采用架设网络视频平台与模拟矩阵共享视频信息的方案。目前,对前端设备的控制大多采用RS-485总线方式,而RS-485总线为半双工、一主多从的方式进行控制,矩阵、DVS、DVR等设备为主控设备,前端(固定摄像机、快球、解码器、云台)为从设备。当多个主控设备控制多个前端设备时就会产生资源争抢的矛盾,如何更有效的解决呢?

实际案例一
    某大型港口的视频监控系统覆盖码头、作业区和储存区,前端有60多个快球和20个固定摄像机,通过光端机全部接到总控中心,视频分配后接入1台矩阵和80个单路D1网络视频编码器,另有两个分控中心需要对各自辖区内的快球/摄像机进行巡查控制。港务局用户要求不但总控中心和分控中心可以实时控制前端所有动点,而且多个港务集团内的各分支业务部门也可以通过网络客户端软件对前端场景浏览控制。

基于通用码混合器解决方案
    视频信号可以通过分配器无衰减的输出到矩阵和网络视频编码器,但是快球的控制信号如何进行有效分配呢?按照大多数工程技术人员的经验,应该使用多个码混合器级联的方案解决(如图1)。

   [nextpage] 这种基于传统RS-485方式的多级环接模式,存在着很大的隐患:

    由于每个控制设备的RS-485控制线各需要占用码混器的一个输入(否则当多个用户的控制设备同时并发控制同一组快球时,容易出现误动作),这会导致中间的转换设备(码混器)多、连接线多,增加了出现问题的机率。一旦出现故障,很难马上定位,要分段检查,恢复线路或设备费时费力。更关键的是,多级串口之间经过的多级环接转换后,控制时延增加,而且容易导致数据误码和乱码现象,就是当多个用户分别对不同球机同时控制时,球机可能会停不住或者动作响应缓慢,而且随着级联层数的增加,误码丢码率也加速增加。

基于控制码交换器解决方案
    建议用户采用集成控制码交换技术的配置方案:通过多台控制码交换器(该设备提供网络接口和多路RS-485接口的数据流混合输入输出)可以实现矩阵和DVS或DVR对快球的多用户多设备全局控制。图2为该系统的RS-485控制线拓扑结构,快球的视频信号通过视频分配器分别输出给矩阵和DVS/DVR。

    针对该案例,只需配置9台控制码交换器,由于控制码交换器可以设定为码分或者码混两种模式,所以将其中1台设为码分模式,用于连接多个光接收机的RS-485接口(每个控制码交换器的一个RS-485接口可以挂接不超过16个快球),其余8台设为码混模式,用于连接每个网络视频编码器(对应快球)和矩阵的RS-485接口(每台控制码交换器可以提供7个RS-485接口)。所有码混模式的控制码交换器将控制数据通过网络发给码分模式的控制码交换器,码分之后的控制信号通过光端机发送到所有快球。

该解决方案的优势:
·多端口的数据流混合汇聚技术,使得每个连接到矩阵和网络视频编码器上的用户,通过授权都可以控制前端快球的动作,并且保证多数据流并发操作不乱码;
·如果有多个网络客户端用户以及本地矩阵用户需同时操作不同地址的前端快球,控制码交换器可以通过对每个RS-485端口权限设定提供优先级判断;
·多组RS-485数据混合之后通过网络传输,由于以太网带宽高、延时小,因而能够保证数据转发实时准确; [nextpage]
·支持协议波特率转换,如果前端快球是先后几期安装的,可能存在协议和波特率不一致的问题,码分模式的控制码交换器可以对其每个RS-485接口设定不同的协议和波特率,从而实现兼容控制。如果是某些变形的控制协议,只要将相应的RS-485接口设为『透明通道』模式,就可以对控制协议不经封装直接传输,保证最大程度的协议匹配性。比如,该港口使用了国外某品牌的矩阵和高速云台,改造后由国内某品牌网络视频编码器和原矩阵一同控制前端设备,通过增加控制码交换器并将其RS-485端口设为PelcoP/D协议后,发现对云台的雨刷控制功能无效。最后将端口设为『透明通道』就解决了,这是因为该品牌的云台控制协议中对雨刷的代码定义比较特殊。

实际案例二
    某大型船舶制造企业的视频监控联网系统,由于涉及军工技术机密,每个车间都安装部署DVR和球机进行就地监控录像,同时将所有视频信号通过光端机全部上传到总控中心的矩阵,由总控中心对厂区内的所有场景进行全面监管防范。遇到的突出问题是:由于系统分期建设,每个车间的前端球机地址都按照1-16的数字设定,在接入到总控中心矩阵时,由于要将所有车间的视频信号统一排序,就发现存在多个相同地址的球机需要在中心矩阵将地址序号变更(如3个地址=11的球机,需要对应矩阵的134、178、235的三个新地址),系统架构实例参见图3。

    控制码交换器在进行数据混合的同时,还可以设定数据输入端口与输出端口的地址对应关系,比如接入输入端口的设备是中心矩阵,对应该车间DVR1#球机的总排序地址为20,则通过映射可以将地址为1的球机对应为20的地址,从而实现本地车间以及远端总控中心的共享控制。地址映射设置示意参见图4。

[nextpage] 实际案例3
    某大型电器制造企业的视频监控系统,采用矩阵集中控制方式,由于厂区面积空旷,不仅摄像机点位多,而且大多是球机,一些球机的地址超过了256,超出了业内通用的PelcoP/D协议的地址范围。

    虽然每个控制码交换器支持的前端球机地址也是1-256,但是由于网络矩阵可以通过交换机搭配多个控制码交换器,并且能指定每个视频输入ID序号的摄像机,映射成某个IP的控制码交换器的前端控制地址,这无疑极大地扩容了前端球机的系统容量。基于控制码交换器地址扩容功能的多用户远程控制系统架构参见图5,地址扩容映射设置参见图6。

    通过上述三个控制码交换器实际案例不难发现,数据流混合汇聚技术的本质在于以太网交换,常规视频监控系统在多用户多设备新要求下遇到的问题大都得到了完善的解决。那么这些优势源自何处?追本溯源,控制码交换器这类设备的基础是智能网络矩阵的以太网数据交换技术。与常规RS-485/422/232通讯方式的模拟矩阵不同,智能网络矩阵内置标准以太网端口,具备独立IP地址,数据通讯真正IP化。不论是矩阵和键盘/多媒体软件/计算机/报警主机等外设的连接,还是多台矩阵之间的级联,所有主控设备的控制码都通过以太网混合处理,都无需RS-485/RS-422/RS-232等传统通信方式,只利用交换机就可连接到网络任意节点,不受设备距离和空间环境的限制。以太网相对于串口通讯是一种比较彻底的技术革新。

    以太网的优势在于方便接入现有网络、数据传输速率高、通用的通讯协议,网络底层具有CRC校验、重发机制,协议上层增加了可靠的握手协议,保证了数据的可靠性。在公开的网络上传输,矩阵的通讯数据采用了加密传输,同时对发送数据端进行身份识别,隔离了外界的干扰,保障了通信的稳定。同时,智能网络矩阵采用标准的TCP/IP协议,指令规范,与消防/楼控/门禁/报警等平台的集成融合更灵活更先进。基于TCP/IP方式的网络通讯,还可以通过在线检测缩短故障范围,快速排查问题节点。此外,组建网络矩阵IP级联系统时,还需要各分支节点矩阵系统协同管理。系统功能强大的同时带来总线通讯数据量的倍增,RS-485/RS-422/RS-232总线接口的通讯速度无法保证高速并发控制时的数据实时性和可靠性,也成为了束缚系统的瓶颈。 [nextpage]

    以太网数据交换使安防系统集成达到了新的高度。使用串口方式通讯,需要许多界限和转接,如果现场控制点数庞大,需就很多物理连线,而且还可能出现通信异常。通过网络传输,数据扩展及通信能力不受限制,只要一根网线就可以和网络内的任何一个站点取得联系,这就为实现系统的简捷控制提供了无限的可能性。利用以太网来组建矩阵的数据交换系统是一种趋势,通过很多大型的项目应用,获得了越来越多的用户认可。目前,业内已有几个品牌的矩阵厂商在推出通讯数据网络化的矩阵相关产品,有些是在芯片内核架构上采用了网络化平台,速度快,稳定可靠;有些则是通过外置桥接芯片实现了数据转换,速率慢,易用性和扩展性差。但是相信这只是矩阵IP化进程的第一步,以太网报警主机、数字模拟混合型矩阵的陆续推出将会全面拓展安防系统数字化的转变。当然,以太网数据交换的普及尚需时日,在传统的串口应用环境中需要占用用户的信息点和IP资源,在一些特殊行业会受到限制。

    随着用户对通过视频监控系统解决现场实际问题这一手段的日益重视,以及快球/云台之类动点摄像机设计在系统配置中的比例迅速加大,多客户端远程监管和本地实时调度控制的指导思想已经成为贯穿方案设计的一根主线,通过以太网数据交换技术将推动这类混合型系统在用户的实际工作中能够真正起到监管作用。

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