（检测技术与自动化装置专业论文）基于数字网络的安全防范系统的设计与实现.pdf

出盔查鲎塑堂焦逾塞 摘要 安全防范系统在政治、军事、文化、生产和生活设旋的安全保卫中一直起着 举足轻重的作用。随着计算机网络与通信技术、多媒体技术的快速发展，数字化、 网络化和智能化已经成为安全防范系统的重要研究内容。 将军集团济南卷烟厂为了扩大生产规模、提高技术水平，于2 0 0 6 年9 月开始 实施易地技术改造项目。新厂区总占地面积1 0 0 0 多亩，包括生产区、办公区和生 活区二十多个建筑物。如何对建设中和将来运行中的新厂区开展有效的安全防护 工作，是一个急需解决的问题。 本文通过对新厂区的实地考察，基于数字网络技术设计了一套功能强大、技 术先进的安全防范系统。该系统用于对新厂区进行实时防护和管理，对于保证厂 区财产安全和生产的正常进行具有重要的意义。同时该系统还可以用于重要房间 和通道的进出管理，防止无关人员进入，记录出入人员身份和时间信息，有利于 提高企业的管理水平。 本文对系统进行了整体设计，包括数字视频监控系统、门禁管理系统和防盗 报警系统共三个子系统。三个子系统各自独立，又相互联动，组成厂区安全防范 的一个整体系统。对现场设备进行了深化设计与选型，通过相应网络通讯模块的 转换，将现场模拟信号转化为数字信号接入到厂区局域网中。采用第三层交互和 v l a n 技术设计组建了安防系统专用网络，防止其他系统v l a n 的广播影响，减 少主干网的流量，提高网络速度，保证实时流媒体的稳定传输。门禁管理和防盗 报警子系统的软件采用c s 结构模式，视频监控子系统的软件采用b s 结构模式， 构建了w e b 服务器，实现了通过砸的远程监控。通过多线程技术，对视频监控子 系统采用实时传输协议r t p 和r t c p 进行流媒体的传输设计，设计并实现了自适 应的网络拥塞控制，保证了传输的稳定畅通。服务器端和浏览端软件使用多媒体 开发工具d i r e c t s h o w 进行开发，实现了基本的图像处理功能。 本文对网络遥信，流媒体传输、b s 、c s 软件模型、多媒体图像处理、 图像编解码和网络拥塞控制等问题进行了深入的研究，对工程实际中所遇到 的问题进行了深入分析并给出了解决方案。该系统的是济南卷烟厂易地技术改造 项目中的一个重要系统，它的成功建设将解决济南卷烟厂安全保卫问题，而且其 设计思想对于范围广阔的地区进行多点综合安全防范也具有一定的实用价值。 关键词：安全防范；数字网络；v l a n ；实时传输协议r t p r t c p ；服务质量( q o s ) a b s t r a c t t h es e c u r i t ys y s t e mp l a y sa l li m p o r t a n tp a r ti np o l i t i c s ，m i l i t a r ya f f a i r s ，c u l t u r e s ， p r o d u c t i o n s ，a n dl i f ee s t a b l i s h m e n t s w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ec o m p u t e rn e t w o r k s ， c o m m u n i c a t i o n st e c h n o l o g y , a n dm u l t i m e d i at e c h n o l o g y , d i g i t a l ，n e t w o r k i n ga n d i n t e l l i g e n tt e c h n o l o g yh a v eb e c o m et h ei m p o r t a n tr e s e a r c ht o p i c so ft h es e c u r i t y s y s t e m i no r d e rt oe n l a r g et h ep r o d u c t i o n s ，a n di m p r o v et e c h n o l o g i c a l ，t h eg e n e r a lc r o u p o fj i n a nd e c i d e dt op e r f o r mt e c h n o l o g i c a lt r a n s f o r m a t i o n t h en e wf a c t o r yc o v e r s1 0 0 0 m ro fl a n d ，i n c l u d i n gt h ep r o d u c t i o na r e a , t h el i v i n ga r e a , a n dm o r et h a n2 0o f f i c e b u i l d i n g s h o w t op r o t e c tt h en e w b u i l d i n gf a c t o r yi sa l lu r g e n ts o l u t i o n a c c o r d i n gt ot h eo b s e r v a t i o no f t h en e wf a c t o r y , t h i sp a p e rd e s i g n sap o w e r f u la n d a d v a n c e ds e c u r i t ys y s t e mb a s e do nd i g i t a ln e t w o r k t h i ss y s t e mi su s e df o rr e a l - t i m e p r o t e c t i o n a n dm a n a g e m e n to ft h en e wp l a n t , a n di so fg r e a ts i g n i f i c a n c ef o rt h e p r o p e r t ya n dp r o d u c t i o ns a f e t y t h es y s t e mc a na l s ob eu s e df o ra c c e s s 幻t h ei m p o r t a n t r o o mm a dc h a n n e l s ，p r e v e n t i n gt h ee n t r yo ft h eu n r e l a t e dp e o p l e i tc a na l s or e c o d et h e d e g r e ea n dt i m eo ft h ep e o p l ew h oh a v ee n t e r e dt h e s ep l a c e s , a n dc a ni m p r o v et h e m a n a g e m e n tl e v e lo f t h ee n t e r p r i s e i nt h i sp a p e r , t h e r ei saw h o l ed e s i g nf o rt h es y s t e m ，i n c l u d i n gt h ed i g i t a lv i d e o s u r v e i l l a n c es y s t e m ，a c c e s sc o n t r o ls y s t e m ，a n da l a r ms y s t e m t h et h r e es e p a r a t e s y s t e mc a n j o i nt o g e t h e r ，a n dc o n s i s taw h o l es e c u r i t ys y s t e mo f t h ef a c t o r y t h ea n a l o g s i g n a l s w i l lb et r a n s l a t e d i n t o d i g i t a ls i g n a l s ，t h r o u g h t h ec o r r e s p o n dn e t w o r k c o m m u n i c a t i o n sm o d u l e s ，a n dt h e nt h e yw i l lb el i n k e dt ot h el a no ft h ef a c t o r y t h e s p e c i a ls e c u r i t ys y s t e mn e t w o r ki sb u i l to nt h et h i r d 1 e v e li n t e r a c t i v ea n dv l a n t e c h n o l o g y , a n dc a np r e v e n tt h ei n f l u e n c eo f v l a n o f t h eo t h e rs y s t e m , r e d u c et h ef l o w o f t h em a i nn e t w o r k , i m p r o v et h es p e e do f t h en e t w o r k , e n s u r et h es t a b i l i t yo f r e a l - t i m e s t r e a m i n gm e d i at r a n s m i s s i o n t h ea c c e s sc o n t r o la n da l a r ms y s t e ma d o p tt h ec s c o n f i g u r a t i o n , t h ev i d e os u r v e i l l a n c es y s t e ma d o p t t h eb sc o n f i g u r a t i o n , t h e yb u i l da w e bs e r v e r , r e a l i z et h el o n g - d i s t a n c ec o n t r o lt h r o u g hi e t h r o u g hm u l t i t h r e a d i n g t e c h n o l o g y , v i d e os u r v e i l l a n c es y s t e ma d o p t sr e a l - t i m et r a n s p o r tp r o t o c o l ( r t p ) a n d r t c p , a n dr e a l i z e ss e l f - a d a p t i v en e t w o r kc o n g e s t i o nc o n t r o l ，a n de n s u r et h es m o o t h t r a n s m i s s i o ns t a b i l i t y t h et e r m i n a ls e r v e ra n db r o w s e rs o f t w a r ea r ed e s i g n e db yt h e m u l t i m e d i ad e v e l o p m e n tt o o l d i r e c t s h o w , r e a l i z et h eb a s i ci m a g ep r o c e s s i n gf u n c t i o n s i i i i nt h i sp a p e rt h e r ei sd e e ps t u d yt ot h et e c h n o l o g i e so fn e t w o r kc o m m u n i c a t i o n , s t r e a m i n g m e d i at r a n s m i s s i o n , b sa n dc ss o f t w a r e c o n f i g u r a t i o n , i m a g e p r o c e s s i n g ，i m a g ec o d i n ga n dd e c o d i n g ，n e t w o r kc o n g e s t i o nc o n t r 0 1 i ta l s oa n a l y z e st h e c a u s e so ft h es o m ep r o b l e m si nt h ea c t u a lp r o j e c ta n dg i v et h ep o s s i b l es o l v e m e t h o d s t h i ss y s t e mi so n eo f t h em o s ti m p o r t a n tp a r t so f t e c h n o l o g i c a lt r a n s f o r m a t i o n t h es u c c e s sc o n s t r u c t i o no f t h i ss y s t e mw i l ln o to n l ys o l v et h ep r o b l e mo f s e e u r i t y ，b u t a l s ot h ed e s i g nm e t h o di sv e r yu s e f u lt om u l t i - p o i n ts e c u r i t yi nb r o a da r e a k e yw o r d s ：s e c u r i t yp r o t e c t i o n ；d i g i t a ln e t w o r k ；v l a n ；r e a l t i m et r a n s p o r t p r o t o c o lr t p r t c p ；q u a l i t yo f s e r v i c e ( q o s ) r t p r t c p t c p u d p s r r r s d e s r t t s s r c c s r c q o s 符号说明 r e a l t i m et r a n s p o r tp r o t o c o l r e a l t i m et r a n s p o r tc o n t r o lp r o t o c o l t r a n s m i s s i o nc o n t r o lp r o t o c o l u s e rd a t a g r a mp r o t o c o l s e n d e rr e p o r t r e c e i v e rr e p o r t s o u r c ed e s c r i p t i o n r o u n dt r i pt i m e s y n c h r o n f z a t i o ns o u r c ei d e n t if i e r c o n t r i b u t i n gs o u r c ei d e n t i f i e r s q u a l i t yo fs e r v i c e 实时传输协议 实时传输控制协议 传输控制协议 用户数据报协议 发送方报告 接受方报告 源描述报告 网络往返时间 同步源标识 贡献源标识 服务质量 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式标明。本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：趔日期：三! 丑旦厦 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印 或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者躲强煳导臌：膨日舶啪蝴 山东大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 引言 安全防范就是保障人们在生产、生活和一切社会活动中人身、生命、财产和 生产、生活设施不受侵犯，防止侵犯行为的总称。安全防范是建筑智能化系统的 一个重要组成部分，是现代管理、监测、控制的重要手段。随着信息技术的飞速 发展，对安全防范系统也提出了更高的要求，使其逐步向数字化、网络化和智能 化方面发展，成为大型工厂、居民社区和公共场所不可缺少的一部分。 1 2 安全防范系统的发展状况分析 安防监控系统的发展经历了三个阶段埘：模拟信号监控、基于p c + 采集卡的 数字监控和基于嵌入式技术的数字监控。 上世纪九十年代初之前，安防监控系统主要是以模拟设备为主的监控系统， 分布在各个监控点的摄像机、报警器、门磁开关等把采集到的模拟视频信号、报 警信号、门状态信号经同轴电缆、控制电缆传送到监控中心的监视器、报警主机 和显示门状态信息的模拟屏上显示。这种系统的实时性和可靠性有保证，但监控 范围有限，无法实现远程的监视和控制，视频监控、报警监控和门禁控制几个子 系统都是单独分离的系统，无法实现子系统间的信息交流和报警联动，信息管理 非常繁琐。 九十年代中期，随着计算机处理能力的提高和视频编解码技术的发展，安防 监控发展到了数字化时代。这一对期的监控系统采用在普通p c 机中插接视频采集 卡、i o 采集卡和通讯处理卡的集成方式，由视频采集卡完成图像的采集、a d 转 换和数据压缩，由i o 采集卡完成报警信号和门状态信息的采集和控制，通过网卡 和其他通讯设备实现互连，提供了信息共享的硬件基础。虽然这一类技术将数字 技术引入了安防监控系统，但是由于信号从前端设备到采集卡之间还是以模拟信 号的形式进行传输，只能称为是数控的模拟监控技术。目前这种监控方式仍占据 着中低端市场的主流，但是存在着以下的局限性：由于模拟视频信号的传输工具 主要是同轴电缆，而同轴电缆传输模拟视频信号的距离不大于1 0 0 0 米，因此只适 合于单个大楼、小的居民区或者其它小范围的场所；系统的扩展能力差，对于已 山东大学硕士学位论文 经建好的系统，如要增加新的监控点，往往是牵一发而动全身，新的设备也很难 添加到原有的系统之中；在模拟监控系统中，由于各部分独立运作，相互之间的 控制协议很难互通，联动只能在有限的范围内进行。 从本世纪初开始，随着多媒体技术、视频压缩编码技术、网络通讯技术的发 展，数字视频监控系统迅速崛起，出现了嵌入式数字视频监控技术州。所谓数字视 频即是控制信号和视频信息都采用数字化的方式，可以通过网络实现远程传输。 这种嵌入方式把视频压缩和w e b 功能集中到一个体积很小的视频编码器，可以直 接连入局域网，达到即插即用，省掉多种复杂的电缆，安装时仅需设置一个i p 地 址即可，用户端也无需安装任何硬件设备，仅用浏览器即可观看。嵌入式视频监 控系统与其它监控系统的比较有如下特点： ( 1 ) 监控范围广：只要网络可以覆盖的区域，该系统即可进行监控，甚至是广 域网范围。 ( 2 ) 扩展能力强：系统几乎具有无限扩展能力，所有设备都以m 地址进行标识， 增加设备只是意味着i p 地址的扩充。 。 ( 3 ) 可组成非常复杂的监控网络，由于视频编码器输出已完成模拟到数字的转 换并压缩，采用统一的协议在网络上传输，支持跨网关，跨路由器的远程视频传 输。 “) 性能稳定可靠：嵌入式视频编码器实际上基于嵌入式电脑技术，采用嵌入 式实时多任务操作系统，又由于视频压缩和w e b 功能集中到一个体积很小的设备 内，系统具有较好的实时性、稳定性和可靠性。 随着技术的进步，应用的方便性、可用性等的发展，安防监控系统将朝着前 端一体化、视频数字化、监控网络化，系统集成化等方向发展。其中，数孚化是 网络化的前提，网络化又是系统集成化的基础，所以，视频监控发展的趋势是数 字化，网络化和系统集成嘲。 ( 1 ) 数字化是以信息技术为核心的电子技术发展的必然。安防监控系统的数字 化首先应该是将系统中所有信息流( 包括视频、音频、控制等) 从模拟状态转为数字 状态，从根本上改变安防监控系统信息采集、处理、传输、系统控制等的信号方 式和结构形式。 ( 2 ) 网络化则表示系统的结构将由集中式向分布式过渡。分布式系统采用多层 2 山东大学硕士学位论文 分级的结构形式，具有微内核的实时多任务、多用户、分布式操作系统以及优先 级调度算法的快速响应。组成分布式监控系统的硬件和软件采用标准化、模块化 和系列化的设计，系统设备的配置具有通用性强、开放性好、系统组态灵活、控 制功能完善、数据处理方便、人机界面友好以及系统安装、调试和维修方便的特 征。系统的网络化可在保证网络带宽的前提下，彻底打破监控区域和数量的限制。 ( 3 ) 系统集成则是在数字化和网络化的基础上，为了更有效地保证监控效果。 将监控系统、报警系统等与安防相关的多个子系统进行集成，利用软件技术，通 过开放式的协议，使视频监控系统与安防系统中其它各子系统间实现无缝连接， 并在统一的操作平台上实现集中、统的监视、控制和管理，实现信息资料和软 硬件资源的充分共享。 1 3 项目背景 将军集团济南卷烟厂是山东烟草行业的龙头老大，成立于1 9 2 8 年，如今已成 为年销售收入5 0 亿元、利润3 0 亿元的大型企业集团。为了扩大生产规模、提高 技术水平，2 0 0 6 年开始实施易地技术改造项目。项目总占地面积1 0 0 0 多亩，是目 前国内烟草行业规模最大的易地技改项目。工程将于今年6 月前竣工投产，届时， 济南卷烟厂将成为一个卷烟规模达1 0 0 万箱的现代化卷烟企业。 易地技术改造项目安全防范系统包括数字视频监控系统、门禁管理系统和防 盗报警系统共3 个子系统，是一个国内领先、国际先进的厂区安防自动化系统。 整个系统要求满足先进性、实用性，可扩展性、安全性、可靠性、易用性、经济 性等指标，从而达到实用性，可实施性、超前性，独创性、提高管理效率、节省 管理费用提高厂匡安全性等的工程总目标。 1 4 论文的工作内容及组织 本论文是一个实际应用开发项目，在经过对大量资料研究学习和对现有各种 方案的对比论证后，根据现场的实际情况和用户的需求，提出了整个安防系统的 总体设计方案，并从系统硬件和网络结构上进行了深化设计，对系统中的视频监 控系统软件的部分功能进行了设计和实现。论文进行过程中，我从头参与到该项 目的设计和开发中，所做的工作内容如下： ( 1 ) 对安全防范系统的发展状况进行深入的研究，对比各种方案的优缺点，确 山东大学硕士学位论文 定本系统的数字化、网络化和集成化的设计思路。 ( 2 ) 在对本项目进行需求分析的基础上完成了该系统的总体设计，包括系统结 构设计和功能设计，确定该系统的设计方案和技术路线。 ( 3 ) 对系统硬件进行深化设计，完成了现场前端设备和监控中心设备的设计与 选型。 ( 4 ) 对系统网络通讯结构进行设计，基于v l a n 技术设计构架安全防范系统专 用网络。 ( 5 ) 对系统上位机软件进行了总体结构设计和功能设计，综合运用b s 和c t s 软件模式、利用w i n s o c k 和d i r e c t s h o w 技术设计和实现了视频监控子系统上位机 软件的部分功能，包括数据库和w e b 服务器的构建、网络视频传输和图像处理功 能的实现。 ( 6 ) 分析了网络服务质量( q o s ) 的基本概念，网络拥塞危害以及常用的拥 塞控制方法；提出了对a i m d 算法的改进，实现了下门限自适应的反馈拥塞 控制。 本文主要是根据系统的需求分析，详细的论述了该系统的设计与实现。 本文共分七章，具体内容安排如下： 第一章，绪论。 第二章，安全防范系统的总体设计。 第三章，安防系统的硬件设计与实现。 第四章，安防系统网络结构设计。 第五章，安防系统软件的设计与实现。 第六章，安防系统网络服务质量( q o b ) 的针究。 第七章，总结和展望。 4 第二章安防系统总体构架设计 2 1 引言 课题研究过程中，通过对现场的实地考察和与用户的交流，对本安防系统进 行了需求分析，在此基础上提出了我的设计思想和设计原则，从总体上对本系统 进行了结构设计和层次设计。然后经过查阅资料，对系统涉及的些关键技术进 行了深入的研究和选择。 2 2 系统需求分析 将军集团济南卷烟厂新厂区占地1 0 0 0 多亩，厂区周界全长近3 6 0 0 米，基础 建设分两期进行，包括联合工房、动力中心、烟叶醇化库、废品库、办公服务楼 等二十多个建筑。面积庞大的厂区对安全防范提出了更高的要求也带来了很大的 困难。 通过与用户的沟通，确定了用户的使用需求：该安防系统应当对全厂周界和 重要厂房实时报警防护，经过系统设防，对非法入侵者进行报警和监控录像：对 重要车间和办公场所进行出入控制，对所有出入者进行身份验证和信息记录、监 控录像。因此需要将该系统划分为数字视频监控系统、门禁管理系统和防盗报警 系统3 个子系统，并通过数字网络将3 个子系统结合成一个完整的系统，实现对 厂区和重要生产办公场所的保护。根据现场情况和系统的建设目标，本系统应具 备如下主要功能“： l ，数字视频监控功能 数字视频监控系统设备主要设置在厂区周边、各主要建筑内、走廊、出入口、 停车场、重要区域或设备、门禁等相关区域，实现对人员流动和车辆进出的监视 管理，礞防无关人员的非法迸入，确保厂区内入、财、物的安全。 2 、门禁管理功能 门禁系统主要设置在计算机机房、消防安防控制中心、车间中控室等重要的 区域，实现对出入人员的控制和管理。与数字视频监控系统实现联动，对出入人 员进行录像记录。 3 、防盗报警功能 5 出壅垄堂巫堂焦逾塞 防盗报警系统主要用于在数字视频监控基础上加强厂区和重要建筑物的安全 防范手段，通过报警设备与监控联动设计，进一步提高厂区的安全性。 2 。3 设计思想和原则 由于厂区面积大，周界距离长，采用通常的模拟信号传输的方法无法满足信 号传输距离的要求，很难实现全厂的集中控制。而且对于将来监控系统的升级和 扩展也很难实现，施工成本高。因此考虑采用数字网络技术，通过相应的网络通 讯模块，实现现场模拟信号的数字化网络传输。通过构建安防系统专用网络并纳 入厂区局域网，可以实现安防系统与厂区其他子网的通信，实现授权用户的远程 监控。另外，通过网络连接，可以实现三个子系统之间的通信和联动，实现整个 系统的集成化和智能化。因此，在设计中遵循以下的设计原则： ( 1 ) 先进性 系统是国内率先采用基于网络视频编码器为核心的视频监控系统，它采用专 用视频压缩芯片，图像清晰，图像采用先进的m p e g - 4 图像压缩方式，视频压缩 效率高，网络占用带宽低，是基于第三代嵌入式技术的综合网络监控产品。 ( 2 ) 实用性： 系统支持用户的网络监控需求，可多用户多画面实时监控、远程控制、分布 式录像、可连接多种报警设备、报警可定时布防撤防等功能，完全满足用户的监 控要求。 ( 3 ) 兼容性： 系统采用b s 和c s 相结合的架构形式。可与企业内部网络系统紧密结合； 同时前端系统可在哽有的模拟监控系统的基础之上进行改造，保护用户设备投 资。 ( 4 ) 扩展性： 系统软、硬件系统采用模块化设计，用户系统升级时，只需要简单增加前端 的视频编码器、门禁控制器和报警控制器，并升级相应的系统软件即可，不用额 外添加或者废弃原有设备。 ( 5 ) 灵活性： 系统组网灵活，适合在局域网、广域网、甚至i n t e m e t 网中使用；在网络中的 授权用户可通过i e 浏览器实时监控前端现场。客户端无需配置任何硬件。 ( 6 ) 实时性： 组成本系统的嵌入式视频编码器，采用专用的视频压缩芯片和m p e g - - 4 先进 的视频压缩技术，最高可传输3 0 帧秒的清晰图像。 2 4 系统的总体结构及组成 2 4 1 系统总体结构 济南卷烟厂安全防范系统由数字视频监控系统、门禁管理系统和防盗报警系 统共3 个子系统组成。在厂区各个重要防范地点相应的设置一定数量的摄像机、 门禁和报警器，通过专用线缆连接到各自的现场控制器，由现场控制器控制前端 设备进行安防检测和控制：现场控制器通过厂区局域网与监控中心相连，将检测 信号上传到监控中心的控制电脑主机和服务器，进行信息的显示、存储和相应的 管理操作。各个子系统相对独立，能够完成自己的功能：同时，各个子系统之间 又具有联动功能，互相配合，互相控制。共同完成安全防范的功能。在联合工房 安防消防控制室设置监控中心，实现视频监控图像的集中显示储存和门禁管理信 息、报警信息的统一存储和管理，并且能够通过互联网实现远程监控。系统结构 如图2 1 所示嘲脚： 图2 1 安防系统结构图 7 出壅盔堂巫主堂焦坌塞 2 4 2 系统层次结构 从系统操作平台上看。整个系统是一个四层结构：包括监控层、服务层、 控制层和实施层。如图2 2 所示 l 卜 监控层 霹l聊”| 豸裁菘潮 视频浏览端门禁报警客户端 商苗d 皇i 商皇i 服务层交换机 圜_国_国_ _ 日，7 - 日，r i 曩，7 视频服务器数据库服务器门禁报警服务器 i 视频编码器门禁控制器 报警控制器 控制层 蝴 冈冈冈同同同同 图2 2 安防系统层次结构 各部分的功能如下： ( 1 ) 监控层 监控层由监控中心电视墙、视频浏览端和门禁报警客户端组成。监控中心电 视墙由8 台4 2 寸等离子监视器组成，对厂区摄像机图像进行显示。每台监视器可 实现单画面显示和四画面分割，总共可以同时显示3 2 台摄像机的实时图像。经过 授权，远程用户可以通过m 浏览器进行图像的实时监控和录像回放，并且实现对 前端云台和镜头的控制。门禁报警客户端是门禁和报警的管理平台。 ( 2 ) 服务层 服务层由视频服务器、数据库服务器和门禁报警服务器组成。视频服务器主 要负责视频信息流的转发、云台和摄像机等控制命令的发送、视频图像的存储 8 山东大学硕士学位论文 和服务，支持分布式管理。数据库服务器用于管理数字视频监控系统的数据库、 配置整个数字化监控系统、管理系统所有用户，是数字化监控系统的管理核心服 务器。同时，在数据库服务器上构建w e b 服务器，主要负责为远程测览端提供数 据访问接口、视频访问接口以及控制访问服务等。门禁报警服务器主要负责对 门禁和报警系统的配置，存储系统图像移动侦测报警、防盗报警和门禁使用信 息的历史数据和实时数据，为系统查询分析提供基础数据。 ( 3 ) 控制层 控制层由视频编码器、门禁控制器和报警控制器组成。视频编码器主要是对 采集的图象按m p e g 一4 格式进行压缩和传送，并通过云台解码器控制摄像机云 台、镜头变焦。门禁控制器连接门锁、读卡器和出门按钮等现场设备，采集读 卡器和出门按钮的信息，根据设定的程序判断访问者的权限，控制门锁的开闭。 报警控制器连接现场的双鉴探测器和埋地泄漏电缆，采集各个防区的报警信号， 进行存储和判断。 ( 4 ) 实施层 实施层由现场的设备构成，包括各种摄像机、门锁、读卡器、出门按钮，双 鉴探测器和埋地泄漏电缆等，完成现场视频信号、报警信号和门状态信号的采集， 并根据控制指令对摄像机、门锁进行控制。 2 5 关键技术介绍与选择 2 5 1 视频编解码标准的选择嘲 m p e g 是活动图像专家组( m o v i n gp i c t u r ee x p e r t sg r o u p ) 的缩写，该专家组成 立于1 9 8 8 年，致力子运动图像及其伴音的压缩编码标准化工作。到目前为止，正 式推出m p e g - - l ，m p e g - - 2 和m p e g - - 4 三种m p e g 图像压缩标准，以适应于 不同带宽和数字影像质量的要求。 m p e g l 于1 9 9 3 年成为国际标准，它是对i 5 m b s 以下数据传输率的数字存储 媒体运动图像及其伴音的压缩编码标准，适应于c d r o m 、v c d 、c 沪i ( 交互式c d ) 等。它可以对s i f ( 标准交换格式) 分辨率( n t s c 制式为3 5 2x2 4 0 , p a l 制式为3 5 2 x 2 8 8 ) 的图像进行压缩，传输速率为i 5 m b p s ，每秒播放3 0 帧，具有c d 音质，图 像质量基本与v h s 家用录像机相当。m p e g - i 也被用于数字通信网络上的视频传输， 9 山东大学硕士学位论文 如基于a d s l ( 非对称数字用户线路) 的视频点播( r o d ) 、远程教育等。 m p e 6 2 于1 9 9 5 年成为国际标准，其目的是达到高级工业标准的图像质量以及 更高的传输率。m p e g - 2 所能提供的传输率在3 l o m b s 之间，在n t s c 制式下分辨 率可达7 2 0 x 4 8 6 ，可提供广播级的图像质量和c d 级的音质，适用于数字电视广播 ( d v b ) 、h d t v 和d v d 的运动图像及其伴音的压缩编码。目前，m p e p 2 已得到广泛 应用，如美国、欧洲、日本在d v d 和数字电视广播方面都采用了m p e g - 2 压缩技术。 m p e g 一4 于1 9 9 9 年初正式成为国际标准。m p e g - 4 是一个适用于低传输速率应 用的方案。与m p e 6 - 1 和m p e g - 2 相比，m p e g - 4 更加注重多媒体系统的交互性和灵 活性。同其他m p e g 系列的压缩标准相比，i l p e g 一4 已成为现阶段较流行的国际视 频压缩标准，m p e g - 4 的重要特点包括：( 1 ) 基于内容的普遍性。m p e g 一4 能够直接 选取音频、视频内容进行编码，并对其灵活地进行控制和显示，用户可以自行选 择场景中物体的解码质量，进行家庭影视节目制作和编辑。( 2 ) 以a v 为对象，增 强了交互性和扩展性，从而提高了交互应用的灵活性。( 3 ) 将各种功能应用在自然 的和合成的a v 对象上，增强了节日编辑制作能力。( 4 ) m p e g 一4 在误码环境中，尤 其是在恶劣误码条件下的低比特率应用中的抗误码性，有利于节耳制作、分配和 显示。 根据以上的对比，本系统选择i v l p e g - - 4 作为视频编解码的标准，因此在视频 监控的前端选择a x i s 2 4 1 s 编码器作为视频编码设备，将模拟视频信号转换为 m p e g - - 4 格式的数字视频信号。 2 5 2 传输协议的比较与选择 1 ，t c p , r i p 协议n 耵 t c p i p 协议在传输层提供了两个主要的协议：传输控制协议( t c p ) 和用户数据 协议( u d p ) 。 t c p 的全称是t r a n s m i s s i o nc o n t r o lp r o t o c o l ，即传输控制协议。在网络传输机 制中，它属于“面向连接，可靠传输”的类型。在进行通信之前，需要在两个系 统之间通过三次握手过程建立逻辑连接，在每个数据传输的过程中都需要进行应 答以保证数据包的完整。它提供了一个完整可靠的、面向连接的、全双工的流传 输服务。每个数据包的包头包括十几个域，包括地址信息、包的长度和校验信息。 允许两个应用程序建立一个连接，并在一个方向上发送数据，然后终止连接。每 1 0 山东大学硕士学位论文 个t c p 连接可靠地建立完善的终止，终止发生之前所有的数据都很可靠的传输。 这种方法需要网络的开销较大，可是数据传输的可靠性可以保证。 u d p 的全称是u s e rd a t a g r a mp r o t o c o l ，即用户数据报协议。它属于“面向无 连接，不可靠传输”的类型。该协议只负责接收和发送由上层协议传递的消息， 它本身不做任何的检测、修改和应答，上层协议需要自己处理这些实务。u d p 协 议中，每个数据包的包头包括四个域，包括地址信息与包的长度和校验信息。与 t c p 协议相比，u d p 协议的网络开销较小。由于u d p 协议在传送数据过程中没有 建立连接，也不进行检查，因此在优良的网络环境中，工作效率比t c p 协议要高。 根据t c p 和u d p 的特点可以看出，t c p 是以时间换取了传输的可靠性，不适 合多媒体数据传输实时性的要求，另外t c p 不能充分利用网络带宽的资源。相反， u d p 协议更适用于多媒体数据的传输。但是u d p 数据包没有编号，无法提供差错 控制，也不保证包的传输，更不能加载流的时间信息，因此，i n t e m e t 专家任务组 制定了一些新的协议，如资源预留协议r s v p 、实时传输协议r t p 等。这些协议 使现有的i p 网络在理论上具有提供流媒体实时传输的能力，其中r t p 是流媒体应 用的核心协议。 2 、r t p r t c p 协议川嘲 r t p 协议是m 网络中针对实时业务的一种传输协议，由实时传输协议r t p 和传输控制协议r t c p 组成。根据u d p 协议传输效率高的特点，r t p 协议一般构 架在u d p 协议之上。另外，它也是一种数据封装协议，实时业务数据封装在r t p 包的数据域中。r t p 协议提供序列号( s e q u e n c en u m b e r ) 以恢复数据包的顺序，实 现丢包检测，为实时传输提供网络拥塞等信息：提供时间戳( t n n e s t a m p ) 用于音视 频媒彳奉同步，使接收端按止确的速率回放数据；提供l 一步源标志( s o u r c e i d e n t i f i c a t i o n ) ，使接收端有可能获得有关发送端的信息。 r t p 提供实时数据端到端的网络传输服务，但它不为实时业务保留资源，也 不保证服务质量。r t c p 的主要功能是提供关于服务质量( q u a l i t yo fs e r v i c e ，q o s ) 的信息反馈。网络终端系统可以根据这些反馈信息来适应不同的网络状态ar t c p 控制包共有五种类型，其中用于提供反馈的有两种：发送端报告( s e n d e rr e p o r t ， s r ) 和接收端报告( r e c e i v e rr e p o r t ，r r ) 。前者描述发送端的发送和接收统计数据： 后者描述接收端的接收统计数据。这些统计数据包括发送包数、发送字节数、累 山东大学硕士学位论文 计丢包数，已收报文的最大序列号、到达时间间隔抖动等。 实时传输协议r t p 和传输控制协议r t c p 一起提供流量控制和拥塞控制服 务。在r t p 会话期间，各参与者周期性地传输r t c p 包。服务器利用r t c p 包中 所包含的信息动态地改变传输速率，甚至改变有效载荷类型。r t p 和r t c p 配合 使用，能够有效的反馈和最小的开销使传输效率最佳化，因而特别适合传输网上 的实时数据。 3 、传输协议的选择 根据以上对各种协议的对比，选择r t p r t c p 协议来传输实时的视频数据， 而选择t c p 协议来传输控制信息，实现对云台和镜头的控制。 2 6 本章小结 本章首先对该系统进行了需求分析，总结了系统应该具备的功能。然后介绍 了我的设计思想以及设计原则，介绍了系统设计的总体结构、层次结构以及各个 层次的功能。最后对系统设计过程中遇到的一些关键技术进行了对比和选择。 1 2 3 1 引言 第三章安防系统的硬件设计与实现 从安装位置来分，安防系统的硬件设备分为现场设备和监控中心设备。本章 内容将对数字视频监控系统、门禁控制系统和防盗报警系统进行详细的方案对比 和设计选型，对监控中心硬件设计进行详细介绍。 3 2 数宇视频监控系统m 3 2 1 系统组成 数字视频监控是通过把安装在厂区各个位置的摄像头摄取的模拟图像信号转 换成数字图像信号，一再通过计算机网络传输，使网络内的计算机都可以成为监控 终端，不受地域环境的限制。设计专用的监控网络，通过适当的v l a n 划分，实 现监控网络的安全和高速。另外，信号传输采用了标准的t c p i p 网络协议，使远 程监控变成了可能。系统结构图如图3 1 所示： 图3 i 视频监控系统结构图 山东大学硕士学位论文 系统主要由以下三部分组成： 1 、监控前端 包括模拟摄像机、云台、解码器和视频编码器等设备，实现图像的拍摄和模数 转换，得到基于疆p e g 一4 压缩标准的数字图像文件。可以依据用户及环境的不同 需求，另外加配护罩、雨刷、避雷器等。 2 、网络通信平台 由交换机、防火墙、通信线路等设备组成，实现数字图像文件通过厂区局域网 的数字传输，并可以通过i n t e r n e t 实现授权客户的远程监控。通信线路可以采用 多种方式：双绞线、光纤、有线电缆、专线。 3 、总控中心管理平台 总控中心管理平台由监控主机，电视墙、监控管理软件、视频服务器和数据库 服务器等组成。监控管理软件安装在视频服务器上，提供了完整的监控中心管理、 录像管理、报警管理、用户认证和权限管理、服务器集群管理等功能。数据库服 务器用于管理数字化监控系统的数据库、配置整个数字化监控系统、管理系统所 有用户，是数字化监控系统的管理核心服务器。 3 2 2 具体设计与实现 l 、系统前端的设计 ( 1 ) 视频捕获单元选择与设计 视频捕捉单元主要由摄像机、解码器、云台和护罩组成。摄像机通过其c c d 图像采集芯片，将拍摄到的现场图像转换成模拟视频信号，通过同轴电缆传输到 视频编码器，在视频编码器上，强照m p e g 一4 编码压缩标准转换成数字视频信号， 再传输到远端视频监视终端。云台解码器通过控制线与视频编码器上的4 8 5 串行 接口相连，将接收到的控制指令译码转换成相应的控制电压，控制云台的水平和 垂直转动，控制摄像机光圈的缩放和镜头的焦距。 根据现场的实际情况和系统功能的要求，对不同的监控场所选择了不同类型 的摄像机，并根据不同监控场所的安全防