基于ONVIF协议的变电站网络摄像机测试系统设计与实现

1、基于ONVIF协议的变电站网络摄像机测试系统设计与 实现11122陈少尉 ，蔡东升 ，黄琦 ，常政威 ，甄威（1.电子科技大学，成都 611731；2.四川电力科学研究院，成都 610000）摘要：安防领域众多厂商的监控设备之间差异性很大，加上厂商开发各自产品所采用的行业标准不一致，导致 不同设备互联互通经常出现故障，极大地影响了视频监测控制平台的实施效果。针对上述问题，采用了自动式 协议测试的方法，开发了一套基于ONVIF协议的测试平台，测试平台采用Web Services的形式，利用SOAP协议， 在HTTP协议基础上，以XML形式封装消息，对前端摄像机进行协议和功能上的测试，确保符合互联

2、互通的需求。 通过测试系统对被测设备的实际测试，验证了本测试系统的有效性和可靠性，具有很大的应用价值。 关键词：一致性测试系统；ONVIF；IPC；协议解析；解码中图分类号：TM73文献标识码：B文章编号：1001-1390（2014）16-0117-07Design and Implementation of the IPC Testing System in the Substation Based on the ONVIF Protocol11122CHEN Shao-wei , CAI Dong-sheng , HUANG Qi , CHANG Zheng-wei , ZHEN Wei

3、（ of Electronic Science and Technology of China, Chengdu 611731, China. Electric Power Research Institute of China, Chengdu 610000, China）Abstract：Performances vary widely among monitoring devices of different manufacturers in the security field. In addition, each manufacturer develops products by u

4、sing different industry standards, resulting in the interconnection and interworkingproblem between different devices. This problem greatly influences theimplementation effects of the video monitoring system. In view of the above problems, this paper used the method of automatic protocol testing and

5、 developed a set of testing platforms based on the ONVIF protocol. The testing platforms adopted the form of Web Services, and by using the SOAP protocol and on the basis of the HTTP protocol, packeted the message in the XML format . Tests in the protocol and functions were made on the front camera

6、in order to meet the need for interconnection and interworking. Through the actual test of the IPC devices, the validity and reliability of the system were verifiedand It was also proved that the system had great practical values.Key words：consistency testing system, ONVIF, IPC, protocol analysis, d

7、ecode0引言随着我国电力系统的不断发展，电网智能化水平防火防盗等智能设备报警信息传输到监控中心，监控 人员可通过实时图像和运动信息对变电站的运行情也不断提高。变电站作为电网的核心环节，担负着区3况进行综合监控、分析是信息化变电站建设过程中域供电的重要任务，其信息化和智能化水平的提高对1面临的一个函待解决的问题。当前，国内外视频监控电网发展具有重要意义。在电力系统中，无人值守变领域的厂商数量很多，各个厂商都开发出了一系列视电站的管理模式正在全面推广，在对原有模式进行集频监控产品。然而，产品开发过程中采用的行业标准中改造的过程中，提出了新的视频监控要求2。视频监不一致，不同设备之间的交互协议没

8、有很好的统一，控系统能否正常运作，能否将变电站的各个监视点， 如主变、断路器、隔离刀闸等运行状态通过实时图像、导致了设备互联互通时出现许多问题。这严重影响了监控系统的整体功能，导致监控系统不能起到实时监控、告警上报等作用。变电站监控系统使用的监控设 备，如果能在入网使用前按照统一的行业标准与协议 进行测试，保证投入使用后能够发挥正常的功能是一 项非常具有现实意义的课题。近年来，随着视频监控领域的深入拓展，视频监 控标准层出不穷，从不同行业的用户到不同地区的应1.1系统结构设计基于ONVIF协议的软件测试系统的结构如图1所 示。测试模式分为两种：标准协议自动测试模式和单 项测试模式。主要包括通讯

9、、消息封装、协议校验、测 试记录和测试报告生成等模块，其中消息封装模块根 据不同测试模式分为标准ONVIF消息格式封装和问4用场合，都有各自独立的标准。由于这些标准差异较题消息格式封装两大模块；协议校验模块分为测试过大，以致于协议的通用性很差。厂商在实现这些标准 时，往往根据不同的需求，开发特定的SDK（Software Development Kit），不但开发周期长、缺乏生命力，而 且也无法保证设备之间良好的互通性。因此，致力于 行业标准化建设的组织陆续成立，如ONVIF（Open Network Video Interface Forum）、PSIA （Physical Security

10、 Interoperability Alliance） 和 HDCCTV（High5Definition Television） 。这些标准的推出，为增强设备之间的兼容性提供了依据。上述三大监控标准各有特 点，文献6-8中分析了标准的异同点，并指出目前 ONVIF协议市场占有率最高，兼容性好，发展势头最 为强劲。可见，开发以ONVIF协议为标准的测试系统， 能够很好的改善设备之间相互通信所存在的问题。本文针对变电站视频监控设备缺乏统一监控标 准，无法正常互联互通等问题，设计与开发了基于 ONVIF 协议的测试系统，模拟后端 NVR（Network Video Recorder ）设备，对前端I

11、PC（IP Camera）进行协 议与功能的测试，保证测试通过后的IPC，在变电站视 频监测控制平台中能够正常使用。该测试系统经过实 际运行和测试，验证了测试系统对统一和规范监控协 议的实际作用，极大改善了视频监控系统运行的稳定 性和可靠性，具有很深远的现实意义。1系统设计为了解决监控设备之间互联互通存在的问题，本 文设计的网络摄像机测试系统，以ONVIF协议作为标 准，采用C/S（Client/Server）模式构建。测试系统主要实 现了ONVIF协议规范的各类接口，以模块化设计方法 完成整个测试平台的设计。结合IP组播、网络通信、视 频传输、XML（Extensible Markup La

12、nguage）解析等技 术，基于MFC开发了变电站视频监控系统前端IPC的 通信协议与功能测试系统。测试系统分为基本功能测 试和协议一致性测试两大模块，其中协议一致性测试 分为标准接口自动测试和非标准接口单项测试两种 模式。自动测试按照ONVIF协议规范的接口进行流程 化测试，简化测试过程；单项测试对指定测试项进行 非标准接口的协议测试，从反方向检测IPC对ONVIF 协议的兼容程度。程分析、消息类型分析、消息分析处理和协议内容解析等模块。图1协议检测平台结构图Fig.1The structure chart of the protocol testingplatform对IPC的测试分为ON

13、VIF标准协议测试和IPC基本功能测试。IPC功能测试主要对网络摄像机的基本 功能如云台转动、实时视频播放、设备重启等进行测 试；标准协议自动测试主要侧重于从协议上对待测设 备进行测试，检验是否符合标准ONVIF协议规范；协 议一致性单项测试针对某一指定测试项，模拟该测试 项中存在的多种错误，以非标准的协议接口进行封 装，对IPC进行测试。协议校验模块是测试平台的重要组成环节。通信 模块服务端接收到被测IPC的响应消息后，通过该模 块对检测过程进行解析，提取消息类型，对消息体进 行处理，解析关键元素，最后判断消息是否符合标准。每一个测试项测试完成后，通过测试记录模块将 测试信息进行存储，记录消

14、息名称、消息类型、测试结 果等信息，供测试过程中进行查询。同时，通过测试结 果报告将信息以报表的形式进行保存，为测试结果提 供依据。1.2 系统功能设计根据变电站视频监控系统的实际需求，在这里将-118-测试系统设计为两大核心部分，即协议测试部分和功 能测试部分。以前者为主体，后者是以前者为基础进 行基本功能测试。如图2所示，协议测试部分包含五类，分别为设备 管理类、媒体配置类、云台控制类、事件处理类和视频 分析类。ONVIF协议规范接口均以Web Services的形 式提供，信息交互采用SOAP （Simple Object Access Protocol）协议，在HTTP（Hyperte

15、xt transfer protocol）协 议基础上，以XML格式封装消息，经过处理后与待测 IPC进行测试。不同协议类型对应不同的功能测试项， 主要包括设备搜索、重启、校时；实时视频播放、媒体 参数配置；云台移动、预置点操作、云台停止；事件（告 警）订阅、过滤、属性配置；规则配置、引擎配置等。图2ONVIF协议功能测试结构图 Fig.2The structure chart of the function test forthe ONVIF protocol协议测试时，将配置参数设为默认值或者固定值， 主要校验消息格式与关键参数；功能测试时，将配置参 数设置成可选模式，通过修改参数，查看不

16、同的功能。 2关键技术实现本文设计的测试软件功能核心是数据交互和协议 分析校验。数据交互涵盖了信息传输技术，包括组播通 信（UDP）、视频流传输和基本测试流程交互等内容；协 议分析校验涵盖了消息内容提取和XML解析等内容。 2.1组播通信实现测试系统只有通过设备搜索功能获取待测IPC的 IP才能进行下一步测试。设备搜索利用了组播通信技 术，测试时，系统向组播段发送设备发现（Probe）消9IPC接收到Probe报文后，对该报文进行响应，应答消 息通过单播模式进行传输，组内所有响应的IPC都会 通过点对点的方式向指定的目的地（测试系统）发送 设备发现响应（ProbeMatch）消息，该消息体中携

17、带了 表征设备唯一性的通用唯一识别码（UUID）、设备信 息描述（Scopes）和设备服务入口地址。组播通讯模式 下的设备搜索流程结构如图3所示。组播模式实现的设备搜索流程如图4所示。图3组播通讯设备搜索结构图Fig.3The structure chart of the multicast communication equipmentsearching图4设备搜索流程图息，由于组播模式是“一对一组”的通讯模式，因此同组中的所有IPC设备都能接收到组内的数据。组内的Fig.4The flow chart of the devicesearching-119-主要有如下几个步骤：（1）建立组播

18、模式套接字，配置通讯参数；（2）加入组播组；（3）开启循环接收消息线程，准备接收响应消息；（4）发送设备搜索Probe消息；（5）判断是否接收到ProbeMatch响应消息；（6）处理响应消息报文，提取出关键元素；（7）退出组播组；2.2消息内容解析实现体符合XML形式，将其以文本方式存储起来。校验时， 先加载文本，循环处理消息体中个节点的属性和参数 值，并且将提取的各参数压栈存储，为整个测试流程 提供必要的参数支持。2.3视频流解码实现测试系统测试IPC的实时流传输功能，需要系统 具备视频流解码能力，通常可采用硬解码和软解码两 种模式。硬解码需要借助特定的硬件设备，采用专用 的子卡设备完成解

19、码任务；软解码指通过计算机、操消息内容解析是指测试系统对被测设备的响应作系统、CPU运行解码程序实现视频解码。考虑到消息进行格式校验、消息体内容甄别和关键元素提 取。由于ONVIF协议的数据交互过程采用SOAP协议， 因此对消息体内容的解析主要采用XML解析方式实 现。将每一次测试的响应消息经过XML解析单元处 理，提取和判别信息中每一节点的内容和属性，并与 标准协议内容进行比较。本测试系统采用TinyXml解析器对XML文件实现 分析。TinyXml是一款以DOM（文件对象模型）为基础 的解析器，适合存储简单数据。通过遍历文本内容，提 取和校验文本中各节点的信息，包括节点类型、节点 属性值等

20、，将提取的参数与ONVIF标准协议进行比 较，从而实现协议的一致性校验。消息体内容校验流 程如图5所示。图5协议校验流程图Fig.5The flow chart of protocolcheck测试系统服务端接收到被测设备的响应消息后， 将消息头和消息体分开处理。ONVIF协议的响应报文 头是HTTP头，必须符合标准HTTP消息头格式；报文10测试系统主要关注被测IPC的视频流传输能力，且对 本地视频显示要求不高，因此选择软解码方式实现视 频流的解码功能。本文采用VLC（Visible Light Communication）开源 软件进行解码，其解码能力高效、跨平台性能稳定，保证 了整个测试

21、过程的实时性和流畅性。系统基于ONVIF协 议，采用VLC进行软解码播放视频的基本过程有： GetStreamUri填充RTSP （Real Time Streaming Protocol） 路径、Access访问、Demux解复用、Decode解码、Output视 频输出。实时流解码的整个流程如图6所示。图6视频解码流程图Fig.6The flow chat of videodecoding测试系统通过向IPC发送GetStreamUri请求消息， 获取通用资源标识符（URI），利用RTSP协议开始对实 时媒体流的传输处理。Access访问指接收、获取多媒 体数据流，以RTSP的方式输入，D

22、emux解复用指将捆 绑在一起的音频和视频进行分离，分别送往音频和视 频解码器处理。Decode解码指对音频和视频的解码， 本测试系统主要对编码方式采用的视频进行解 码处理。Output指将解码完毕后视、音频进行显示和 播放。本系统实现传输IPC实时视频流的过程如图7所 示。如上文所述，测试前需要通过GetStreamUri命令向 被测设备请求RTSP协议串流路径，只有成功获取到 该路径，才能继续向下测试，否则若要继续测试，则需 要重新向IPC发送GetStreamUri请求。当获取到RTSP 播放路径后，开始实例化VLC视频播放窗口，获取播-120-图 7流媒体播放功能流程图Fig.7 Th

23、e flow chart of the video playing function放列表对象，将所获取的RTSP路径添加到播放列表 中，开始接收视频流，并且进行解码和播放。若需要停 止视频流传输，则通过清除播放列表，并向IPC发送停 止请求实现。2.4 协议一致性测试为了简化测试过程，加强协议测试规范性和严密 性，本文设计了标准接口自动测试和非标准接口单项 测试两种模式。ONVIF协议定义的测试项接口有很多，上文列举 了常用的五个测试项类型 ： 设 备 管 理（DeviceManagement）、媒 体 配 置（Media）、云 台 控 制（PTZ）、 事 件 处 理 （Events） 和

24、视 频 分 析（VideoAnalytics）。每一测试类型又包含了许多测试项 接口，若要对所有测试项进行测试，需要耗费较长时 间，也不便于测试人员的操作。本测试系统运用协议自动化测试理念，把待测试 的协议接口分成上述五类。由于同类测试项使用相同 的功能服务入口地址，并且测试项之间具有一定的逻 辑连贯性，因而可采用自动测试的办法把测试项串联起来，按照不同的类别进行统一测试。系统自动测试 总结构如图8所示。图8自动测试总结构图Fig.8The structure chart of autotesting本系统自动测试时，可以选择单一类型进行测 试 ， 也 可以选择所有类型顺次测试 。 设 备 管

25、 理（DeviceMngnt）类接口测试时将基本服务入口地址作 为配置参数，从中提取出关键字段和被测设备IP地 址，用于生成SOAP消息并与IPC进行通信。其他四类 测试项在测试前，通过GetCapabilities命令获取IPC支 持 的 各 项功能的入口地址 。 对 于 Media、PTZ 和 VideoAnalytics类，测试过程与设备支持的码流信息密 切相关，因此需要借助GetProfiles命令获取被测设备 提供的码流标志符（ProfileToken），表明测试项与该码 流（如主码流）捆绑在一起。由于事件（Events）和视频 分析（VideoAnalytics）测试项，在功能上相

26、互关联，因 此测试过程相互交替进行。VideoAnalytics类测试项测 试时，需要获取视频分析标识符（VideoAnalyticsToken）， 并对测试项（如物体移动侦测）进行区域和灵敏度的 配置，结合Events中的设置的告警标志和主题，实现 告警联动。自动测试的软件设计流程如图9所示。测试系统在自动测试中，会对待测IPC回馈的响 应消息进行校验。若消息有错误，则提示消息错误类 型，并将消息内容通过压栈的方式进行存储和查询。 当测试结束，将测试结果以Excel表格的形式完成测 试结果报告。通过自动测试模块测试的IPC，表明对ONVIF协-121-议是支持的，但是如果IPC执行ONVIF

27、协议过于宽松， 虽然会提高与其他厂商设备的对接能力，但是作为监 控系统的一部分，在运作时会增加许多安全隐患，比 如IPC误动作、信息误报等，将对监控系统造成严重影 响。为了解决上述问题，本系统设计了非标准协议单 项测试模块，采用协议反向测试模式检验被测设备执 行ONVIF协议的规范性。图9自动测试软件设计流程图Fig.9The flow chart of the autotesting software design非标准接口测试主要是对请求消息（Request）做 修改，重点关注以下两个方面：（1）对消息头的处理。标准ONVIF协议的请求报文中携带HTTP消息头，消息头必须携带与测试类型相关

28、的资源识别符（Request-URI）；消息头中必须携带HOST部分，指定 请 求 资 源 的 IPC 及其端口；消息头中必须携带 Content_Length的实体头信息，定义报文实体的长度；（2）对消息体的处理。 标准消息体必须符合标准XML形式；消息体中采用用户名加上密码（WS-Username）的方式进行加密 认证；消息体中必须包含测试项的主要附属元素。非 标准接口的单项测试可以从上述两方面入手，修改请 求消息，检验IPC对非标准格式下的请求消息的响应 情况。测试总体流程如图10所示，主要包括请求消息模 板、消息修改与整合和消息校验三部分。图10非标准接口测试总体流程图Fig.10Th

29、e flow chart of the nonstandard interfacetesting请求消息模板存储了所有测试项的标准消息体 样例。测试前，系统先调取消息模板，通过获取的入口 参数共同整合成标准的请求消息。在生成标准消息 后，可以根据需求任意修改标准消息中的消息头或消 息体，重新生成非标准请求消息，对IPC进行反向测 试。经过修改的测试项如果能被IPC通过，则表明设备 对协议的处理不严格，如果不通过，则判断错误消息 中的错误原因是否符合修改消息的实际情况，如果符 合，则表明设备对协议校验严格，能够保证互联互通 的基本要求，测试通过。3 系统测试针对监控行业标准不统一，设备互联互通存

30、在故 障等问题开发的基于ONVIF协议的网络摄像机测试 系统，已经投入运行测试。在实际的测试过程中，作业人员通过软件平台完 成测试操作。主要测试基于ONVIF协议的IPC云台、视 频、告警等基本功能和协议规范性。协议测试分为标 准接口测试和非标准接口测试，从正反两方面验证 IPC的ONVIF协议标准。测试过程中，系统能够按照标-122-准，对被测设备存在的问题进行快速定位，指出错误 类型，并且记录测试信息，便于后续查询和分析。本系 统测试方便、高效，避免了用实际设备进行联调带来 的繁琐工作量，提高了设备入网前测试的工作效率。 本系统已实际对国内外多个厂商的主流IPC产品进行了测试，如对型号为S

31、NC-ER550、SNP -5200、NZ-IPD-8610 -H、DS -2DF-5274 -A、HIC6501EX18 -5C等的多款设备进行了测试，搭建了简单的测试环 境，包括运行测试系统的服务器（32位XP系统）、被测 IPC设备和其他测试所需的设备（交换机、网线等），测 试环境如图11所示。测试系统实际运行和测试界面如图12所示。由图 可见，系统对每一条测试消息都进行了校验、记录和 显示。如果测试消息正确，则标为绿色，显示“消息正 确”，如果测试消息有误，则标为红色，显示“消息错 误”，同时在下方错误提示框中显示消息错误原因，以 便查询。图11测试环境图Fig.11The teste

32、nvironment diagram图12测试主界面图Fig.12The diagram of the test main interface通过测试系统测试后的IPC设备，在实际使用时， 能够通过ONVIF协议接口实现所需功能，保证了各厂 商设备之间实现良好的通信性能，印证了本测试系统 的实效性。4 结束语基于ONVIF协议的网络摄像机测试系统，实现了对视频监测控制平台中即将投入使用的IPC设备的协 议和基本功能的测试。系统以ONVIF协议为基础进行 设计和开发，为当前视频监控行业标准不统一，设备 互联互通故障频繁的问题提供了一种可行思路。系统 通过功能测试模块、自动测试模块和单项测试模块，

33、 对被测设备进行了严格的功能和协议测试，规范了设 备之间的协议标准，保证了设备使用时良好的相互通 讯性。通过该系统的实际运行，验证了系统的有效性 和可靠性，对于系统的功能和协议扩充以及性能的进 一步提高，将在下一步的研究中继续改善。参 考 文 献1 卞俊善. 基于智能电网的变电站综合监控系统设计应用D. 北京 : 华北电力大学硕士学位论文, 2011.BIAN Jun-shan. The Design Applications of Comprehensive Monitoring System in Substations Based on the Smart Grid D. Beijing

34、: North China Electric Power University, 2011.2 蔡萌, 林霞. 无人值守变电站自动化系统设计J. 科技创新与应用, 2012, (28): 178-179.CAI Meng, LIN Xia. The Design of Unattended Substation Automation SystemJ. Technology Innovation and Application, 2012(28): 178-179.3 郭丽红, 吴海涛. 无人值守变电站远程视频监控系统的研究与应用 J. 工业控制计算机, 2008, 21(11): 31-32.

35、GUO Li-hong, WU Hai-tao. Remote video Monitoring System in Unattended Substation J . Industrial C ontrol Computer, 2008, 21(11): 31-32.4 张秀玲. 视频监控系统研究现状与发展趋势J. 科技信息, 2008(36):341-343.ZHANG Xiu-ling. Research Status and Development Trend of Video Monitoring SystemJ. Science, 2008(36): 341-343.5 黄瑾, 洪

36、丽娟. ONVIF和PSIA-网络视频监控标准浅析 J. 电视技 术, 2013(1): 175-177.Huang Jin, HONG Li-juan. ONVIF and PSIA-Analysis on Standards of IP Based Video SurveillanceJ. TV Engineering, 2013(1): 175-177.6 黄明辉. 三大监控标准联盟异同点分析 J. 安全技术, 2011,(1): 71-72.Huang Ming-hui. Analysis of Similarities and Differences Between Three Co

37、ntrol StandardsJ. Security Tech. 2011(1): 71-72.7 IMS Research. IMS Research finds ONVIF has greater market share than PSIAEB/OL. 2013-08-01.8 T.Stockhammer, M.M.Hannuksela, T.Wiegand. H.264/AVC in wireless environment J. IEEE Transaction on Circuits and Systems for Video Technology, 2003, 13(7): 65

38、7-6739 张淑芳. IP组播技术及其应用J. 广播电视信息, 2011(7): 47-50.ZHANG, Shu-fang. IP Multicast Technology and Its Application J. Radio & Television Information. 2011(7): 47-50.10徐飞明. 基于ONVIF协议的NVR软件平台的设计与开发D. 杭州: 浙江大学硕士学位论文, 2012.XU Fei-ming. Design and Development of NVR Software Platform Based（下转第 128 页）-123-G

39、OU Xin-ke, MOU Ying, WANG Chang-jiang, et al. Simulation of shunt hybrid active power filterJ. Power System Protection and Control, 2009, 37(17): 13-15.5 陈兆岭, 杨辰星, 刘国海. 新颖的有源电力滤波器复合控制方法J. 电测与仪表, 2013, 50(3): 69-74.CHEN Zhao-ling, YANG Chen-xing, LIU Guo-hai. Novel Compound Control Method for Active Power FilterJ. Electrical Measurement & Instrumentation, 2013, 50(3): 69-74.6 严慧, 于盛林, 李远禄, 等. 分数阶PID控制器参数设计方法 极点阶数搜索法J. 信息与控制, 2007, 36(4): 445-450.YAN Hui, YU Sheng-lin, LI Yuan-lu, et al. A Design Method of the Parameters of Fractional-order PID ControllerPoles-Orders