基于MESH技术的无线视频监控系统在油气生产物联网的应用

基于MESH技术的无线视频监控系统在油气生产物联网的应用摘要：根据中国石油“十二五”IT规划中“油气生产物联网系统”项目需求，本文提出了一种基于MESH组网技术与物联网技术相结合的无线视频监控系统的架构设计。本文首先阐述了我国视频监控发展的三个阶段和目前物联网技术对我国石油、安防行业的影响，介绍了6种常用的视频信息传输方式。在此基础之上，结合物联网的三种应用架构、MESH组网技术和视频监控系统的体系结构与技术特点，详细设计出一种基于油气生产物联网的无线视频监控系统架构。同时，本文将有线通信与无线通信、无线传感网络短距离通信与无线MESH远距离通信有机地结合起来，提出了监控中心应用软件网络功能的需求。关键词：物联网；视频监控；MESH；通信组网1引言近年来，基于井场、站库等油气田生产现场的数据采集、过程控制、参数优化、管理决策等凸现重要，将自动化技术、通信技术、信息技术融合的油气生产物联网系统在智能识别、数据融合、数据应用等方面发挥越来越大的作用，油气生产物联网是油气田信息化建设发展的必然趋势。中国石油为加快业务领域信息化建设，全面提升企业整体管理水平，在“十二五”IT规划中将“油气生产物联网系统”（以下简称A11）定位为一个重要信息系统建设项目。而视频监控系统在油气生产物联网系统中同样也占有重要位置，对生产现场的图像采集、对生产过程的实时监控为领导层的管理决策提供了重要的支持。根据中国石油A11项目的需求，本文则提出了一种基于MESH技术的无线视频监控系统的架构设计。目前我国网络视频监控的发展大致经历了三个阶段：早期由安防产品演化而来的闭路视频监控系统是我国第一代模拟视频监控系统；半数字时代，视频是以模拟方式采用同轴电缆进行传输，由多媒体控制主机或硬盘录像主机（DVR）进行数字处理与存贮；全数字时代，数字视频服务器（DVS）代替模拟切换矩阵，以嵌入式技术为依托，以网络、通信技术为平台，实现视频在网上传输和监控系统内数据的切换、传输、存储的数字化[1]。基于MESH技术与物联网技术的无线视频监控系统，属于第三代视频监控系统，它是一种网络视频监控平台，所有图像采集点、监控中心通过有线和无线传输方式与监控平台相连，实现远程图像的实时监控、传输和存储。目前业界把我国安防产业的主要热点归纳为：“两大方向五大趋势”。两大方向指的是用户体验的持续提升和客户应用的不断丰富，这两大方向相应推动了五大趋势：高清、NVR、整合、无线和智能。高清和NVR提升了用户的观看与使用体验，整合、无线和智能则丰富了客户的业务应用。高清和NVR两大趋势代表了传统的视频监控技术的重要性，而整合、无线和智能这三大趋势则代表了以物联网为基础的应用集成技术的重要性[2]。2物联网的三种应用架构物联网把新一代IT技术充分运用于各行各业中，使物理世界与信息世界相联结。物联网应用有三种架构：(1)基于RFID的物联网应用架构电子标签可能是三类技术体系中能够最灵活地把“物”改变成为智能物件的，其主要应用是把移动和非移动资产贴上标签，实现各种跟踪和管理[3]。(2)基于传感网络的物联网应用架构主要是指无线传感网络(WSN,WirelessSensorNetworks)，WSN由分布在自由空间里的一组“自治的”无线传感器组成，共同协作完成对特定周边环境状况，包括温度、湿度、化学成分、压力、声音、位移、振动、污染颗粒等的监控。WSN中的一个节点(或叫Mote)一般由一个无线收发器、一个微控制器和一个电源组成。WSN一般是自治重构(Ad-Hoc或Self-Configuring)网络，包括无线网状网(MeshNetworks)和移动自重构网(MANET)等[3]。(3)基于M2M的物联网应用架构业界认同的M2M理念和技术架构覆盖的范围应该是最广泛的，包含有线和无线两种通信方式。M2M覆盖和拓展了工业信息化(两化融合)中传统的SCADA系统[3]。3视频信息传输方式在安全防护框架下，油气生产物联网数据传输需要满足较高的实时性与可靠性要求，以保障对各类危险行为的快速响应和人们的生命财产安全与油田生产的稳定。同时，由于安全防护网络大部分需要提前部署与规划，将拥有相对稳定的网络拓扑，这也为实现较复杂的传输机制提供了良好支持。在视频监控系统中，大量的监控画面数据需要通过网络传达并呈现给监控中心的工作人员。基于物联网的智能视频监控系统更需要指挥中心服务器与下属监控摄像头多次交互，自动分析监控内容，提取有用信息。3.1常用传输方式概述由于视频传输将占用大量网络带宽，且对传输实时性的要求也通常高于一般的物联网应用，因此往往需要部署专用通信线路。常见的视频监控包括有视频基带传输、光纤传输、网络传输、微波传输、双绞线平衡传输、宽频共缆传输64.1远程视频监控终端远程视频监控终端主要包括视音频及数据的采集和编码部分，视频监控终端硬件结构如图2所示。考虑到监控终端对视频压缩能力、无线移动特性和低功耗的要求，应采用专用视频编码芯片。芯片应集成支持H．264标准的硬件编解码器和ARM9核，功耗仅为200mW。复合视频信号经xSAA7113的模拟端子输入，经过模数转换、滤波和缩放后，生成BT．656格式的视频，输出到iMx21。它对视频进行H．264格式的压缩编码，将数据流经USB控制器扩展的USB2．O接口输出到VT6656模块。VT6656模块包含一个集成了MAC和基带处理器的芯片和一个集成了功率放大器和天线的芯片，支持IEEE802.11b/g无线传输。4.2传输设备主要是指网络系统，现有的网络形式包括有线网络（LAN、PSTN、ISDN、XDSL、WAN等）、无线网络（WLAN、卫星通信等）和无线移动网络（CDMA、GPRS等）。系统应兼容多种通信模式，如将无线专网、GPRS/CDMA/3G、光纤网及卫星网等，通过物联网通信技术，实现各种应用网络的互联互通，真正组成一个可连接各种感知终端的有机通信网络平台。本文设计的无线传输方式WMN采用的类似Internet的网状拓扑，包含了无线Mesh路由器和无线Mesh客户端两类基本设备，即骨干网Mesh结构和客户端Mesh结构。前者由无线路由器构成Mesh骨干网，提供一个大面积、高可靠性的覆盖区域，无线客户端通过路由器接入骨干网实现业务功能。后者通过在无线客户端集成路由和配置功能，由多个客户端直接构成WMN。无论采用哪种结构，一个节点的数据都可通过相邻多个具有路由功能的节点到达目标节点，局部网络的可靠性不受单一节点制约。网络负载分散在多个节点实现，有效减少了节点的功耗，使采用便携式电源成为可能。如图3为无线MESH前端组网图。图3无线MESH前端组网图4.3监控中心实现视音频的还原和系统的运行及存储管理，传统的监控中心主要有视频解码设备、存储服务器、监控系统管理软件、电视墙、磁盘阵列等组成。在物联网发展的今天，监控中心主要硬件设备和应用软件也发生了新的变化。硬件设备：在满足网络功能要求的前提下，采用云计算概念，主要功能在服务器上完成，用云终端代替操作员站与管理员站的计算机，简化操作员站与管理员站的硬件设备，提高系统的安全性、可靠性，便于系统功能与规模的扩充。应用系统软件：在满足一般使用要求的前提下，需要强大的网络功能，由传统点到点的视频监控系统发展为端到端的互联网协议架构系统。在物联网发展的今天，应设计以下功能：支持PDA、智能手机作为操作终端：视频监控系统软件直接支持智能手机作为操作终端。这使得系统的使用范围从监控室扩大到任何手机网络可以到达的区域。远程维护技术：视频监控系统采用B/S结构，B/S结构即浏览器/服务器结构的软件，可提供很强的远程维护支持，大大降低项目实施和维护的成本。多种的权限管理：传统视频监控系统平台的操作员是限定在很少的几个人，而现在视频监控系统可能会面向全企业不同层面、不同部门的人员提供服务的网站发展，这就要求平台软件具有多种权限支持。与工业数据一体化：将现场视频与SCADA调度系统集成在一起，突出了调度决策的现场感知效果。5总结本文根据中国石油A11项目的需求，结合目前中国石油各油田现状，提出了一种基于MESH技术的无线视频监控系统的架构设计。视频监控系统是整个油田安防系统建设的一部分，油田安防系统的建设经过了从传统模拟时代到数字安防的升级，经历了安防IT化、IP化，与通信技术、IT技术的融合，经历了从几台设备几根线连接到局部组网再到多级联网、远程管理的成长过程，如今的安防系统已经不仅仅是一个简单的视频监控系统，安防系统已经扩展成为可以集成各岗位业务管理、数据传输、视频、报警、控制于一体、可以实现对海量数据的存储、智能分析，调用的安防智能化综合管理平台。油田视频监控系统智能化是未来物联网发展的必然趋势，希望本文设计的视频监控系统架构能够为中国石油未来安防智能化的发展提供参考。参考文献：[1]李吉庆．基于因特网的分布式水利视频监控系统[M].电视技术，2001.11[2]周洪波.物联网技术、应用、标准和商业模式[M].电子工业出版社，2011年7月[3]傅仁轩，肖连.基于物联网技术的新型数据采集与监控系统设计[J].移动通信,2011年09期[4]张新程，付航，