通過采用POE技術(shù)實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計

引言

POE（Power Over Ethernet） 也被稱為基于局域網(wǎng)的供電系統(tǒng)或有源以太網(wǎng)（ Active Ethernet），有時也被簡稱為以太網(wǎng)供電.這是利用現(xiàn)存標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)傳輸電纜的同時傳送數(shù)據(jù)和電功率的最新標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，并保持了與現(xiàn)存以太網(wǎng)系統(tǒng)和用戶的兼容性.POE 技術(shù)在為一些基于IP 的終端（ 如IP 電話機.無線局域網(wǎng)接入點AP.網(wǎng)絡(luò)攝像機等） 傳輸數(shù)據(jù)信號的同時，還能為此類設(shè)備提供直流供電的技術(shù).

在確?，F(xiàn)有結(jié)構(gòu)化布線安全的同時，保證現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的正常運作，最大限度地降低成本.一個完整的POE 系統(tǒng)包括供電端設(shè)備（Power Sourcing Equipment,PSE） 和受電端設(shè)備（Powered Device,PD） 兩部分.PSE 設(shè)備是為以太網(wǎng)客戶端設(shè)備供電的設(shè)備，同時也是整個POE 以太網(wǎng)供電過程的管理者；而PD 設(shè)備是接受供電的PSE 負(fù)載，即POE 系統(tǒng)的客戶端設(shè)備.

1 視頻監(jiān)控系統(tǒng)簡介

視頻監(jiān)控系統(tǒng)按照視頻信號傳輸?shù)闹剖讲煌煞譃?a href="http://www.wenjunhu.com/analog/" target="_blank">模擬視頻監(jiān)控系統(tǒng)和數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)兩大類.其中，模擬制式視頻監(jiān)控系統(tǒng)組成框圖如圖1 所示.

圖1 所示的模擬制式視頻監(jiān)控系統(tǒng)主要由前端設(shè)備（ 攝像機.鏡頭.云臺.解碼器等）.視頻矩陣及監(jiān)控系統(tǒng)主機三部分組成.其中，視頻矩陣一般與主機在同一安裝位置，視頻矩陣至前端設(shè)備之間傳輸?shù)氖悄M復(fù)合視頻信號.模擬復(fù)合視頻信號為前端設(shè)備采集的現(xiàn)場信息，經(jīng)視頻矩陣傳送至監(jiān)控主機，監(jiān)控主機的控制信號經(jīng)串口傳送至解碼器，經(jīng)解碼器解碼后實現(xiàn)對前端設(shè)備的控制.目前，模擬視頻監(jiān)控系統(tǒng)主要存在以下幾個特點：一是電纜和部件數(shù)量多，不適宜遠(yuǎn)距離傳輸，遇到故障時排除效率低；二是可擴容性差；三是兼容性差，不利于與其他設(shè)備進(jìn)行資源融合.

近年來，隨著計算機.網(wǎng)絡(luò)以及圖像處理.傳輸技術(shù)的飛速發(fā)展，視頻監(jiān)控技術(shù)有了較快的發(fā)展，模擬視頻監(jiān)控系統(tǒng)已逐漸被網(wǎng)絡(luò)化數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)所替代，其系統(tǒng)組成如圖2 所示.

圖2 中的網(wǎng)絡(luò)化數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)主要由用戶顯示控制終端.接入/ 交換設(shè)備.網(wǎng)絡(luò)編解碼器.前端設(shè)備（ 攝像機.鏡頭.云臺等） 四部分組成.攝像機采集的現(xiàn)場視頻信息經(jīng)網(wǎng)絡(luò)編解碼器數(shù)字化后輸出至接入/ 交換設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)接口板，然后再經(jīng)接入/ 交換設(shè)備進(jìn)入干線網(wǎng)傳輸.用戶終端經(jīng)授權(quán)后可進(jìn)行查看，控制終端的控制信號經(jīng)接入/ 交換設(shè)備.網(wǎng)絡(luò)編解碼器送至解碼前端設(shè)備解碼器，經(jīng)解碼器解碼后實現(xiàn)對前端設(shè)備的控制.

因監(jiān)視前端設(shè)備采用的是分布化接入.分布式處理，故大大降低了網(wǎng)絡(luò)化數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)主機的工作量.同時，因為系統(tǒng)的開放性，交換子網(wǎng)和資源子網(wǎng)相互獨立，交換子網(wǎng)為資源子網(wǎng)提供開放的接口，這也為后期監(jiān)控系統(tǒng)的可擴展性提供了無限的可能性.

2 基于POE 技術(shù)的船用網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

針對目前傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)的以上特點，結(jié)合目前成熟的POE 技術(shù)應(yīng)用，下面提出了一種面向船用的新型的網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)設(shè)計方案.

系統(tǒng)硬件設(shè)備主要包含前端設(shè)備（ 室內(nèi)一體機.室外云臺.室外攝像機.防護(hù)罩等）.接入/ 交換設(shè)備.系統(tǒng)主機和多用戶終端四大部分；系統(tǒng)組成如圖3 所示.

根據(jù)圖3 所示，室外攝像云臺一體機以及室內(nèi)攝像云臺一體機的供電由帶POE 功能的接入/ 交換設(shè)備提供，云臺及攝像機的控制由用戶顯示控制終端或主機通過網(wǎng)絡(luò)接口送至接入/ 交換設(shè)備，進(jìn)入干線，然后經(jīng)交換設(shè)備內(nèi)的路由選擇.傳輸后輸出至相應(yīng)的接入/ 交換設(shè)備網(wǎng)絡(luò)接口板，再經(jīng)對應(yīng)前端設(shè)備識別后輸出至相應(yīng)前端設(shè)備.由室內(nèi)外攝像機采集的視頻信息經(jīng)前端設(shè)備編解碼器數(shù)字化后經(jīng)網(wǎng)絡(luò)接口輸出至接入/ 交換設(shè)備，然后再經(jīng)接入/ 交換設(shè)備入干線，用戶顯示控制終端經(jīng)授權(quán)后可進(jìn)行查看.下面簡要描述系統(tǒng)各主要分機的設(shè)計原理.

2.1 前端設(shè)備設(shè)計原理

前端設(shè)備主要分為室內(nèi)和室外兩種類型：室內(nèi)型前端設(shè)備主要由攝像云臺一體機和前端設(shè)備編解碼器組成；室外型的前端設(shè)備主要由前端設(shè)備編解碼器.攝像機.鏡頭.云臺.護(hù)罩幾部分組成.其中，除去前端設(shè)備編解碼器需要自行設(shè)計外，其余部件可直接采購.前端設(shè)備編解碼器為帶PD 功能的編解碼器，為了兼容，室內(nèi)外前端設(shè)備采用同一型號的編解碼器.考慮到室外設(shè)備的防風(fēng)性，云臺的最大載重設(shè)計為5 kg,最大功率為30 W;攝像機和鏡頭功率約為15 W,因此供電端最大功率45 W即可滿足要求.本設(shè)計采用MAX5986 作為以太網(wǎng)供電的控制器，其可提供單端最大70 W的功率輸出，可滿足室內(nèi)外前端設(shè)備的供電需求.圖4 所示是前端設(shè)備編解碼器的設(shè)計原理圖.

如圖4 所示， 前端設(shè)備編解碼器主要由視頻AD（TVP5158）.DSP 視頻處理芯片TMS320DM6467.PD 取電電路（MAX5986 電路） 以及DC-DC 電路幾部分組成.

來自攝像機的復(fù)合視頻信號經(jīng)視頻AD（TVP5158） 采樣變換后經(jīng)總線輸出至DSP（ 本設(shè)計采用的TMS320DM6467 為DSP+ARM9 架構(gòu)的數(shù)字媒體片上系統(tǒng)，是TI 公司的一款新型達(dá)芬奇技術(shù)數(shù)字媒體處理器），經(jīng)其進(jìn)行相應(yīng)格式的壓縮編碼后輸出，然后經(jīng)DSP 片上系統(tǒng)集成的以太網(wǎng)外設(shè)發(fā)往接入/交換設(shè)備，經(jīng)其進(jìn)入干線傳輸.用戶顯示及控制終端的控制信息經(jīng)接入/ 交換設(shè)備的帶POE 功能的網(wǎng)絡(luò)接口板發(fā)送至前端設(shè)備的物理網(wǎng)絡(luò)接口，一路由MAX5986 進(jìn)行取電.DC-DC變換為編解碼器.攝像機.鏡頭.云臺等設(shè)備供電；一路進(jìn)入DSP,由其片上集成的ARM9 處理器進(jìn)行控制實現(xiàn)數(shù)據(jù)解碼，實現(xiàn)對攝像機.云臺.鏡頭的控制.其中，調(diào)試鍵盤為前端設(shè)備單獨調(diào)試時使用.

2.2 監(jiān)視系統(tǒng)主機原理

監(jiān)視系統(tǒng)主機主要完成前端設(shè)備的錄像.其他設(shè)備視頻信號的接入.整個監(jiān)視系統(tǒng)的監(jiān)視及管理等工作.主要由一臺工控機.視頻采集及處理卡.大屏幕監(jiān)視電視墻和硬盤陣列式長時錄像機等幾部分組成.均可通過采購部件解決，主機通過安裝視頻監(jiān)控軟件實現(xiàn)對監(jiān)控系統(tǒng)的控制及管理.

2.3 接入/ 交換設(shè)備POE 供電網(wǎng)絡(luò)接口板設(shè)計原理

接入/ 交換設(shè)備POE 供電網(wǎng)絡(luò)接口板原理圖如圖5 所示.

如圖5 所示，網(wǎng)絡(luò)接入/ 交換設(shè)備網(wǎng)絡(luò)接口板主要實現(xiàn)前端設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)接入及用戶終端和前端設(shè)備間的網(wǎng)絡(luò)交換功能.網(wǎng)絡(luò)接口板主要由交換控制芯片VT6510.2M 的SGRAM 緩存.POE 供電控制芯片MAX5982.微控制器STM32F103 及相關(guān)外圍器件組成.其中，VT6510 交換芯片整合了8 個10/100 Mb/s 交換口及 2 個 Gigabit 交換口為單一控制芯片，符合最新的 IEEE 網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，包括 802.3x 流量控制.VLAN 功能.高效能交換引擎及 IP 多點傳送功能，可完成8 口的10M/100M自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)無阻塞交換.存儲轉(zhuǎn)發(fā).

E2PROM 主要用于保存交換設(shè)備的配置數(shù)據(jù)，在設(shè)備開機或者復(fù)位時，設(shè)備將從E2PROM 讀出這些數(shù)據(jù)，用于系統(tǒng)初始化.微控制器采用ARM7 架構(gòu)的STM32F103,主要完成對寄存器的讀寫和與PC 之間的通信，可以將網(wǎng)絡(luò)接口板配成各種工作模式，以滿足不同用戶的需求.MAX5982 為POE供電控制芯片，其與整流穩(wěn)壓電路配合完成PSE 設(shè)備功能.

3 結(jié) 語

綜上所述，基于POE 技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)具有數(shù)字化.智能化.自動化和網(wǎng)絡(luò)化等特點，其良好的擴充性.可管理性以及易于與其他系統(tǒng)的集成等諸多優(yōu)點，使其大大地簡化和提高了信息傳遞的方式和速度.隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和計算機技術(shù)的不斷發(fā)展，基于POE 技術(shù)和視頻交換技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)將會成為船監(jiān)控系統(tǒng)的新標(biāo)準(zhǔn).