基于MESH技術的無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)在油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)的應用

基于MESH技術的無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)在油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)的應用摘要：根據(jù)中國石油“十二五”IT規(guī)劃中“油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)”項目需求，本文提出了一種基于MESH組網(wǎng)技術與物聯(lián)網(wǎng)技術相結(jié)合的無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)的架構設計。本文首先闡述了我國視頻監(jiān)控發(fā)展的三個階段和目前物聯(lián)網(wǎng)技術對我國石油、安防行業(yè)的影響，介紹了6種常用的視頻信息傳輸方式。在此基礎之上，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)的三種應用架構、MESH組網(wǎng)技術和視頻監(jiān)控系統(tǒng)的體系結(jié)構與技術特點，詳細設計出一種基于油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)的無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)架構。同時，本文將有線通信與無線通信、無線傳感網(wǎng)絡短距離通信與無線MESH遠距離通信有機地結(jié)合起來，提出了監(jiān)控中心應用軟件網(wǎng)絡功能的需求。關鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；視頻監(jiān)控；MESH；通信組網(wǎng)1引言近年來，基于井場、站庫等油氣田生產(chǎn)現(xiàn)場的數(shù)據(jù)采集、過程控制、參數(shù)優(yōu)化、管理決策等凸現(xiàn)重要，將自動化技術、通信技術、信息技術融合的油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)在智能識別、數(shù)據(jù)融合、數(shù)據(jù)應用等方面發(fā)揮越來越大的作用，油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)是油氣田信息化建設發(fā)展的必然趨勢。中國石油為加快業(yè)務領域信息化建設，全面提升企業(yè)整體管理水平，在“十二五”IT規(guī)劃中將“油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)”（以下簡稱A11）定位為一個重要信息系統(tǒng)建設項目。而視頻監(jiān)控系統(tǒng)在油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中同樣也占有重要位置，對生產(chǎn)現(xiàn)場的圖像采集、對生產(chǎn)過程的實時監(jiān)控為領導層的管理決策提供了重要的支持。根據(jù)中國石油A11項目的需求，本文則提出了一種基于MESH技術的無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)的架構設計。目前我國網(wǎng)絡視頻監(jiān)控的發(fā)展大致經(jīng)歷了三個階段：早期由安防產(chǎn)品演化而來的閉路視頻監(jiān)控系統(tǒng)是我國第一代模擬視頻監(jiān)控系統(tǒng)；半數(shù)字時代，視頻是以模擬方式采用同軸電纜進行傳輸，由多媒體控制主機或硬盤錄像主機（DVR）進行數(shù)字處理與存貯；全數(shù)字時代，數(shù)字視頻服務器（DVS）代替模擬切換矩陣，以嵌入式技術為依托，以網(wǎng)絡、通信技術為平臺，實現(xiàn)視頻在網(wǎng)上傳輸和監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)數(shù)據(jù)的切換、傳輸、存儲的數(shù)字化[1]?；贛ESH技術與物聯(lián)網(wǎng)技術的無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)，屬于第三代視頻監(jiān)控系統(tǒng)，它是一種網(wǎng)絡視頻監(jiān)控平臺，所有圖像采集點、監(jiān)控中心通過有線和無線傳輸方式與監(jiān)控平臺相連，實現(xiàn)遠程圖像的實時監(jiān)控、傳輸和存儲。目前業(yè)界把我國安防產(chǎn)業(yè)的主要熱點歸納為：“兩大方向五大趨勢”。兩大方向指的是用戶體驗的持續(xù)提升和客戶應用的不斷豐富，這兩大方向相應推動了五大趨勢：高清、NVR、整合、無線和智能。高清和NVR提升了用戶的觀看與使用體驗，整合、無線和智能則豐富了客戶的業(yè)務應用。高清和NVR兩大趨勢代表了傳統(tǒng)的視頻監(jiān)控技術的重要性，而整合、無線和智能這三大趨勢則代表了以物聯(lián)網(wǎng)為基礎的應用集成技術的重要性[2]。2物聯(lián)網(wǎng)的三種應用架構物聯(lián)網(wǎng)把新一代IT技術充分運用于各行各業(yè)中，使物理世界與信息世界相聯(lián)結(jié)。物聯(lián)網(wǎng)應用有三種架構：(1)基于RFID的物聯(lián)網(wǎng)應用架構電子標簽可能是三類技術體系中能夠最靈活地把“物”改變成為智能物件的，其主要應用是把移動和非移動資產(chǎn)貼上標簽，實現(xiàn)各種跟蹤和管理[3]。(2)基于傳感網(wǎng)絡的物聯(lián)網(wǎng)應用架構主要是指無線傳感網(wǎng)絡(WSN,WirelessSensorNetworks)，WSN由分布在自由空間里的一組“自治的”無線傳感器組成，共同協(xié)作完成對特定周邊環(huán)境狀況，包括溫度、濕度、化學成分、壓力、聲音、位移、振動、污染顆粒等的監(jiān)控。WSN中的一個節(jié)點(或叫Mote)一般由一個無線收發(fā)器、一個微控制器和一個電源組成。WSN一般是自治重構(Ad-Hoc或Self-Configuring)網(wǎng)絡，包括無線網(wǎng)狀網(wǎng)(MeshNetworks)和移動自重構網(wǎng)(MANET)等[3]。(3)基于M2M的物聯(lián)網(wǎng)應用架構業(yè)界認同的M2M理念和技術架構覆蓋的范圍應該是最廣泛的，包含有線和無線兩種通信方式。M2M覆蓋和拓展了工業(yè)信息化(兩化融合)中傳統(tǒng)的SCADA系統(tǒng)[3]。3視頻信息傳輸方式在安全防護框架下，油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸需要滿足較高的實時性與可靠性要求，以保障對各類危險行為的快速響應和人們的生命財產(chǎn)安全與油田生產(chǎn)的穩(wěn)定。同時，由于安全防護網(wǎng)絡大部分需要提前部署與規(guī)劃，將擁有相對穩(wěn)定的網(wǎng)絡拓撲，這也為實現(xiàn)較復雜的傳輸機制提供了良好支持。在視頻監(jiān)控系統(tǒng)中，大量的監(jiān)控畫面數(shù)據(jù)需要通過網(wǎng)絡傳達并呈現(xiàn)給監(jiān)控中心的工作人員?；谖锫?lián)網(wǎng)的智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)更需要指揮中心服務器與下屬監(jiān)控攝像頭多次交互，自動分析監(jiān)控內(nèi)容，提取有用信息。3.1常用傳輸方式概述由于視頻傳輸將占用大量網(wǎng)絡帶寬，且對傳輸實時性的要求也通常高于一般的物聯(lián)網(wǎng)應用，因此往往需要部署專用通信線路。常見的視頻監(jiān)控包括有視頻基帶傳輸、光纖傳輸、網(wǎng)絡傳輸、微波傳輸、雙絞線平衡傳輸、寬頻共纜傳輸64.1遠程視頻監(jiān)控終端遠程視頻監(jiān)控終端主要包括視音頻及數(shù)據(jù)的采集和編碼部分，視頻監(jiān)控終端硬件結(jié)構如圖2所示?？紤]到監(jiān)控終端對視頻壓縮能力、無線移動特性和低功耗的要求，應采用專用視頻編碼芯片。芯片應集成支持H．264標準的硬件編解碼器和ARM9核，功耗僅為200mW。復合視頻信號經(jīng)xSAA7113的模擬端子輸入，經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換、濾波和縮放后，生成BT．656格式的視頻，輸出到iMx21。它對視頻進行H．264格式的壓縮編碼，將數(shù)據(jù)流經(jīng)USB控制器擴展的USB2．O接口輸出到VT6656模塊。VT6656模塊包含一個集成了MAC和基帶處理器的芯片和一個集成了功率放大器和天線的芯片，支持IEEE802.11b/g無線傳輸。4.2傳輸設備主要是指網(wǎng)絡系統(tǒng)，現(xiàn)有的網(wǎng)絡形式包括有線網(wǎng)絡（LAN、PSTN、ISDN、XDSL、WAN等）、無線網(wǎng)絡（WLAN、衛(wèi)星通信等）和無線移動網(wǎng)絡（CDMA、GPRS等）。系統(tǒng)應兼容多種通信模式，如將無線專網(wǎng)、GPRS/CDMA/3G、光纖網(wǎng)及衛(wèi)星網(wǎng)等，通過物聯(lián)網(wǎng)通信技術，實現(xiàn)各種應用網(wǎng)絡的互聯(lián)互通，真正組成一個可連接各種感知終端的有機通信網(wǎng)絡平臺。本文設計的無線傳輸方式WMN采用的類似Internet的網(wǎng)狀拓撲，包含了無線Mesh路由器和無線Mesh客戶端兩類基本設備，即骨干網(wǎng)Mesh結(jié)構和客戶端Mesh結(jié)構。前者由無線路由器構成Mesh骨干網(wǎng)，提供一個大面積、高可靠性的覆蓋區(qū)域，無線客戶端通過路由器接入骨干網(wǎng)實現(xiàn)業(yè)務功能。后者通過在無線客戶端集成路由和配置功能，由多個客戶端直接構成WMN。無論采用哪種結(jié)構，一個節(jié)點的數(shù)據(jù)都可通過相鄰多個具有路由功能的節(jié)點到達目標節(jié)點，局部網(wǎng)絡的可靠性不受單一節(jié)點制約。網(wǎng)絡負載分散在多個節(jié)點實現(xiàn)，有效減少了節(jié)點的功耗，使采用便攜式電源成為可能。如圖3為無線MESH前端組網(wǎng)圖。圖3無線MESH前端組網(wǎng)圖4.3監(jiān)控中心實現(xiàn)視音頻的還原和系統(tǒng)的運行及存儲管理，傳統(tǒng)的監(jiān)控中心主要有視頻解碼設備、存儲服務器、監(jiān)控系統(tǒng)管理軟件、電視墻、磁盤陣列等組成。在物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的今天，監(jiān)控中心主要硬件設備和應用軟件也發(fā)生了新的變化。硬件設備：在滿足網(wǎng)絡功能要求的前提下，采用云計算概念，主要功能在服務器上完成，用云終端代替操作員站與管理員站的計算機，簡化操作員站與管理員站的硬件設備，提高系統(tǒng)的安全性、可靠性，便于系統(tǒng)功能與規(guī)模的擴充。應用系統(tǒng)軟件：在滿足一般使用要求的前提下，需要強大的網(wǎng)絡功能，由傳統(tǒng)點到點的視頻監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)展為端到端的互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議架構系統(tǒng)。在物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的今天，應設計以下功能：支持PDA、智能手機作為操作終端：視頻監(jiān)控系統(tǒng)軟件直接支持智能手機作為操作終端。這使得系統(tǒng)的使用范圍從監(jiān)控室擴大到任何手機網(wǎng)絡可以到達的區(qū)域。遠程維護技術：視頻監(jiān)控系統(tǒng)采用B/S結(jié)構，B/S結(jié)構即瀏覽器/服務器結(jié)構的軟件，可提供很強的遠程維護支持，大大降低項目實施和維護的成本。多種的權限管理：傳統(tǒng)視頻監(jiān)控系統(tǒng)平臺的操作員是限定在很少的幾個人，而現(xiàn)在視頻監(jiān)控系統(tǒng)可能會面向全企業(yè)不同層面、不同部門的人員提供服務的網(wǎng)站發(fā)展，這就要求平臺軟件具有多種權限支持。與工業(yè)數(shù)據(jù)一體化：將現(xiàn)場視頻與SCADA調(diào)度系統(tǒng)集成在一起，突出了調(diào)度決策的現(xiàn)場感知效果。5總結(jié)本文根據(jù)中國石油A11項目的需求，結(jié)合目前中國石油各油田現(xiàn)狀，提出了一種基于MESH技術的無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)的架構設計。視頻監(jiān)控系統(tǒng)是整個油田安防系統(tǒng)建設的一部分，油田安防系統(tǒng)的建設經(jīng)過了從傳統(tǒng)模擬時代到數(shù)字安防的升級，經(jīng)歷了安防IT化、IP化，與通信技術、IT技術的融合，經(jīng)歷了從幾臺設備幾根線連接到局部組網(wǎng)再到多級聯(lián)網(wǎng)、遠程管理的成長過程，如今的安防系統(tǒng)已經(jīng)不僅僅是一個簡單的視頻監(jiān)控系統(tǒng)，安防系統(tǒng)已經(jīng)擴展成為可以集成各崗位業(yè)務管理、數(shù)據(jù)傳輸、視頻、報警、控制于一體、可以實現(xiàn)對海量數(shù)據(jù)的存儲、智能分析，調(diào)用的安防智能化綜合管理平臺。油田視頻監(jiān)控系統(tǒng)智能化是未來物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的必然趨勢，希望本文設計的視頻監(jiān)控系統(tǒng)架構能夠為中國石油未來安防智能化的發(fā)展提供參考。參考文獻：[1]李吉慶．基于因特網(wǎng)的分布式水利視頻監(jiān)控系統(tǒng)[M].電視技術，2001.11[2]周洪波.物聯(lián)網(wǎng)技術、應用、標準和商業(yè)模式[M].電子工業(yè)出版社，2011年7月[3]傅仁軒，肖連.基于物聯(lián)網(wǎng)技術的新型數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)設計[J].移動通信,2011年09期[4]張新程，付航，