基于工业以太网的视频监控系统

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1.3视频监控系统的发展方向

前端一体化、视频数字化、监控网络化、系统集成化、管理智能化是视频监控系统公认的发展方向，而数字化是网络化的前提，网络化又是系统集成化的基础，所以，视频监控的发展的最大特点就是数字化、网络化、智能化。 1.3.1数字化

视频监控系统的数字化是系统中信息流（包括视频、音频、控制等）从模拟状态转化为数字状态，改变了―传统闭路电视系统以摄象机成像技术为中心‖的结构，根本上改变了视频监控系统信息采集、数据处理、传输、系统控制等的方式和结构形式。信息流的数字化、编码压缩、开放式的协议，是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管理和控制，这也是系统集成化的含义。 1.3.2网络化

视频监控系统的网络化将意味着系统的结构将由集总式向集散式系统过渡，集散式系统采用多层分级的结构形式，具有微内核技术的实时多任务、多用户、分布式操作系统以实现抢先任务的调度算法的快速响应，组成集散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、调试和维修简单化，系统运行互为热备份，容错可靠等功能。

系统的网络化在某种程度上打破了布控区域和设备扩展的地域和数量界限。系统网络化将实现整个网络系统硬件和软件资源的共享以及任务和负载的共享，这也是系统集成化的一个重要概念。 1.3.3智能化

采用计算机为控制中心，通过系统软件实现控制界面的可视化，控制环境的多媒体化，可以方便地实现对视频切换、音频切换、镜头云台控制、报警输入、联动输出录象的智能化控制，进而达到对事件的分析、统计、处理，实现视频监控的智能化管理。[1]

1.4视频监控系统的应用现状

视频监控系统在国内的应用现状表现为：应用相当广泛，前景非常美好，但标准化落后！视频监控目前在很多领域已经有了广泛应用，市场规模也在迅速扩大，据《2007网络视频监控业务研究报告》显示：2006年中国网络视频监控市场规模达18.24亿元，2007年中国网络视频监控市场规模将达到26.36亿元，网络视频监控将保持约38%的年增长率，预计2011年将达86.61亿元，而且会有越来越多的网络视频监控系统采用完全数字化技术，特别是在银行、交通、工业、零售业等行业市场。以数字化视频监控为基础的智能视频监控技术将获得长足发展。[5]

在欧美等发达国家，视频监控的发展比较快，应用也十分广泛，但是它们的产品价格较高、带宽要求较大、培训和维护也很不方便，而且从国外引进的产品本地化程度较差，在功能、接口、使用环境等方面均或多或少地存在一些与我国国情及现场需要不太吻合的地方。我国视频监控行业最初是由闭路电视监控(CCTV)逐渐发展起来的，已近二十年的历史，从简单模拟视频监控到现在的纯数字化网络视频监控，监控系统在国内目前应用已经

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相当广泛。国内长城集团、网通电子商务有限公司、北京微电子技术有限责任公司等也自主开发了国产的数字视频监控系统。国内高校也在监控系统的研发方面发挥着重要的作用，如上海交通大学、复旦大学、东南大学和北京航空航天大学等都在多媒体数字视频监控系统领域有丰硕的成果。

在行业标准的制定上，我国还处在起步阶段。目前，从事国内视频监控国家标准或行业标准的标准化组织主要是中国通信标准化协会IP与多媒体通信技术委员会（CCSA -TC1）和全国安全防范报警系统标准化技术委员会（简称全国安防标委会，CSBTS/TC100）。前者于2006年5月份完成了《基于IP网络的公众视频监控业务的研究》研究报告，并以此研究报告的工作为基础，开始了一系列标准的起草和审批稿工作。后者作为标准发布的权威，在国家标准方面，目前制定了各类安防设备（比如：入侵探测器、视频安防监控数字录像设备等）的技术规范以及一些系统工程设计规范。在行业标准方面，制定了《报警传输系统的要求》系列标准、《视频安防监控系统》系列标准等。这些标准对国内系统具有很大的影响力。

1.5工业以太网简介

1985年，IEEE802.3被采纳为以太网标准，西门子公司在SINEC H1名下引入应用在工业中的以太网。这就是工业以太网的诞生。开发工业以太网是很有必要的，因为应用在工业环境中的以太网和应用在办公环境中的以太网有着本质的区别。现今的自动化设备都必须能够使用以太网进行连接。真正的问题是：到底是通过Internet 协议直接连接，还是通过已有的工业网络间接连接。以太网本身不能够保证两台设备可以进行通讯，需要应用层互相兼容才可以。当几十年前以太网出现的时候，它被认为不能够用于工业自动化网络。但其在自动化领域的应用却越来越多，设备级网络中以太网兼容产品的使用也越来越广泛。以太网正在迅速成为一种通用的网络系统接口。以太网常用于IT 部门以及办公室环境之中，可以说是无处不在。它易于安装和维护，价格也要便宜的多，并且很容易获得。在工业网络的应用场合下，以太网的一大优势是它能使整个企业———从生产车间到会议室通过一个网络形成一套统一的标准，使得在世界上任何一个角落都能获得所需的数据。在过去的十年间，这项优势已经促使以太网标准有了很多的改进，尤其是在决策、速度和优先级方面。可以说已经没有任何理由阻碍以太网成为构建确定、开放和廉价的自动化网络的解决方案。传统的工业自动化设备生产商明显都是以太网的拥护者。例如，Rockwell 自动化、西门子以及其他一些企业宣称他们百分之七十到八十的自动化产品都是应用于以太网之上的。

主要的工业以太网通信标准

当今主要应用的工业以太网通信标准如下： （1）EtherNet/IP

EtherNet/IP使用与DeviceNet和ControlNet相同的用户层和应用层，即控制和信息协议(CIP)，这使这三种网络能完全地互操作 （2）EtherCAT

EtherCAT(用于控制自动化技术的以太网)规定的全双工快速以太网通信是基于主/从原则的，其中主站发起所有的传输。为了传递实时性能，Ether-CAT在一个标准的以太网

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报文中封装了大量以太网命令。 （3）Profinet

Profinet协议规定在快速以太网上的全双工通信，并支持星型、线型和环型拓扑。Profinet-IRT通过使用集成了控制通信的2一或4一口智能切换器，支持以太网中基于TCP/IP通信的确定性通信。

（4）Ethernet Powerlink

Ethernet Powerlink ( EPL)设备使用没有特殊芯片的COTS以太网硬件。但是，为了实现最小的循环时间和抖动，建议在EPL节点安装附加的处理器，单独执行EPL网洛堆栈。EPL支持任何拓扑，网络由标准的类型2集线器所建立。由于EPL是在共享IEEE802.3介质上运行的硬RT协议，它使用主站设备控制介质访问，因此避兔了冲突。 （5）Sercos III

Sereos III不要求使用任何附加的集线器或切换器，它支持环型或线型拓扑。每个网络包括一个主站和多个从站。[13]。

1.6论文结构

本文将根据煤矿现场的实际情况设计一个网络视频监控系统，并在介绍项目实施过程之前，着重了解相关技术、掌握系统设备的选择、分析系统的结构和功能。

第一章为前言部分，主要说明了选题背景，概括的介绍了视频监控系统的历史、发展和现状，并对未来做了展望。以及工业以太网的现状、发展和应用。

第二章主要介绍了实现网络视频监控所需要的相关技术，包括CCD技术、光纤传输、图像压缩和多媒体等技术。

第三章主要介绍了工业以太网的详细情况，现状和发展。

第四章介绍典型视频监控系统包含的主要设备，重点介绍各设备的功能和参数。 第五章主要介绍了当前情况下工业以太网的所面临的安全问题，分析问题及其解决方案。

第六章针对兖矿集团鲍店矿视频系统方案，介绍项目实施的意义和要求，系统组成和结构以及系统的安装。

第七章为本文的总结部分，描述了系统运行状况和系统的改进扩展，并对本文做出最后的总结。

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2 视频监控系统关键技术

2.1 CCD技术

CCD（Charge Coupled Device ，电荷耦合器件）是一种新型的固体成像器件，它是在大规模硅集成电路工艺基础上研制而成的模拟集成电路芯片，是由MOS技术的延伸而产生的一种半导体器件。这种CCD芯片借助于必要的光学系统和合适的外围驱动与处理电路，可以将景物图像，通过输入面空域上逐点的光电信号转换、存储和传输，在其输出端产生一时序视频信号，并经末端显示器同步显示一幅人眼可见的图像。所以CCD首先是一种微型图像传感器，其次，它还可以用于模拟信号处理、数字信号存储等技术领域。[9] 2.1.1 CCD工作原理

CCD从结构上可分为线阵和面阵CCD两种。光敏元排列为一行的称为线阵CCD，而面阵CCD器件象元排列为一平面，它包含若干行和列的结合。 1. 线阵CCD工作原理和结构特点

线阵CCD原理性结构如图2-1所示。

A时钟组合寄存器读出寄存器A信号栅BABABABABABA转移栅视频信号输出读出寄存器BB时钟 图2-1线阵CCD原理性结构

主要部件有:

(1) 像敏和电荷存储单元：在信号栅电压作用下，各单元感受光照，产生光生电荷并存储。各存储单元之间相互隔离，防止储存电荷向邻近单元渗漏。

(2) CCD读出寄存器：在转移栅电压作用下，各存储单元在一行周期内存储的电荷全部送入读出寄存器，读出寄存器受时钟信号控制，依次将存储电荷转移到输出端输出，产生视频图像信号。读出寄存器通常分成两路，交错排列，使相邻存储单元的电荷分别送两路寄存器，两路寄存器分别由两路时钟信号控制。

在线阵CCD里，像感和存储单元呈线状排列，可以摄取和读出一维图像信号，如果