機車(chē)視頻監控系統的設計與實(shí)現

　　1. 引言

　　隨著(zhù)我國鐵路事業(yè)的不斷發(fā)展，機車(chē)行駛的速度越來(lái)越快，確保機車(chē)行駛的平穩安全已經(jīng)成為鐵路運輸部門(mén)工作的重中之重，幫助司機和地面管理部門(mén)實(shí)時(shí)監控機車(chē)運行狀況已經(jīng)成為當務(wù)之急。特別是在機車(chē)駕駛由正、副司機操作改革為單司機值乘后，一個(gè)司機在操作機車(chē)的同時(shí)還必須監控動(dòng)力間、輔助間、電器間等設備間的運行情。在這樣的背景下，研制一套機車(chē)視頻監控系統來(lái)幫助司機在駕駛室內對整個(gè)機車(chē)實(shí)施監控，輔助地面管理部門(mén)遠程實(shí)時(shí)掌握機車(chē)運行狀況，就顯得十分重要了［2］。本文從網(wǎng)絡(luò )選擇和系統結構方面論述了機車(chē)視頻監控系統的基本開(kāi)發(fā)方案。

　　2. 無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的選擇

　　要使地面管理部門(mén)能夠實(shí)時(shí)監控機車(chē)運行狀況，該系統就必須選用無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )來(lái)傳輸數據。目前，在我國，能夠用于大數據量視頻信號傳輸的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )主要有三種，分別是中國GPRS、中國聯(lián)通的CDMA2000 1X 以及中國網(wǎng)通和中國電信的WLAN.這三種無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )各具優(yōu)勢。

　　下面從速度、穩定性和覆蓋面、資費等方面比較這三種無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的優(yōu)劣，從而選擇一種適合機車(chē)視頻監控系統的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )。

　?。?）速度

　　GPRS 網(wǎng)絡(luò )理論傳輸速率可達171.2kbps，運營(yíng)商聲稱(chēng)的傳輸速率可達115kbps，實(shí)際傳輸速率大約40kbps;CDMA2000 1X 網(wǎng)絡(luò )理論傳輸速率可達153.6kbps，實(shí)際傳輸速率大約70kbps;WLAN 網(wǎng)絡(luò )理論傳輸速率可達11Mbps，實(shí)際傳輸速率可達8Mbps，但是要受到接入人數的影響，接入人數越多，每個(gè)用戶(hù)分到的帶寬越小，傳送速率也就越慢。

　　從網(wǎng)絡(luò )的速度來(lái)說(shuō)，CDMA2000 1X 網(wǎng)絡(luò )要比GPRS 網(wǎng)絡(luò )快很多，WLAN 網(wǎng)絡(luò )更快，但是要受到接入人數的影響［3］。

　?。?）穩定性和覆蓋面

　　GPRS 網(wǎng)絡(luò )只要有網(wǎng)絡(luò )信號的地方就可以使用，目前GPRS 的網(wǎng)絡(luò )覆蓋已經(jīng)非常完善，信號也十分穩定。CDMA2000 1X 網(wǎng)絡(luò )和GPRS 網(wǎng)絡(luò )一樣，只要有網(wǎng)絡(luò )信號的地方就可以使用，CDMA2000 1X 的網(wǎng)絡(luò )覆蓋和信號的穩定性雖然不如GPRS 網(wǎng)絡(luò )，但也尚可。WLAN 網(wǎng)路的覆蓋面還十分有限，只能在具備無(wú)線(xiàn)AP 的附近使用，在使用上有一定局限性。

　　從網(wǎng)絡(luò )的穩定性來(lái)說(shuō)，GPRS 和CDMA 網(wǎng)絡(luò )的覆蓋面和穩定性都還不錯，WLAN 網(wǎng)絡(luò )的覆蓋面不足，使用受到限制。

　?。?）資費

　　目前，這三種網(wǎng)絡(luò )的各地運營(yíng)商都推出了很多套餐，有包年、包月、包流量。綜合比較這三種網(wǎng)絡(luò )的各種資費標準，CDMA2000 1X 網(wǎng)絡(luò )的資費最具優(yōu)勢。

　　通過(guò)對以上三方面的比較，明確了三種網(wǎng)絡(luò )的優(yōu)劣。結合機車(chē)視頻監控系統對無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的需要，最終決定選用中國聯(lián)通的CDMA2000 1X 網(wǎng)絡(luò )。

　　我國正準備大力發(fā)展TD-SCDMA 的3G 網(wǎng)絡(luò )，而CDMA2000 1X 屬于向3G 網(wǎng)絡(luò )的過(guò)渡階段。選用CDMA2000 1X 網(wǎng)絡(luò )開(kāi)發(fā)機車(chē)視頻監控系統，在我國實(shí)施3G 網(wǎng)絡(luò )標準以后，方便開(kāi)發(fā)人員對產(chǎn)品進(jìn)行系統升級，使機車(chē)視頻監控系統能夠享受到更加優(yōu)質(zhì)的網(wǎng)絡(luò )服務(wù)。

　　3. 系統結構

　　整個(gè)系統分三部分，分別為車(chē)載端、視頻服務(wù)器端和遠程監控端。這三部分依靠CDMA2000 1X 網(wǎng)絡(luò )和Internet 連接。系統結構圖如圖1 所示。

　　圖 1 系統結構圖

　　3.1 車(chē)載端

　　車(chē)載端是機車(chē)視頻監控系統的一個(gè)重要部分，它將直接與機車(chē)司機接觸。為方便開(kāi)發(fā)，縮短開(kāi)發(fā)周期，擬采用硬盤(pán)錄像機和無(wú)線(xiàn)視頻傳輸模塊為核心來(lái)組成車(chē)載端系統。

　　硬盤(pán)錄像機選用了深圳景陽(yáng)公司的ADR 系列嵌入式數字硬盤(pán)錄像機，它采用工業(yè)級專(zhuān)用數字信號處理器和嵌入式操作系統（Vxworks），可靠、穩定。它支持16 路視頻輸入，司機在駕駛室可通過(guò)RS485 接口接盤(pán)選擇1 路或者多路觀(guān)看。同時(shí)，它還支持多路報警量輸入，可在機車(chē)關(guān)鍵部位安裝溫度、煙霧傳感器，并接入硬盤(pán)錄像機對應接口，在機車(chē)出現溫度、煙霧異常情況時(shí)，硬盤(pán)錄像機可發(fā)出警報，提醒司機注意。

　　無(wú)線(xiàn)視頻傳輸模塊選用了北京百目公司的極目 728M - CDMA 無(wú)線(xiàn)視頻傳輸器，可通過(guò)廠(chǎng)家提供的SDK 進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，十分方便。該模塊的功能結構圖如圖2 所示。

　　圖2 極目728M 結構圖

　　極目 728M 采用了基于H.264 的活動(dòng)視頻壓縮算法，具有壓縮效率高，系統功耗小的特點(diǎn)。由于在色度壓縮上的特殊處理，在實(shí)現高壓縮效率的同時(shí)也保證了很好的清晰度和色彩還原質(zhì)量，最高分辨率可達704x576.該模塊內置CDMA 通訊控制協(xié)議及TCP/IP 協(xié)議，支持動(dòng)態(tài)或固定IP 地址方式，支持域名解析，多種觸發(fā)啟動(dòng)模式，具有2 路雙向輔助串行口，可連接串行用戶(hù)設備，支持雙向測控數據復用。傳輸速率為：彩色320x240/CDMA2000 1X -平均5 幀/秒，最高15 幀/秒；彩色640x480/CDMA2000 1X - 平均0.5 幀/秒，最高2 幀/秒。

　　將攝像頭輸出的 NTSC 或PAL 制視頻信號接入該模塊，經(jīng)解碼器解碼后送入DSP 芯片。

　　DSP 采取基于H.264 的視頻壓縮算法，采用多模式多尺寸運動(dòng)估算和4x4 整數無(wú)損變換等多種最新視頻壓縮技術(shù)，具有編碼效率高、圖像質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)。DSP 將經(jīng)壓縮的視頻數據送入CDMA 模塊，通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )將視頻數據送到視頻服務(wù)器，從而實(shí)現了視頻信號的無(wú)線(xiàn)傳輸。

　　此外，機車(chē)上的運行記錄單元是保證機車(chē)安全運行的重要裝置，它記錄著(zhù)機車(chē)運行時(shí)的各項數據。在車(chē)載端可通過(guò)一個(gè)小的單片機系統，從機車(chē)TAX 箱中將這些運行數據實(shí)時(shí)讀出，并送入極目728M 模塊的RS232 接口中，將這些數據無(wú)線(xiàn)傳輸到服務(wù)器，使得地面監控人員也能夠實(shí)時(shí)了解機車(chē)運行的數據。

　　3.2 視頻服務(wù)器

　　視頻服務(wù)器是整個(gè)機車(chē)視頻監控系統的關(guān)鍵部分，它是車(chē)載端和地面遠程監控端聯(lián)系的樞紐。車(chē)載端將數據通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )發(fā)送到服務(wù)器上，遠程監控端通過(guò)視頻服務(wù)器來(lái)實(shí)時(shí)瀏覽這些重要數據。因為需要處理大量的視頻數據，所以視頻服務(wù)器需要一個(gè)性能良好，能夠穩定運行的硬件平臺。另外，需要申請一個(gè)獨立固定的IP 地址，使得各個(gè)地面遠程監控端能夠訪(fǎng)問(wèn)視頻服務(wù)器。視頻服務(wù)器端軟件在百目公司提供的與極目728M 配套的SDK 上開(kāi)發(fā)，簡(jiǎn)潔方便。服務(wù)器軟件工作流程如下：

　?。?）服務(wù)器啟動(dòng)，向車(chē)載端發(fā)送包含本地地址信息的短消息，此時(shí)車(chē)載端處于離線(xiàn)狀態(tài)；（2）車(chē)載端接收到短消息后，自動(dòng)上線(xiàn)然后與服務(wù)器進(jìn)行連接，此時(shí)車(chē)載端處于休眠狀態(tài)；（3）服務(wù)器向車(chē)載端發(fā)送激活命令，當車(chē)載端激活后服務(wù)器便可以控制傳輸器傳輸視頻圖象，并可以進(jìn)行其他的遠程操作，此時(shí)車(chē)載端處于激活狀態(tài)；（4）服務(wù)器操作完畢，斷開(kāi)與傳輸器的連接，然后關(guān)閉服務(wù)器，此時(shí)站點(diǎn)處于離線(xiàn)狀態(tài)。

　　3.3 遠程監控端

　　遠程監控端是是地面管理人員實(shí)時(shí)監控機車(chē)運行狀況和司機駕駛情況的平臺，只需在能夠上網(wǎng)的普通PC 機上安裝一套客戶(hù)端軟件即可。視頻服務(wù)器首先給各個(gè)地面監控端分配好用戶(hù)名和密碼，遠程監控端通過(guò)客戶(hù)端軟件，使用用戶(hù)名，密碼登錄視頻服務(wù)器，不同級別的用戶(hù)，可以取得不同的權限，瀏覽或控制各個(gè)車(chē)載端。遠程監控端客戶(hù)軟件工作流程如下：

　?。?）設置網(wǎng)絡(luò )參數，包括服務(wù)器地址/端口，本地地址/端口，用戶(hù)名/密碼；（2）連接視頻服務(wù)器，判斷連接成功或者失敗，產(chǎn)生相應事件；（3）連接上視頻服務(wù)器后，出現車(chē)載端列表，選擇需要瀏覽的車(chē)載端名稱(chēng)，并啟動(dòng)視頻瀏覽；（4）在啟動(dòng)視頻瀏覽后，可以設置視頻參數，以及選擇車(chē)載端不同的畫(huà)面瀏覽；（5）結束視頻瀏覽后，可從視頻服務(wù)器等出并斷開(kāi)連接。

　　4. 結論

　　開(kāi)發(fā)一套機車(chē)視頻監控系統是十分必要的，它可以幫助司機更好的駕駛機車(chē)，減輕司機的工作壓力，降低司機的工作強度，提高機車(chē)行駛的安全性。此外，該系統還可以幫助地面管理部門(mén)實(shí)施遠程實(shí)時(shí)監控，便于管理。

　　該開(kāi)發(fā)方案是建立在 DVR 和視頻傳輸模塊之上的，開(kāi)發(fā)周期較短，過(guò)程簡(jiǎn)單可行。