基于工业以太网的视频监控系统.docx
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基于工业以太网的视频监控系统.docx
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基于工业以太网的视频监控系统
中国矿业大学
本科生毕业设计
姓名:
衣后锋学号:
04061862
学院:
信息与电气工程学院
专业:
工业自动化
设计题目:
基于工业以太网的视频监控系统
指导教师:
雷汝海职称:
副教授
年月徐州
中国矿业大学毕业设计
任务书
学院信息与电气工程学院专业年级工业自动化06级学生姓名衣后锋
任务下达日期:
2010年3月1日
毕业设计日期:
2010年3月1日至2010年6月18日
毕业设计题目:
基于工业以太网的视频监控系统
毕业设计主要内容和要求:
1学习工业以太网的相关知识
2学习CCD成像技术
3掌握工业电视监控系统设计
4学会工业电视监控系统设备的选型
院长签字:
指导教师签字:
中国矿业大学毕业设计
指导教师评阅书
指导教师评语(①基础理论及基本技能的掌握;②独立解决实际问题的能力;③研究内容的理论依据和技术方法;④取得的主要成果及创新点;⑤工作态度及工作量;⑥总体评价及建议成绩;⑦存在问题;⑧是否同意答辩等):
成绩:
指导教师签字:
年月日
中国矿业大学毕业设计
评阅教师评阅书
评阅教师评语(①选题的意义;②基础理论及基本技能的掌握;③综合运用所学知识解决实际问题的能力;③工作量的大小;④取得的主要成果及创新点;⑤写作的规范程度;⑥总体评价及建议成绩;⑦存在问题;⑧是否同意答辩等):
成绩:
评阅教师签字:
年月日
中国矿业大学毕业设计
答辩及综合成绩
答辩情况
提出问题
回答问题
正确
基本
正确
有一般性错误
有原则性错误
没有
回答
答辩委员会评语及建议成绩
答辩委员会主任签字:
年月日
学院领导小组综合评定成绩
学院领导小组负责人:
年月日
摘要
近年来,随着人们生活水平的提高和现代工业的发展,人们的安全意识增强,对于安全防范系统也越来越重视,视频监控被广泛的应用到各行各业。
工业以太网技术直接应用于工业现场设备间的通信已成大势所趋,随着以太网通信速率的提高、全双工通信、交换技术的发展,为以太网的通信确定性的解决提供了技术基础,从而消除了以太网直接应用于工业现场设备间通信的主要障碍,以太网已经可以直接应用于工业现场设备间通信。
而结合了远程数据采集、远程监控等功能于一体的网络视频监控系统更是成为了视频监控的主要发展方向。
研究这样一款视频监控系统,具有重要的现实意义和经济价值。
基于工业以太网的视频监控技术具有分布式接入、便于共享访问和控制、视频信号占用带宽资源少、图像质量好、易于存储和管理等优点,在工厂安全监控系统中采用网络视频监控技术是发展大趋势。
本文主要介绍了基于工业以太网的视频监控系统的构建以及部件的性能参数、技术标准,最后以兖矿集团兖矿集团鲍店矿视频系统方案为例子介绍了视频监控的相关技术和应用设备以及网络视频监控系统的设计和实现。
关键词工业以太网视频监控CCD光纤传输网络安全鲍店矿
ABSTRACT
Inrecentyears,aspeople'slivingstandardsandthedevelopmentofindustrialcivilization,peoplemoreconsciousofsecurity,thesecuritysystemmoreandmoreattention,videosurveillancehasbeenwidelyappliedtoallwalksoflife.IndustrialEthernetforindustrialfielddevicesdirectlytothecommunicationhasbecomeatrendbetween,withtherateofincreaseinEthernet,fullduplexcommunication,exchangeoftechnologyforEthernetcommunicationssolutiontoprovidecertaintytechnologybase,eliminatingthedirectEthernetcommunicationsbetweendevicesusedinindustrialfieldthemainobstacle,Ethernetcanbedirectlyappliedinindustryhasbeencommunicationbetweenfielddevices.Thecombinationofremotedataacquisition,remotemonitoringinoneofthenetworkvideomonitoringsystemisvideosurveillancehasbecomethemaindevelopmentdirection.Ofavideosurveillancesystemthathasimportantpracticalsignificanceandeconomicvalue.IndustrialEthernet-basedvideosurveillancetechnologyhasdistributedaccess,easytoshareaccessandcontrol,videosignalsoccupylessbandwidth,imagequality,easystorageandmanagementadvantages,suchasplantsafetymonitoringsystemusedinnetworkvideomonitoringtechnologythedevelopmenttrend.ThispaperintroducesindustrialEthernet-basedvideomonitoringsystemfortheperformanceparametersandcomponents,technicalstandards,thelasttoYanzhouCoalMiningGroupMiningGroupBaodianmineplanfortheexamplevideosystemintroducedvideosurveillanceoftherelevanttechnologyandapplicationequipmentandnetworkvideomonitoringsystemdesignandimplementation.
KeywordsIndustrialEthernetvideosurveillanceCCDopticaltransmissionnetworksecurityBaodianMi
目录
1前言:
1
1.1选题背景1
1.2视频监控系统发展史1
1.2.1模拟视频监控系统1
1.2.2基于微机平台的多媒体监控2
1.2.3基于嵌入式网络视频服务器/编解码器的网络化数字视频监控3
1.3视频监控系统的发展方向4
1.3.1数字化4
1.3.2网络化4
1.3.3智能化4
1.4视频监控系统的应用现状4
1.5工业以太网简介5
1.6论文结构6
2视频监控系统关键技术7
2.1CCD技术7
2.1.1CCD工作原理7
2.1.2CCD摄像机及主要技术参数8
2.2传输介质10
2.2.1同轴电缆10
2.2.2双绞线11
2.2.3光纤11
2.2.4射频传输14
2.3图像压缩技术15
2.3.1MPEG-115
2.3.2MPEG-215
2.2.3MPEG-416
2.3.4H.26116
2.3.5H.26316
2.3.6H.26417
2.4多媒体网络传输18
2.4.1电信网上的多媒体通信18
2.4.2计算机网上的多媒体通信20
2.4.3电视网上的多媒体通信21
2.4.4宽带IP网络上的多媒体通信21
2.5光缆接续22
2.5.1光纤的连接损耗22
2.5.2光缆接续的一般步骤22
3工业以太网24
3.1主要的工业以太网通信标准24
3.2工业以太网与传统以太网的比较25
3.3工业以太网与现场总线比较26
3.4工业以太网技术应用现状及发展27
4工业以太网的安全问题分析和解决28
4.1工业以太网的特点及安全要求28
4.2工业以太网的应用安全问题分析28
4.3网络视频监控安全性分析30
5网络视频监控系统设备32
5.1前端设备32
5.1.1网络摄像机32
5.1.2光端机33
5.1.3云台35
5.1.4防护罩36
5.2中心控制设备36
5.2.1视频放大器36
5.2.3视频矩阵切换和视频复用器37
5.2.4硬盘录像机38
5.3网络视频服务器41
5.3.1网络视频服务器的构成41
5.3.2网络视频服务器的特点42
5.3.3网络视频服务器与DVR区别42
5.4显示设备43
监视器43
6兖矿集团鲍店矿视频系统方案45
6.1项目意义及要求45
6.2系统组成和设备选型46
6.2.1系统结构框图:
48
6.2.2设备选型48
6.2.3设备清单50
6.2.4软件要求50
6.3用户使用情况51
7总结与展望52
参考文献:
53
翻译部分54
致谢67
1前言:
1.1选题背景
随着世博会的到来以及平安城市的建设,视频监控正在以前所未有的速度走进我们的视野,并将在我们的生活中发挥越来越重要的作用。
视频监控以其直观可靠、经济实用的特点被越来越多的人推崇,它已在城市交通、智能建筑、小区建设、安全防范、运输调度、银行、煤矿、电力、石油等行业充分展示了其优势。
而网络技术的发展和成熟为视频监控创造了更为广阔的平台,对网络和视频监控的结合、研究和改进具有深远的现实意义。
将基于环境的视频监控信息接入互联网,可以把分散的信息集中起来,实时显示及存储,为监控人员提供实时、直观的视觉画面,从而便于统一管理。
把各分散的监控视频图像通过网络集中传递到中央监控室,不仅可以节省人力物力,还可以把工作人员从繁重的工作中解脱出来,将精力转向分析决策。
另外,还可以对系统性能和服务的异常,进行及时、准确地报警,提醒操作人员排除故障。
随着宽带互联网技术的广泛应用,图像压缩编码及流媒体技术的发展,系统处理能力的大幅提高,使网络视频监控技术得到迅速发展.目前,视频监控已不仅仅局限于安全防范,而是成为一种对各行各业行之有效的监督手段,它以直观、方便、信息内容丰富等特点被广泛应用在许多领域,比如教育、政府、医院、酒店、城市治安等,广泛地应用于工农业、交通、电力等的实时监控。
1.2视频监控系统发展史
视频监控系统的发展经历了三个不同阶段:
●模拟视频监控
●基于微机平台的多媒体监控
●基于基于工业以太网的视频监控系统
1.2.1模拟视频监控系统
模拟监控系统发展较早,目前常称为第一代监控系统。
主要由摄像机、视频矩阵、监视器、录像机组成,摄像机采集的视频信号采用模拟方式传输,主要采用专用的视频电缆,传输距离不太远,适用于小范围监控。
发展成熟时期为上世纪90年代初及以前。
系统优点有:
·视频、音频信号的采集、传输、存储均为模拟形式,质量最高;
·经过几十年的发展,技术成熟,系统功能强大、完善;
模拟视频系统存在的问题有:
·只适用于较小的地理范围;
·布线工程量大;
·与信息系统无法交换数据;
·监控仅限于监控中心,应用的灵活性较差;
·数据存储会耗费大量的存储介质(录像带),存储信息量有限;
·不易扩展。
[1]
模拟视频监控的一般结构图如图1-1
图1-1模拟视频监控系统组成示意图
1.2.2基于微机平台的多媒体监控
这种基于多媒体计算机的系统称为第二代视频监控系统,即模拟输入与数字压缩、显示和控制系统。
因为核心设备是数字设备,因此可以称为数字视频监控系统。
多媒体监控系统完全冲破了传统模拟监控系统的框框,它以高性能的多媒体工控机为核心,采用模块化结构,将主控端的全部设备集成于一体,另外,该系统还具有友好的人机交互界面和基于网络的多级分控能力,每一级都有自我管理和控制的功能,并可以受上一级的控制。
它一般采取以下结构:
在前端监控现场,有若干台摄像机,通过相应的线路连接到监控终端上,监控终端可以是一台PC机,也可以是专用的工控机。
监控终端除了可以处理摄像机传输过来的视频信号外,还可以利用视频压缩卡和通讯接口卡,利用通讯网络,将这些信号传输到一个或多个监控中心以便集中处理。
此种系统发展成熟时期为上世纪90年代中后期。
[2]
多媒体监控系统特点:
·视频、音频信号的采集、存储主要为数字形式,质量较高
·系统功能较为强大、完善
·与信息系统可以交换数据
·应用的灵活性较好
·稳定性一般
DVR(DigitalVideoRecorder)是第二代多媒体监控系统的核心产品,采用微机和Windows平台,在计算机中安装视频压缩卡和相应的DVR软件,不同型号视频卡可连接1/2/4路视频,支持实时视频和音频,是第一代模拟监控系统升级实现数字化的可选方案,适合传统监控系统的改造,不适合新建的、又要求实现远程视频传输(超过1-2公里)的监控系统。
DVR系统从监控点到监控中心为模拟方式传输,与第一代系统相似存在许多缺陷,要实现远距离视频传输需铺设(租用)光缆、在光缆两端安装视频光端机设备,系统建设成本高,不易维护、且维护费用较大。
1.2.3基于嵌入式网络视频服务器/编解码器的网络化数字视频监控
随着网络带宽、计算机处理能力和存储容量的迅速提高,以及各种实用视频信息处理技术的出现,视频监控进入了全数字化的网络时代,称为第三代视频监控系统,即全数字视频监控系统或网络数字监控系统,也就是基于基于工业以太网的视频监控系统。
第三代视频监控系统以网络为依托,以数字视频的压缩、传输、存储和播放为核心,以智能实用的图像分析为特色,引发了视频监控行业的技术革命。
[13]
简单的说,基于基于工业以太网的视频监控系统就是将传统的模拟视频信号转换为数字信号,通过计算机网络来传输,通过智能化的计算机软件来处理。
系统将传统的视频、音频及控制信号数字化,以IP包的形式在网络上传输,实现了视频/音频的数字化、系统的网络化、应用的多媒体化以及管理的智能化。
此系统起步发展时期为2000年以后。
嵌入式系统是以应用为中心,,软硬件可裁减的适应于应用系统对功能、可靠性、成本、体积等综合性严格要求的专用计算机系统,亦即为监控系统量体裁衣的专用计算机系统。
嵌入式系统在视频监控中的应用使得整个系统向着小型化、多功能化方向发展,也是未来视频监控行业的一个方向。
网络数字视频系统与上述第一、二代系统相比具有明显的优势:
·利用现有的网络资源,不需要为新建监控系统铺设光缆、增加设备,轻而易举地实现远程视频监控。
·系统扩展能力强,只要有网络的地方增加监控点设备就可扩展新的监控点。
·维护费用低,网络维护由网络提供商维护,前端设备是即插即用、免维护系统。
·系统功能强大、应用灵活、采用大容光量磁盘阵列存盘器或盘存储器,全数字化录像方便于保存和检索。
·在网络中的每一台计算机,只要安装了客户端的软件,给予相应的权限就可成为监控工作站。
如图1-2为数字视频监控系统组成示意图。
图1-2数字视频监控系统组成示意图
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SINECH1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)EthernetPowerlink
EthernetPowerlink(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)SercosIII
SereosIII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
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