機車視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計原理分析

1. 引言

隨著我國鐵路事業(yè)的不斷發(fā)展，機車行駛的速度越來越快，確保機車行駛的平穩(wěn)安全已經(jīng)成為鐵路運輸部門工作的重中之重，幫助司機和地面管理部門實時監(jiān)控機車運行狀況已經(jīng)成為當務(wù)之急。特別是在機車駕駛由正、副司機操作改革為單司機值乘后，一個司機在操作機車的同時還必須監(jiān)控動力間、輔助間、電器間等設(shè)備間的運行情。在這樣的背景下，研制一套機車視頻監(jiān)控系統(tǒng)來幫助司機在駕駛室內(nèi)對整個機車實施監(jiān)控，輔助地面管理部門遠程實時掌握機車運行狀況，就顯得十分重要了[2].本文從網(wǎng)絡(luò)選擇和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方面論述了機車視頻監(jiān)控系統(tǒng)的基本開發(fā)方案。

2. 無線網(wǎng)絡(luò)的選擇

要使地面管理部門能夠?qū)崟r監(jiān)控機車運行狀況，該系統(tǒng)就必須選用無線網(wǎng)絡(luò)來傳輸數(shù)據(jù)。目前，在我國，能夠用于大數(shù)據(jù)量視頻信號傳輸?shù)臒o線網(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.這三種無線網(wǎng)絡(luò)各具優(yōu)勢。

下面從速度、穩(wěn)定性和覆蓋面、資費等方面比較這三種無線網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)劣，從而選擇一種適合機車視頻監(jiān)控系統(tǒng)的無線網(wǎng)絡(luò)。

（1）速度

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

從網(wǎng)絡(luò)的速度來說，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(shù)的影響[3].

（2）穩(wěn)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(wěn)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(wěn)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，只能在具備無線AP 的附近使用，在使用上有一定局限性。

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

（3）資費

目前，這三種網(wǎng)絡(luò)的各地運營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。

通過對以上三方面的比較，明確了三種網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)劣。結(jié)合機車視頻監(jiān)控系統(tǒng)對無線網(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)的過渡階段。選用CDMA2000 1X 網(wǎng)絡(luò)開發(fā)機車視頻監(jiān)控系統(tǒng)，在我國實施3G 網(wǎng)絡(luò)標準以后，方便開發(fā)人員對產(chǎn)品進行系統(tǒng)升級，使機車視頻監(jiān)控系統(tǒng)能夠享受到更加優(yōu)質(zhì)的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。

3. 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

整個系統(tǒng)分三部分，分別為車載端、視頻服務(wù)器端和遠程監(jiān)控端。這三部分依靠CDMA2000 1X 網(wǎng)絡(luò)和Internet 連接。

3.1 車載端

車載端是機車視頻監(jiān)控系統(tǒng)的一個重要部分，它將直接與機車司機接觸。為方便開發(fā)，縮短開發(fā)周期，擬采用硬盤錄像機和無線視頻傳輸模塊為核心來組成車載端系統(tǒng)。

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

無線視頻傳輸模塊選用了北京百目公司的極目 728M - CDMA 無線視頻傳輸器，可通過廠家提供的SDK 進行二次開發(fā)，十分方便。

極目 728M 采用了基于H.264 的活動視頻壓縮算法，具有壓縮效率高，系統(tǒng)功耗小的特點。由于在色度壓縮上的特殊處理，在實現(xiàn)高壓縮效率的同時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(nèi)置CDMA 通訊控制協(xié)議及TCP/IP 協(xié)議，支持動態(tài)或固定IP 地址方式，支持域名解析，多種觸發(fā)啟動模式，具有2 路雙向輔助串行口，可連接串行用戶設(shè)備，支持雙向測控數(shù)據(jù)復(fù)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估算和4x4 整數(shù)無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。DSP 將經(jīng)壓縮的視頻數(shù)據(jù)送入CDMA 模塊，通過無線網(wǎng)絡(luò)將視頻數(shù)據(jù)送到視頻服務(wù)器，從而實現(xiàn)了視頻信號的無線傳輸。

此外，機車上的運行記錄單元是保證機車安全運行的重要裝置，它記錄著機車運行時的各項數(shù)據(jù)。在車載端可通過一個小的單片機系統(tǒng)，從機車TAX 箱中將這些運行數(shù)據(jù)實時讀出，并送入極目728M 模塊的RS232 接口中，將這些數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)椒?wù)器，使得地面監(jiān)控人員也能夠?qū)崟r了解機車運行的數(shù)據(jù)。

3.2 視頻服務(wù)器

視頻服務(wù)器是整個機車視頻監(jiān)控系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，它是車載端和地面遠程監(jiān)控端聯(lián)系的樞紐。車載端將數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到服務(wù)器上，遠程監(jiān)控端通過視頻服務(wù)器來實時瀏覽這些重要數(shù)據(jù)。因為需要處理大量的視頻數(shù)據(jù)，所以視頻服務(wù)器需要一個性能良好，能夠穩(wěn)定運行的硬件平臺。另外，需要申請一個獨立固定的IP 地址，使得各個地面遠程監(jiān)控端能夠訪問視頻服務(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 上開發(fā)，簡潔方便。服務(wù)器軟件工作流程如下：

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

3.3 遠程監(jiān)控端

遠程監(jiān)控端是是地面管理人員實時監(jiān)控機車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 機上安裝一套客戶端軟件即可。視頻服務(wù)器首先給各個地面監(jiān)控端分配好用戶名和密碼，遠程監(jiān)控端通過客戶端軟件，使用用戶名，密碼登錄視頻服務(wù)器，不同級別的用戶，可以取得不同的權(quán)限，瀏覽或控制各個車載端。遠程監(jiān)控端客戶軟件工作流程如下：

（1）設(shè)置網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，包括服務(wù)器地址/端口，本地地址/端口，用戶名/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(yīng)事件；（3）連接上視頻服務(wù)器后，出現(xiàn)車載端列表，選擇需要瀏覽的車載端名稱，并啟動視頻瀏覽；（4）在啟動視頻瀏覽后，可以設(shè)置視頻參數(shù)，以及選擇車載端不同的畫面瀏覽；（5）結(jié)束視頻瀏覽后，可從視頻服務(wù)器等出并斷開連接。

4. 結(jié)論

開發(fā)一套機車視頻監(jiān)控系統(tǒng)是十分必要的，它可以幫助司機更好的駕駛機車，減輕司機的工作壓力，降低司機的工作強度，提高機車行駛的安全性。此外，該系統(tǒng)還可以幫助地面管理部門實施遠程實時監(jiān)控，便于管理。

該開發(fā)方案是建立在 DVR 和視頻傳輸模塊之上的，開發(fā)周期較短，過程簡單可行。