機車視頻監(jiān)控系統(tǒng)的實現(xiàn)方案

摘 要：本文分析了在機車上配置視頻監(jiān)控系統(tǒng)的必要性，比較了GPRS、CDMA、WLAN三種無線網(wǎng)絡的優(yōu)劣，得出了CDMA 最適合于開發(fā)本系統(tǒng)的結論。本文論述了建立在硬盤錄像機和無線視頻傳輸模塊基礎上的系統(tǒng)實現(xiàn)方案，分別描述了車載端、視頻服務器、遠程監(jiān)控端的軟硬件結構。

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成為當務之急。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。本文從網(wǎng)絡選擇和系統(tǒng)結構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)絡的選擇

要使地面管理部門能夠實時監(jiān)控機車運行狀況，該系統(tǒng)就必須選用無線網(wǎng)絡來傳輸數(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。

（1）速度

GPRS 網(wǎng)絡理論傳輸速率可達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)絡理論傳輸速率可達153.6kbps，實際傳輸速率大約70kbps;WLAN 網(wǎng)絡理論傳輸速率可達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)絡的速度來說，CDMA2000 1X 網(wǎng)絡要比GPRS 網(wǎng)絡快很多，WLAN 網(wǎng)絡更快，但是要受到接入人數(shù)的影響

（2）穩(wěn)定性和覆蓋面

GPRS 網(wǎng)絡只要有網(wǎng)絡信號的地方就可以使用，目前GPRS 的網(wǎng)絡覆蓋已經非常完善，信號也十分穩(wěn)定。CDMA2000 1X 網(wǎng)絡和GPRS 網(wǎng)絡一樣，只要有網(wǎng)絡信號的地方就可以使用，CDMA2000 1X 的網(wǎng)絡覆蓋和信號的穩(wěn)定性雖然不如GPRS 網(wǎng)絡，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)絡的穩(wěn)定性來說，GPRS 和CDMA 網(wǎng)絡的覆蓋面和穩(wěn)定性都還不錯，WLAN 網(wǎng)絡的覆蓋面不足，使用受到限制。

（3）資費

目前，這三種網(wǎng)絡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)絡的各種資費標準，CDMA2000 1X 網(wǎng)絡的資費最具優(yōu)勢。

通過對以上三方面的比較，明確了三種網(wǎng)絡的優(yōu)劣。結合機車視頻監(jiān)控系統(tǒng)對無線網(wǎng)絡的需要，最終決定選用中國聯(lián)通的CDMA2000 1X 網(wǎng)絡。

我國正準備大力發(fā)展TD-SCDMA 的3G 網(wǎng)絡，而CDMA2000 1X 屬于向3G 網(wǎng)絡的過渡階段。選用CDMA2000 1X 網(wǎng)絡開發(fā)機車視頻監(jiān)控系統(tǒng)，在我國實施3G 網(wǎng)絡標準以后，方便開發(fā)人員對產品進行系統(tǒng)升級，使機車視頻監(jiān)控系統(tǒng)能夠享受到更加優(yōu)質的網(wǎng)絡服務。

3. 系統(tǒng)結構

整個系統(tǒng)分三部分，分別為車載端、視頻服務器端和遠程監(jiān)控端。這三部分依靠CDMA2000 1X 網(wǎng)絡和Internet 連接。系統(tǒng)結構圖如圖1 所示。

圖 1 系統(tǒng)結構圖

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，可在機車關鍵部位安裝溫度、煙霧傳感器，并接入硬盤錄像機對應接口，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。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，可連接串行用戶設備，支持雙向測控數(shù)據(jù)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，具有編碼效率高、圖像質量好等優(yōu)點。DSP 將經壓縮的視頻數(shù)據(jù)送入CDMA 模塊，通過無線網(wǎng)絡將視頻數(shù)據(jù)送到視頻服務器，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掌?，使得地面監(jiān)控人員也能夠實時了解機車運行的數(shù)據(jù)。