基于POE技術(shù)的船用視頻監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)計

引言

POE(PowerOverEthernet)也被稱為基于局域網(wǎng)的供電系統(tǒng)或有源以太網(wǎng)(ActiveEthernet),有時也被簡稱為以太網(wǎng)供電。這是利用現(xiàn)存標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)傳輸電纜的同時傳送數(shù)據(jù)和電功率的最新標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，并保持了與現(xiàn)存以太網(wǎng)系統(tǒng)和用戶的兼容性。POE技術(shù)在為一些基于IP的終端(如IP電話機、無線局域網(wǎng)接入點AP、網(wǎng)絡(luò)攝像機等)傳輸數(shù)據(jù)信號的同時，還能為此類設(shè)備提供直流供電的技術(shù)。

在確保現(xiàn)有結(jié)構(gòu)化布線安全的同時，保證現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的正常運作，最大限度地降低成本。一個完整的POE系統(tǒng)包括供電端設(shè)備(PowerSourcingEquipment，PSE)和受電端設(shè)備(PoweredDevice，PD)兩部分。PSE設(shè)備是為以太網(wǎng)客戶端設(shè)備供電的設(shè)備，同時也是整個POE以太網(wǎng)供電過程的管理者；而PD設(shè)備是接受供電的PSE負載，即POE系統(tǒng)的客戶端設(shè)備。

1視頻監(jiān)控系統(tǒng)簡介

視頻監(jiān)控系統(tǒng)按照視頻信號傳輸?shù)闹剖讲煌?，可分為模擬視頻監(jiān)控系統(tǒng)和數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)兩大類。其中，模擬制式視頻監(jiān)控系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

圖1  模擬制式視頻監(jiān)控系統(tǒng)組成框圖

圖1所示的模擬制式視頻監(jiān)控系統(tǒng)主要由前端設(shè)備(攝像機、鏡頭、云臺、解碼器等)、視頻矩陣及監(jiān)控系統(tǒng)主機三部分組成。其中，視頻矩陣一般與主機在同一安裝位置，視頻矩陣至前端設(shè)備之間傳輸?shù)氖悄M復(fù)合視頻信號。模擬復(fù)合視頻信號為前端設(shè)備采集的現(xiàn)場信息，經(jīng)視頻矩陣傳送至監(jiān)控主機，監(jiān)控主機的控制信號經(jīng)串口傳送至解碼器，經(jīng)解碼器解碼后實現(xiàn)對前端設(shè)備的控制。目前，模擬視頻監(jiān)控系統(tǒng)主要存在以下幾個特點：一是電纜和部件數(shù)量多，不適宜遠距離傳輸，遇到故障時排除效率低；二是可擴容性差；三是兼容性差，不利于與其他設(shè)備進行資源融合。

近年來，隨著計算機、網(wǎng)絡(luò)以及圖像處理、傳輸技術(shù)的飛速發(fā)展，視頻監(jiān)控技術(shù)有了較快的發(fā)展，模擬視頻監(jiān)控系統(tǒng)已逐漸被網(wǎng)絡(luò)化數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)所替代，其系統(tǒng)組成如圖2所示。

圖2中的網(wǎng)絡(luò)化數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)主要由用戶顯示控制終端、接入/交換設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)編解碼器、前端設(shè)備(攝像機、鏡頭、云臺等)四部分組成。攝像機采集的現(xiàn)場視頻信息經(jīng)網(wǎng)絡(luò)編解碼器數(shù)字化后輸出至接入/交換設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)接口板，然后再經(jīng)接入/交換設(shè)備進入干線網(wǎng)傳輸。用戶終端經(jīng)授權(quán)后可進行查看，控制終端的控制信號經(jīng)接入/交換設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)編解碼器送至解碼前端設(shè)備解碼器，經(jīng)解碼器解碼后實現(xiàn)對前端設(shè)備的控制。

因監(jiān)視前端設(shè)備采用的是分布化接入、分布式處理，故大大降低了網(wǎng)絡(luò)化數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)主機的工作量。同時,因為系統(tǒng)的開放性，交換子網(wǎng)和資源子網(wǎng)相互獨立，交換子網(wǎng)為資源子網(wǎng)提供開放的接口，這也為后期監(jiān)控系統(tǒng)的可擴展性提供了無限的可能性。

2基于POE技術(shù)的船用網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

針對目前傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)的以上特點，結(jié)合目前成熟的POE技術(shù)應(yīng)用，下面提出了一種面向船用的新型的網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)設(shè)計方案。

系統(tǒng)硬件設(shè)備主要包含前端設(shè)備（室內(nèi)一體機、室外云臺、室外攝像機、防護罩等）、接入/交換設(shè)備、系統(tǒng)主機和多用戶終端四大部分；系統(tǒng)組成如圖3所示。

圖3  POE視頻監(jiān)控系統(tǒng)硬件組成框圖

根據(jù)圖3所示，室外攝像云臺一體機以及室內(nèi)攝像云臺一體機的供電由帶POE功能的接入/交換設(shè)備提供，云臺及攝像機的控制由用戶顯示控制終端或主機通過網(wǎng)絡(luò)接口送至接入/交換設(shè)備，進入干線，然后經(jīng)交換設(shè)備內(nèi)的路由選擇、傳輸后輸出至相應(yīng)的接入/交換設(shè)備網(wǎng)絡(luò)接口板，再經(jīng)對應(yīng)前端設(shè)備識別后輸出至相應(yīng)前端設(shè)備。由室內(nèi)外攝像機采集的視頻信息經(jīng)前端設(shè)備編解碼器數(shù)字化后經(jīng)網(wǎng)絡(luò)接口輸出至接入/交換設(shè)備然后再經(jīng)接入/交換設(shè)備入干線，用戶顯示控制終端經(jīng)授權(quán)后可進行查看。下面簡要描述系統(tǒng)各主要分機的設(shè)計原理。2.1前端設(shè)備設(shè)計原理

前端設(shè)備主要分為室內(nèi)和室外兩種類型：室內(nèi)型前端設(shè)備主要由攝像云臺一體機和前端設(shè)備編解碼器組成；室外型的前端設(shè)備主要由前端設(shè)備編解碼器、攝像機、鏡頭、云臺、護罩幾部分組成。其中，除去前端設(shè)備編解碼器需要自行設(shè)計外，其余部件可直接采購。前端設(shè)備編解碼器為帶PD功能的編解碼器，為了兼容，室內(nèi)外前端設(shè)備采用同一型號的編解碼器?？紤]到室外設(shè)備的防風(fēng)性，云臺的最大載重設(shè)計為5kg，最大功率為30W；攝像機和鏡頭功率約為15W，因此供電端最大功率45W即可滿足要求。本設(shè)計采用MAX5986作為以太網(wǎng)供電的控制器，其可提供單端最大70W的功率輸出，可滿足室內(nèi)外前端設(shè)備的供電需求。圖4所示是前端設(shè)備編解碼器的設(shè)計原理圖。

如圖4所示，前端設(shè)備編解碼器主要由視頻AD（TVP5158）、DSP視頻處理芯片TMS320DM6467、PD取電電路（MAX5986電路）以及DC-DC電路幾部分組成。

來自攝像機的復(fù)合視頻信號經(jīng)視頻AD(TVP5158)采樣變換后經(jīng)總線輸出至DSP(本設(shè)計采用的TMS320DM6467為DSP+ARM9架構(gòu)的數(shù)字媒體片上系統(tǒng)，是TI公司的一款新型達芬奇技術(shù)數(shù)字媒體處理器)，經(jīng)其進行相應(yīng)格式的壓縮編碼后輸出，然后經(jīng)DSP片上系統(tǒng)集成的以太網(wǎng)外設(shè)發(fā)往接入/交換設(shè)備，經(jīng)其進入干線傳輸。用戶顯示及控制終端的控制信息經(jīng)接入/交換設(shè)備的帶POE功能的網(wǎng)絡(luò)接口板發(fā)送至前端設(shè)備的物理網(wǎng)絡(luò)接口，一路由MAX5986進行取電、DC-DC變換為編解碼器、攝像機、鏡頭、云臺等設(shè)備供電；一路進入DSP，由其片上集成的ARM9處理器進行控制實現(xiàn)數(shù)據(jù)解碼，實現(xiàn)對攝像機、云臺、鏡頭的控制。其中，調(diào)試鍵盤為前端設(shè)備單獨調(diào)試時使用。

2.2監(jiān)視系統(tǒng)主機原理

監(jiān)視系統(tǒng)主機主要完成前端設(shè)備的錄像、其他設(shè)備視頻信號的接入、整個監(jiān)視系統(tǒng)的監(jiān)視及管理等工作。主要由一臺工控機、視頻采集及處理卡、大屏幕監(jiān)視電視墻和硬盤陣列式長時錄像機等幾部分組成。均可通過采購部件解決，主機通過安裝視頻監(jiān)控軟件實現(xiàn)對監(jiān)控系統(tǒng)的控制及管理。

2.3接入/交換設(shè)備POE供電網(wǎng)絡(luò)接口板設(shè)計原理

接入/交換設(shè)備POE供電網(wǎng)絡(luò)接口板原理圖如圖5所示。

圖5POE供電網(wǎng)絡(luò)接入/交換設(shè)備原理框圖

如圖5所示，網(wǎng)絡(luò)接入/交換設(shè)備網(wǎng)絡(luò)接口板主要實現(xiàn)前端設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)接入及用戶終端和前端設(shè)備間的網(wǎng)絡(luò)交換功能。網(wǎng)絡(luò)接口板主要由交換控制芯片VT6510、2M的SGRAM緩存、POE供電控制芯片MAX5982、微控制器STM32F103及相關(guān)外圍器件組成。其中，VT6510交換芯片整合了8個10/100Mb/s交換口及2個Gigabit交換口為單一控制芯片，符合最新的IEEE網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，包括802.3X流量控制、VLAN功能、高效能交換引擎及IP多點傳送功能，可完成8口的10M/100M自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)無阻塞交換、存儲轉(zhuǎn)發(fā)。

E2PROM主要用于保存交換設(shè)備的配置數(shù)據(jù)，在設(shè)備開機或者復(fù)位時，設(shè)備將從E2PROM讀出這些數(shù)據(jù)，用于系統(tǒng)初始化。微控制器采用ARM7架構(gòu)的STM32F103,主要完成對寄存器的讀寫和與PC之間的通信，可以將網(wǎng)絡(luò)接口板配成各種工作模式，以滿足不同用戶的需求。MAX5982為POE供電控制芯片，其與整流穩(wěn)壓電路配合完成PSE設(shè)備功能。

3結(jié)語

綜上所述，基于POE技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)具有數(shù)字化、智能化、自動化和網(wǎng)絡(luò)化等特點，其良好的擴充性、可管理性以及易于與其他系統(tǒng)的集成等諸多優(yōu)點，使其大大地簡化和提高了信息傳遞的方式和速度。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和計算機技術(shù)的不斷發(fā)展，基于POE技術(shù)和視頻交換技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)將會成為船監(jiān)控系統(tǒng)的新標(biāo)準(zhǔn)。

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