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

0 引言

POE(Power Over Ethernet) 也被稱為基于局域網(wǎng)的供電系統(tǒng)或有源以太網(wǎng)( Active Ethernet)，有時(shí)也被簡(jiǎn)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(shí)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(jī).無(wú)線局域網(wǎng)接入點(diǎn)AP.網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)等) 傳輸數(shù)據(jù)信號(hào)的同時(shí)，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(shí)，保證現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的正常運(yùn)作，最大限度地降低成本.一個(gè)完整的POE 系統(tǒng)包括供電端設(shè)備(Power Sourcing Equipment,PSE) 和受電端設(shè)備(Powered Device,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(shí)也是整個(gè)POE 以太網(wǎng)供電過(guò)程的管理者;而PD 設(shè)備是接受供電的PSE 負(fù)載，即POE 系統(tǒng)的客戶端設(shè)備.

1 視頻監(jiān)控系統(tǒng)簡(jiǎn)介

視頻監(jiān)控系統(tǒng)按照視頻信號(hào)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 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(jī).鏡頭.云臺(tái).解碼器等).視頻矩陣及監(jiān)控系統(tǒng)主機(jī)三部分組成.其中，視頻矩陣一般與主機(jī)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(hào).模擬復(fù)合視頻信號(hào)為前端設(shè)備采集的現(xiàn)場(chǎng)信息，經(jīng)視頻矩陣傳送至監(jiān)控主機(jī)，監(jiān)控主機(jī)的控制信號(hào)經(jīng)串口傳送至解碼器，經(jīng)解碼器解碼后實(shí)現(xiàn)對(duì)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(gè)特點(diǎn)：一是電纜和部件數(shù)量多，不適宜遠(yuǎn)距離傳輸，遇到故障時(shí)排除效率低;二是可擴(kuò)容性差;三是兼容性差，不利于與其他設(shè)備進(jìn)行資源融合.

近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī).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(jī).鏡頭.云臺(tái)等) 四部分組成.攝像機(jī)采集的現(xiàn)場(chǎng)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(jìn)入干線網(wǎng)傳輸.用戶終端經(jīng)授權(quán)后可進(jìn)行查看，控制終端的控制信號(hào)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(shí)現(xiàn)對(duì)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(jī)的工作量.同時(shí)，因?yàn)橄到y(tǒng)的開放性，交換子網(wǎng)和資源子網(wǎng)相互獨(dú)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(kuò)展性提供了無(wú)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(jì)

針對(duì)目前傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)的以上特點(diǎn)，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(jì)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(jī).室外云臺(tái).室外攝像機(jī).防護(hù)罩等).接入/ 交換設(shè)備.系統(tǒng)主機(jī)和多用戶終端四大部分;系統(tǒng)組成如圖3 所示.

根據(jù)圖3 所示，室外攝像云臺(tái)一體機(jī)以及室內(nèi)攝像云臺(tái)一體機(jī)的供電由帶POE 功能的接入/ 交換設(shè)備提供，云臺(tái)及攝像機(jī)的控制由用戶顯示控制終端或主機(jī)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)接口送至接入/ 交換設(shè)備，進(jìn)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(duì)應(yīng)前端設(shè)備識(shí)別后輸出至相應(yīng)前端設(shè)備.由室內(nèi)外攝像機(jī)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(jìn)行查看.下面簡(jiǎn)要描述系統(tǒng)各主要分機(jī)的設(shè)計(jì)原理.[!--empirenews.page--]

2.1 前端設(shè)備設(shè)計(jì)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(tái)一體機(jī)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(jī).鏡頭.云臺(tái).護(hù)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(jì)外，其余部件可直接采購(gòu).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(hào)的編解碼器.考慮到室外設(shè)備的防風(fēng)性，云臺(tái)的最大載重設(shè)計(jì)為5 kg,最大功率為30 W;攝像機(jī)和鏡頭功率約為15 W,因此供電端最大功率45 W即可滿足要求.本設(shè)計(jì)采用MAX5986 作為以太網(wǎng)供電的控制器，其可提供單端最大70 W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(jì)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(lái)自攝像機(jī)的復(fù)合視頻信號(hào)經(jīng)視頻AD(TVP5158) 采樣變換后經(jīng)總線輸出至DSP( 本設(shè)計(jì)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(dá)芬奇技術(shù)數(shù)字媒體處理器)，經(jīng)其進(jìn)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(jìn)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(jìn)行取電.DC-DC變換為編解碼器.攝像機(jī).鏡頭.云臺(tái)等設(shè)備供電;一路進(jìn)入DSP,由其片上集成的ARM9 處理器進(jìn)行控制實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)解碼，實(shí)現(xiàn)對(duì)攝像機(jī).云臺(tái).鏡頭的控制.其中，調(diào)試鍵盤為前端設(shè)備單獨(dú)調(diào)試時(shí)使用.

2.2 監(jiān)視系統(tǒng)主機(jī)原理

監(jiān)視系統(tǒng)主機(jī)主要完成前端設(shè)備的錄像.其他設(shè)備視頻信號(hào)的接入.整個(gè)監(jiān)視系統(tǒng)的監(jiān)視及管理等工作.主要由一臺(tái)工控機(jī).視頻采集及處理卡.大屏幕監(jiān)視電視墻和硬盤陣列式長(zhǎng)時(shí)錄像機(jī)等幾部分組成.均可通過(guò)采購(gòu)部件解決，主機(jī)通過(guò)安裝視頻監(jiān)控軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)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(jì)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.

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(shí)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(gè)10/100 Mb/s 交換口及 2 個(gè) 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(diǎn)傳送功能，可完成8 口的10M/100M自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)無(wú)阻塞交換.存儲(chǔ)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(jī)或者復(fù)位時(shí)，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(duì)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(yǔ)

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(dòng)化和網(wǎng)絡(luò)化等特點(diǎn)，其良好的擴(kuò)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(diǎn)，使其大大地簡(jiǎn)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(jì)算機(jī)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(huì)成為船監(jiān)控系統(tǒng)的新標(biāo)準(zhǔn).