（控制理论与控制工程专业论文）济南卷烟厂安全防范系统设计与实现.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 安全防范系统在政治、军事、文化、生产和生活设施的安全保卫中一直起着 举足轻重的作用。随着计算机网络与通信技术、多媒体技术的快速发展，数字化、 网络化和智能化已经成为安全防范系统的重要研究内容。 将军集团济南卷烟厂为了扩大生产规模、提高技术水平，于2 0 0 6 年9 月开始 实施易地技术改造项目。新厂区总占地面积1 0 0 0 多亩，包括生产区、办公区和生 活区二十多个建筑物。如何对建设中和将来运行中的新厂区开展有效的安全防护 工作，是一个急需解决的问题。 本文通过对新厂区的实地考察，设计了一套基于数字网络技术的功能强大、 技术先进的安全防范系统。该系统用于对新厂区进行实时防护和管理，对于保证 厂区财产安全和生产的正常进行具有重要的意义。同时该系统还可以用于重要房 间和通道的进出管理，防止无关人员进入，记录出入人员身份和时间信息，有利 于提高企业的管理水平。 本文首先对系统进行了总体设计，包括数字视频监控系统、门禁管理系统和 防盗报警系统共三个子系统。三个子系统各自独立，又相互联动，组成厂区安全 防范的一个整体系统。然后在对各子系统进行需求分析的基础上，对现场设备进 行了深化设计与选型；对h o n e y w e l le b i 软件和d v m 软件在本系统中的应用进行 了详细介绍，并对子系统联动功能的实现进行了深入研究；另外设计建立采用第 三层交换和v l a n 技术的安防系统专用网络，对于系统网络视频传输流量较大的 特点，提出了以卡尔曼滤波器理论为基础，基于r t c p 反馈的网络拥塞控制，保 证了传输的稳定畅通。 本文对网络通信、流媒体传输、e b i 软件和d v m 软件应用、信号处理、 和网络拥塞控制等问题进行了深入的研究，对工程实际中所遇到的问题进行了 深入分析并给出了解决方案。该系统是济南卷烟厂易地技术改造项目中的一个重 要系统，它的成功建设将解决济南卷烟厂安全保卫问题，而且其设计思想对于范 围广阔的地区进行多点综合安全防范也具有一定的实用价值。 关键词：安全防范；数字网络；联动；网络拥塞；系统集成 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t s e c u r i t ys y s t e m sh a sb e e np l a y i n ga ni m p o r t a n tr o l ei nt h ep r o t e c t i o no fp o l i t i c a l ， m i l i t a r y , c u l t u r a l ，a n dl i v i n gf a c i l i t i e s w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fn e t w o r k s ， c o m m u n i c a t i o n sa n dm u l t i m e d i at e c h n o l o g y , d i g i t a ln e t w o r k i n ga n di n t e l l i g e n ts e c u r i t y s y s t e mh a sb e c o m e a l li m p o r t a n tr e s e a r c ht o p i c i no r d e rt oe x p a n dt h es c a l eo fp r o d u c t i o n ，r a i s i n gt h et e c h n o l o g i c a ll e v e l ，g e n e r a l g r o u p ，j i n a nc i g a r e t t ef a c t o r ys t a r t e dt h et e c h n o l o g i c a lt r a n s f o r m a t i o np r o j e c t s i n s e p t e m b e r2 0 0 6 t h en e wp l a n tc o v e r sa na r e ao f10 0 0m u ，i n c l u d i n gp r o d u c t i o n ，o f f i c e a n dl i v i n ga r e a sm o r et h a n2 0b u i l d i n g s h o wt h ec o n s t r u c t i o na n df u t u r eo p e r a t i o no f t h en e wp l a n tt oc a r r yo u te f f e c t i v es e c u r i t yp r o t e c t i o ni sa nu r g e n tp r o b l e m b a s e do nt h ei n s p e c t i o no ft h en e wf a c t o r y , w ed e s i g n e dap o w e r f u la n da d v a n c e d s e c u r i t ys y s t e mw h i c hi sb a s e do nd i g i t a ln e t w o r kt e c h n o l o g y t h es y s t e mi s u s e df o r r e a l t i m ep r o t e c t i o no ft h en e wp l a n ta n dm a n a g e m e n t t og u a r a n t e et h es a f e t yo f p r o p e r t ya n dn o r m a lp r o d u c t i o ni so fg r e a ts i g n i f i c a n c e a tt h es a n l et i m et h es y s t e m c a nb eu s e dt oa c c e s st h ei m p o r t a n tr o o m sa n dc h a n n e l s ，p r e v e n tt h ee n t r yo f u n a u t h o r i z e dp e r s o n ，a n dr e c o r dt h ep e r s o n a li d e n t i t ya n dt i m ei n f o r m a t i o n i ti s c o n d u c i v et oi m p r o v i n gt h ew h o l es e c u r i t ym a n a g e m e n tl e v e l i nt h i sp a p e r , w ed e s i g n e dt h ew h o l es y s t e m ，i n c l u d i n gd i g i t a lv i d e os y s t e m s ， a c c e s sc o n t r o ls y s t e m sa n da n t i t h e f ta l a r ms y s t e m t h e3s e p a r a t es u b s y s t e m sa r ea l s o i n t e r a c t i v e b a s e do nt h ea n a l y s i so ft h es u b s y s t e mn e e d s ，w ed e s i g n e da n ds e l e c t e dt h e e q u i p m e n t t h e ni ti n t r o d u c e dt h ea p p l i c a t i o no fh o n e y w e l le b ia n dd v m s o f t w a r ei n d e t a i l s ，a n dt h er e s e a r c h i n go fl i n k a g eb e t w e e nt h e3s u b s y s t e m s w ea l s od e s i g n e dt h e s e c u r i t yn e t w o r ks y s t e mw h i c hi se s t a b l i s h e db a s e do nt h et h i r dl a y e ri n t e r a c t i o na n d v l a nt e c h n o l o g y f o rt h eh i 曲t r a f f i co fv i d e ot r a n s m i s s i o ni nt h en e t w o r k ，w ep u t f o r w a r dan e t w o r kc o n g e s t i o nc o n t r o lt h e o r yb a s e do nk a l m a nf i l t e ra n dr t c p f e e d b a c kt h e o r yt oe n s u r et h es t a b l et r a n s m i s s i o n w es h o w e dt h ed e e p l yr e s e a c ho fn e t w o r kc o m m u n i c a t i o n s ，s t r e a m i n gm e d i a t r a n s m i s s i o n ，t h ea p p l i c a t i o n so fd v ma n de b is o f t w a r e ，s i g n a lp r o c e s s i n g ，a n d n e t w o r kc o n g e s t i o nc o n t r o lt h e o r yi nt h i sp a p e r w eg a v et h es o l u t i o n so ft h ep r a c t i c a l e n g i n e e r i n gp r o b l e m sb yt h ei n d e p t ha n a l y s i s t h i ss y s t e mp l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei n t h et r a n s f o r m a t i o np r o j e c t so fj i n a nc i g a r e t t ef a c t o r y , a n di t ss u c c e s sw i l ls o l v et h e s e c u r i t yp r o b l e m s a n d i t s d e s i g n i d e a sf o rab r o a dr a n g eo fa r e a sa n dm o r e i i 山东大学硕士学位论文 c o m p r e h e n s i v es e c u r i t ys y s t e ma l s oh a ss o m ep r a c t i c a lv a l u e k e yw o r d s ：s e c u r i t y , d i g i t a ln e t w o r k ；l i n k a g e ；n e t w o r kc o n g e s t i o n ；s y s t e m i n t e g r a t i o n i i i 山东大学硕士学位论文 i 盯p i 盯c p t c p u d p d v m e b i c o m v l a n t f r c r c c q o s n s h m i r t t o s i r i p 燃 i v 符号说明 r e a l t i m et r a n s p o r tp r o t o c o l实时传输协议 r e a l t i m et r a n s p o r tc o n t r o lp r o t o c o l实时传输控制协议 t r a n s m i s s i o nc o n t r o lp r o t o c o l 传输控制协议 u s e rd a t a g r a mp r o t o c o l 用户数据报协议 d i g i t a lv i d e om a n a g e r数字影像管理系统 e n t e r p r i s eb u i l d i n g sm a n a g e r楼宇自动化综合管理系统 c o m p o n e n to b j e c tm o d e l组件对象模型 v i r t u a ll o c a la r e an e t w o r k s虚拟局域网 t c p f r i e n d l yr a t ec o n t r o lt c p 友好速率控制 b a s e do nr e a l t i m et r a n s p o r tc o n t r o lp r o t o c o lc o n g e s t i o nc o n t r o l 基于r t c p 的网络拥塞控制 q u a l i t yo fs e r v i c e网络服务质量 n e t w o r ks i m u l a t o r 网络仿真器 h u m a nm a c h i n ei n t e r f a c e 人机界面 r o u n d t r i pt i m e 网络往返时间 o p e ns y s t e mi n t e r c o n n e c t i o n开放式系统互联参考模型 r o u t i n gi n f o r m a t i o np r o t o c o l路由信息协议 a d d r e s sr e s o l u t i o np r o t o c o l地址解析协议 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人 承担。 论文作者签名：左啐 日期：独呈：篁：! 关于学位论文使用授权的声明 本人同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的印刷件和电 子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全 部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：埠导师签名：烨日 期：翌堕：三： 里 山东大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 引言 安全防范就是保障人们在生产、生活和一切社会活动中人身、生命、财产和 生产、生活设施不受侵犯，防止侵犯行为的总称。 在现代建筑智能化系统中，安全防范系统作为一个重要组成部分，是现代管 理、监测、控制的重要手段。随着经济水平和科学技术的飞速发展，人们对安全 防范的要求越来越高，作为社会经济运行主体的企业更是首当其冲。近十几年来， 随着改革开放的不断深入和新产品、新技术逐步引进，愈来愈多的设备先进、管 理科学的现代企业不断崛起。新企业引入了新的安全防范的概念，既要能及时全 面地掌握企业生产的现场动态，又要能减轻保安人员的工作量。 通过对企业现场生产的自动化管理，实现对工厂厂区、厂房的视频监控及人 员管理。这样即可达到现代企业严格管理、安全生产、严肃纪律、有效打击经济 刑事犯罪目的，又可充分提高生产效率和节省开支。 1 2 安全防范监控系统的现状及发展 安全防范视频监控系统作为安全防范的主要手段，是安全防范系统的重要组 成部分，是一种防范能力较强的综合系统。视频监控以其直观、方便、信息内容 丰富而广泛应用于许多场合。近年来，随着现代科学技术的不断发展特别是网络 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，视频监控技术也有长足的发展，视频监控进入了全数字化的网络时代，日 益受到人们的重视和关注。视频监控系统的发展基本上是从早期的模拟闭路电视 监控系统向数模结合的视频监控系统和现在的数字视频监控系统演变的过程，而 现在的数字视频监控系统根据技术的发展又分为三个阶段【l 】：数字监控的多媒体 阶段、数字监控的d v r 阶段和数字监控的网络阶段。 山东大学硕士学位论文 1 2 1 视频监控系统的现状 模拟视频监控系统 模拟视频监控系统分为基于微处理器的视频切换控制加p c 机的多媒体管理 和基于p c 机实现对矩阵主机的切换控制及对系统的多媒体管理两种类型。 模拟闭路电视监控系统实际上就是许多模拟监控设备的组合，系统主要由 “前端设备”和“终端控制设备”以及“信号传输介质”三个部分组成，其中：前端设 备主要有摄像机、云台、解码器等，控制设备主要有切换矩阵、画面分割器、监 视器、控制键盘、录像机等。传输介质包括电缆、控制线等。随着微处理器、微 机的功能、性能的增强和提高，多媒体技术的应用，系统在功能、性能、可靠性、 结构方式等方面都发生了很大的变化，视频监控系统的构成更加方便灵活、与其 它技术系统的接口趋于规范，人机交互界面更为友好。但由于视频监控系统中信 息流的形态没有变，仍为模拟的视频信号，系统的网络结构主要是一种单功能、 单向、集总方式的信息采集网络，因此系统尽管已发展到很高的水平，已无太多 潜力可挖，其局限性依然存在，要满足更高的要求，数字化是必由之路。 模拟监控系统的主要缺点有： a 、通常只适合于小范围的区域监控，模拟视频信号的传输工具主要是同轴 电缆，而同轴电缆传输模拟视频信号的距离不大于1 0 0 0 米，双绞线的距离更短， 这就决定了模拟监控只适合于单个大楼、小的居民区以及其它小范围的场所。 b 、系统的扩展能力差，对于已经建好的系统，如要增加新的监控点，往往 是牵一发而动全身，新的设备也很难添加到原有的系统之中。 c 、无法形成有效的报警联动，由于各部分独立运作，相互之间的控制协议 很难互通，联动只能在有限的范围内进行。 数字视频监控系统 随着多媒体技术、视频压缩编码技术、网络通讯技术的发展、数字视频监控 系统迅速崛起。现今市场上有两种数字视频监控系统类型，一种是以数字录像设 备为核心的视频监控系统，另一种是以嵌入式视频w e b 服务器为核心的视频监 控系统。 数字视频压缩编码技术日益成熟，计算机的普及化，为基于p c 机的多媒体 监控创造了条件。这种新型视频监控系统的迅速崛起，部分地取代了以视频矩阵 山东大学硕士学位论文 图像分割器、录像机为核心，辅以其它传送器的模拟视频监控模式，其优越性主 要表现在： a 、p c 机的多媒体监控主机综合了视频矩阵、图像分割器、录像机等的众多 功能，使系统结构大为简化。 b 、由于采用计算机网络技术，数字多媒体远程网络监控不受距离限制。 c 、由于采用大容量磁盘阵列存储器或光盘存储器，可以节省大量的磁带介 质，同时有利于系统实现多媒体信息查询。 但随着基于p c 机的视频监控录像系统的发展，在实际工程使用过程中，也 暴露出一些不足，主要是系统工作的不稳定性。基于p c 的视频监控录像系统的 组成结构为：兼容t 控p c 机+ 视频采集卡+ 普通较可靠的操作平台+ 应用软件。 从系统的组成结构来分析：a 、p c 机用于2 4 小时不问断工作时，其性能是不很 稳定的，工控p c 机相对兼容p c 机的稳定性有一个档次上的提高，适用于较复 杂的工作环境。b 、操作系统：以w i n d o w s9 8 为操作平台的系统，业内人士都知 道，w i n 9 8 的稳定性是有一定问题的，如果同时应用软件又不是很规范，这样就 容易在使用过程中出现工作不稳定、死机等问题，而基于p c 机的视频监控录像 系统其软件的实现是在w i n d o w s9 5 9 8 n t 、u n i x 、l i n u x 等通用操作系统上，同 时系统文件、应用软件和图像文件都存储在硬盘上，视频处理必须高密度输入大 量数据，同时硬盘要进行多任务共同工作，普通的硬盘逻辑( 如w i n d o w s 的 f a t 3 2 ) 已无法适应，以致极易产生系统的不稳定性，造成死机现象。c 、应用 软件：采用简易应用软件的系统是不能够用于安防领域的，视频监控系统的应用 软件能力上应支持多任务并发处理，如监视、录像、回放、备份、报警、控制、 远程连接等的多功能处理能力。d 、视频采集卡：视频监控录像系统通常均为多 路输入系统，视频采集卡可采用多卡方式，也可采用单卡方式。一般说，单卡方 式集成度高，稳定性会优于多卡方式，很多采用一路一卡的方式很容易形成硬件 冲突，其稳定性会有较大的影响。 嵌入式系统是以应用为中心，软硬件可裁减的，适应应用系统对功能、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。 嵌入式系统主要由嵌入式处理器、相关支撑硬件、嵌入式操作系统及应用软 山东大学硕士学位论文 件系统等组成，它是集软、硬件于一体的可独立工作的”器件”。嵌入式操作系统 是一种实时的，支持嵌入式系统应用的操作系统软件，它是嵌入式系统极为重要 的组成部分，通常包括与硬件相关的底层驱动软件、系统内核、设备驱动接口、 通信协议、图形界面、标准化浏览器等，嵌入式操作系统在系统实时高效性、硬 件的相关依靠性、软件固态化及应用的专用性等方面具有较为突出的特点。嵌入 式系统的优缺点：a 、系统为专用系统，所以系统小，指令精简，处理速度快。b 、 系统数据置于r o m f l a s hm e m o r y ，调用速度快，不会被改变，稳定性好。 c 、系统处理实时性好，性能稳定。d 、文件管理系统更适合于大量的视频数据。 e 、在网络功能、音视频同步等方面也难令人满意。 嵌入式视频w e b 服务器方式，视频服务器内置一个嵌入式w e b 服务器，采 用嵌入式实时多任务操作系统。摄像机送来的视频信号数字化后由高效压缩芯片 压缩，通过内部总线送到内置的w e b 服务器，网络上用户可以直接用浏览器观 看w e b 服务器上的摄像机图像，授权用户还可以控制摄像机、云台、镜头的动 作或对系统配置进行操作。 由于把视频压缩和w e b 功能集中到一个体积很小的设备内，可以直接连入 局域网，达到即插即看，省掉多种复杂的电缆，安装方便( 仅需设置一个i p 地 址) ，用户也无需安装任何硬件设备，仅用浏览器即可观看。嵌入式视频w e b 服务器监控系统与其它监控系统的比较有如下特点： a 、布控区域广阔。嵌入式视频w e b 服务器监控系统的w e b 服务器直接连 入网络，没有线缆长度和信号衰减的限制，同时网络是没有距离概念的，彻底抛 弃了地域的概念，扩展布控区域。 b 、系统具有几乎无限的无缝扩展能力，所有设备都以i p 地址进行标识， 增加设备只是意味着i p 地址的扩充。 c 、可组成非常复杂的监控网络。采用基于嵌入式w e b 服务器为核心的监控 系统，在组网方式上与传统的模拟监控和基于p c 平台的监控方式有极大的不同， 由于w e b 服务器输出已完成模拟到数字的转换并压缩，采用统一的协议在网络 上传输，支持跨网关、跨路由器的远程视频传输。 d 、性能稳定可靠，无需专人管理。嵌入式w e b 服务器实际上基于嵌入式 电脑技术，采用嵌入式实时多任务操作系统，又由于视频压缩和w e b 功能集中 4 山东大学硕士学位论文 到一个体积很小的设备内，直接连入局域网或广域网，即插即看，系统的实时性、 稳定性、可靠性大大提高，也无需专人管理，非常适合于无人值守的环境。 e 、当监控中心需要同时观看较多个摄像机图像时，对网络带宽就会有一定 的要求。 1 2 2 视频监控系统的发展 1 、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 频监控发展的最大两个特点就是数字化和网络化。 2 、数字化 数字化是2 l 世纪的特征，是以信息技术为核心的电子技术发展的必然，数 字化是迈向成长的通行证，随着时代的发展，我们的生存环境将变得越来越数字 化。 视频监控系统的数字化首先应该是系统中信息流( 包括视频、控制等) 从模 拟状态转为数字状态，这将彻底打破”经典闭路电视系统是以摄像机成像技术为 中心”的结构，根本上改变视频监控系统从信息采集、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，使视频监 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。 3 、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，容错可靠等优点。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 山东大学硕士学位论文 成的一个重要概念。 1 3 项目背景 将军集团济南卷烟厂是山东烟草行业的龙头老大，成立于1 9 2 8 年，如今已 成为年销售收入5 0 亿元、利润3 0 亿元的大型企业集团。为了扩大生产规模、 提高生产技术水平，2 0 0 6 年开始实施易地技术改造项目。新厂区坐落在济南市 高新区孙村片区，项目总占地面积1 0 0 0 多亩，是目前国内烟草行业规模最大的 易地技改项目。工程已于2 0 0 7 年9 月竣工投产，济南卷烟厂成为了一个卷烟规 模达1 0 0 万箱的现代化卷烟企业。 此次易地技术改造项目安全防范系统包括数字视频监控系统、门禁管理系统 和防盗报警系统共3 个子系统，是一个国内领先、国际先进的厂区安防自动化系 统。整个系统要求满足先进性、实用性、可扩展性、安全性、可靠性、易用性、 经济性等指标，从而达到实用性，可实施性、超前性，独创性、提高管理效率、 节省管理费用、提高厂区安全性等的工程总目标。 1 4 论文的工作内容及组织 本项目是一个实际应用开发项目，在经过对大量资料研究学习和对现有各种 方案的对比论证后，根据现场的实际情况和业主的需求，提出了整个安防系统的 总体设计方案，并从系统硬件上进行了深化设计，在对系统软件系统进行了需求 分析的基础上，对本系统采用的e b i 和d v m 软件的功能实现进行了介绍、设置 和研究，特别是在子系统信号是如何实现相互联动方面进行了深入研究。在对网 络结构和设计的基础上，对本系统网络传输具有大流量、实时传输等特点，提出 了基于卡尔曼滤波预测理论和r t c p 反馈的网络拥塞控制算法。论文进行过程 中，我从头参与到该项目的设计和开发中，所做的工作内容如下： ( 1 ) 对安全防范系统的发展状况进行深入的研究，对比各种方案的优缺点， 确定本系统的数字化、网络化和集成化的设计思路。 ( 2 ) 运用系统工程的理论在对本项目进行需求分析的基础上完成了该系统 的总体设计，包括系统结构设计和功能设计，确定该系统的设计方案和技术路线。 ( 3 ) 对系统硬件进行深化设计，完成了现场前端设备和监控中心设备的设计 6 山东大学硕士学位论文 与选型。 ( 4 ) 对系统集成的e b i 和d v m 软件功能和应用进行了深入研究，对前端视 频编码器w e b 客户端程序进行了设计。 ( 5 ) 对各子系统之间信号联动的实现进行了深入研究。 ( 6 ) 针对数字视频网络流量较大，为了防止网络拥塞，提出了自己的控制观 点。 本文主要是根据系统的需求分析，详细的论述了该系统的设计与实 现。本文共分七章，具体内容安排如下： 第一章，绪论。 第二章，系统的结构设计与实现。 第三章，系统硬件设计。 第四章，系统软件设计、选型及实现。 第五章，各子系统联动的设计与实现。 第六章，安防专用网络设计及对拥塞控制的研究。 第七章，总结与展望 7 山东大学硕士学位论文 第二章系统的结构设计与实现 2 。董荸l 言 在课题研究过程孛，通过对厂区现场的实地考察和与业主的交流，对本安防 系统进行了需求分析，在此基础上提出了我的设计思想和设计原则，从总体上对 本系统进行了结构设计和层次设计。然后经过查阅资料，对系统涉及的一些关键 技术进行了深入的研究和选择。 2 2 系统需求分析 将军集团济南卷烟厂新厂区占地1 0 0 0 多宙，厂区周界全长近3 6 0 0 米，基确 建设分两期进行，包括联合工房、动力中心、香精香料库、废品库、综合服务楼 等二十多个建筑。面积庞大的厂区对安全防范提出了更高的要求也带来了很大的 困难。 通过与业主的沟通，确定了业主的使用需求：该安防系统应当对全厂周界和 重要出入口实时视频监控并加以报警防护，经过系统设防，对非法入侵者进行报 警和监控录像；对重要车闻和办公场所进行出入控制，对所有出入者进行身份验 证和信息记录、监控录像。因此需要将该系统划分为数字视频监控系统、门禁管 理系统和防盗报警系统3 个子系统，并通过网络将3 个子系统集成为一个完整的 系统，实现对厂区和重要生产办公场所的保护。根据现场情况和系统的建设目标， 3 个子系统各翻功能如下： 1 、数字视频监控系统 数字视频监控系统设备主要设置在厂区周边、各主要建筑内、走廊、出入口、 停车场、厂区重要区域及设备、门禁、报警等相关区域，实现对人员流动和车辆 进出的监视管理，预防无关人员的非法进入，确保厂区内人、财、物的安全。 2 、门禁管理系统 f l 禁系统主要设置在计算机嬲络中心、安防消防控制室、各车间中控室等重 要的区域，实现对出入人员的控制和管理。同时与数字视频监控系统实现联动， 对出入人员进行录像。 3 、防盗报警系统 8 山东大学硕士学位论文 防盗报警系统主要用于在数字视频监控基础上加强厂区和重要建筑物的安 全防范手段，通过报警设备与视频监控联动设计，进一步提高厂区的安全性。 2 3 设计思想和原则 鉴于新厂区面积大、周界距离长、各厂房间距离较远的情况，采用传统的模 拟信号传输方式无法满足信号传输距离的要求，无法实现全厂的集中控制，而且 对于将来监控系统的升级和扩展也很难实现，因此我们考虑采用数字网络技术， 通过相应的网络通讯模块，实现现场模拟信号的数字化网络传输。通过建立安防 系统专用网络并纳入厂区局域网，可以实现安防系统与厂区其他子网的通信，并 实现授权用户的远程视频监控。另外，通过网络连接，可以实现三个子系统之间 的通信和联动，实现整个系统的集成化和智能化。因此，在设计中遵循以下的设 计原则： ( 1 ) 先进性 本系统是国内率先采用基于网络视频编码器为核心的视频监控系统，它采用 专用视频压缩芯片，图像采用先进的m p e g 4 图像压缩方式，视频清晰且压缩 率高，网络占用带宽低，是基于第三代嵌入式技术的综合网络监控产品。 ( 2 ) 实用性： 系统支持用户的网络监控需求，可多用户多画面实时监控、远程控制、分布 式录像、可连接多种报警设备、报警可定时布防撤防等功能，完全满足用户的监 控要求。 ( 3 ) 兼容性： 系统采用b s 和c s 相结合的架构形式，可与企业内部网络系统紧密结合； 同时，前端系统可在原有的模拟监控系统的基础之上进行改造，保护用户设备投 资。 ( 4 ) 扩展性： 系统软、硬件系统采用模块化设计，用户系统升级时，只需要简单增加前端 的视频编码器、门禁控制器和报警控制器，并升级相应的系统软件即可，不用额 外添加或者废弃原有设备。 ( 5 ) 灵活性： 9 山东大学硕士学位论文 系统组网灵活，适合在局域网、广域网、甚至i n t e r n e t 中使用；授权用户可 通过i e 浏览器实时监控前端现场，客户端无需配置任何硬件。 2 4 系统结构 2 4 。1 系统总体结构 本系统宙数字视频监控系统、门禁管理系统和防盗报警系统共3 个子系统缀 成，在厂区的重要场所相应的设置一定数量的摄像机、门禁和报警器，通过专用 线缆连接到各自的现场控制器，由现场控制器控制前端设备进行各种信号的检 测、处理和控制；同时各控制器通过安防专用网络与安防监控中心的交换机稆连， 将各种监控信号通过网络上传到监控中心的控制主机和服务器，进行信息的显 示、存储和相应的管理操作。 3 个子系统相对独立，在实现各自相应功能的同时又可以互相联动，互相配 合，互相控制，共同实现系统的功能。在联合工房安防控制室设置监控中心，实 现视频监控录像的集中显示、储存和门禁管理信息、报警信息的统一存储和管理， 并且能够通过互联网实现远程控制。系统结构如图2 1 所示 2 1 1 3 1 ： 1 0 视 图2 1 安防系统结构图 机 山东大学硕士学位论文 2 4 2 系统层次结构 从系统操作平台上看，整个系统是一个四层结构：包括管理层、服务层、 控制层和实施层。如图2 2 所示 管理层 i i鲤霉 芸箩霉，爹 e b i 服务器e b i 客户端 吃 服务层交换机 丽霭 阉rq，r d v m 视频服务器奉5d v m 数据库服务器 ii 视频编码器门禁控制器报警控制器 摔制层 摄摄门读按探探 像像卡测测 实施层 机机锁器钮器器 图2 2 安防系统层次结构 各部分的功能如下： ( 1 ) 管理层 管理层由e b i 服务器和e b i 客户端和电视墙组成。监控中心电视墙由8 台 4 2 寸等离子监视器组成，用于对厂区摄像机图像进行实时显示。通过e b i 客户 端可以控制每台监视器实现单画面显示和四画面分割显示，总共可以同时显示 3 2 台摄像机的实时图像。经过在数据库中授权，远程互联网用户可以通过i e 浏 览器对摄像机云台进行控制，察看实时图像和回放录像。同时可以通过e b i 客 户端实现门禁和报警信号的监控和处理。e b i 服务器用来配置整个安防系统的 核心数据库，配置所有本地及远程用户的访问权限、配置整个数字化监控系统 山东大学硕士学位论文 各个参数。门禁系统和报警系统服务器集成在e b i 服务器中，主要存储门禁 和报警系统的配置，转发前端信号，存储报警和门禁的各种状态历史数据和 实时数据，为系统查询分析提供基础数据。 ( 2 ) 服务层 服务层由d v m 数据库服务器和d v m 视频服务器组成。d v m 数据库服务 器主要负责d v m 系统的视频服务器和i e 浏览器的管理，配置视频监控系统的 数据库、管理用户访问权限等，是视频监控系统的管理核心服务器。d v m 视频 服务器主要负责实施层视频信息流的转发、监控层对云台和摄像机等控制命 令的转发、视频图像的存储服务；同时，在d v m 视频服务器上构建w e b 服务 器，为远程浏览端提供数据访问服务、视频访问服务以及控制访问服务等。 ( 3 ) 控制层 控制层由视频编码器、门禁控制器和报警控制器组成。视频编码器主要是 将模拟摄像机采集到的模拟信号数字化，同时将数字化之后的图像按m p e g 一4 格式进行压缩和传送，并通过云台解码器控制摄像机云台、镜头变焦。 门禁控制器连接门锁、读卡器和出门按钮等门禁系统现场设备，采集读卡器 和出门按钮的信息，根据此信息查询数据库，进行访问者的权限的判断，控 制门锁的开闭。报警控制器连接现场的双鉴红外探测器和埋地泄漏电缆，采 集各个防区的报警信号，进行判断和信号的传输。 ( 4 ) 实施层 实施层由现场的设备构成，包括各种摄像机、门锁、读卡器、出门按钮、双 鉴红外探测器和埋地泄漏电缆等，进行现场视频信号、门禁信号和报警信号的采 集及处理，并根据上位机的控制指令和根据预设程序的判断对摄像机、门锁进行 控制。 2 5 本章小结 本章首先对该系统进行了需求分析，总结了系统应该具备的功能。然后介绍 了我对整个系统结构设计思想以及设计原则，从系统总体结构、层次结构以及各 个层次的功能方面介绍了设计方案。 1 2 山东大学硕士学位论文 3 1 引言 第三章系统硬件设计 在整个安全防范系统中，数字视频监控系统和门禁系统处于主要地位，辅助 以报警系统的联动，来实现整个厂区安防系统的功能需求。从安装位置来分，安 防系统的硬件设备分为现场设备和监控中心设备。本章内容将对数字视频监控系 统、门禁控制系统和防盗报警系统进行详细的方案对比和设计选型，对监控中心 硬件设计进行详细介绍。 3 2 数字视频监控系统 3 2 1 系统组成 数字视频监控是通过视频编码器将前端摄像机采集到的模拟图像信号转换 成数字图像信号，再通过网络传输至监控中心d v m 视频服务器。网络内的授权 用户可以通过访问视频服务器获取实时图像和察看录像回放。同时在视频编码器 中内置了b s 结构的w e b 服务软件，远程管理员用户可以通过i e 浏览器直接访 问视频编码器i p 地址来查看摄像机实时图像，同时还可以对视频编码器的各项 设置进行修改。系统结构图如副4 j 3 1 所示： 山东大学硕士学位论文 j 出叫 监控i f t 心 如授权慧控 电视端 篡。戏in 篮_ r n e t 之鱼 入 名j 币m ；签婪芝r 一- j 墨，_ i 警。 讯一 领焉 囔矮 视频编码器l视频编码器i r 溪薅；：i “麓； 仓车j 房 幽3 1 视频峪控系统结构矧 整个视频监控系统主要由以下三部分组成： 1 、监控前端 包括模拟摄像机、云台和视频编码器等设备，实现图像的拍摄和模数转换， 得到基于m p e g 一4 压缩标准的数字图像文件。 2 、网络通信平台 由交换机、防火墙、通信线路等设备组成，实现数字图像文件通过厂区局域 网的数字传输，并可以通过i n t e r n e t 实现授权客户的远程监控。 3 、监控中心管理平台 监控控中心管理平台由监控丰机、电视墙、e b i 服务器、e b i 客户端、d v m 系统组成。d v m 系统提供了录像管理、录像回放、录像查询、用户认证和权限 管理、服务器集群管理等功能。d v m 数据库服务器用于管理视频监控系统的数 据库、配置视频监控系统、管理用户访问权限，是视频龄控系统的管理核心服务 器。 1 4 f 川叠航 山东大学硕士学位论文 3 2 2 具体设计与实现 1 、监控前端的设计 ( 1 ) 视频捕获单元设计 视频捕捉单元主要由摄像机、云台和视频编码器组成。摄像机通过其c c d 图像采集芯片，将拍摄到的现场图像转换成模拟视频信号，通过同轴电缆传输到 视频编码器进行模数转换，按照m p e g - - 4 编码压缩标准转换成数字视频信号， 然后通过网络传输到远端视频监视终端。 根据现场的实际情况和系统功能的要求，对不同的监控场所选择了不同类型 的摄像机，并根据不同监控场所的安全防范级别，设计了摄像机的监控点位和数 量，具体设计如表3 1 所示： 表3 1 视频监控系统监控点位与数量 监控室外彩色彩色半球枪式彩色室内彩色电梯专用 位置 快球摄像机 摄像机摄像机快球摄像机摄像机 联合工房752 1 6 动力中心25 2 厂区周界1 7 厂区内部2 6 参观走廊 3 11 门禁系统 2 3 废品库 1 机房 4 合计5 31 07 7 56 总计：1 5 1 台 ( 2 ) 视频编码器的选择 根据视频监控数字化和网络化的系统要求，需要将现场的模拟视频信号转换 成数字视频信号，然后通过厂区以太网进行传输，同时远端工作站对前端摄像机 发出控制信号，对云台和镜头进行控制。根据这一要求，选择使用a x i s 品牌的 山东大学硕士学位论文 视频编码器2 4 1 s 完成以上的功能。 2 4 1 s 是基于嵌入式处理器的网络视频编码器，可接入1 路视频图像，可实 现对视频信号m p e g 一4 格式的压缩，支持流媒体协议( r t p r t c p 、r t s p ) 、支 持i e 浏览。同时具有r s 4 8 5 接口，实现对前端摄像机的控制。 a x i s 2 4 1s 的硬件结构如图3 2 所示【5 】 6 】： 【p e g 一4 l 视频 i 摄像机 视频编码器 l a di d躺maldm l p c i 总线脚e g 一4 视频流 嵌入式p o w e r p c f 淼s d 黝r a m 卜 c p u i p c 8 2 5 0 p c i 总线 1 0 1 0 0 m l 监控端 以太网 i j 图3 2a x i s 。2 4 1s 的硬件结构图 2 、监控中心系统设计 ( 1 ) d v m 视频服务器 d v m 视频服务器是由5 台安装有w i n d o w s2 0 0 3s e r v e r 和d v m 视频服务 器软件的高性能服务器组成，完成整个视频监视系统的录像、管理、存储、控制 和维护。 ( 2 ) d v m 数据库服务器 系统配置1 台d v m 数据库服务器用于管理视频监控系统的数据库、配置视 频监控系统、管理用户访问权限，是视频监控系统的管理核心服务器。 ( 3 ) 显示终端 屏幕显示部分采用8 台4 2 英寸等离子监视器。通过计算机将视频服务器上 的数字图像传送到监视器上。 为了保证显示效果良好，我们配置了8 台p c 用于视频图像监视及报警视频 1 6 山东大学硕士学位论文 监视的监视终端，根据具体需求及摄像机的数量及所需联动报警录像的报警点的 数量，设置其数量，可作4 画面分割实时轮序视频图像监视，并可设置1 台作为 主监视器( 实时单画面显示) ，1 台作为报警监视器，用于显示由于报警联动而弹 出报警视频实时图像，8 台作为监控机和等离子电视墙连接。 ( 4 ) 系统存储的设计 在安防系统中，录像和数据的存储