2022年无线Mesh网络的视频监控系统的设计方案与实现.docx

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1、精选学习资料 - - - - - - - - - 基于无线 Mesh 网络的视频监控系统的设计与实现摘要无线 Mesh网 技术引发业界的重视和讨论；由于它具备组网快速、结构敏捷、传输速率大、牢靠性强、成本低等突出的 优点,同时是解决“ 最终一公里” 问题的关键技术之一,很快适应了市场对网络视频监控的 新需求,势必拓宽视频监控的应用范畴；针对我们小组对无线网络的爱好,结合现在人们对网络视频监控的需求,深化分析了无线 多个单独视频终端节点构建基于无线2 视频监控技术进展概述Mesh网络的关键技术和主要特点,提出了一种利用 Mesh 技术的视频监控系统；经济、科技的进一步进展,各种安全问题已经成为人

2、们关注的焦点；安全防范的概念已 经深化人心；例如：交通安全防范、社会治安安全防范、厂矿安全防范、教案系统监控、病 人病房监控等；由于安全的要求性提高,视频监控已经以其鲜明的特点深化到了人们的心 中；视频监控系统也称为电视监控系统,它是安全防范的组成部分,是防范才能强,先进的 综合的系统；视频监控系统是通过在某些地点安装摄像头等视频采集设备对现场进行拍照监控,然后 通过肯定的传输网络将视频采集设备采集到的视频信号传送到指定的监控中心,监控中心通 过人工监控或者将视频信号储备到储备设备上对现场进行视频监控；视频监控系统分为前端监控设备,包括有云台,护罩,摄像头,支架,镜头,解码器等 设备；后端监控

3、设备,包括有视频监控主机,数字视频矩阵,监视器等设备；前端监控设备的功能有：摄像头采集视频信号或者图像；云台掌握摄像头的转动,调整 监视范畴；镜头可以调整摄像头的焦距,从而起到调整图像的清晰度和图像的远近；解码器 是接收掌握主机的掌握信号,对云台和镜头进行掌握,以达到掌握云台的运动方向以及掌握 镜头的焦距从而保证监控中心对现场可以进行全方位的实时监控；后端监控设备的功能有：视频监控主机负责对前端监控设备发送指令,猎取前端监控设 备的反馈的一些参数,从而达到掌握前端监控设备的作用,监视器就是用来显示视频信号的 设备；由于监视器价格昂贵,假如要每一个摄像头都相应的连接一台监视器的话,相应成本 就特

4、别的高,而且监控中心的工作人员也不能完全可以兼顾到如此多的监视器,所以就使用 数字视频矩阵来对摄像头和监视器进行切换,从而使得既可以监控到全部的现场,又可以节 约成本；视频监控信号进行传输可以分为模拟传输和数字传输,现在随着科学技术不断进步,计 算机更加深化的各行各业,数字技术的日益进展,模拟传输现在已经基本剔除；1 / 31 名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页,共 31 页精选学习资料 - - - - - - - - - 数字传输又可以分为通过电话线传输,无线信道传输,卫星线路传输,现在随着 TCP/IP 网络进行传输；DDN线路传输, ISDN线路传输,光纤信道传输,TCP

5、/IP 网络的带宽越来越大,越来越多的通过随着科学技术的进展,视频监控系统也随着时间的推移发生着翻天覆地的变化,纵观真 个过程我国的视频监控进展经受了以下三个过程：2.1 模拟视频监控系统阶段 传统的模拟监控系统一般由前端设备、传输电缆、切换掌握设备以及显示设备几个部分 组成；前段一般由实时图像摄入设备摄像头）、环境传感器湿度、温度检测器）、报警按钮和门控系统,传输电缆一般是传输视频的同轴电缆,传输掌握信号的掌握信号电缆；显示设 备包括示图像的监视器、显示传感状态信息的报警器；切换设备在模拟视频监控系统中起着至关重要的作用,一般包括视频切换矩阵,音频切 换矩阵；由于模拟监控系统的监控中心不行能

6、,当然也不需要对每一个前端的摄像头均配置 相应的视频监视器,所以往往需要在同一个监视器上对如干摄像头进行轮循显示,视频切换 就版主用户完成该功能；随着人们生活水平的提高,对安全、安保要求的提高,监控要求就越来越严格,模拟监 控系统的缺点和弊病也就暴露出来,越来越难以适应技术需求的进展；特殊是在信息化、数 字化的冲击下,模拟监控系统正渐渐的退出人们的生活；2.2 基于网络的数字化视频监控系统网络数字化监控系统是新型产品,它将数字化视频图像记录与多画面图像显示功能和智 能报警功能紧紧的融合在一起,它将取代传统的模拟式多画面分割和长时间录像,具有敏捷 的便利的特点；网络数字化视频监控系统中,高档次的

7、运算机、pc 工作站或 pc 服务器都发挥着重要作用；在系统中增加摄像头图像输入路数,提高画面质量,提高画面显示速率,增加对云台、镜头的掌握,加入良好的人机交互界面；利用简洁的操作完成最大的掌握；网络数字化的硬盘储备及视频压缩功能,可以完整记录下摄像头的高清晰画面,使画面 实时回放并也能达到极高的清晰度；图像经过压缩调制解调后可以通过电话线、局域网、广 域网进行传输,在通过软件解压后实现视频重现；网络进展到了今日,可以说是无处不在,深化到了人们生活的点点滴滴,全数字化的视 频监控以网络为平台,采纳全新的设计理念,集成当今世界最先进的网络技术、运算机技术和数字处理技术等；全数字化的网络监控系统运

8、用IP 地址来标示网络中的设备,将数据在网络中采纳网络传输协议 迁移到 IP/ 联网视频监控的全部底层技术；由此我们可以看到,这四大技术因素中的百万像素摄像头、高性能编解码器以及 IP 网络技 术,都与高清网络监控亲密相关,代表了高清网络监控中采集、编解码、网络传输方面的发 展趋势；2.4.2无线移动更具有优势但是能摆脱线缆的束缚,安装周期短、保护便利、扩容才能强,使用简洁便利,高性能 仍旧是人们追求和关注的焦点；在移动监控系统中,微波、CDMA、GSM、 3G等网络主要扮演连接监控点和监控中心数据传输链路的角色；通过移动网络可以将远程的多个监控点设备连接起来,进行视频传输；相对 于传统的模拟

9、监控和网络监控来说,移动监控采纳了更新的技术和方法,不受山川、河流、桥梁道路等复杂地势限制,无需布线,建设周期快,保护便利,可较好满意敏捷机动的应用 需求；2.4.3视频智能储备、智能检索成为关注热点在当前主流的视频监控应用中,储备的视频数据不再是简洁的录像数据,而是视频监控 资源使用部门对图像进行分析的数据源；随着安防系统建设的不断推动,各地建设的监控点 已数以千计、万计,系统储存的图像信息可以说是海量的,但由于传统视频监控系统缺乏智 能因素,录像数据通常采纳分布式储备,无法被有效的分类储备,最多只能打上时间标签,因此图像检索及其耗时,并且很难获得需要的、有价值的信息；因此,视频储备系统如何

10、利 用视频智能分析技术、人工智能技术实现监控对象特点提取并进行智能储备；如何对海量图 像信息快速、有效的进行检索、回放；如何支持高级别的安全性、丰富的权限治理功能、数 据的高共享性已成为亟需解决的一个重要课题；众所周知,智能化技术能够准时、自动地从原始视频信息中提取大量有价值信息,完成 视频信息的储存和检索,也可以驱动其他数据、触发其他行为,从而大大增强系统功能,提 高系统应用的成效；为实现基于特点识别、行为分析和大事记录的智能查询和回放,第一要 实现智能储备,即只储备有价值的相关视频图像,实现重要图像信息的长期储存；并在掌握 中心建立视频数据库,储备每个录像的索引信息,如目标进入、离开、显现

11、于戒备区域,目 标奔跑、快速移动,人员集合等,为智能检索、回放供应基础数据支撑；视频智能检索就力求通过检索目标照片,便利地检索到该目标在监控区域内的全部活动的录像或基于目标的重要特点 如身着红色衣服的女子、黑色的小轿车检索指定时间、活动范畴内的录像资料,从而大大节约办案人员挖掘线索、办案取证的时间、人力、物力和财 力,提高案件的侦破率和视频监控系统的应用效能；2.4.4综合应用平台引领信息全面整合目前,视频监控系统联网、治理和应用平台产品已特别普遍,国内外很多行业用户的监 控治理综合性解决方案；平台大都采纳分级分布式架构,可在复杂的网络环境下实现对数十 万甚至上百万台摄像头进行图像显示、治理、

12、储备、转发,且具有广泛的设备兼容性；但大 部分平台产品更多的偏重于图像接入、系统联网、综合治理等方面的功能,真正贴近行业用 户的业务,可较好满意其行业性应用需求的产品较少,对系统效能的提升程度远远不够；4 / 31 名师归纳总结 - - - - - - -第 8 页,共 31 页精选学习资料 - - - - - - - - - 另外,当前视频监控系统的建设已相当普及,涉及到各行各业,比如金融网点、企事业 单位、政府机关、购物广场、零售商店、旅行景点、学校等等,我们要熟悉到图像的接入仅 仅是一个方面,更重要的是图像如何作为一个资源共享的公共信息,供其他政府治理部门共享；因此,如何整合其他社会图像

13、监控资源,建立图像监控网络,综合利用各种图像监控资 源,包括音视频监控设备、报警探测设备,在城市范畴内构建能够对设防区域进行实时图像监控和历史图像查阅以及报警联动的功能全面、反应灵敏、高效运转的城市图像信息综合应 用平台,为政府行政部门的治理和决策供应基础信息支撑显得尤为重要；各个政府治理部门 依据职能的不同,治理要求、治理对象的不同,通过城市图像信息综合应用平台,各取所 需,各尽其职,共同提高城市公共安全常态治理和重大大事保卫或突发大事应急处置才能,确保城市平安和社会和谐,这是视频监控系统建设下一步需要重点摸索的问题；高清网络监控、移动无线监控、视频智能分析等新技术和产品,在目前视频监控系统

14、中建设中已占据越来越重要的位置,只有尽快解决其进一步推广和大规模应用的瓶颈,才能不 断制造新的价值,逐步为市场所接受和认可,从而更好服务用户,也引导视频监控系统新的 进展；3 无线 Mesh网技术简介3.1 无线 Mesh 网络的起源Mesh网络技术在宽带无线接入领域,各种无线通信技术蓬勃进展的同时,一种新的无线 网络技术无线 Mesh网络也逐步进展起来,引起了人们广泛的留意；无线 Mesh网络 WMN, Wireless Mesh Network）,又称作无线网状网,无线网格网；在上世纪 90 岁月中期显现了这个名词,直到前几年才引起了人们的特殊关注；WMN的显现不是偶然的,它的显现于其他的

15、新技术有着一样的背景,它的显现是技术进展和需求的结果；传统的基于基站的无线通信如图1 为用户供应无线接入服务,但是随着无线用户的数量的增加,系统有限的资源制约着系统的通信容量；于是显现了空间资源复用概念的蜂窝移动 通信系统显现了,大大缓解了用户的信息需求与系统资源之间的冲突；图 1 基于基站的无线通信 蜂窝移动通信系统如图 2 在其应用中也有它的局限性；投资角度来看,它只适合运用在 人口稠密的地区、拥有永久性业务需求的地区；对于用户移动性较大、不适合建立永久性的5 / 31 名师归纳总结 - - - - - - -第 9 页,共 31 页精选学习资料 - - - - - - - - - 大功率

16、的基站的场合,例如将来战场中的暂时通信；然而Ad hoc 网络技术始终和蜂窝移动通信技术一样快速进展,然而 Ad hoc 网络由于其应用环境和技术成本不适合应用于现代民用通信领域；无线局域网 WLAN ,Wireless Local Area Network,Wi-Fi ）的进展技术已近相当成熟,它有效的延长了因特网的掩盖范畴,赐予了用户肯定的移动性；运营商于是通过布置热点 AP ,Access Point）将 WLAN技术推向了市场,3G家族 WCDMA cdma2000 TD-SCDMA在近几年的带了人们的重视,得到了快熟进展,网络也在各个城市的到了很好的掩盖,4G通信在市场上仍没有得到商

17、业化的推广,仅仅在试验室的到了验证；图 2 蜂窝移动通信无线 Mesh网如图 3 ）在实质上属于移动 Ad hoc 网络, WMN与 Ad hoc 的主要区分在于Ad hoc 网络对于用户终端相对于 WMN移动性较低,然而 WMN不作为一个独立的网络而存在,而是因特网核心的一个延长；它通常会存在一个或者几个网关节点Get way ）与因特网高速相连；用户通过自身的无线接入点与网关节点相连实现信息交互,假如用户自身的节点在网 关节点掩盖范畴外,用户节点就负责中继和转发；这样就实现了大范畴的掩盖,这种方式组 网实现了廉价,不需要网络昂贵的基础设施建设；图 3 无线 Mesh网通信6 / 31 名师

18、归纳总结 - - - - - - -第 10 页,共 31 页精选学习资料 - - - - - - - - - 3.2 Mesh 网络概念WMN是从移动 Ad hoc网络中分别出来的,并承袭了WLAN的技术；总之Mesh 网络是一种无线多跳网状拓扑网络,是一种特别有前途的无线接入网络技术；严格的将讲, WMN是一种新型宽带无线网络,是一种高容量、高速率的分布式网络,它与传统的无线网络有很大的差别；拓扑结构它与移动 Ad hoc 网络相像、但是网络中的大部分节点基本静止不移动,拓扑变化小；在单跳接入上,WMN可以视为一种特殊的 WLAN；WMN可以作为解决无线接入“ 最终一公里” 新方案；3.3

19、 无线 Mesh 网络其他无线网络的区分与传统的无线接入技术相比,无线 Mesh 网具有一些新的特点 : 1 无线 Mesh网技术开发的目标是在不牺牲信道容量的情形下,扩呈现有无线网络的掩盖范围；另一个目标是在不具有直接视距无线链路的用户之间,供应非视距连接；为了实现这些目标,不行防止的要采纳多跳Mesh 网络；多跳Mesh网络架构中,无线链路间更短,发射功率更小,节点间干扰更少和频率重用效率更高,这样可以在不牺牲信道容量的前提下获得更高的系统容量；2 支持 Ad hoc 方式网络互连,具有自组织,自治理,自愈才能无线 Mesh 网具有网络结构灵活,易于部署和配置,容错以及网状连接多点到多点通

20、信等特点,使得无线 Mesh 网的初始部署成本相当低,并且可以依据需要逐步扩容；自组织自愈才能使得无线 Mesh 网不需要网络治理员来手工配置网络,而可以自动发觉新节点,自动完成配置过程,自动保护网络正常运行,在显现节点链路故障时也可自动调整完成网络自愈；3多种类型的网络接入在无线 Mesh 网中,既支持无线终端接入骨干网,又支持无线终端之间的对等网络通信；此外,把无线 Mesh 网技术与其他无线网络相结合,可以通过无线Mesh 网给这些无线网络的终端用户供应无线接入业务；4移动性以及能耗限制与节点类型相关无线 Mesh 网中, Mesh 路由器一般为静止不动的设备,而 Mesh 终端可以是移

21、动或固定设备；同时,Mesh 路由器一般没有能耗的限制,而Mesh 终端就需要采纳能耗较小的网络通信协议；这样,MAC 以及路由协议需要针对 Mesh 路由器和 Mesh 终端设备分别设计和优化；与同样具有自组织,自治理以及多跳无线 Ad hoc 拓扑的 Ad hoc 网络相比,无线 Mesh 网也有自己与 Ad hoc 网络不同的特点；5具有无线基础设施骨干网无线 Mesh 网内,由 Mesh 路由器组成一个无线骨干网,特地用于给终端客户供应牢靠网络连接；这个无线骨干网在无线域内供应了大掩盖范畴,连通性以及健壮性；反观 Ad hoc 网络就是基于各个不行靠的终端用户来进行通信,不存在特地供应

22、网络连接服务的基础骨干网,这给 Ad hoc 的应用带来了很大的限制；6 集成性无线 Mesh 网可以通过 Mesh 路由器的网关 / 桥接功能,整合现有多种无线网络技术,如 802.11 ,802.16 ,3G 移动通信等；这样,通过 Mesh 路由器组成的无线骨干网,可以把多种不同无线网络连接到一起,形成一个无线互联网 ；而 Ad hoc 网络由于是用户终端自组网,而用户终端一般不具备这种网关桥接的功能；7路由和配置功能的特地化在 Ad hoc 网络中,每个终端用户设备都要为全部其他节点执行路由和配置功能；而在无线 Mesh 网中,虽然 Mesh 终端也有路由转发功能,但是主要仍是由 Me

23、sh 路由器来执行路由和配置功能,大大减轻了一般 Mesh 终端的负载；8 拓扑结构的相对稳固 Ad hoc 网络中,由于终端用户的移动性和不行靠性,网络拓扑和连接的变化较大,使得路由协议和网络配置和部署带来了很大的挑战；无线 Mesh 网中,Mesh 路由器一般是静止不动设备所以且较用户终端牢靠的多；7 / 31 名师归纳总结 - - - - - - -第 11 页,共 31 页精选学习资料 - - - - - - - - - 9功耗限制削减无线 Mesh 网络中, Mesh 路由器一般为静止不动的设备,与 Ad hoc 网中的移动终端相比,基本没有功耗限制；这样,在设计 Mesh 路由器的

24、物理层,MAC 层以及网络层路由协议时,基本可以不考虑功耗限制,这大大简化了协议设计,同时仍可以采纳性能较高的设计方案；无线 Mesh网与 Ad hoc 网络、 WLAN和无线宽带接入网 的关系如图 4 WBAN）技术 比如 WMAN和 WWAN图 4 Mesh网与 Ad hoc 网络、 WLAN和无线宽带接入网WBAN）的关系3.4 无线 Mesh 网络的特点 兼容性： Mesh 网络可以通过相应的网关与 Internet 、Wi-Fi 、局域网、公共电话 Mesh网络中的无线终端用户也可以连接到其他网络；支持非视距传输,构建无 网等网络相连,线 Mesh 网络的一个重要目标就是为那些没有直

25、接视距链路的用户供应非视距连接 WMN 采纳无 线多跳方式,用户即便不在基站接入点的掩盖范畴内,也可以通过其他节点以无线多跳方式接 入到目的网络前期投资少铺设一个新的网络,第一考虑的是掩盖范畴在无线 Mesh 网络中不需 要基站少；了前期的基站勘测,建设基站等基础设施的昂贵费用,对网络服务商来说,前期投 资很低；3 健壮性：由于 Mesh网络不需要建立大型基站及发射塔,并且具有自我修复的功能,因 此排除了因各别通讯设备,如基站及发射塔的故障而导致整个系统通讯受阻的隐患；这样在发 生任何重大的意外大事或自然灾难时,即使一部分网络设备受损时,也不会造成整个网络的瘫 痪；4 自动平稳负载：由于Mes

26、h网络中的设备都可作为其他设备的路由和转发器；意味着每个终端都能通过相邻终端或其他网络设备的路由和转发而与距离较远的其他终端或者网络接入 点进行通信；因此,在某些用户密集的地区当接入点负载过重的时候,网络系统会利用路由和 转发的功能自动地将一部分用户的通信链接转移到其他的接入点上,从而平稳了整个网络的负 载；3.5 无线 Mesh 网络的体系结构无线 Mesh网络的结构与传统意义上的移动Ad Hoc 网络结构有肯定的差异；一般上无线Mesh网络由客户端节点、Mesh 路由器节点和网关节点组成；但是依据详细要求和配置的不同,无线 Mesh网络也不肯定包含以上全部节点；8 / 31 名师归纳总结

27、- - - - - - -第 12 页,共 31 页精选学习资料 - - - - - - - - - 通常 Mesh客户端节点可以是笔记本电脑、PAD、wi-fi手机、无线传感器、无线掌握器等； Mesh路由器可以是一般 Pc 机,也可以是专用的嵌入式操作系统 如 ARM）等；一般为了提高无线 Mesh网的敏捷性,通常 Mesh路由器拥有多个无线接口,各个接口可以是相同的,也可以是不同的；与传统的路由器相比较,Mesh 路由器在很多方面都做了增强,增加了多跳环境下的路由功能,对 MAC协议、功率掌握等也有所改进；Mesh客户端也可也分为两类,一类一般的用户节点,这类节点不具有信息转发功能,只作

28、 为一般终端接入网络；另一类是既具有一般终端的接入功能,又具有路由和信息转发功能,但 是通常不具有网关和网桥节点的功能；如按节点的不同层次,网络可以分为平面结构、多级结构和混合结构,一下分别介绍；3.5.1 平面结构如图 5 所示为无线 Mesh网络最简洁,最基础的一种结构平面结构；图中所示节点均为对等结构,具有完全一样的特性,每个节点具有相同的MAC、路由、治理和安全协议,既具有客户端节点的功能,也具有能够转发业务的路由器节点功能；这种结构用于节点数目较少 且不需要接入到核心网络的场所应用；图 5 无线 Mesh 网的平面结构该网络结构也称为终端设备网络结构；网络中的节点是具有Mesh路由功

29、能的增强终端构成；终端用户自身配置有 RF装置,通过无线信道的；连接形成以点对点的网络；是一种任意网络拓扑结构,节点可以任意移动,拓扑结构可以任意变换；但是在这种环境中由于通信节点的无线掩盖范畴有限,两个无法直接通信的用户终端可以借助其他终端的分组转发功能进行数据通信；它可以不利用现有网络基础设施的情形下供应一种通信支撑环境；3.5.2多级模式如图 6 所示无线 Mesh网络的典型多级结构,分为上层和下层两个部分；在这种结构中,终端节点可以是一般的无线笔记本电脑、一般的 VoIP 手机和无线 PDA等；这些终端节点设备通过 Mesh路由器接入到上层Mesh 结构网络中,实现网络节点的互连互通；

30、9 / 31 名师归纳总结 - - - - - - -第 13 页,共 31 页精选学习资料 - - - - - - - - - 图 6 无线 Mesh网的多级结构该模式在接入点Mesh路由器）与终端用户之间形成无线回路；移动终端通过Mesh路由器的路由挑选和中继功能与网关形成无线链路,网关节点通过路由挑选及治理掌握的功能为 移动终端挑选与目的节点通信的正确路径,从而形成无线回路；同时移动终端可以通过网关 节点与其他网络相连,从而实现无线宽带接入；这样的结构降低了系统建设成本,提高了网络掩盖率和牢靠性；3.5.3混合模式如图 7 所示的混合结构为以上两种结构的混合；终端节点已经不是仅仅支持 V

31、LAN的一般 设备,而是增加了具有转发和路由功能的 Mesh设备,设备之间可以以 Ad Hoc 方式互联,直接通信；要求具有同时能够支持接入上层网络Mesh 路由器和本层网络对等节点的功能；图 7 无线 Mesh网的混合模式3.6 无线 Mesh 网络的关键技术无线 Mesh网作为一种新的无线接入网络技术,需要考察影响其性能的关键技术；这些技术因素如下 : MAC 层多址拜访机制无线Mesh网是分布式无线多跳网状网；现有的无线网络MAC机制大多都是针对单跳无线网络设计的,这种面对单跳无线网络设计的MAC机制并不适于分布式无线多跳网状网络,如 802；11WLAN的 MAC机制在无线链路跳数达到

32、四跳时,性能下降非常大；同时,在无线 Mesh网这种分布式无线多跳网状网中,由于实现时间同步和码治理困难,采纳 TDMA和 CDMA多址接入也比较复杂；此外,在无线Mesh网络中,仍要求能够有效的进行空间频率重用,以提高网络容量；这样, MAC层机制设计将成为影响无线Mesh网性能和胜利与否的关键技术因素之一；3）Mesh拓扑连接的保护无线Mesh 网的很多技术特点和优势来自于其Mesh网状连接,Mesh 连接的保护也就成为无线 在无线 Mesh；4）Mesh路由协议无线Mesh网的 MAC和路由协议设计中的一个关键；一般来说,需要Mesh网络中, Mesh路由协议的设计是一个关键；第一,在无线多跳 Mesh网络中,路由协议不能仅仅依据“ 最小跳数” 来进行路由挑选,而要综合考虑多种性能度量指标来进行路由挑选；其次,Mesh路由协议要供应网络容错性和健壮性支