无线视频监控系统在水环境监测中的应用 - 安防知识网

当前，解决我国的水资源污染是一个迫在眉睫的问题。为了保障可持续发展，给后代留下碧水蓝天，我们这一代人有责任为环保事业作出自己的贡献。本文试图探讨利用现代无线通信技术实现对水环境的生化指标和现场图像远距离实时监控的方法，并提出一种基于IEEE-802.11无线局域网技术的无线视频监控系统在水环境监测中的应用方案。由于水体生化数据采集和分析不是本文探讨的重点，文中只是笼统地将其归纳为经无线传输的数据报文。

前言
水是生命之源，水是地球上一切生物赖以生长和繁衍的保障。如果没有水，地球就不会象今天这样生机盎然，充满活力。

然而，地球的水资源正面临前所未有的危机。自工业革命以来，人类的生产和生活方式发生了巨变，原本天地人和谐共处的平衡被打破，人类在大自然面前不再谦卑，而是以近乎掠夺的方式开始向大自然索取。森林遭砍伐，山体被破坏，草原被蚕食，人口在疯长，同时，工业废水和城市生活污水不经处理地倾倒入江河湖海，滥施化肥导致水体严重富营养化，原本就稀缺的淡水资源无法涵养生息。毫不夸张地说，如不及早解决水的问题，人类将面临可怕的生态灾难。

我国政府已经意识到环境保护与可持续发展的重要性，在《“十一五”环境保护和生态建设思路》中明确制订了环境保护生态建设的基本目标，即，主要工业污染物排放总量基本维持在“十五”末期水平，“增产少增污”；生活污染物排放总量有所减少，47个环境保护重点城市和“三河三湖”（淮河、海河、辽河、太湖、巢湖、滇池）地区环境质量得到改善。80%以上的重点城市集中式饮用水源地水质基本达标，70%的重点城市空气质量达到环境标准，全国地表水国控断面好于Ⅴ类水质的达到75%；生活污染治理设施的建成率和运转率显著提高，其中城市污水集中处理率应达到40%，垃圾无害化处理率应达到60%。“三河三湖”地区农业面源污染加重的趋势有所减缓，农村地区的饮用水源得到有效保护。

为了保证上述目标的达成，除了有效的法律和行政干预，还必须有可靠的技术手段作为保障。实时对重点水域和排污点的数据采集和监控能够为法律和行政处罚提供有效证据，并实现对水质的动态监测。

水环境监控的技术要求
水环境的监控包括两个方面的内容：1）水体生化数据的采集、分析和传输；2）水域及排污口的实时可视图像。生化数据可通过专业传感器进行收集，而视频图像可通过摄像机与视频服务器获取，两者都有成熟的产品。真正困难的是，如何把采集到的样本数据或分析结果以及现场图像实时地传输到环境监测中心。众所周知，沿江河以及环湖泊地区大多不是电信基础设施的有效覆盖区，因此，难以获得可靠的传输干线，如果专为某些特殊业务而敷设专线，无疑将耗费大量的人力和物力，其建设费用和后期维护费用无论对电信企业还是环保部门，都将是巨大的财务负担。但若无法实时地获取现场资料，仅靠人力定时赴现场采集数据进行事后分析，往往错过取证的最佳时机，而没有充分的证据就意味着行政和法律干预难以凑效。所以，解决现场监测数据和图像的实时传输问题是水环境监控面临的一个重要技术问题。

近年来，无线传输技术的发展为水环境实时监控提供了可能。

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目前主流的无线传输方式包括：1）移动运营商提供的CDMA和EDGE传输方式；2）IEEE-802.11无线局域网传输方式；3）COFDM调制的传输方式。这三种方式各有自己的优缺点，很难仅用一种方式，完全应对所有的水环境监控应用。表1列出了三种无线传输方式的一些基本特点，可供参考和比较。

根据表1的对比，我们可以作出以下的基本分析。

CDMA 1X和EDGE传输方式因为移动运营商的基站分布广泛，接入系统最为方便，客户不需要建设自己的中继设备，就可远距离获取现场的视频图像和监测数据。但是，其理论带宽原本就低，而实际可用带宽一般都无法达到100kbps，因此，除保障正常数据传输外，实时视频则完全受限于带宽，无法获得高质量和连续的图像。况且，CDMA 1X和EDGE是运营商按流量收费的业务，从成本上核算，客户根本不可能实现24小时实时监控，只能以定点、定时方式对现场状况进行点播式的采集，往往会错过非法排污的取证时机。

COFDM传输方式因其良好的绕射能力，只需少量的中继站，就可实现大区覆盖，使得现场设备远距离接入监测中心非常方便。又因其足够高的带宽，完全能够保证既提供数据传输，又提供高质量的现场实时监控图像。但是，它使用的频点和信道要向无线电管理机构申请，不仅需要申请费，而且每年还必须为每个频点缴纳频占费，对监测点较多的应用，将是一笔不菲的财务支出。况且，COFDM设备较贵，虽是一次性支出，对客户而言，必须有充足的预算才行。

IEEE-802.11 a/g无线局域网WLAN接入方式，是一种最经济的接入方式。它的理论带宽高达54Mbps，实际带宽根据传输距离最少也可达8Mbps，完全满足数据传输和高质量视频传输的需要。且其使用的信道又是免申请的公共信道，没有后续的使用费，设备的采购价格也适中，建设费用不高，因此，对客户的财务成本不会造成过大负担。但是，它的缺点也是显而易见的。由于它不支持NLOS传输，信号绕射能力差，虽然直线传输距离很远，但在有遮挡的情况下，只能通过逐级中继和桥接，才能把现场监控数据和图像传达监测中心，其次，它对移动通信的支持能力弱，只能保证监测车辆的流动接入而不是移动接入。当然，也有简单的解决办法，就是将现场监控数据和图像通过无线网桥传达最近的水文站或某个固网可达的建筑，然后，经有线宽带网接入监测中心。

无论采用何种无线方案，都必须有能力同时处理监测数据和视频图像的实时传输，因此必须有丰富的接口与现场各种采集设备适配。由于视频服务器本身就是网络设备，它的输出是基于IP的网络视频流，所以，它与无线传输设备通过以太网口相连。另一方面，出于传统，水体生化数据采集和分析设备，往往通过RS-232串行口提供数据，因此，对接的无线传输设备必须同样具有串行通信接口，以便实现数据透传。此外，现场告警处理（例如，排放超标告警等）作为监控系统的一个重要功能，不能被忽视。基本而言，告警事件属于开关量，一般由传感器的继电器触发告警，所以，前端监控设备还必须包括告警处理模块以及与告警信号输入输出接口。

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现场视频监控是水环境监测中的一个重要手段，由于它能提供高质量的现场图像，既能实时观察现场的显性变化，如，湖泊中的蓝藻爆发成因和发展过程，又能在特定事件的行政和司法干预过程中作为呈堂证供，所以，图像质量是关键。目前的主流视频编码方式为MPEG-4和H.264，图像分辨率为Full-D1（720×576像素），备选分辨率为VGA（640×480像素）和CIF（352×288像素）。H.264标准因其更适合网络传输，尤其是相关DSP芯片组价格越来越低，已经变得越来越普及。就保证高品质图像传输而言，CDMA和EDGE因其带宽受限，都不是最佳选择。

基于无线局域网WLAN的水环境视频监控方案
考虑到无线局域网WLAN的效费比最高，所以，在水环境监测系统中使用基于WLAN的无线链路完成现场数据采集和图像传输，是一个不错的选择。尤其是，无线局域网与监测中心的内部以太网是完全无缝对接，可以保证前端数据和图像直达中心监控平台。

根据水环境监测需求，基于WLAN的无线视频监控系统必须具备以下能力： 1.串行数据的透传能力
2.告警信号的输入输出和处理能力
3.MPEG-4/H.264图像编码能力
4.D1（720×576像素）图像的处理能力
5.单链路的多路信号复用能力
6.6Mbps以上的传输带宽
7.PTE或POE线上远程供电

基于WLAN的无线视频监控系统前端为带桥接功能的无线视频服务器，即，视频服务器与WLAN无线传输模块实现了一体化整合，它的以太网口用于挂接网络化的水体生化数据采集设备或其他复用信道的视频服务器，RS-232或RS-485串行接口用于传统型数据采集设备的数据透传。

监测中心的数据监测和记录平台与视频监控平台一般是两套独立的平台系统，虽然可以共享无线链路，但后台处理是完全分离的。总体而言，在水环境监控系统中，水体数据的采集、监测、分析和记录是主要业务，视频监控是辅助业务。但由于无线视频监控系统的引入，为数据实时监测提供了传输通道，所以，在传输层面上，两者是混合的。无线视频监控系统在整个系统中，既是图像业务的主体，又是数据业务的载体，因此，必须合理布局和构建无线视频监控网络，以确保整套系统的广覆盖、易接入、易维护和易管理。

无线局域网WLAN的射频绕射能力差，不支持NLOS传输，因此，监控前端只能通过逐级中继接入监测中心，这种模式将增加系统的复杂性和建设成本，而且，系统将变得很难管理和维护。此外，由于中继过多导致信道规划繁复，实际上将减少系统可用频率，降低系统效率。这些问题对一个小型监测网络没有太大影响，但对于大型系统则非常严重。为了克服WLAN模式的这些缺点，必须合理利用固网的干线传输特点，才能最大发挥两者优势。图1所示为通过固网节点将无线监控前端接入环境监控网络的方案。图中，原理性地用单级中继方式表达了无线接入过程，在实际应用中，这一中继模式有可能是多级结构，取决于距离和传输受阻程度。