音视频网络传输技术在安防系统中的应用

随着全球安防监控产业需求和相关技术的迅猛发展，数字图像压缩处理、流媒体技术、计算机网络通信、自动控制技术、智能报警技术、人工智能技术等已在安防领域得到广泛应用。在现代安防系统中，音视频网络传输技术是实现各种安防设备集成应用的基础。采用合适的网络传输技术，既可以降低安防工程的施工成本，也可以构建规模更大的安防网络系统。
一、 安防系统中的常用网络
　　安防监控系统中的网络传输主要用途是电源传输、信号传输，甚至二者结合传输。一般提到网络传输首先考虑的是信号传输，信号传输基础是“信道”。信道：传输信息的必经之路称为“信道”。 从信道的传输介质来分，信道可以分为有线与无线信道，而按其频率来划分，可以分为窄带、话音频带、宽带。如果从它所传输的信号类型来分，又有数字信道与模拟信道的概念。通常网络的拓扑结构有总线型、星型、环型、树型。
　　总线型拓扑结构采用一个专用信道作为传输媒体，所有站点都通过相应的硬件接口直接连到这一公共传输媒体上。总线型结构的优点是结构简单、易于扩充。总线型结构的缺点是传输距离有限、故障诊断和隔离较困难、实时性较差。
　　星型拓扑结构由中心节点和通过通信链路接到中心节点的各个端节点组成。星型结构的优点是故障诊断和隔离容易、便于管理。星型结构的缺点是中心节点负担较重，容易形成瓶颈，传输信道的安装调试工作量较大。
　　环型拓扑结构由节点和连接节点的链路组成一个闭合环。环型结构的优点是传输所需的物理媒介（电缆、光纤等）消耗较少，便于扩充。环型结构的缺点是节点故障会引起全网故障，信道利用率较低。
　　树型拓扑结构由从总线拓扑演变而来，形状类似一棵树。树型结构的优点是故障隔离较容易，便于扩充。树型结构的缺点是子节点对父节点、根节点的依赖性较大。
　　典型的安防传输网络有视频信号网、以太网、RS-232/485/422串行总线等等，下面将就一些典型的网络结构结合实际应用分析。
二、 RS-485串型总线型网络
　　几乎所有做过安防系统工程安装调试的技术人员对RS-485串型总线都不会陌生，基本上绝大多数的摄像机云台、镜头控制都是通过RS-485总线完成控制的，采用RS-485通信方式具有布线成本低、施工调试方便等显著优点。
　　RS-232、RS-422、RS-485都是串行数据接口标准，由电子工业协会（EIA）制订并发布。RS-232于1962年发布，最初命名为EIA-232-E，作为一项工业标准来保证不同厂家产品之间的兼容。RS-422由RS-232发展而来，主要为弥补RS-232之不足而提出。为改进RS-232通信距离短、速率低的缺点，RS-422定义了一种平衡通信接口，将传输速率提高到10Mb/s，传输距离延长到4000英尺（速率低于100kb/s时）,并允许在一条平衡总线上连接最多10个接收器。RS-422是一种单机发送、多机接收的单向、平衡传输规范,被命名为TIA/EIA-422-A标准。为扩展应用范围，EIA于1983年在RS-422基础上制定了RS-485标准，增加了多点、双向通信能力，允许多个发送器连接到同一条总线上，同时增加了发送器的驱动能力和冲突保护特性，扩展了总线共模范围，后命名为TIA/EIA-485-A标准。由于EIA提出的建议标准都是以“RS”作为前缀，所以习惯将上述标准以RS作前缀称谓。
　　RS-485标准只对接口的电气特性做出规定，不涉及接插件、电缆或协议，在此基础上用户可以建立自己的高层通信协议。因此对于在安防的应用，许多厂家都建立了一套高层通信协议，一般作为私有协议或公开使用。国内的安防设备厂家大多采用标准RS-485串行通信协议方式，国外厂家大多采用曼切斯特（Manchester）编/解码协议方式通信。

1、RS-485电气规定
　　RS-485一般采用两线平衡差分信号传输，两条通信线上的信号极性正好相反。通常安防工程中采用的传输介质是双绞线。采用双绞线传输可以有效减少高速率长距离传输数字信号时常见的辐射电磁干扰（radiated EMI）和接收电磁干扰（received EMI）。RS-485与RS-422一样，其最大传输距离约为1219米，最大传输速率为10Mb/s。平衡双绞线的长度与传输速率成反比，在100kb/s速率以下，才可能使用规定最长的电缆长度。只有在很短的距离下才能获得最高速率传输。一般100米长双绞线最大传输速率仅为1Mb/s。
　　辐射电磁干扰：数字信号传输时的上升沿和下降沿处集中了信号的高频分量，这些高频分量在长线传输时会产生较强的辐射电磁干扰。使用双绞线时，两条线上的辐射幅度相等，极性相反，净辐射为零。
　　接收电磁干扰：传输电缆同时相当于接收天线，会接收到空间的杂散信号（噪声），会对有用的485通信信号造成干扰。双绞线防止了平衡传输时的电磁辐射，也就减少了接收电磁干扰的可能。同时双绞线上接收的噪声几乎是一样的（这种噪声叫共模噪声）。RS-485接收器只寻找两条线上形状相同极性相反的信号。因此噪声信号不会被接收。
　　
2、RS-485总线匹配电阻
　　RS-485总线方式采用一条双绞线电缆作总线，将各个节点串接起来，从总线到每个节点的引出线长度应尽量短，以便使引出线中的反射信号对总线信号的影响最低。网络连接尽管不正确，在短距离、低速率仍可能正常工作，但随着通信距离的延长或通信速率的提高，其不良影响会越来越严重，主要原因是信号在各支路末端反射后与原信号叠加，会造成信号质量下降。
　　因此，一般在RS-485总线电缆的开始和末端都需要并接终接电阻，一般在300米以下短距离传输时可不需终接电阻终接电阻阻值一般为120Ω。这种匹配方法简单有效，但有一个缺点，匹配电阻要消耗较大功率，对于功耗限制比较严格的系统不太适合。采用RC匹配（电阻、电容匹配）、二极管匹配等方法通过节能和削弱反射信号，可解决由于功率消耗导致的信号弱现象。
3、RS-485总线接地问题
　　电子系统的接地非常重要、不容被忽视。RS-485总线接地系统不合理会影响整个网络的稳定性，尤其是在工作环境比较恶劣和传输距离较远的情况下，对于接地的要求更为严格，否则接口损坏率较高。很多实际的应用中，连接RS-485通信链路时只是简单地用一对双绞线将各个接口的“A”、“B”端连接起来。而忽略了信号地的连接，这种连接方法在许多场合是能正常工作的，但却埋下了很大的问题隐患，会带来共模干扰问题、电磁干扰（EMI）问题。
　　1）共模干扰问题： RS-485接口均采用差分方式传输信号方式，并不需要相对于某个参照点来检测信号，系统只需检测两线之间的电位差就可以了。但人们往往忽视了收发器有一定的共模电压范围，RS-485收发器共模电压范围为-7～+12V，当网络线路中共模电压超出此范围时就会影响通信的稳定可靠，甚至损坏接口。地电位差可能会有很大幅度，并可能伴有强干扰信号，致使接收器共模输入电压超出正常范围，并在传输线路上产生干扰电流，轻则影响正常通信，重则损坏通信接口电路。
　　2）电磁干扰（EMI）问题：发送驱动器输出信号中的共模部分需要一个返回通路，如没有一个低阻的返回通道（信号地），就会以辐射的形式返回源端，整个总线就会像一个巨大的天线向外辐射电磁波。
　　由于上述原因，RS-422、RS-485尽管采用差分平衡传输方式，但对整个RS-422或RS-485网络，必须有一条低阻的信号地。通过信号地将两个接口的工作地连接起来，使共模干扰电压被短路。这条信号地可以是额外的一条线（非屏蔽双绞线），或者是屏蔽双绞线的屏蔽层。
　
4、RS-485总线瞬态保护
　　信号接地措施，针对低频率的共模干扰有保护作用，对于频率很高的瞬态干扰就无能为力了。由于传输线对高频信号相当于电感，因此对于高频瞬态干扰，接地线实际等同于开路。这样的瞬态干扰虽然持续时间短暂，但可能会有成百上千伏的电压。 实际应用环境下还是存在高频瞬态干扰的可能。一般在切换大功率感性负载如变压器、继电器等或闪电过程中都会产生幅度很高的瞬态干扰，如果不加以适当防护就会损坏RS-485通信接口。对于这种瞬态干扰可以采用隔离或旁路的方法加以防护。主要有隔离保护、旁路保护等方法可以实现有效的瞬态保护。
　　1）隔离保护方法。这种方案实际上将瞬态高压转移到隔离接口中的电隔离层上，由于隔离层的高绝缘电阻，不会产生损害性的浪涌电流，起到保护接口的作用。通常采用高频变压器、光耦等元件实现接口的电气隔离。
　　2）旁路保护方法。这种方案利用瞬态抑制元件（如TVS、MOV、气体放电管等）将危害性的瞬态能量旁路到大地，优点是成本较低，缺点是保护能力有限，只能保护一定能量以内的瞬态干扰，持续时间不能很长，而且需要有一条良好的连接大地的通道，实现起来比较困难。实际应用中是将上述两种方案结合起来灵活加以运用。
5、RS-485总线安防应用总结
　　在很多实际安防工程应用中，由于总线结构不合理导致匹配阻抗问题，引起很多终端设备无法通讯，例如：在同一个RS-485总线上的部分摄像机不可控。针对典型安防工程中出现的一些情况，给出以下建议：
1） RS－485总线结构尽可能采用类菊花链型串接，如果是星型结构要采用RS485Hub来汇聚；
2） 在总线的起始端和末端要添加120Ω匹配电阻，降低信号反射干扰；
3） 要选用带RS485瞬态保护电路的安防设备，降低设备故障的概率；
4） 采用屏蔽双绞线的屏蔽层作为地线，或者额外敷设一条地线来达到系统信号地共地。
三、 快速以太网（Fast Ethernet）
　　以太网是Xerox公司发明的基带LAN标准。它采用带冲突检测的载波监听多路访问协议（CSMA／CD），最初的设计速率为10Mbps，传输介质为同轴电缆。以太网是在20世纪70年代为解决网络中零散和偶然的堵塞而开发的，而IEEE802．3标准是在最初的以太网技术基础上于1980年开发成功的。现在，以太网一词泛指所有采用CSMA／CD协议的局域网。以太网2．0版由数字设备公司、Intel公司和Xerox公司联合开发，它与IEEE802．3兼容。
　　在基于广播的以太网中，所有的工作站都可以收到发送到网上的信息帧。每个工作站都要确认该信息帧是不是发送给自己的，一旦确认是发给自己的，就将它发送到高一层的协议层。在采用CSMA／CD传输介质访问的以太网中，任何一个CSMA／CD工作站在任何一时刻都可以访问网络。发送数据前，工作站要侦听网络是否堵塞，只有检测到网络空闲时，工作站才能发送数据。在基于竞争的以太网中，只要网络空闲，任一工作站均可发送数据。当两个工作站发现网络空闲而同时发出数据时，就发生冲突。这时，两个传送操作都遭到破坏，工作站必须在一定时间后重发，何时重发由延时算法决定。
　　所有的以太网都遵循IEEE 802.3标准。以太网主要有两种传输介质，分别是双绞线和同轴电缆。以100Base-T标准为例，前面的数字表示传输速度，单位是“Mbps”，Base表示“基带”的意思，T表示采用双绞线传输。在很多安防工程应用中，采用5类线缆构成局域网，实现100Mbps快速以太网已成为典型应用。
四、 安防监控中的流媒体监控应用
　　在以视频监控为主的安防监控系统中，IP监控正成为主流趋势，通过计算机网络技术、流媒体技术，网络化监控打破了地域的限制，基于国际互联网的应用也越来越多。
1、安防流媒体监控总体要求
　　因为流媒体信号是交互的、互动的，因此对网络提出了以下的应用要求：
1）吞吐(Throughtput)的要求：是指对高传输带宽、大存储缓冲带宽的要求和对流量的控制。
2）可靠性的要求：适当的数据丢失不会过多影响视频播出的实际效果。��
3）网络延时要求：对网络延时、抖动要求较高，因为多媒体视频流对网络传输延时和抖动比较敏感。如传输的视频信号与音频信号必须同步等。��
因此，通过对网络结构的优化和调整对完成良好的流媒体监控十分必要，主要可采取以下措施：
1）如果条件允许，为安防流媒体监控建立专门的传输网络可大大提高系统稳定性、安全性。
2）网络交换设备支持组播功能，流媒体数据采用组播形式在网络内传输，可减少一定数量的转发服务器，降低网络骨干的传输压力；同时应用软件系统可更加健壮，避免TCP、UDP传输会话异常断开时回收工作带来的资源浪费。
3）网络交换设备如支持QOS（服务质量）控制将缩短云镜控制延时、流媒体传输延时，一般认为此类延时控制在1秒以内是非常必要的，否则操作者将感觉操作不便。
4）使用多级网络结构，通过划分不同的核心交换机、骨干交换机、接入交换机来实现层次化的应用。
2、网络交换机的选择
1）网络交换机要求能够支持链路汇聚（Link Aggregation）。
　　网络中所有交换机必须支持链路汇聚技术，就目前情况分析，核心交换机、骨干交换机一般是支持链路汇聚功能，通链路汇聚技术可无缝扩展骨干网络带宽。如果系统前端交换机不能支持链路汇聚技术，未来系统扩展时前端至中心的百兆链路可能成为网络传输瓶颈，加大网络延时，导致系统实时监控效果下降。
2）网络交换机要求能够支持组播（Multicast）功能。
　　组播技术能够降低骨干网络线路的通信压力，减少网络流媒体会话异常时的差错控制。组播技术有利于网络流媒体传输，如果系统交换机不能支持组播技术，未来系统网络扩展时，网络可能出现传输瓶颈，加大网络延时，导致系统实时监控效果下降。
3）网络交换机要求能够支持四层交换、QoS（服务质量控制）。
　　通过四层交换技术、QoS（服务质量控制）提升系统实时性。通过QoS配置降低云镜控制命令网络传输延时，网络交换机可配置云镜控制命令最优先转发，其次优先转发流媒体数据。如果系统前端交换机不能支持四层交换、QoS（服务质量控制），会导致云镜控制命令网络传输延时过大，系统实时监控效果下降。
　　在现代安防系统中，网络化应用将成为主流趋势，网络数字音视频服务器（DVS）、IP摄像机、网络数字硬盘录像机（NVR）等产品都是和网络应用紧密相关的，前端数字化带来的直接结果就是后端的网络应用，越来越多的系统强调网络应用。系统的网络化在某种程度上打破了布防区域和设备扩展的地域和数量界限。系统网络化将使整个网络系统硬件和软件资源实现共享，同时任务和负载也可共享。
　　通过深入了解音视频网络传输技术的一些底层细节，在安防工程设计、施工、调试时加以优化，能够达到更加稳定、实时的效果，安防系统的可靠性、扩展性也将进一步提高。应急指挥平台是一项利国利民的工程，随着我国管理模式逐步接轨，应用高科技管理的方法将不断推动我国城市现代化的步伐。

安防系统是利国利民的，随着我国管理模式逐步接轨，应用高科技管理的方法将不断推动我国城市现代化的步伐。

目前按照安防系统应急指挥平台“适度投入，信息共享、实时控制，反应迅速、处置到位”的要求，遵循“预防为主、常备不懈”的方针，以应急指挥管理平台建设为契机。整合佰锐科技Anychat SDK音视频互动开发平台体系，采用最先进的H.264视频编码标准、AAC音频编码标准与P2P技术，在音视频编码、多媒体通讯领域领先的开发技术和丰富的产品经验而设计的高质量、宽适应性、分布式、模块化的网络视频互动平台。实现互联互通，信息资源共享。应对突发事件公共事件应急处理，进行异地会商，共同分析，研究。开展应急处置十分有效的技术手段。同时也可以利用该系统召开视频会议，进行应急响应，辅以管理机制，以应急事务办最高级别人任意指挥，随事件的发生，启动快速上报及信息发布，相应人物的分配、执行和信息沟通的互联。

佰锐科技结合“市场动态”为基础，以“快速高效全面规范的技术”为核心，推动了音视频在应急指挥平台的实用性、稳定性、可靠性、科学性。佰锐科技会一直坚持“创新、专业”的理念不断进取。平台“适度投入，信息共享、实时控制，反应迅速、处置到位”的要求，遵循“预防为主、常备不懈”的方针，以应急指挥管理平台建设为契机。整合佰锐科技Anychat SDK音视频互动开发平台体系，采用最先进的H.264视频编码标准、AAC音频编码标准与P2P技术，在音视频编码、多媒体通讯领域领先的开发技术和丰富的产品经验而设计的高质量、宽适应性、分布式、模块化的网络视频互动平台。实现互联互通，信息资源共享。应对突发事件公共事件应急处理，进行异地会商，共同分析，研究。开展应急处置十分有效的技术手段。同时也可以利用该系统召开视频会议，进行应急响应，辅以管理机制，以应急事务办最高级别人任意指挥，随事件的发生，启动快速上报及信息发布，相应人物的分配、执行和信息沟通的互联。