机车视频监控系统的设计与实现

　　1. 引言

　　随着我国铁路事业的不断发展，机车行驶的速度越来越快，确保机车行驶的平稳安全已经成为铁路运输部门工作的重中之重，帮助司机和地面管理部门实时监控机车运行状况已经成为当务之急。特别是在机车驾驶由正、副司机操作改革为单司机值乘后，一个司机在操作机车的同时还必须监控动力间、辅助间、电器间等设备间的运行情。在这样的背景下，研制一套机车视频监控系统来帮助司机在驾驶室内对整个机车实施监控，辅助地面管理部门远程实时掌握机车运行状况，就显得十分重要了［2］。本文从网络选择和系统结构方面论述了机车视频监控系统的基本开发方案。

　　2. 无线网络的选择

　　要使地面管理部门能够实时监控机车运行状况，该系统就必须选用无线网络来传输数据。目前，在我国，能够用于大数据量视频信号传输的无线网络主要有三种，分别是中国GPRS、中国联通的CDMA2000 1X 以及中国网通和中国电信的WLAN.这三种无线网络各具优势。

　　下面从速度、稳定性和覆盖面、资费等方面比较这三种无线网络的优劣，从而选择一种适合机车视频监控系统的无线网络。

　　（1）速度

　　GPRS 网络理论传输速率可达171.2kbps，运营商声称的传输速率可达115kbps，实际传输速率大约40kbps;CDMA2000 1X 网络理论传输速率可达153.6kbps，实际传输速率大约70kbps;WLAN 网络理论传输速率可达11Mbps，实际传输速率可达8Mbps，但是要受到接入人数的影响，接入人数越多，每个用户分到的带宽越小，传送速率也就越慢。

　　从网络的速度来说，CDMA2000 1X 网络要比GPRS 网络快很多，WLAN 网络更快，但是要受到接入人数的影响［3］。

　　（2）稳定性和覆盖面

　　GPRS 网络只要有网络信号的地方就可以使用，目前GPRS 的网络覆盖已经非常完善，信号也十分稳定。CDMA2000 1X 网络和GPRS 网络一样，只要有网络信号的地方就可以使用，CDMA2000 1X 的网络覆盖和信号的稳定性虽然不如GPRS 网络，但也尚可。WLAN 网路的覆盖面还十分有限，只能在具备无线AP 的附近使用，在使用上有一定局限性。

　　从网络的稳定性来说，GPRS 和CDMA 网络的覆盖面和稳定性都还不错，WLAN 网络的覆盖面不足，使用受到限制。

　　（3）资费

　　目前，这三种网络的各地运营商都推出了很多套餐，有包年、包月、包流量。综合比较这三种网络的各种资费标准，CDMA2000 1X 网络的资费最具优势。

　　通过对以上三方面的比较，明确了三种网络的优劣。结合机车视频监控系统对无线网络的需要，最终决定选用中国联通的CDMA2000 1X 网络。

　　我国正准备大力发展TD-SCDMA 的3G 网络，而CDMA2000 1X 属于向3G 网络的过渡阶段。选用CDMA2000 1X 网络开发机车视频监控系统，在我国实施3G 网络标准以后，方便开发人员对产品进行系统升级，使机车视频监控系统能够享受到更加优质的网络服务。

　　3. 系统结构

　　整个系统分三部分，分别为车载端、视频服务器端和远程监控端。这三部分依靠CDMA2000 1X 网络和Internet 连接。系统结构图如图1 所示。

　　图 1 系统结构图

　　3.1 车载端

　　车载端是机车视频监控系统的一个重要部分，它将直接与机车司机接触。为方便开发，缩短开发周期，拟采用硬盘录像机和无线视频传输模块为核心来组成车载端系统。

　　硬盘录像机选用了深圳景阳公司的ADR 系列嵌入式数字硬盘录像机，它采用工业级专用数字信号处理器和嵌入式操作系统（Vxworks），可靠、稳定。它支持16 路视频输入，司机在驾驶室可通过RS485 接口接盘选择1 路或者多路观看。同时，它还支持多路报警量输入，可在机车关键部位安装温度、烟雾传感器，并接入硬盘录像机对应接口，在机车出现温度、烟雾异常情况时，硬盘录像机可发出警报，提醒司机注意。

　　无线视频传输模块选用了北京百目公司的极目 728M - CDMA 无线视频传输器，可通过厂家提供的SDK 进行二次开发，十分方便。该模块的功能结构图如图2 所示。

　　图2 极目728M 结构图

　　极目 728M 采用了基于H.264 的活动视频压缩算法，具有压缩效率高，系统功耗小的特点。由于在色度压缩上的特殊处理，在实现高压缩效率的同时也保证了很好的清晰度和色彩还原质量，最高分辨率可达704x576.该模块内置CDMA 通讯控制协议及TCP/IP 协议，支持动态或固定IP 地址方式，支持域名解析，多种触发启动模式，具有2 路双向辅助串行口，可连接串行用户设备，支持双向测控数据复用。传输速率为：彩色320x240/CDMA2000 1X -平均5 帧/秒，最高15 帧/秒；彩色640x480/CDMA2000 1X - 平均0.5 帧/秒，最高2 帧/秒。

　　将摄像头输出的 NTSC 或PAL 制视频信号接入该模块，经解码器解码后送入DSP 芯片。

　　DSP 采取基于H.264 的视频压缩算法，采用多模式多尺寸运动估算和4x4 整数无损变换等多种最新视频压缩技术，具有编码效率高、图像质量好等优点。DSP 将经压缩的视频数据送入CDMA 模块，通过无线网络将视频数据送到视频服务器，从而实现了视频信号的无线传输。

　　此外，机车上的运行记录单元是保证机车安全运行的重要装置，它记录着机车运行时的各项数据。在车载端可通过一个小的单片机系统，从机车TAX 箱中将这些运行数据实时读出，并送入极目728M 模块的RS232 接口中，将这些数据无线传输到服务器，使得地面监控人员也能够实时了解机车运行的数据。

　　3.2 视频服务器

　　视频服务器是整个机车视频监控系统的关键部分，它是车载端和地面远程监控端联系的枢纽。车载端将数据通过无线网络发送到服务器上，远程监控端通过视频服务器来实时浏览这些重要数据。因为需要处理大量的视频数据，所以视频服务器需要一个性能良好，能够稳定运行的硬件平台。另外，需要申请一个独立固定的IP 地址，使得各个地面远程监控端能够访问视频服务器。视频服务器端软件在百目公司提供的与极目728M 配套的SDK 上开发，简洁方便。服务器软件工作流程如下：

　　（1）服务器启动，向车载端发送包含本地地址信息的短消息，此时车载端处于离线状态；（2）车载端接收到短消息后，自动上线然后与服务器进行连接，此时车载端处于休眠状态；（3）服务器向车载端发送激活命令，当车载端激活后服务器便可以控制传输器传输视频图象，并可以进行其他的远程操作，此时车载端处于激活状态；（4）服务器操作完毕，断开与传输器的连接，然后关闭服务器，此时站点处于离线状态。

　　3.3 远程监控端

　　远程监控端是是地面管理人员实时监控机车运行状况和司机驾驶情况的平台，只需在能够上网的普通PC 机上安装一套客户端软件即可。视频服务器首先给各个地面监控端分配好用户名和密码，远程监控端通过客户端软件，使用用户名，密码登录视频服务器，不同级别的用户，可以取得不同的权限，浏览或控制各个车载端。远程监控端客户软件工作流程如下：

　　（1）设置网络参数，包括服务器地址/端口，本地地址/端口，用户名/密码；（2）连接视频服务器，判断连接成功或者失败，产生相应事件；（3）连接上视频服务器后，出现车载端列表，选择需要浏览的车载端名称，并启动视频浏览；（4）在启动视频浏览后，可以设置视频参数，以及选择车载端不同的画面浏览；（5）结束视频浏览后，可从视频服务器等出并断开连接。

　　4. 结论

　　开发一套机车视频监控系统是十分必要的，它可以帮助司机更好的驾驶机车，减轻司机的工作压力，降低司机的工作强度，提高机车行驶的安全性。此外，该系统还可以帮助地面管理部门实施远程实时监控，便于管理。

　　该开发方案是建立在 DVR 和视频传输模块之上的，开发周期较短，过程简单可行。