摘 要：針對目前視頻監(jiān)控系統(tǒng)不斷升級改造存在的布線工作量大、布線成本高、無法存儲及計算海量視頻文件的問題，該文提出基于電力載波技術(shù)和云計算框架的視頻監(jiān)控系統(tǒng)。視頻數(shù)據(jù)經(jīng)過調(diào)制解調(diào)、振蕩、放大、耦合等過程，利用電力線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)礁鞣挚攸c，通過互聯(lián)網(wǎng)傳送到云端，利用云端強大的存儲、計算能對視頻數(shù)據(jù)進行各種處理。設(shè)計中硬件部分的ARM11微處理器主要負責視頻數(shù)據(jù)的采集、編碼并封包傳送到PLC調(diào)制解調(diào)模塊，完成數(shù)據(jù)收發(fā)控制和系統(tǒng)任務調(diào)度。軟件部分主要包括開發(fā)系統(tǒng)搭建、USB攝像頭驅(qū)動、視頻數(shù)據(jù)采集、LCD實時顯示、網(wǎng)絡(luò)傳輸和雙核數(shù)據(jù)處理等。該文的設(shè)計充分結(jié)合電力載波和云計算的特點，在視頻監(jiān)控領(lǐng)域中具有較高的應用價值。

關(guān)鍵詞：電力載波;云計算;視頻監(jiān)控；數(shù)據(jù)收發(fā)控制；系統(tǒng)任務調(diào)度

中圖分類號：TP277 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2024）31-0126-04

Abstract： Aiming at the problems of heavy wiring workload， high wiring cost， and inability to store and calculate massive video files due to the continuous upgrading and transformation of video surveillance systems， this paper proposes a video surveillance system based on power carrier technology and cloud computing framework. Video data goes through processes such as modulation， demodulation， oscillation， amplification， and coupling， and is transmitted to each branch control point using the power line network and transmitted to the cloud through the Internet. The powerful storage and computing capabilities of the cloud are used to perform various processing of video data. The ARM11 microprocessor in the hardware part of the design is mainly responsible for collecting， encoding and transmitting video data in packets to the PLC modulation and demodulation module to complete data transceiver control and system task scheduling. The software part mainly includes development system construction， USB camera driving， video data collection， LCD roeQY8TSBTq3ihlI2PQm/2w==eal-time display， network transmission， dual-core data processing， etc. The design in this paper fully combines the characteristics of power carrier and cloud computing， and has high application value in the field of video surveillance.

Keywords： power carrier; cloud computing; video surveillance; data transceiver control; system task scheduling

隨著社會的發(fā)展，人們的安全防范意識不斷加強，視頻監(jiān)控系統(tǒng)已廣泛應用于各行各業(yè)，在小區(qū)、校園、煤礦生產(chǎn)、賓館和交通等領(lǐng)域發(fā)揮了重要作用。視頻數(shù)據(jù)的傳輸可以采取2種方式：無線和有線，無線傳輸由于在傳輸路徑上有墻體等各種障礙物的阻隔，數(shù)據(jù)傳輸不可靠；目前市面上的視頻監(jiān)控系統(tǒng)主要以以太網(wǎng)作為傳輸媒介，需要單獨的傳輸線路，而且后期的擴容、改造需要重新布線，成本高、工程量大。采用電力載波技術(shù)，利用電力線作為視頻信號傳輸線路，可以大大減少網(wǎng)絡(luò)的投資，降低成本，在小范圍內(nèi)具有較大優(yōu)勢。

隨著視頻監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)的不斷發(fā)展，視頻監(jiān)控正朝著數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、高清化、高速化和智能化方向高速前進[1]，在此前提下，大量的運算需要處理，海量的監(jiān)控錄像需要記錄和存儲，傳統(tǒng)的VCR模擬存儲和DVR數(shù)字數(shù)據(jù)存儲由于其不可靠性、擴展能力弱及共享性差等特點已不能適應監(jiān)控技術(shù)的發(fā)展，在此情形下云存儲應運而生[2]?；谠朴嬎愕谋O(jiān)控儲備具有虛擬化、高計算、高可靠、高擴展及低成本的特點，已成為當下時代最為合適的監(jiān)控儲備[1]。

本文提出了一種基于電力載波技術(shù)和云計算的視頻監(jiān)控系統(tǒng)，系統(tǒng)前端為視頻采集端，采集上來的視頻信號通過電力線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)奖O(jiān)控節(jié)點，然后利用互聯(lián)網(wǎng)傳輸?shù)皆贫斯┍O(jiān)控中心使用。

1 研究現(xiàn)狀

基于電力載波和云計算的視頻監(jiān)控系統(tǒng)是現(xiàn)代智能監(jiān)控領(lǐng)域的一個重要方向，結(jié)合了電力線通信（PLC， Power Line Communication）技術(shù)和先進的云計算能力，旨在提升監(jiān)控系統(tǒng)的靈活性、覆蓋范圍以及數(shù)據(jù)分析能力。

首先，電力載波技術(shù)作為一種新型的通信方式，在視頻監(jiān)控系統(tǒng)中具有獨特的優(yōu)勢。通過電力線傳輸視頻數(shù)據(jù)，可以實現(xiàn)無需額外布線、低成本、易部署等特點，特別適用于一些布線困難或成本敏感的場景。然而，電力載波技術(shù)也面臨著一些挑戰(zhàn)，如信號衰減、干擾等問題，需要通過技術(shù)創(chuàng)新和算法優(yōu)化來解決。

其次，云計算技術(shù)的引入為視頻監(jiān)控系統(tǒng)提供了強大的數(shù)據(jù)處理和存儲能力。通過云計算平臺，可以實現(xiàn)視頻數(shù)據(jù)的集中存儲、分析和處理，提高系統(tǒng)的可靠性和擴展性。同時，云計算還可以提供彈性的資源調(diào)度和按需服務，滿足視頻監(jiān)控系統(tǒng)的不同需求。

在基于電力載波和云計算的視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計方面，研究者們正在積極探索如何將這2種技術(shù)有效結(jié)合，實現(xiàn)更高效、更智能的視頻監(jiān)控。他們致力于解決電力載波通信的穩(wěn)定性問題，提高視頻數(shù)據(jù)的傳輸質(zhì)量；同時，也在研究如何利用云計算平臺進行視頻數(shù)據(jù)的處理和分析，提取有用信息，為監(jiān)控和管理提供決策支持。

此外，隨著人工智能、大數(shù)據(jù)等技術(shù)的發(fā)展，基于電力載波和云計算的視頻監(jiān)控系統(tǒng)也在不斷向智能化、自動化方向發(fā)展。通過引入智能分析和識別算法，系統(tǒng)可以自動檢測異常事件、識別目標對象，提高監(jiān)控的準確性和效率。

2 關(guān)鍵技術(shù)概述

2.1 電力線載波

電力線載波技術(shù)是一種特殊的通信方式，它利用電力線作為信息傳輸媒介進行語音或數(shù)據(jù)傳輸。在電力載波領(lǐng)域，電力線一般分為高中低三類：高壓電力線指35 kV及以上電壓等級，中壓電力線指10 kV電壓等級，低壓配電線指380/220 V用戶線。

電力線載波通信的原理是將高頻載f2b0c09d0ab79f9ca67be2e3fb66298043c32aaf86c12fdddd219ad872a0da04波信號通過耦合器注入到電力線上，然后通過電力線傳輸?shù)侥繕宋恢?，最后通過相應的接收設(shè)備進行解調(diào)和處理。這種通信方式最大的特點是不需要重新架設(shè)網(wǎng)絡(luò)，只要有電線就能進行數(shù)據(jù)傳輸。

電力線載波技術(shù)在電力系統(tǒng)通信中得到廣泛應用，經(jīng)歷了從分立到集成，從功能單一到微機自動控制，從模擬到數(shù)字的發(fā)展歷程。它利用高壓輸電線路作為高頻信號傳輸通道，具有一定的經(jīng)濟性和可靠性。然而，電力線載波通信也存在一些缺點，例如配電變壓器對電力載波信號有阻隔作用，電力載波信號只能在一個配電變壓器管轄范圍內(nèi)傳播；同時，三相電力線間有很大信號損失（10～30 dB），一般電力載波信號只能在單相電力線上傳輸；電力線對載波信號造成高削減，當電力線上負荷很重時，線路阻抗可達1 Ω以下，造成對載波信號的高削減。

盡管如此，隨著數(shù)字電力線載波和電力線載波自身技術(shù)的新突破，以及一些新通信技術(shù)在其上的應用，電力線載波技術(shù)依然呈現(xiàn)出誘人的前景。近年來，電力載波技術(shù)在穩(wěn)定性、數(shù)據(jù)傳輸速率及抗干擾能力方面有了顯著提升，使得其在視頻監(jiān)控領(lǐng)域的應用更加可行。

電力線載波傳輸原理框圖如圖1所示[3]。

圖1 電力線載波傳輸原理框圖

2.2 云計算

云計算是一種基于網(wǎng)絡(luò)的新型計算方式，它通過網(wǎng)絡(luò)“云”將巨大的數(shù)據(jù)計算處理程序分解成無數(shù)個小程序，并通過多部服務器組成的系統(tǒng)進行處理和分析，最終將結(jié)果返回給用戶。云計算技術(shù)不僅僅是簡單的分布式計算，而是分布式計算、效用計算、負載均衡、并行計算、網(wǎng)絡(luò)存儲、熱備份冗雜和虛擬化等計算機技術(shù)混合演進并躍升的結(jié)果。通常涉及通過互聯(lián)網(wǎng)來提供動態(tài)易擴展且經(jīng)常是虛擬化的資源，是一種基于因特網(wǎng)的超級計算模式，在遠程的數(shù)據(jù)中心里，成千上萬臺電腦和服務器連接成一片電腦云。

云計算技術(shù)具有以下幾個顯著特點。

大規(guī)模：云計算系統(tǒng)通常具有相當大的規(guī)模，企業(yè)私有云一般擁有數(shù)百上千臺服務器，能夠為用戶提供前所未有的計算能力。

虛擬化：云計算支持用戶在任意位置、使用各種終端獲取應用服務，這種虛擬化特性使得用戶可以隨時隨地訪問數(shù)據(jù)和應用程序。

高可靠性：云計算系統(tǒng)使用了數(shù)據(jù)多副本容錯、計算節(jié)點同構(gòu)可互換等措施來保障服務的高可靠性，使用云計算比使用本地計算機更為可靠。

通用性：云計算不針對特定的應用，同一個“云”可以同時支撐不同的應用運行。

高可擴展性：云計算系統(tǒng)的規(guī)?？梢詣討B(tài)伸縮，滿足應用和用戶規(guī)模增長的需要。

按需服務：云計算系統(tǒng)就像一個龐大的資源池，用戶可以根據(jù)需求購買相應的服務。

極其廉價：由于云計算的特殊容錯措施可以采用極其廉價的節(jié)點來構(gòu)成云，同時“云”的自動化集中式管理使得大量企業(yè)無需負擔高昂的數(shù)據(jù)中心管理成本。

云計算技術(shù)已經(jīng)廣泛應用于各個領(lǐng)域，如金融、制造、教育和醫(yī)療等。在視頻監(jiān)控領(lǐng)域具有廣闊的應用前景，云計算框架視頻監(jiān)控原理如圖2所示。

圖2 云計算框架視頻監(jiān)控原理圖

3 系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)架構(gòu)

本系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框架如圖3所示，前端為各種形式的視頻采集攝像頭，采集上來的視頻信號通過電力線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)礁鞣直O(jiān)控點，然后利用互聯(lián)網(wǎng)傳輸?shù)皆贫擞涗?、存儲，供監(jiān)控中心隨時使用。

根據(jù)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的要求及實際情況，系統(tǒng)可以選擇是否采用分控點，如果視頻采集點少且整個監(jiān)控區(qū)域較小，則可以不用分控點或者只用一個分控點。在系統(tǒng)中，攝像頭采集到視頻信號后，利用圖1所示的電力線載波傳輸原理傳送到各分控點，各分控點可以就各自對應的視頻信號進行實時管理及短時存儲，由于視頻監(jiān)控系統(tǒng)中，前段集合了眾多的視頻采集設(shè)備，同時需要存儲的視頻數(shù)據(jù)巨大，并且需要對大量的視頻數(shù)據(jù)進行智能化的分析和搜索等繁多的計算，各分控點通過互聯(lián)網(wǎng)把視頻信號傳送到云端記錄、存儲，監(jiān)控中心根據(jù)自身需要調(diào)用云端的服務（視頻處理軟件、存儲、數(shù)據(jù)挖掘、設(shè)備管理及數(shù)據(jù)分析等）和資源（物理資源、虛擬資源），用戶只需要交付少量費用即可，不必另外布線、增加存儲設(shè)備及軟件。這樣就構(gòu)成了一個完整的應用系統(tǒng)[4-9]。

3.2 系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)設(shè)計包括硬件設(shè)計和軟件設(shè)計。硬件部分設(shè)計主要包括視頻采集模塊、ARM11微處理器模塊、PLC調(diào)制解調(diào)模塊、USB控制器、攝像頭和網(wǎng)路傳輸。其中作為核心的ARM11微處理器模塊采用Samsung公司的s3c6410，主要負責視頻數(shù)據(jù)的采集、對視頻數(shù)據(jù)進行H.264格式編碼并封包傳送到PLC調(diào)制解調(diào)模塊，同時還完成數(shù)據(jù)收發(fā)控制和系統(tǒng)任務調(diào)度工作。PLC調(diào)制解調(diào)模塊由Intellon公司的INT6400和INT1400芯片組成，INT6400通過RJ45接口接收微處理器傳遞過來的視頻信號，經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換，然后對其進行調(diào)制，之后經(jīng)過INT1400放大處理后經(jīng)過耦合電路傳送到電力線上傳輸，這是一次發(fā)送過程。接收過程相反。

在云計算架構(gòu)下，視頻數(shù)據(jù)的存儲和管理也是一個需要解決的重要問題?？梢酝ㄟ^使用分布式存儲技術(shù)來解決，例如采用HDFS（Hadoop Distributed File System）等分布式文件系統(tǒng)來存儲和管理視頻數(shù)據(jù)。

軟件部分設(shè)計主要包括開發(fā)系統(tǒng)搭建、USB攝像頭的驅(qū)動、視頻數(shù)據(jù)的采集、LCD實時顯示、網(wǎng)絡(luò)傳輸和雙核數(shù)據(jù)處理等。

1）數(shù)據(jù)采集模塊。在監(jiān)控節(jié)點控制器上運行，實時監(jiān)測監(jiān)控節(jié)點的狀態(tài)，并按照預設(shè)的時間間隔或事件觸發(fā)機制，通過電力載波將數(shù)據(jù)發(fā)送給微處理器模塊。

2）通信模塊。①電力載波通信協(xié)議棧：實現(xiàn)監(jiān)控節(jié)點與微處理器模塊之間的電力線數(shù)據(jù)傳輸，需支持信道編碼、調(diào)制解調(diào)、錯誤檢測與糾正和數(shù)據(jù)分包與重組等功能。②PLC調(diào)制解調(diào)模塊通信接口：處理與前端節(jié)點的電力載波通信，以及與云端服務器的網(wǎng)絡(luò)通信?？赡馨▍f(xié)議轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)打包、安全加密等環(huán)節(jié)。

3）云平臺接口與數(shù)據(jù)處理模塊。云平臺接入服務：設(shè)計API接口，實現(xiàn)PLC調(diào)制解調(diào)模塊與云平臺的無縫對接，確保數(shù)據(jù)安全、高效地上傳到云端存儲。

本設(shè)計中主要利用已開發(fā)好的軟件進行簡單的二次開發(fā)即可。監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計框圖如圖4所示。

圖4 視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計框圖

4 實驗測試

編寫單元測試、集成測試、端到端測試用例，利用持續(xù)集成/持續(xù)部署（CI/CD）工具進行自動化測試與部署。利用設(shè)計好的系統(tǒng)進行測試，顯示的視頻如圖5所示，畫面細節(jié)豐富，能準確再現(xiàn)真實場景的色彩信息，在低光照環(huán)境下畫面純凈度好，畫面主體的清晰度高。從效果上看，較好地滿足了監(jiān)控要求。

后期可以加入視頻分析模塊，可以對視頻數(shù)據(jù)進行智能分析，例如人臉識別、行為分析等。在云計算架構(gòu)下，可以使用云計算的并行計算和分布式計算能力來加速視頻分析過程。

圖5 監(jiān)控測試畫面

5 結(jié)束語

總之，基于電力載波和云計算的視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計需要結(jié)合實際應用場景和用戶需求，充分利用電力線載波和云計算技術(shù)的優(yōu)勢，實現(xiàn)高效、靈活、易用的視頻監(jiān)控系統(tǒng)。

文章提出了以云計算為視頻數(shù)據(jù)記錄、存儲、處理方式，以電力載波為視頻信號局部傳輸方式的視頻監(jiān)控系統(tǒng)，較好地將云計算和電力載波結(jié)合起來。隨著視頻監(jiān)控系統(tǒng)高清化、智能化、高速化的進展，電力線網(wǎng)絡(luò)的廣泛覆蓋、電力載波無需重新布線及安裝方便的顯著特點、云端強大的數(shù)據(jù)存儲、處理能力，使得使用該系統(tǒng)的用戶的建設(shè)成本大大降低，而且更方便快捷。隨著云計算和電力載波通信技術(shù)的發(fā)展越來越成熟，該系統(tǒng)具有廣泛的市場前景。

參考文獻：

[1] 朱琳.基于云計算的分布式校園視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計[J].計算機測量與控制，2013，21（10）：2676-2679.

[2] 楊春雷.云計算在安防視頻監(jiān)控領(lǐng)域的應用[J].網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)與應用，2015（5）：150-152.

[3] 張奇，沈洪波.電力載波在工業(yè)視頻上的應用[J]工業(yè)技術(shù)，2015（5）：36-37.

[4] 李水明，蘇建歡，張銀君，等.基于ARM11電力載波視頻監(jiān)控服務器設(shè)計與實現(xiàn)[J].電視技術(shù)，2012，36（21）：165-167.

[5] 李曉偉，宋旭文.基于電力線通信和流媒體視屏監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計[J].電子科技，2014，27（3）：59-62.

[6] 吳延順.云計算技術(shù)在樓宇智能監(jiān)控系統(tǒng)中的應用研究[J].信息通信，2015，150（6）：112-113.

[7] 李超雄，杭亦友，萬立.基于OMAP5912的電力載波視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計[J].武漢理工大學學報：信息與管理工程版，2012，34（1）：24-27.

[8] 劉文慧，王喆.基于云計算的溫室視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J].計算機技術(shù)與應用，2015，41（6）：139-142.

[9] 汪小微.分析云計算在視頻監(jiān)控系統(tǒng)中的運用[J].電腦知識與技術(shù)，2012，23（8）：5735-5737.