浅谈高清网络视频系统设计与防雷要点实施

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  【摘 要】 随着经济的发展和社会的进步,人们对安全保障的要求不断提高,公共安全问题也就越来越受到社会各界的关注。人们对安全防范的重视同时促进了视频监控系统在安防领域中的重要地位。因此,高清网络摄像机的技术发展便成为视频监控系统的重点关注之一。
  【关键词】 高清;防雷;网络;摄像
  一、高清网络监控系统工作原理
  高清网络监控系统,是基于计算机技术、多媒体技术、数字压缩技术及计算机网络技术,将现场的影像通过前端数字采集设备(IP摄像机)采集并进行数字压缩,生成数字信号,再通过网络将这些图像数据包传送至后端的存储设备(NVR,在硬盘中生成按一定规则约定的图像文件。如图所示:
  高清监控系统主要由:前端图像采集编码、高清传输、高清存储、解码上墙等。前端采用高清网络摄像机,本项目选择海康50米红外高清枪机,200W万高清摄像机,室外选用200W红外高清宽动态光纤传输快球,并采用IP66球罩。为解决免受雷击和电磁波辐射干扰,采用光纤传输。支持提供高清图像,视频数据的存储,可采用网络NVR存储录像机设备实现(共1台,每台可接入16路高清720P)。采用一台图像管理服务器和一台46寸高清显示器。网络摄像机一般由镜头、图像传感器、声音传感器、A/D转换器、图像、声音控制器、网络服务器、外部报警、控制接口等部分组成。镜头作为网络摄像机的前端部件,有固定光圈、自动光圈、自动变焦、自动变倍等种类,与模拟摄像机相同。图像传感器有CMOS和CCD两种模式。CMOS既互补性金属氧化物半导体,而CMOS主要是利用硅和锗这两种元素所做成的半导体。
  二、高清网络视频监控特點
  1.远程实时监控
  利用网络优势,经过数字化并压缩后的图像数据可以达到网络能到达的地方,实现远程监控。
  全面开启数字化时代,DVR即数字硬盘录像主机,要基于已经大量安装的模拟监控摄像机等把模拟信号转换为数字信号,再进行存储和处理。而网络摄像机内建有Webserver和CCD,可以将数字化的视频信号转换成网络通信传输协议(TCP/IP协议)的数据流,远端的应用优势。
  2.即插即用、随时随地
  无须像模拟摄像机一样必须安装同轴电缆,只要利用现有的网络就可以使用。网络摄像机可以广泛应用在世界的任何角落,进行实时连续地传输图像,甚至可以在那些不适宜布线的环境中,使用无线宽带网络完成远端监控及录像。
  3.灵活集成
  只要有网络接口即可随时接入网络摄像机。
  4.结束隔行扫描时代
  模拟摄像机最多可以提供4CIF级别的分辨率,704X576像素约40万像素左右。因为模拟摄像机的技术原因,采用的是隔行扫描的成像方式,成行扫描可以利用不高的带宽实现更好的视觉效果-刷新率更高,人的视觉效果舒服些。隔行扫描的成像采用奇数场+偶数场相加得到一帧图像,当图像中有激烈运动目标,会表现成“锯齿”或模糊的现象。网络摄像机采用逐行扫描,每一帧图像均是由电子束顺序地一行接着一行连续扫描而成,这种扫描方式称为逐行扫描。要得到稳定的逐行扫描图像,每帧图像必须扫描整数行。举例来说,一帧图像是连续扫描625行组成的,每秒钟共扫描50帧图像,即帧扫描频率为50帧/秒。
  5.以太网供电节省成本、提高稳定性
  网络摄像机使得通过网线对摄像机供电成为可能,人们不再需要为摄像机单独加电源。802.3标准的POE方式已经得到验证并成功应用,过去,人们是不敢想象用小小的网线完成对摄像机的供电的,这个技术为人们带来便利同时节约的成本。POE方式的另外一个好处是,由于电源集中采自机房的交换机,这种集中的供电方式可以保证电源的稳定性。
  6.百万像素高分辨率
  受制于传统模拟摄像机本身技术限制,其最高分辨率可以达到40万像素,但是,网络摄像机可以达到百万像素级,百万像素给人们带来的好处是:更多的细节、更大的角度。更多的细节,意味着我们可以分得清车牌号码,人脸;更大的角度,我们可以减少普通模拟摄像机的安装便可以覆盖更大的范围。
  7.更好的集成音频
  音频录制乃至双向录音已经成为比较广泛的需求了,对于模拟系统,实施比较困难并且需要单独增加设备;而对于网络摄像机,此工作变得非常容易,人们可以进行音频录制,并自动合成同步的音视频文件,实现双向语音对讲,应用于PA系统,实现真正的VOIP网络电话,音频VOICE,视频VIDEO都网络化了。
  8.更高的安全性传输
  在模拟时代,模拟信号通过铜缆传输,然后利用矩阵进行纯粹电信号的切换,这种与数字、网络关系不大的方式使得信号的加密变得不可能(VCR磁带的不可篡改是另外一回事)。最糟糕的情况是可能前端摄像机已经被调包了但是控制中心人员还没发觉。网络摄像机的视频遮挡、视频丢失告警功能,视频加密功能、权限管理等功能可以更好的防止这类问题。
  9.结构灵活,成本更低
  对于模拟监控系统,工程设计及施工人员最头疼的是刚刚建设完成的系统需要扩容升级。此时,需要考虑的问题很多,核心矩阵的位置,线缆的铺设,电源、分控的位置,前端摄像机的位置及距离,传输及供电方式等等,受制于诸多因素的根本原因在于模拟系统的结构不灵活。对于网络摄像机,以上问题迎刃而解,只要网络是通的,不管你的摄像机位置如何,系统都没有限制,另外,由于信号基于IP包的,因此视频不会因为位置或路由而质量下降。但是传统的矩阵级联可能碰到明显的问题。无需专人管理,即插即用,无距离限制,节约了成本。
  三、防雷系统设计
  众所周知,雷电具有极大的破坏性,其电压高达数百万伏,瞬间电流可高达数十万安培。雷击所造成的破坏性后果体现于下列三种层次:①设备损坏,人员伤亡;②设备或元器件寿命降低;③传输或储存的信号、数据(模拟或数字)受到干扰或丢失,甚至使电子设备产生误动作而导致整个系统瘫痪。目前,世界上各种建筑、设施大多数仍在使用传统的避雷针防雷。用避雷针防止直接雷击实践证明是经济和有效的。但是,随着现代电子技术的不断发展,大量精密电子设备的使用和联网,避雷针对这些电子设备的保护却显得无能为力。避雷针不能阻止感应雷击过电压、操作过电压以及雷电波入侵过电压,而这类过电压却是破坏大量电子设备的罪魁祸首。每年各种通讯控制系统或网络因雷击而受破坏的事例屡见不鲜,其中安防监控系统因受到雷击引起设备损坏,自动化监控失灵的事件也常有发生。而城乡道路监控子系统中前端摄像机往往设计为室外安装方式,遭受雷击损坏的可能性很大,对于雷雨多发地区必须设计安装防雷电系统。   视频监控系统的防雷保护比较复杂,首先需要明确监控系统遭受雷击损害的主要原因以及雷电可能的侵入途径,尤其是雷击损坏较为严重的室外监控设备,在分析其损坏原因的基础上,以及研究和探讨信号、电源线路的布放、屏蔽及接地方式等,方能正确选择和使用监控系统设备的防雷保护装置。
  1.监控系统的组成
  A、视频监控系统防雷本身包括:电源防雷部分、视频防雷部分、通信防雷部分(包括网络防雷)
  B、视频监控系统设备一般由以下三部分组成:
  前端部分主要由摄像机、镜头、云台、防护罩、支架等组成。
  传输部分使用同轴电缆、电线、网络双绞线、光纤等,采取架空、地埋或沿墙敷设方式传输视频、音频或控制信号等。
  终端部分主要由视频分配器、矩阵、硬盘录像机、视频光端机、网络光端机、网络视频服务器、监视器、控制设备等组成。
  C、监控系统的传输方式:同轴电缆、光纤、网络线、无线网、双绞线。
  2.雷电对电子设备损害途径
  雷电对电气设备的影响,主要由以下四个方面造成:①直击雷;②传导雷;③感应雷;④开关过电压。这里我们主要针对前端设备进行保护。
  3.具体防雷措施
  1)接地及地网的制作
  接地是防雷技术中最为重要的环节,对直击雷、感应雷和其它的雷电形式,最终都是要把雷电流泄放入大地,因此没有良好的接地装置是不能起到可靠的避雷作用。根据中华人民共和国国家标准GB-50057-2010《建筑物防雷设计规范》的要求,作为防雷接地可采用统一接地(同一接地),需要接地的各个系统统一接到一个地网上,使它们之间成为电气相通的统一接地。一点接地消除了公共阻抗耦合和低频接地环路引起的干扰。单点接地能很好工作于1MHZ及以下的频率,并且当整个系统的尺寸较小时(最大尺寸小于入/20,入:为人们感兴趣的产生干扰信号的波长,也能应用到10MHZ。)为此每一个防雷系统,首要的是把接地装置设计好,为免遭雷击提供防范措施。
  2)根据有关防雷接地的要求,联合接地体的接地电阻值宜小于1欧姆,工程中常采用的是多根垂直接地体通过水平连接带联结起来实现,并且为了防止跨步电压危害人身安全,于是又把连接线连同接地体一起埋入地中,形成既有垂直接地体又有水平接地体的联合接地体。
  在中小型地网中,垂直接地体的电流散流占主要的,水平接地体仅仅影响散流,而主要作用是起均压作用。以垂直接地体为主的接地装置中,计算时除了要知道垂直接地体的接地电阻外,还要考虑水平接地体的影响通常使用下面公式:
  R=
  式中:R1为单一垂直接地体的接地电阻值;
  N为单一垂直接地体的利用系数;
  λ1为单一垂直接地体的利用系数;
  R2为水平连接带的接地电阻,扁钢水平连接多极接地体时的接地电阻
  R2=ln
  L2为连接扁钢的长度,b为扁钢长度,n为有地面到扁钢上端的埋深;
  λ2为水平连接带的利用系数。
  实际中,以垂直接地体为主的复合接地体(地网),在计算接地电阻时,可以简化为只计算垂直接地体的接地电阻,然后再考虑水平连接线的影响,把计算后的接地电阻值降低10%即可,这样反过来,我们可以接地电阻最大允许值,直接求出垂直接地体的根数n,即:
  n≧
  式中:R为接地电阻最大允许值(Ω),其余同前。
  3)接地体采用型号为AG-I(500*600*60)的垂直接地体和水平接地体(40*4扁铁)焊接并埋入地下,接地体在地面与避雷针、避雷带的引下线相连接,以上的设计是按照标准土壤电阻率设计的,当实际的接地体接地电阻值在于周围的自然接地体连接在一起仍达不到国标所规定的要求时,须适当的增加垂直接地体和水平接地体的数量,以保证达到国家防雷接地标准值和行业接地电阻的要求。
  4)实施说明
  A.按常规土壤电阻率500-3000欧姆*米的条件下,设置一组1-4欧姆的接地体的制作方案如上图。
  B.在地面以下0.5设置一根水平接地体,水平接地体采用40*4MM镀锌扁钢。
  C.设置4-6(具体数量由当地土壤电阻率决定)根垂直接地体,垂直接地体采型号为AG-I(500*600*60)与水平接地体焊接连接,垂直接地体采用2--2.5米长度,垂直接地体的间距为宜5米,如果实际情况操作有困难,最小不得小于垂直接地体的长度。
  d.土壤腐蚀严重时,水平和垂直接地体须作防腐处理。
  e.接地体与人行道之间的安全距离为3米。
  注:现规范要求对室外独立接地体地阻不得大于10欧姆。若摄像机立杆为金属立杆且地阻小于10欧姆则不需要新作地网;若金属立杆的地阻大于10欧姆则需要新作地网并将地网与摄像机金属立杆相连。防雷器与防雨箱的接地均可直接接在金属立杆上。
  4.直击雷防护
  在摄像机立杆的上端安装一根ALP-50(高50CM)的接闪器,如下图:
  5.安装防雷器
  1)电源部分
  针对监控系统的特点,电源系统至少做两级保护。如果只做单级防雷可能会带来因雷电流过大而导致的泄流后残压过大破坏设备或者保护能力不足引起的设备损坏。电源系统多级保护,可防范从直击雷到工业浪涌的各级过电压的侵袭。
  具体措施:在监控机房电源总进线端安装一套AM2-40/4防雷器作为监控机房设备的电源初级防护。监控机房UPS出线端安装一套AM3-20/2防雷器作为监控机房设备的电源二级防护。在硬盘录像机、交换机及管理服务器等用电端安装A6-42-0NS插座式防雷器作為监控设备的末级防护。
  2)信号部分
  因前端摄像机均为光纤直接引入,所以视频信号部分不需要做防雷保护,注意光纤金属加强芯需要在两端做好接地措施即可。
  在前端视监控摄像机的电源进线处分别安装AM-24DC/2防雷器,保护监控摄像机电源端口。
  四、总结
  高清网络摄像机直接输出数字图像,使图像分析、特征分析、取证识别和搜索等图像分析运用技术的广泛应用成为可能。高清网络摄像机的覆盖面远大于传统的模拟摄像机,使监控者既能观察全景、掌控全局,同时又能清晰观察局部细节。
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