Система видеонаблюдения пространственно разнесенных объектов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Реферат

видеонаблюдение пространственный разнесенный

БГУИР ДП 1-45 01 01 01 014 ПЗ

В дипломном проекте были использованы данные из 15 литературных источников.

Тема дипломного проекта - «Система видеонаблюдения пространственно разнесенных объектов».

Ключевые слова: СИСТЕМА ВИДЕОНАБЛЮДЕНИЯ, РАДИОКАНАЛ, ТЕХНОЛОГИЯ WI-FI, ВЫСОТЫ ПОДВЕСА АНТЕНН, ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ПОТЕНЦИАЛ РАДИОЛИНИИ.

Цель работы - спроектировать линейную часть системы видеонаблюдения пространственно разнесенных объектов.

Проанализированы различные сетевые модели систем видеонаблюдения, разработана структурная схема системы видеонаблюдения пространственно разнесенных объектов, рассчитаны основные параметры разработанной системы.

В дипломном проекте приводится технико-экономическое обоснование разработки системы видеонаблюдения пространственно разнесенных объектов. Рассчитана цена разработки и внедрения системы, определена смета работ.

В разделе “Охрана труда и экологическая безопасность, ресурсо- и энергосбережение” описаны мероприятия по безопасной эксплуатации систем видеонаблюдения работающих по радиоканалу, были определены санитарные зоны, а так же приведены мероприятия по защиты персонала от электромагнитного излучения.



Содержание

Перечень принятых сокращений

Введение

1. Сравнительный анализ систем видеонаблюдения пространственно разнесенных объектов

2. Обоснование эксплуатационно-технических требований к проектируемой системе видеонаблюдения пространственно разнесенных объектов

3. Выбор и обоснование структурной схемы системы видеонаблюдения пространственно разнесенных объектов

4. Выбор и обоснование структурной схемы модема

5. Выбор оборудования

6. Разработка ситуационного плана

7. Электрический расчет основных технических параметров системы видеонаблюдения

7.1 Расчет высот подвеса антенн

7.2 Расчет энергетического потенциала радиолинии

7.3 Расчет основных технических параметров антенн базовых станций

7.4 Расчет системных параметров качества

8. Оценка затрат на проектирование и внедрение системы видеонаблюдения пространственно разнесенных объектов

9. Обеспечение защиты от электромагнитных полей при эксплуатации систем беспроводного доступа на основе технологии Wi-Fi

Заключение

Список использованной литературы

Приложение А



Перечень принятых сокращений

ВЧ - высокие частоты

СВЧ - сверхвысокие частоты

УВЧ - ультравысокие частоты

ЭМП - электромагнитное поле

ONVIF - open network video interface forum - открытый сетевой видео интернет форум

AES - advanced encryption standard - симметричный алгоритм блочного шифрования

DBPSK - differential binary phase shift keying - двоичная относительная фазовая модуляция

DQPSK - differential quadrature phase shift keying - дифференциальная квадратурная фазовая манипуляция

DVR - digital video recorder - цифровой видеорегистратор

IP - internet protocol - интернет протокол

OFDM - orthogonal frequency-division multiplexing -- ортогональное частотное разделение каналов с мультиплексированием

PoE - power over ethernet - питание по сети ethernet

QAM - quadrature amplitude vodulation - квадратурно-амплитудная модуляция

SSID - service set identifier - служба установки идентификации

Wi-Fi - wireless fidelity - беспроводная точность

WPA - Wi-Fi protected access - защищенный доступ к Wi-Fi



Введение

За последние годы видеонаблюдение стало неотъемлемой частью комплексной системы безопасности объекта, поскольку современные системы видеонаблюдения позволяют не только наблюдать и записывать видео, но и программировать реакцию всей системы безопасности при возникновении тревожных событий или ситуаций.

В зависимости от типа используемого оборудования системы видеонаблюдения делят на аналоговые и цифровые. Аналоговые системы видеонаблюдения используют там, где необходимо организовать видеонаблюдение в небольшом числе помещений и информацию с видеокамер записывать на видеомагнитофон. Для обеспечения безопасности особо ответственных или территориально разнесенных объектов используют цифровые системы видеонаблюдения, которые, как правило, интегрируются в комплексные системы безопасности. Такие комплексы фиксируют, записывают и анализируют информацию, поступающую от видеокамер, считывателей системы контроля доступа, охранных датчиков, а также "принимают решения" по защите охраняемого объекта в автономном режиме или по указанию оператора системы[1].

Так же следует отметить, что сегодня цифровые технологии видеонаблюдения постепенно теснят аналоговые системы по функциональным и техническим характеристикам, а по своей цене уже приближаются к стоимости аналоговых систем видеонаблюдения. Кроме того, при проектировании систем видеонаблюдения на открытой местности, в настоящее время, наметилась тенденция перехода, от кабельных сооружений к радиоканалам[2].

В ходе проектирования систем видеонаблюдения за пространственно разнесенными объектом возникает целый ряд инженерных и не только задач. К этим задачам относится выбор оборудования и параметров системы, а именно разрешение видеопотока, его скорость записывания и воспроизведения, а также длительность сохранения видеоархивов, что в свою очередь диктует выбор видеокамер, оборудования передачи, системы управления, и концентраторов видеоинформации. Так как в нашем случаи система видеонаблюдения работает с применением технологии беспроводного радиодоступа Wi-Fi, то необходимо произвести энергетический расчет беспроводной системы передачи данных, рассчитать радиус первой зоны Френеля, и определив тип интервала, определить необходимую высоту подвеса антенн. Так же необходимо оптимизировать расположение видеокамер таким образом, что бы в области наблюдения не оставалось так называемых слепых зон и при этом число камер было минимальным. Так же в случаи необходимости, нужно интегрировать систему видеонаблюдения в общую систему безопасности, как-то например обеспечить включение видеокамер только по сигналу датчика присутствия или при поступлении иного сигнала от комплексной системы обеспечения безопасности. Так же, в виду того что в непосредственной близости от работающей системы будут находиться люди, необходимо учесть возможное влияние вредных факторов на здоровье человека и оценить опасность воздействия данных факторов. В нашем случаи основным вредным фактором является электромагнитное поле, в виду чего необходимо произвести расчет санитарных зон. Так же необходимо произвести экономический расчет внедряемой системы, а именно рассчитать необходимые затраты на разработку и внедрение системы. Как видно из вышесказанного проектирование систем видеонаблюдения является сложной и многоплановой задачей.

В ходе выполнения дипломного проекта будет проведен тщательный библиографический и патентный поиск, итогом которого станет выбор структурной схемы системы видеонаблюдения. В данной структурной схеме отдельному анализу будет подвергнут модем, после чего будет выбрана структурная схема модемного устройства. На основе полученных структурных схем будет произведен выбор оборудования и дана его сравнительная характеристика. На основе выбранного оборудования будет составлен ситуационный план, а так же произведен технический расчет системы. В ходе технического расчета будут получены необходимые высоты подвеса антенн, произведет расчет энергетического потенциала радиолинии, также будут получены основные параметры антенн базовых станций и будет произведен расчет системных параметров качества. Далее будет произведен экономический расчет затрат на проектирование и внедрение системы видеонаблюдения, а так же расчет санитарных зон, в виду наличия излучателей в составе системы.

Разработка и проектирование данных систем в настоящее время является актуальным, это обусловлено в первую очередь с совершенствованием способов проникновения на защищенные объекты. Кроме того, комплексные системы безопасности и в частности системы видеонаблюдения позволяют постоянно контролировать обстановку на объекте и в случае возникновения тревожных событий или ситуаций, такой контроль позволяет значительно повысить эффективность работы персонала объекта, который призван бороться с подобными ситуациями.



1. Сравнительный анализ систем видеонаблюдения пространственно разнесенных объектов

Современные системы видеонаблюдения являются безусловно бурно развивающимся направлением, среди всей совокупности систем обеспечивающих безопасность. Круг вопросов, решаемых системами видеонаблюдения, их сложность, а так же актуальность и востребованность непрерывно обновляемой информации по данной теме говорит о необходимости постоянного накопления знаний по данной теме, и дальнейшего ее развития[1].

Основные задачи решаемые системами видеонаблюдения:

видеофиксация объекта;

видеодетекция движения;

обработка видеоизображения;

хранение видеоматериалов;

структурирование видеоматериалов;

предоставление доступа к видеоматериалам;

предоставление своевременной информации силам реагирования.

Рисунок 1. Структура системы видеонаблюдения



Рассматривая рисунок (1) мы можем привести общую схему работы системы видеонаблюдения. Блок 1 - анализирующее устройство, чаще всего представляет собой набор датчиков присутствия, основной задачей блока 1 является определить присутствие объекта в поле зрения камеры. В случаи если блок 1 зафиксировал наличие объекта наблюдения, он передает сигналы на блоки 2 и 4. Блок 2 - решающее устройство, его задачей является анализ информации отправленной блоком 4, и принятие решений о целесообразности проведения оперативным мероприятий. Блок 4 - устройство видеорегистрации, основной задачей блока 4 является сбор видеоинформации с последующим ее предоставлением решающему устройству. Блок 5 - устройство памяти, его задача, хранение видеоинформации полученной от блока 4. Блок 5 - Исполнительное устройство, его задача контролировать синхронную работу остальных блоков системы. Блоки 6 и 7 - это соответственно силы реагирования, которые проводят оперативные мероприятия и устройство связи, которое позволяет исполнительному устройству общаться с силами реагирования.

Системы видеонаблюдения можно разделить по ряду следующих принципов построения:

По способу передачи информации от устройства видеорегистрации и анализирующего устройства к решающему устройству, устройству памяти и устройству отображения:

Проводные - информация распостроняется идет по кабелю.

Беспроводные - информация распостроняется в свободном пространстве по средствам радиоволн.

В свою очередь проводные системы видеонаблюдения можно разделить на следующие типы:

Системы работающие по коаксиальному кабелю.

Системы работающие по витой паре.

Следует отметить что системы работающие по коаксиальному кабелю в большинстве своем аналоговые, а системы работающие по витой паре - цифровые.

По способу обработки видеоинформации:

Цифровые системы видеонаблюдения - системы проводящие цифровую обработку видеоинформации.

Аналоговые системы видеонаблюдения - системы проводящие аналоговую обработку видеоинформации.

Цифровые системы можно разделить на:

Системы без сжатия цифрового потока.

Системы со сжатием цифрового потока.

По структуре систем видеонаблюдения можно разделить на:

Системы видеонаблюдения построенные по структуре звезда.

Системы видеонаблюдения построенные по древовидной структуре.

Рисунок 2. Системы видеонаблюдения, построенная по структуре звезда



Рисунок 3. Системы видеонаблюдения, построенная по древовидной структуре

По области действия:

Локальные - система видеонаблюдения, область действия и применения которой ограничена географически территорией здания или офиса.

Глобальные - система видеонаблюдения, область действия и применения которой ограничена географически территорией предприятия или организации.

По количеству центров управления:

Централизованная система - имеет один центр и некоторое количество видеокамер.

Децентрализованная система - представляет себя как совокупность нескольких централизованных, объединенных логически в одну структуру, но физически разделенных и способных функционировать независимо.

Система видеонаблюдения - система аппаратно-программных средств, предназначенная для осуществления видеонаблюдения. Ее основными характеристиками является:

разрешение изображения;

скорость смены кадров;

глубина видеоархива;

наличие дополнительных средств автоматизации на основе видеоанализа.

В дипломном проекте будет рассматриваться цифровая система видеонаблюдения пространственно разнесенных объектов - цифровая система, работающая под единым управлением и предназначенная для видеофиксации незаконного проникновения индивидов на территорию Республики Беларусь.

В первую очередь рассмотрим публикации в журналах по телекоммуникациям и охранным системам за последние несколько лет и патенты, размещенные в базах данных в сети Internet. Выявим тенденции в развитии систем видеонаблюдения и варианты их построения, которые можно применить для разрабатываемой системы.

В процессе написания пояснительной записки к дипломному проекту было рассмотрено некоторое количество периодической литературы. Все публикации, касающиеся вопроса проектирования и строительства систем видеонаблюдения, можно разделить на несколько групп в зависимости от темы, рассматриваемой в статье. В первую группу можно выделить статьи, касающиеся тенденций в развитии систем видеонаблюдения, прогнозирования востребованных в будущем сервисов и функций. Ко второй группе можно отнести статьи, рассказывающие про примеры построения конкретных систем и технологии, удобные для применения при их проектировании. К третьей группе можно отнести публикации, освещающие вопросы разработки и производства оборудования для систем видеонаблюдения.

Если рассматривать основные тенденции в будущем развитии систем видеонаблюдения то можно отметить ряд особенностей развития различных систем.

Аналоговые системы видеонаблюдения стали первыми на рынке видеонаблюдения, но сегодня в чистом виде мало где применяются. Данные системы видеонаблюдения можно смело отнести к прошедшему этапу истории.

Рисунок 4. Структура аналоговой системы видеонаблюдения

Основу аналоговых систем составляли, собственно, камеры видеонаблюдения - оптические приборы с ПЗС матрицей, образующей видеосигнал из светового потока, который предварительно проходил через объектив и линзы устройства. В аналоговой системе видеонаблюдения запись видеоматериала производилась на видеомагнитофон с выводом на монитор, что во многом обуславливало ограниченность функций такой системы.

В частности, чтобы просматривать архив, не прерывая записи, пользователю необходимо было установить два видеомагнитофона, затем потратить значительное количество времени на перематывание кассеты, а при распечатке необходимого кадра использовать специализированный и достаточно дорогостоящий принтер.

К прочим недостаткам аналоговой системы видеонаблюдения следует отнести отсутствие ресурса для расширения ее возможностей, неспособность поддерживать более одного аудиоканала, а также необходимость в постоянном обслуживании - смене кассет, чистки и замены видеоголовок в магнитофоне.

Но, несмотря на все недостатки, аналоговые системы видеонаблюдения оставили огромное наследие в виде уже установленных видеокамер наблюдения и специалистов, обученных с ними обращаться. В связи с этим сегодня достаточно большое распространение получили комбинированные системы, работающие по принципу: аналоговый сигнал - цифровая запись.

Рисунок 5. Структура комбинированной системы видеонаблюдения с видеорегистратором

В качестве записывающего устройства в комбинированной системе выступают цифровые видеорегистраторы DVR с жестким диском, аналоговым входом для подключения коаксиального кабеля и аналогичным выходом для подключения монитора. Видеорегистраторы DVR выполняют функции одновременно квадратора или мультиплексора и видеомагнитофона. Заменить видеорегистратор может персональный компьютер с установленной в него платой видеозахвата и специальным программным обеспечением.

Рисунок 6. Структура комбинированной системы видеонаблюдения с персональным компьютером

Нужно сказать, что принципиальных различий между этими структурами построения систем видеонаблюдения не существует. Каналы передачи аналоговых сигналов те же самые, а цифровых -- определяются используемой структурированной кабельной системой, то есть системой кабельных элементов, которые представляют собой среду передачи оптических или электрических сигналов.

По сравнению с аналоговыми системами видеонаблюдения комбинированные имеют массу преимуществ - более высокое качество видеозаписи, отсутствие необходимости в частой замене источника хранения информации, возможность быстрого поиска и просмотра записанного события. Кроме того, наличие «интеллекта» в видеорегистраторе, например, датчика движения, позволяет записывать звук и видео только в момент движения объекта, что существенно облегчает процесс видеонаблюдения, а также экономит место на жестком диске.

Комбинированные системы видеонаблюдения успешно применяются на небольших объектах, таких как офисные помещения и жилые дома, например.

Для обеспечения безопасности на территориально-распределенных и наиболее ответственных объектах сегодня, как правило, используют гибридные системы видеонаблюдения которые включают как аналоговые, так и сетевые камеры, подключенные к видеосерверу или гибридному видеорегистратору. Стоимость таких решений более высока по сравнению с комбинированными, однако, и возможности намного шире.

В основе таких систем видеонаблюдения лежит гибридный видеорегистратор, который позволяет подключать как аналоговые, так и сетевые камеры за счет наличия в нем различных разъемов, а также имеет интерфейс для соединения с компьютерной сетью.



Рисунок 7. Структура гибридной системы видеонаблюдения

Гибридные видеорегистраторы предоставляют пользователям возможность просматривать изображение не только локально, используя экран монитора, подключенный прямо к аппарату регистрации, но и удаленно. В последнем случае для просмотра видео используется специальное программное обеспеченье или стандартные браузеры, к примеру Microsoft Internet Explorer, Opera или Google Chrome. Постов визуального контроля при этом может быть несколько и с каждого возможен доступ к любой видеокамере системы видеонаблюдения.

Кроме того, с помощью гибридных видеорегистраторов снимаются ограничения по созданию территориально-распределенных систем видеонаблюдения. Плохо лишь то, что при значительном увеличении числа видеокамер и расширении функциональных возможностей нередко требуется замена дорогостоящего аппарата. Кроме того, разработка видеорегистраторов, как правило, отстает от темпа развития компьютерных систем.

Отдельно следует выделить гибридные системы наблюдения с сетевыми видеосерверами. В подобных системах видеонаблюдения сетевой видеосервер, или видеокодер, преобразует аналоговый сигнал от камеры в цифровой и осуществляет сжатие видео для передачи по компьютерной сети. Обычно видеосервер устанавливается рядом с камерой. В качестве приемной стороны выступает компьютер для просмотра и записи изображения. Системы видеонаблюдения такого вида имеют ряд преимуществ:

Использование обычного персонального компьютера для вывода и записи видеоинформации, вместо применения дорогостоящего видеорегистратора с наличием аналоговых входов.

Возможность одновременного применения в системе аналоговых и сетевых видеокамер наблюдения.

Возможность расположить источников формирования и записи изображения на любом расстоянии друг от друга, так как в качестве канала связи используется компьютерная сеть.

Хорошая масштабируемость системы, так как в данном случае нет необходимости учитывать количество видеовходов видеорегистратора, а также возможность добавления дополнительных камер по одной.

Сетевые системы видеонаблюдения основываются на IP-видеокамерах, которые имеют свой собственный IP-адрес и встроенное программное обеспечение, или, другими словами, «интеллект». Все это позволяет им функционировать как автономные сетевые устройства. Подключение всех элементов системы IP-видеонаблюдения осуществляется как на основе локальной сети Ethernet, так и напрямую, например, через модем, мобильный телефон, или беспроводный адаптер связи.

При этом в качестве записывающего устройства используется сетевой видеорегистратор, который представляет собой стандартный компьютерный сервер с установленным на него программным обеспеченьем для видеозаписи.

Системы видеонаблюдения на основе IP имеют ряд общих достоинств с комбинированными и гибридными системами видеонаблюдения, например, запись информации на жесткий диск, быстрый и беспроблемный поиск нужных данных в архиве, доступ к записям по Интернету и так далее. Однако в последнее время IP-системы видеонаблюдения значительно потеснили своих предшественников, и этому есть объективные причины:

Рисунок 8. Структура сетевой системы видеонаблюдения

На рынке представлено большое разнообразие сетевых камер производства Sony, AXIS, Аrecont Мision, Polivision, Avigilon и многих других известных компаний - от обычных корпусных до купольных и Wi-fi камер.

Более высокое качество изображения за счет отсутствия дополнительных цифро-аналоговых и аналого-цифровых преобразований сигнала.

Возможность передачи не только видеоинформации, но и звука, дополнительных команд, а также питания для камеры по одному кабелю.

С помощью сетевых решений можно построить как сложные территориально-распределенные системы видеонаблюдения, состоящие из нескольких тысяч камер, так и простые, состоящие из одной-двух камер системы.

Дополнительные элементы сетевой системы видеонаблюдения могут наращиваться на основе существующей компьютерной сети, а также посредством беспроводных технологий, что значительно сокращает затраты на монтаж.

Технология сетевого видеонаблюдения предоставляет легко интегрируемую платформу, что отвечает требованиям времени, когда в единую систему объединяются системы контроля доступа, управления, кондиционирования и так далее.

Многообразие встроенных функций позволяют IP-камере принимать самостоятельные решения о необходимости подачи тревожного сигнала, увеличения разрешения изображения, отправки видео и тому подобного. Благодаря этому повышается качество принятия решений на базе сетевого видеонаблюдения.

Возможность организовать децентрализованное хранение и обработку видеоинформации, переключиться на резервную инфраструктуру в случае непредвиденных обстоятельств, например, аварии, эксплуатировать как серверную, так и архивную архитектуры.

Пользователь IP-комплекса безопасности может проводить визуальный контроль и выполнять функции администрирования системы не только локально, но и на удалении, например, при помощи КПК или сотового телефона.

В отличие от цифровых видеорегистраторов, представляющих собой закрытые технические решения, оборудование систем сетевого видеонаблюдения базируется на открытых стандартных, что позволяет применять оборудование разных производителей, например, маршрутизаторы, коммутаторы, серверы и прикладное программное обеспеченье. Данный факт снижает стоимость систем видеонаблюдения и увеличивает их технические качества.

Многочисленные примеры интеграции систем на базе сетевого видеонаблюдения доказывают, что они являются более достойной альтернативой комбинированным и гибридным системам.

И все же, при всех многочисленных достоинствах IP-систем, существует ряд факторов, несколько сдерживающих глобальную экспансию сетевого оборудования в области видеонаблюдения. Во-первых, присутствует временную задержку видеосигнала, которая возникает при декомпрессии и передачи потока данных по сети. Это значительно усложняет управление поворотными камерами вручную, например. Также только мегапиксельные видеокамеры могут обеспечивать действительно отличное качество изображения и большую площадь обзора.

Так же необходимо отметить, что, несмотря на некоторые недостатки, судя по сравнительным оценкам технических характеристик сетевых, комбинированных и гибридных систем видеонаблюдения, можно утверждать, что IP-видеонаблюдение является на сегодня самым выгодным, а также наиболее перспективным по функциональным возможностям способом визуального контроля.

Далее необходимо дать краткий обзор основных технологий применяемых в системах видеонаблюдения. Как уже отмечалось ранее, сетевые системы видеонаблюдения на данный момент являются наиболее перспективными, а основным компонентом любой системы видеонаблюдения является камера, в сетевой системы видеонаблюдения применяются так называемые IP-камеры.

Под IP-камерой понимают цифровую видеокамеру, особенностью которой является передача видеопотока в цифровом формате по сети Ethernet, использующей протокол IP. Каждая IP-камера в сети имеет свой IP-адрес. Огромным достоинством IP-камер является то, что в отличие от аналоговых камер, при использовании IP-камер, после получения видеокадра с матрицы камеры, изображение остается цифровым вплоть до отображения на мониторе. Как правило, перед передачей, полученное с матрицы изображение сжимается с помощью покадровых или потоковых методов видеосжатия.

Рассмотрим основные методы сжатия. При анализе развития систем видеонаблюдения можно проследить непрерывный переход к кодекам, которые экономят полосу пропускания и пространство. Раньше осуществлялся переход от MJPEG к MPEG-4 а в настоящее время идет переход MPEG-4 к H.264 [A4]. Причина лежит в более быстром снижении затрат на процессоры для сжатия, в отличие от затрат на полосу пропускания и дисковое пространство. Можно предположить, что данный переход будет продолжаться и в дальнейшем. Единственным фактором сдерживающим переход к более поздним версиям кодеков в системах видеонаблюдения связана с ростом числа мегапиксельных камер. В течение многих лет, максимальное разрешение камер безопасности было постоянным, однако в последние годы с появлением мегапиксельных камер, разрешение камер было увеличено с 400% до 5000% или больше. А больше разрешение, резко повысило требования к частоте процессоров, скорости наращивания частоты пока не соответствует скорости роста разрешающей способности камер[5].

Так же, большинство IP-камер в настоящее время поддерживают технологию PoE [A2]. PoE или Power over Ethernet -- технология позволяющая передавать удаленному устройству вместе с данными электрическую энергию через стандартную витую пару в сети Ethernet. Power over Ethernet стандартизирована по стандарту IEEE 802.3af-2003. Согласно данному стандарту обеспечивается постоянный ток с номинальным напряжением 48 В. через две пары проводников в четырехпарном кабеле, с максимальным током 400 мА для обеспечения максимальной мощности 12,95 Вт. Стандарт определяет 5 классов устройств, питаемых по PoE: от 0 до 4. Каждому классу соответствуют свои параметры мощности и тока. Для IP-камер используется 1 класс. Для него входной ток равен 120 мА, а мощность может варьироваться от 0,44 до 3,84 Вт[6].

Технология подачи электропитания через Ethernet -- это альтернативный способ электропитания сетевых устройств. Причем, ее применение возможно, как при организации новых сетей, так и при модернизации существующих. Чаще всего при модернизации сети требуется установка активного оборудования именно там, где нет поблизости источника питания и электрических розеток. Благодаря стандарту IEEE 802.3af появляется возможность установки оборудования в наиболее подходящих для этого местах, невзирая на отсутствие электропроводки. Например, можно установить Wi-Fi точку доступа в месте наилучшего приема сигнала, даже если там нет электрических розеток, или разместить IP-камеру в удобном для обзора месте. PoE позволяет не только существенно сэкономить на стоимости силовых кабелей и прочих компонентах, но и сократить время установки оборудования Ethernet.

В последние годы прослеживается тенденция по организации беспроводных сетевых системы видеонаблюдения. В качестве базовой технологии беспроводного доступа, была выбрана технология Wi-Fi [A1].

Обычно схема Wi-Fi сети содержит не менее одной точки доступа и не менее одного клиента. Также возможно подключение двух клиентов в режиме точка-точка, когда точка доступа не используется, а клиенты соединяются посредством сетевых адаптеров напрямую. Точка доступа передает свой идентификатор сети, называемый SSID, с помощью специальных сигнальных пакетов на скорости 0,1 Мбит/с каждые 100 мс. Поэтому 0,1 Мбит/с -- наименьшая скорость передачи данных для Wi-Fi. Зная SSID сети, клиент может выяснить, возможно ли подключение к данной точке доступа. При попадании в зону действия двух точек доступа с идентичными SSID приемник может выбирать между ними на основании данных об уровне сигнала. Стандарт Wi-Fi дает клиенту полную свободу при выборе критериев для соединения.

По способу объединения точек доступа в единую систему можно выделить:

Автономные точки доступа, они так же называются самостоятельные, децентрализованные, умные.

Точки доступа, работающие под управлением контроллера они так же называются легковесные, централизованные.

Бесконтроллерные, но не автономные точки доступа, они управляются без контроллера.

Преимущества Wi-Fi:

Позволяет развернуть сеть без прокладки кабеля, что может уменьшить стоимость развертывания и расширения сети.

Позволяет иметь доступ к сети мобильным устройствам.

Wi-Fi устройства широко распространены на рынке и гарантируется совместимость оборудования благодаря обязательной сертификации оборудования с логотипом Wi-Fi.

Излучение от Wi-Fi устройств в момент передачи данных на два порядка меньше, чем у сотового телефона.

Недостатки Wi-Fi:

Частотный диапазон и эксплуатационные ограничения в различных странах неодинаковы.

В Республике Беларусь точки беспроводного доступа, а также адаптеры Wi-Fi с мощностью излучения превышающей 100 мВт или 20 дБм, подлежат обязательной регистрации.

Самый популярный стандарт шифрования WEP может быть относительно легко взломан даже при правильной конфигурации. Несмотря на то, что новые устройства поддерживают более совершенный протокол шифрования данных WPA и WPA2, многие старые точки доступа не поддерживают его и требуют замены.

Так же в случаи работы камеры в условиях плохой освещенности вместе с камерой используется инфракрасный прожектор [А3]. Данный прожектор либо встроен в саму камеру, либо устанавливается отдельно и благодаря программному обеспеченью изменяя мощность излучения способен с более эффективной совместной работе с камерой.



2. Обоснование эксплуатационно-технических требований к проектируемой системе видеонаблюдения пространственно разнесенных объектов

При проектировании системы видеонаблюдения вблизи от пункта пропуска «Варшавский мост» необходимо учитывая то, что построение сети данной системы будет реализоваться с помощью технологии Wi-Fi, и как передатчики так и камеры наружного наблюдения будут располагаться вне зданий. И это, как и то что данная система наблюдения расположена на границе, обуславливает ряд требований как к оборудованию, так и к системе в целом.

Изначально рассмотрим требования предъявляемые к системе Wi-Fi:

В виду того, что оборудование Wi-Fi будет установлено вне помещения, оно должно выдерживать температуру от минус 40°С до плюс 50°С, относительную влажность 98% при температуре плюс 35°С. Данное требование продиктовано ГОСТ 12997-84. Так как оборудование установлено вне помещения на него действуют такие факторы как непосредственный нагрев солнечными лучами, дождь, снег, град, обледенение. Могут появляться резкие изменения температуры, изделия могут быть влажными в результате конденсации, воздействия осадков, брызг и утечек.

В виду того что расстояния между базовой станцией и приемопередатчиками, около камер, достигает 6 км, оборудование должно иметь высокую мощность передатчика и чувствительность. Данная рекомендация дана институтом инженеров по электротехнике и электронике. Стандарт IEEE 802.11g оговаривает следующее, что при передачи информации по сети Wi-Fi на расстояния более 2 километров, необходимо использовать Wi-Fi точки с мощность передатчика более 20 дБм, в Республике Беларусь такие точки подлежат обязательной государственной регистрации и регламентируется постановлением министерства связи и информатизации республики Беларусь № 42 от 23 октября 2007 года «Об утверждении инструкции о порядке выдачи разрешения на приобретение, передачу в постоянное или временное пользование радиоэлектронных средств (или) высокочастотных устройств».

Требования к камерам следующие:

В виду того, что камеры будут установлены вне помещения и должны выдерживать температуру от минус 40°С до плюс 50°С, относительную влажность до 98% при температуре плюс 35°С. Данное требование продиктовано ГОСТ 12997-84. Так как оборудование установлено вне помещения на него действуют такие факторы как непосредственный нагрев солнечными лучами, дождь, снег, град, обледенение. Могут появляться резкие изменения температуры, изделия могут быть влажными в результате конденсации, воздействия осадков, брызг и утечек.

Все камеры должны быть оборудованы термокожухами. Это требование обусловлено ГОСТ 14254-96. Данный ГОСТ применим, так как видеокамеры находятся под постоянный воздействием пыли и влаги, что может привести к их выходу из строя, поэтому для поддержания системы в рабочем состоянии исходя из ГОСТ 14254-96 степень защиты оболочки и корпуса от проникновения пыли и воды IP53 группа 2, все видеокамеры оборудуются защитными термокожухами.

Так как основной целью камеры является просто фиксация нарушителя границы, то достаточно скоростью записи является 5 кадров в секунду. Данный параметр был выбран со ссылкой на книгу Ю.М. Гедзберга «Охранное телевиденье» [1], где говорится, что при низкой интенсивности и скорости движения, 5 кадров в секунду является достаточной скоростью записи, для последующего адекватного распознания действий нарушителя.

Для уменьшения скорости передачи, камера должна поддерживать алгоритм сжатия H.264. Данное требование продиктовано ограниченной пропускной способностью радиотракта, так при использовании алгоритма сжатия предыдущего поколения MPEG-4, коэффициент сжатия которого меньше на 15 процентов, наблюдается рост необходимой скорости передачи, и как следствие уменьшение дальности передачи или ухудшение параметров качества.

Допускается работа камеры в черно-белом режиме. Данное требование продиктовано необходимостью снижения скорости передачи, что позволяет сохранить дальность передачи и заданные параметры качества, кроме того все видеокамеры при использовании инфракрасного прожектора переходят в черно-белый режим.

В виду того, что камеры будут установлены вне помещения, они должны иметь ночной режим работы и быть оборудованы инфракрасной подсветкой

Для адекватного распознания лица человека камера должна иметь разрешение не менее 0.48 мегапикселей. Данный параметр был выбран со ссылкой на книгу В. Дамьяновского «CCTV Библия охранного телевиденья» [2], где говорится, что 0.48 мегапикселей минимально достаточная разрешающая способность для распознания лица человека, то есть разрешения кадра составит 800 на 600 пикселей.

Общие требования к системе:

Так как большую часть времени активность вблизи границы минимальна, нет необходимости в постоянной работе камер. Поэтому режим работы камер - по сигналу.

Так как возможен случай попытки перехода границы в двух местах одновременно, необходимо обеспечить одновременную работу всех камер.

Необходимую скорость передачи между камерой и сервером можно насчитать пользуясь следующими соображениями: Разрешающая способность камеры: 0.5 мегапиксиля, каждый пиксиль кодируется 8 битами, а количество кадров в секунду равно 5, то при условии использования камерой алгоритма сжатия Н.264, для которого минимальный заявленный выигрыш для камер наблюдения составляет 80% получаем: Мбит/с. Поднимем необходимую скорость до 4 Мбит/с, что бы обеспечить запас.

3. Выбор и обоснование структурной схемы системы видеонаблюдения пространственно разнесенных объектов

На основе проведенного патентного и библиографического поиска, а так же анализа действующих на сегодняшний день систем видеонаблюдения, а так же намечающихся тенденций в данной сфере была выбрана структурная схема системы видеонаблюдения пространственно разнесенных объектов.

В состав данной структурной схемы входит ряд следующих элементов. Блоки с 1 по 8 представляют собой камеры наружного наблюдения, они предназначены для видеоконтроля охраняемого отрезка периметра. Блоки с 9 по 16 - Wi-Fi модемы, их задача обеспечить физическое сопряжения информационного сигнала со средой его распространения, где он не может существовать без адаптации. Блоки с 17 по 24 представляют собой приемопередатчики сети Wi-Fi, их основной функцией является управление уровнем исходящего сигнала, и повышение, до требуемого, уровня входящего сигнала. Блоки с 25 по 32 являются параболическими антеннами, и их основной задачей является создание направленного пучка электромагнитных колебаний с их последующим излучением в пространство, а так же прием электромагнитных колебаний излучаемых секторной антенной базовой станции. Блок 33 - источник питания для абонентских станций системы видеонаблюдения, его основной задачей является питание Wi-Fi модемов абонентских станций, которые в свою очередь питают остальное оборудование на абонентской стороне используя технологию PoE. Блок 34 представляет собой адаптер Завеса-Ethernet, его задачей является преобразование сигналов сети датчиков «Завеса», в поток данных в форме пакетов Ethernet. Блок 35 - секторная антенна базовой станции сети Wi-Fi, ее основной задачей является создание направленного пучка электромагнитных колебаний с их последующим излучением в пространство, а так же прием электромагнитных колебаний излучаемых параболическими антеннами абонентских станций. Блок 36 представляет собой базовую станцию сети Wi-Fi, данная базовая станция объединяет в себе функции как Wi-Fi модема, так и приемопередатчика, и потому данная базовая станция Wi-Fi как обеспечивает физическое сопряжения информационного сигнала со средой его распространения, где он не может существовать без адаптации, так и контролирует входные и выходные уровни сигналов. Блок 37 - это блок PoE, данный блок обеспечивает возможность использования технологии PoE при питании базовой станции сети Wi-Fi, данная технология, позволяет передавать удаленному устройству вместе с данными электрическую энергию через стандартную витую пару в сети Ethernet. Блок 38 - сервер, в нашем случае, программное обеспеченье, установленное на сервере выполняет функции управления всей системой, а именно:

Контроль работоспособности видеокамер.

Прием сигнала о видеорегистрации движения.

Компрессию видеоизображения.

Включение камер по сигналу тревоги от других систем безопасности, либо по команде оператора.

Быстрый поиск видеоинформации.

Возможность экспорта видеоинформации.

Вывод аналоговой видеоинформации.

Блок 39 представляет собой источник бесперебойного питания, его основная задача, поддерживать работу сервера при аварийном отключении электропитания, вплоть до момента включения резервных источников питания. Блок 40 - мониторный блок, его основной задачей является вывод аналоговой видеоинформации в форме доступной для пользователя.

Система функционирует следующим образом. В случае если нету попытки пересечь охраняемый участок периметра, система датчиков «Завеса» отправляет на сервер сигнал «Без нарушений». В свою очередь сервер удерживает в данное время камеры в режиме «Ожидание», в данное время оператор системы видеонаблюдения может работать с архивом видеозаписей, либо переведя одну или несколько камер в режим «Активна» производить наблюдения за периметром. При переводе одной и камер в режим «Активна» происходит следующее: сервер получив запрос от оператора, передает запрос на базовую станцию Wi-Fi, которая в свою очередь создает радиоканал с камерой которой был адресован запрос, при этом происходит частотная модуляция последовательности 0 и 1 с тактовой частотой 4 МГц, сигналом частотой 2.4 ГГц. Параболическая антенна входящая в кластер системы видеонаблюдения камеры, которой был адресован запрос принимает частотно модулированный сигнал. Приемопередатчик усиливает данный сигнал, после чего Wi-Fi модем демодулирует его, и передает запрос на камеру наружного наблюдения. Камера получает аналоговую информацию, оцифровывает ее, сжимает оцифрованную информация по средствам кодеков и отправляет ее на Wi-Fi модем. Wi-Fi модем производит этом происходит частотную модуляцию последовательности 0 и 1 с тактовой частотой 4 МГц, сигналом частотой 2.4 ГГц. Приемопередатчик усиливает данный сигнал, после чего параболическая антенна излучает модулированный сигнал в пространство. Секторная антенна базовой станции принимает модулированный сигнал, после чего базовая станция поднимает его уровень и демодулирует полученный сигнал. Сервер получает уже оцифрованную видеоинформацию и по желанию оператора может, как транслировать ее прямо на мониторный блок, так и сохранить на жесткий диск.

В случае если осуществляется попытки пересечь охраняемый участок периметра, система датчиков «Завеса» отправляет на сервер сигнал «Попытка нарушения». В свою очередь сервер получив данный сигнал от системы датчиков «Завеса» переводит камеру на участке на котором произошло нарушение в режим «Активна», и информирует оператора системы видеонаблюдения о попытке пересечь охраняемый участок периметра. При переводе одной и камер в режим «Активна» происходит следующее: сервер получив запрос от системы датчиков «Завеса», передает запрос на базовую станцию Wi-Fi, которая в свою очередь создает радиоканал с камерой которой был адресован запрос, при этом происходит частотная модуляция последовательности 0 и 1 с тактовой частотой 4 МГц, сигналом частотой 2.4 ГГц. Параболическая антенна входящая в кластер системы видеонаблюдения камеры, которой был адресован запрос принимает частотно модулированный сигнал. Приемопередатчик усиливает данный сигнал, после чего Wi-Fi модем демодулирует его, и передает запрос на камеру наружного наблюдения. Камера получает аналоговую информацию, оцифровывает ее, сжимает оцифрованную информация по средствам кодеков и отправляет ее на Wi-Fi модем. Wi-Fi модем производит этом происходит частотную модуляцию последовательности 0 и 1 с тактовой частотой 4 МГц, сигналом частотой 2.4 ГГц. Приемопередатчик усиливает данный сигнал, после чего параболическая антенна излучает модулированный сигнал в пространство. Секторная антенна базовой станции принимает модулированный сигнал, после чего базовая станция поднимает его уровень и демодулирует полученный сигнал. Сервер получает уже оцифрованную видеоинформацию и одновременно транслирует ее на мониторный блок и записывает на жесткий диск, так же сервер в это же время информирует о нарушении остальные системы безопасности. После того как система датчиков «Завеса» перестает фиксировать нарушение, видеокамера по сигналу оператора вновь возвращается в режим «Ожидание».



4. Выбор и обоснование структурной схемы модема

На основе проведенного патентного и библиографического поиска была выбрана структурная схема модема. Модем -- это устройство, применяющееся в системах связи для физического сопряжения информационного сигнала со средой его распространения, где он не может существовать без адаптации, то есть переносе его на несущую с модуляцией, и выполняющее функцию модуляции и демодуляции этого. На рисунке 9 данный модем представлен блоками 9-16, а так же входит в состав блока 36.

Рисунок 9. Структурная схема модема

В состав данной структурной схемы входит ряд следующих элементов. Блок 1 - кодер, он предназначены для защиты от ошибок и сжатия данных. Защита от ошибок предполагает включение в пакеты передаваемых данных избыточного циклического кода CRC, и использование помехоустойчивого кодирования. В случае с Wi-Fi модемом используется WPA2 кодирование. Блок 2 - декодер, его основная задача вернуть сигнал в исходное состояние, то есть сделать его таким, каким сигнал был до обработки кодером. Блок 3 - скремблер, он производит такое преобразование передаваемого сигнала, которое исключает влияние длинных цепочек из логический нулей или единиц, а также коротких повторяющихся последовательностей на надежность синхронизации в приемной части модема. Скремблер при необходимости прореживает такие последовательности за счет сложения по модулю два исходной последовательности с М-последовательностью, делая преобразованные данные псевдослучайными. Блок 4 - дескремблер, его основной задачей является вернуть сигнал в изначальное состояние, дескремблер складывает по модулю два псевдослучайную последовательность, после данного сложения псевдослучайная последовательность принимает вид исходной. Блок 5 представляет собой модулятор, его основная задача изменять параметры несущего сигнала в соответствии с изменениями передаваемого сигнала. В случае Wi-Fi модема присутствует широкий выбор типов модуляции, таких например как:

DBPSK;

DQPSK;

CCK;

OFDM;

16-QAM;

64-QAM.

Блок 6 - демодулятор, производит операцию обратную.

В качестве примера рассмотрим Относительную двоичную фазовую манипуляцию или DBPSK. При передаче информации с использованием BPSK требуется применять следящие системы для демодуляции сигнала. При этом часто применяют некогерентные устройства приема, которые не согласованы по фазе с задающим генератором на передающей стороне, и соответственно не могут отследить случайный поворот фазы в результате распространения, выходящий за интервал . Для того чтобы устранить перепутывание информационных символов, используют относительную манипуляцию или как ее еще называют дифференциальную BPSK. Суть относительной манипуляции заключается в том, что кодируется не сам бит информации, а его изменение. Структура системы передачи данных с использованием DBPSK показана на рисунке 10.

Рисунок 10. Структурная схема передачи данных с использованием DBPSK

Исходный битовый поток b(t) проходит дифференциальное кодирование, после чего модулируется BPSK и на приемной стороне демодулируется некогерентным BPSK демодулятором. Демодулированный поток проходит дифференциальный декодер и получаем принятый поток b^(t).

Рисунок 11. Дифференциальный кодер

Блоки 7 и 8 - два перестраиваемых полосовых фильтра. Система функционирует следующим образом. Исходный входной сигнал попадает на кодер, кодер осуществляет WPA2 шифрование, использующее алгоритмы AES - симметричный алгоритм блочного шифрования и CCMP - протокол блочного шифрования с кодом аутентичности сообщения и режимом сцепления блоков и счетчика. Далее полученная последовательность 0 и 1, проходит операцию скремблирования, и поступает на модулятор. На модуляторе происходит перенос несущей с 4 МГц на 2.4 ГГц. Далее фильтры отфильтровывают лишние гармоники из спектра передаваемого сигнала. Демодулятор производит операцию обратную операции модулятора и на выходе мы получаем скремблированную последовательность 0 и 1. Дескремблер производит умножение данной последовательности на заранее заданную М-последовательность и на выходе получаем закодированную последовательность 0 и 1. Декодер выполняет операцию обратную операции Кодера, и на выходе декодера мы получаем исходную последовательность 0 и 1.



5. Выбор оборудования

После создания общей структурной схемы системы видеонаблюдения наступает время окончательно определится с выбором оборудования. Общая протяженность отрезка, на котором ведется проектирование составляет порядком 700 метров. Местность на участке преимущественно открытая. Количество камер которые необходимо разместить на участке 8 единиц, к каждой камере подключен приемопередатчик и Wi-Fi модем. Питание системы осуществляется по технологии PoE. На стороне центра управления расположен сервер, который ведет контроль за работой видеокамер и обрабатывает поступающую видеоинформацию. К серверу, через PoE адаптер подключена базовая станция сети Wi-Fi.

Рассмотрим ряд возможных видеокамер которые удовлетворяют требованиям представленным в техническом задании:

Камера BEWARD B130 имеет высокое разрешение до 1.3 мегапикселей, что удовлетворяет задачам которые она должна выполнять. Так же возможна настройка количества передаваемых кадров в секунду с шагом в 5 кадров. Температурный диапазон от минус 10°С до плюс 60°С, возможна установка термокожуша. Так же возможно удаленное управление объективом, что сильно упрощает настройку камеры. Так же BEWARD B130 поддерживает спецификации ONVIF, что гарантирует совместимость с программными комплексами сторонних производителей. Так же данная камера поддерживает технологию PoE. Основным недостатком является дальность встроенной инфракрасной подсветки, которая составляет только 50 метров. Стоимость 1850 долларов[7].

Камера BEWARD BD3070 имеет высокое разрешение до 1.3 мегапикселей, что удовлетворяет задачам которые она должна выполнять. Так же возможна настройка количества передаваемых кадров в секунду с шагом в 1 кадров. Температурный диапазон от минус 10°С до плюс 60°С, возможна установка термокожуша. Невозможно удаленное управление объективом, что сильно усложняет настройку камеры. Так же BEWARD BD3070 не поддерживает спецификации ONVIF. Так же данная камера поддерживает технологию PoE. Основным недостатком является дальность встроенной инфракрасной подсветки, которая составляет только 50 метров. Стоимость 2600 долларов[7].

Камера Axis 211 имеет высокое разрешение до 0.5 мегапикселей, что удовлетворяет задачам которые она должна выполнять. Так же возможна настройка количества передаваемых кадров в секунду. Температурный диапазон от плюс 5°С до плюс 45°С, возможна установка термокожуша. Axis 211 не поддерживает спецификации ONVIF. Данная камера поддерживает технологию PoE. Отсутствует встроенная инфракрасная подсветка. Цена составляет 1500 долларов Основными недостатками являются отсутствие поддержки спецификации ONVIF и невозможность удаленного управления объективом и отсутствие инфракрасной подсветки[8].

Камера Axis 221 имеет разрешение до 0.5 мегапикселей, что удовлетворяет задачам которые она должна выполнять. Так же возможна настройка количества передаваемых кадров в секунду. Температурный диапазон от плюс 5°С до плюс 50°С, возможна установка термокожуша. Не возможно удаленное управление объективом, что сильно усложняет настройку камеры. Axis 221 не поддерживает спецификации ONVIF. Данная камера поддерживает технологию PoE. Дальность встроенной инфракрасной подсветки составляет только 50 метров. Цена составляет 1550 долларов[8].

Камера Sony SNC-DF80P имеет высокое разрешение до 1.3 мегапикселей, что удовлетворяет задачам которые она должна выполнять. Так же возможна настройка количества передаваемых кадров в секунду. Температурный диапазон от минус 10°С до плюс 50°С, возможна установка термокожуша. Так же возможно удаленное управление объективом, что сильно упрощает настройку камеры. Sony SNC-DF80P поддерживает спецификации ONVIF. Данная камера поддерживает технологию PoE. Дальность встроенной инфракрасной подсветки составляет только 100 метров. Цена составляет 1850 долларов Основным недостаткам является высокая цена и малый диапазон рабочих температур[9].

...