基于POE技术的船用视频监控系统硬件设计

0 引言

POE(Power Over Ethernet) 也被称为基于局域网的供电系统或有源以太网( Active Ethernet)，有时也被简称为以太网供电.这是利用现存标准以太网传输电缆的同时传送数据和电功率的最新标准规范，并保持了与现存以太网系统和用户的兼容性.POE 技术在为一些基于IP 的终端( 如IP 电话机.无线局域网接入点AP.网络摄像机等) 传输数据信号的同时，还能为此类设备提供直流供电的技术.

在确保现有结构化布线安全的同时，保证现有网络的正常运作，最大限度地降低成本.一个完整的POE 系统包括供电端设备(Power Sourcing Equipment,PSE) 和受电端设备(Powered Device,PD) 两部分.PSE 设备是为以太网客户端设备供电的设备，同时也是整个POE 以太网供电过程的管理者;而PD 设备是接受供电的PSE 负载，即POE 系统的客户端设备.

1 视频监控系统简介

视频监控系统按照视频信号传输的制式不同，可分为模拟视频监控系统和数字视频监控系统两大类.其中，模拟制式视频监控系统组成框图如图1 所示.

图1 所示的模拟制式视频监控系统主要由前端设备( 摄像机.镜头.云台.解码器等).视频矩阵及监控系统主机三部分组成.其中，视频矩阵一般与主机在同一安装位置，视频矩阵至前端设备之间传输的是模拟复合视频信号.模拟复合视频信号为前端设备采集的现场信息，经视频矩阵传送至监控主机，监控主机的控制信号经串口传送至解码器，经解码器解码后实现对前端设备的控制.目前，模拟视频监控系统主要存在以下几个特点：一是电缆和部件数量多，不适宜远距离传输，遇到故障时排除效率低;二是可扩容性差;三是兼容性差，不利于与其他设备进行资源融合.

近年来，随着计算机.网络以及图像处理.传输技术的飞速发展，视频监控技术有了较快的发展，模拟视频监控系统已逐渐被网络化数字视频监控系统所替代，其系统组成如图2 所示.

图2 中的网络化数字视频监控系统主要由用户显示控制终端.接入/ 交换设备.网络编解码器.前端设备( 摄像机.镜头.云台等) 四部分组成.摄像机采集的现场视频信息经网络编解码器数字化后输出至接入/ 交换设备的网络接口板，然后再经接入/ 交换设备进入干线网传输.用户终端经授权后可进行查看，控制终端的控制信号经接入/ 交换设备.网络编解码器送至解码前端设备解码器，经解码器解码后实现对前端设备的控制.

因监视前端设备采用的是分布化接入.分布式处理，故大大降低了网络化数字视频监控系统主机的工作量.同时，因为系统的开放性，交换子网和资源子网相互独立，交换子网为资源子网提供开放的接口，这也为后期监控系统的可扩展性提供了无限的可能性.

2 基于POE 技术的船用网络监控系统设计

针对目前传统监控系统的以上特点，结合目前成熟的POE 技术应用，下面提出了一种面向船用的新型的网络视频监控系统的硬件系统设计方案.

系统硬件设备主要包含前端设备( 室内一体机.室外云台.室外摄像机.防护罩等).接入/ 交换设备.系统主机和多用户终端四大部分;系统组成如图3 所示.

根据图3 所示，室外摄像云台一体机以及室内摄像云台一体机的供电由带POE 功能的接入/ 交换设备提供，云台及摄像机的控制由用户显示控制终端或主机通过网络接口送至接入/ 交换设备，进入干线，然后经交换设备内的路由选择.传输后输出至相应的接入/ 交换设备网络接口板，再经对应前端设备识别后输出至相应前端设备.由室内外摄像机采集的视频信息经前端设备编解码器数字化后经网络接口输出至接入/ 交换设备，然后再经接入/ 交换设备入干线，用户显示控制终端经授权后可进行查看.下面简要描述系统各主要分机的设计原理.[!--empirenews.page--]

2.1 前端设备设计原理

前端设备主要分为室内和室外两种类型：室内型前端设备主要由摄像云台一体机和前端设备编解码器组成;室外型的前端设备主要由前端设备编解码器.摄像机.镜头.云台.护罩几部分组成.其中，除去前端设备编解码器需要自行设计外，其余部件可直接采购.前端设备编解码器为带PD 功能的编解码器，为了兼容，室内外前端设备采用同一型号的编解码器.考虑到室外设备的防风性，云台的最大载重设计为5 kg,最大功率为30 W;摄像机和镜头功率约为15 W,因此供电端最大功率45 W即可满足要求.本设计采用MAX5986 作为以太网供电的控制器，其可提供单端最大70 W的功率输出，可满足室内外前端设备的供电需求.图4 所示是前端设备编解码器的设计原理图.

如图4 所示， 前端设备编解码器主要由视频AD(TVP5158).DSP 视频处理芯片TMS320DM6467.PD 取电电路(MAX5986 电路) 以及DC-DC 电路几部分组成.

来自摄像机的复合视频信号经视频AD(TVP5158) 采样变换后经总线输出至DSP( 本设计采用的TMS320DM6467 为DSP+ARM9 架构的数字媒体片上系统，是TI 公司的一款新型达芬奇技术数字媒体处理器)，经其进行相应格式的压缩编码后输出，然后经DSP 片上系统集成的以太网外设发往接入/交换设备，经其进入干线传输.用户显示及控制终端的控制信息经接入/ 交换设备的带POE 功能的网络接口板发送至前端设备的物理网络接口，一路由MAX5986 进行取电.DC-DC变换为编解码器.摄像机.镜头.云台等设备供电;一路进入DSP,由其片上集成的ARM9 处理器进行控制实现数据解码，实现对摄像机.云台.镜头的控制.其中，调试键盘为前端设备单独调试时使用.

2.2 监视系统主机原理

监视系统主机主要完成前端设备的录像.其他设备视频信号的接入.整个监视系统的监视及管理等工作.主要由一台工控机.视频采集及处理卡.大屏幕监视电视墙和硬盘阵列式长时录像机等几部分组成.均可通过采购部件解决，主机通过安装视频监控软件实现对监控系统的控制及管理.

2.3 接入/ 交换设备POE 供电网络接口板设计原理

接入/ 交换设备POE 供电网络接口板原理图如图5 所示.

如图5 所示，网络接入/ 交换设备网络接口板主要实现前端设备的网络接入及用户终端和前端设备间的网络交换功能.网络接口板主要由交换控制芯片VT6510.2M 的SGRAM 缓存.POE 供电控制芯片MAX5982.微控制器STM32F103 及相关外围器件组成.其中，VT6510 交换芯片整合了8 个10/100 Mb/s 交换口及 2 个 Gigabit 交换口为单一控制芯片，符合最新的 IEEE 网标准，包括 802.3x 流量控制.VLAN 功能.高效能交换引擎及 IP 多点传送功能，可完成8 口的10M/100M自适应网络无阻塞交换.存储转发.

E2PROM 主要用于保存交换设备的配置数据，在设备开机或者复位时，设备将从E2PROM 读出这些数据，用于系统初始化.微控制器采用ARM7 架构的STM32F103,主要完成对寄存器的读写和与PC 之间的通信，可以将网络接口板配成各种工作模式，以满足不同用户的需求.MAX5982 为POE供电控制芯片，其与整流稳压电路配合完成PSE 设备功能.

3 结 语

综上所述，基于POE 技术的网络视频监控系统具有数字化.智能化.自动化和网络化等特点，其良好的扩充性.可管理性以及易于与其他系统的集成等诸多优点，使其大大地简化和提高了信息传递的方式和速度.随着网络技术和计算机技术的不断发展，基于POE 技术和视频交换技术的网络视频监控系统将会成为船监控系统的新标准.