安防系統(tǒng)中的常用網(wǎng)絡

    隨著全球安防監(jiān)控產業(yè)需求和相關技術的迅猛發(fā)展，數(shù)字圖像壓縮處理、流媒體技術、計算機網(wǎng)絡通信、自動控制技術、智能報警技術、人工智能技術等已在安防領域得到廣泛應用。在現(xiàn)代安防系統(tǒng)中，網(wǎng)絡傳輸技術是實現(xiàn)各種安防設備集成應用的基礎。采用合適的網(wǎng)絡傳輸技術，既可以降低安防工程的施工成本，也可以構建規(guī)模更大的安防網(wǎng)絡系統(tǒng)。

    安防監(jiān)控系統(tǒng)中的網(wǎng)絡傳輸主要用途是電源傳輸、信號傳輸，甚至二者結合傳輸。一般提到網(wǎng)絡傳輸首先考慮的是信號傳輸，信號傳輸基礎是“信道”。信道：傳輸信息的必經(jīng)之路稱為“信道”。 從信道的傳輸介質來分，信道可以分為有線與無線信道，而按其頻率來劃分，可以分為窄帶、話音頻帶、寬帶。如果從它所傳輸?shù)男盘栴愋蛠矸郑�又有�?shù)字信道與模擬信道的概念。通常網(wǎng)絡的拓撲結構有總線型、星型、環(huán)型、樹型。

    總線型拓撲結構采用一個專用信道作為傳輸媒體，所有站點都通過相應的硬件接口直接連到這一公共傳輸媒體上。總線型結構的優(yōu)點是結構簡單、易于擴充。總線型結構的缺點是傳輸距離有限、故障診斷和隔離較困難、實時性較差。

    星型拓撲結構由中心節(jié)點和通過通信鏈路接到中心節(jié)點的各個端節(jié)點組成。星型結構的優(yōu)點是故障診斷和隔離容易、便于管理。星型結構的缺點是中心節(jié)點負擔較重，容易形成瓶頸，傳輸信道的安裝調試工作量較大。

    環(huán)型拓撲結構由節(jié)點和連接節(jié)點的鏈路組成一個閉合環(huán)。環(huán)型結構的優(yōu)點是傳輸所需的物理媒介(電纜、光纖等)消耗較少，便于擴充。環(huán)型結構的缺點是節(jié)點故障會引起全網(wǎng)故障，信道利用率較低。

    樹型拓撲結構由從總線拓撲演變而來，形狀類似一棵樹。樹型結構的優(yōu)點是故障隔離較容易，便于擴充。樹型結構的缺點是子節(jié)點對父節(jié)點、根節(jié)點的依賴性較大。

    典型的安防傳輸網(wǎng)絡有視頻信號網(wǎng)、以太網(wǎng)、RS-232/485/422串行總線等等，下面將就一些典型的網(wǎng)絡結構結合實際應用分析。

RS-485串型總線型網(wǎng)絡

    幾乎所有做過安防系統(tǒng)工程安裝調試的技術人員對RS-485串型總線都不會陌生，基本上絕大多數(shù)的攝像機云臺、鏡頭控制都是通過RS-485總線完成控制的，采用RS-485通信方式具有布線成本低、施工調試方便等顯著優(yōu)點。

    RS-232、RS-422、RS-485都是串行數(shù)據(jù)接口標準，由電子工業(yè)協(xié)會(EIA)制訂并發(fā)布。RS-232于1962年發(fā)布，最初命名為EIA-232-E，作為一項工業(yè)標準來保證不同廠家產品之間的兼容。RS-422由RS-232發(fā)展而來，主要為彌補RS-232之不足而提出。為改進RS-232通信距離短、速率低的缺點，RS-422定義了一種平衡通信接口，將傳輸速率提高到10Mb/s，傳輸距離延長到4000英尺(速率低于100kb/s時),并允許在一條平衡總線上連接最多10個接收器。RS-422是一種單機發(fā)送、多機接收的單向、平衡傳輸規(guī)范,被命名為TIA/EIA-422-A標準。為擴展應用范圍，EIA于1983年在RS-422基礎上制定了RS-485標準，增加了多點、雙向通信能力，允許多個發(fā)送器連接到同一條總線上，同時增加了發(fā)送器的驅動能力和沖突保護特性，擴展了總線共模范圍，后命名為TIA/EIA-485-A標準。由于EIA提出的建議標準都是以“RS”作為前綴，所以習慣將上述標準以RS作前綴稱謂。

    RS-485標準只對接口的電氣特性做出規(guī)定，不涉及接插件、電纜或協(xié)議，在此基礎上用戶可以建立自己的高層通信協(xié)議。因此對于在安防的應用，許多廠家都建立了一套高層通信協(xié)議，一般作為私有協(xié)議或公開使用。國內的安防設備廠家大多采用標準RS-485串行通信協(xié)議方式，國外廠家大多采用曼切斯特(Manchester)編/解碼協(xié)議方式通信。

    1、RS-485電氣規(guī)定

    RS-485一般采用兩線平衡差分信號傳輸，兩條通信線上的信號極性正好相反。通常安防工程中采用的傳輸介質是雙絞線。采用雙絞線傳輸可以有效減少高速率長距離傳輸數(shù)字信號時常見的輻射電磁干擾(radiated EMI)和接收電磁干擾(received EMI)。RS-485與RS-422一樣，其最大傳輸距離約為1219米，最大傳輸速率為10Mb/s。平衡雙絞線的長度與傳輸速率成反比，在100kb/s速率以下，才可能使用規(guī)定最長的電纜長度。只有在很短的距離下才能獲得最高速率傳輸。一般100米長雙絞線最大傳輸速率僅為1Mb/s。

    輻射電磁干擾：數(shù)字信號傳輸時的上升沿和下降沿處集中了信號的高頻分量，這些高頻分量在長線傳輸時會產生較強的輻射電磁干擾。使用雙絞線時，兩條線上的輻射幅度相等，極性相反，凈輻射為零。

    接收電磁干擾：傳輸電纜同時相當于接收天線，會接收到空間的雜散信號(噪聲)，會對有用的485通信信號造成干擾。雙絞線防止了平衡傳輸時的電磁輻射，也就減少了接收電磁干擾的可能。同時雙絞線上接收的噪聲幾乎是一樣的(這種噪聲叫共模噪聲)。RS-485接收器只尋找兩條線上形狀相同極性相反的信號。因此噪聲信號不會被接收。

    2、RS-485總線匹配電阻

    RS-485總線方式采用一條雙絞線電纜作總線，將各個節(jié)點串接起來，從總線到每個節(jié)點的引出線長度應盡量短，以便使引出線中的反射信號對總線信號的影響最低。網(wǎng)絡連接盡管不正確，在短距離、低速率仍可能正常工作，但隨著通信距離的延長或通信速率的提高，其不良影響會越來越嚴重，主要原因是信號在各支路末端反射后與原信號疊加，會造成信號質量下降。

    因此，一般在RS-485總線電纜的開始和末端都需要并接終接電阻，一般在300米以下短距離傳輸時可不需終接電阻終接電阻阻值一般為120Ω。這種匹配方法簡單有效，但有一個缺點，匹配電阻要消耗較大功率，對于功耗限制比較嚴格的系統(tǒng)不太適合。采用RC匹配(電阻、電容匹配)、二極管匹配等方法通過節(jié)能和削弱反射信號，可解決由于功率消耗導致的信號弱現(xiàn)象。

    3、RS-485總線接地問題

    電子系統(tǒng)的接地非常重要、不容被忽視。RS-485總線接地系統(tǒng)不合理會影響整個網(wǎng)絡的穩(wěn)定性，尤其是在工作環(huán)境比較惡劣和傳輸距離較遠的情況下，對于接地的要求更為嚴格，否則接口損壞率較高。很多實際的應用中，連接RS-485通信鏈路時只是簡單地用一對雙絞線將各個接口的“A”、“B”端連接起來。而忽略了信號地的連接，這種連接方法在許多場合是能正常工作的，但卻埋下了很大的問題隱患，會帶來共模干擾問題、電磁干擾(EMI)問題。

    1)共模干擾問題： RS-485接口均采用差分方式傳輸信號方式，并不需要相對于某個參照點來檢測信號，系統(tǒng)只需檢測兩線之間的電位差就可以了。但人們往往忽視了收發(fā)器有一定的共模電壓范圍，RS-485收發(fā)器共模電壓范圍為-7～+12V，當網(wǎng)絡線路中共模電壓超出此范圍時就會影響通信的穩(wěn)定可靠，甚至損壞接口。地電位差可能會有很大幅度，并可能伴有強干擾信號，致使接收器共模輸入電壓超出正常范圍，并在傳輸線路上產生干擾電流，輕則影響正常通信，重則損壞通信接口電路。

    2)電磁干擾(EMI)問題：發(fā)送驅動器輸出信號中的共模部分需要一個返回通路，如沒有一個低阻的返回通道(信號地)，就會以輻射的形式返回源端，整個總線就會像一個巨大的天線向外輻射電磁波。

    由于上述原因，RS-422、RS-485盡管采用差分平衡傳輸方式，但對整個RS-422或RS-485網(wǎng)絡，必須有一條低阻的信號地。通過信號地將兩個接口的工作地連接起來，使共模干擾電壓被短路。這條信號地可以是額外的一條線(非屏蔽雙絞線)，或者是屏蔽雙絞線的屏蔽層。

    4、RS-485總線瞬態(tài)保護

    信號接地措施，針對低頻率的共模干擾有保護作用，對于頻率很高的瞬態(tài)干擾就無能為力了。由于傳輸線對高頻信號相當于電感，因此對于高頻瞬態(tài)干擾，接地線實際等同于開路。這樣的瞬態(tài)干擾雖然持續(xù)時間短暫，但可能會有成百上千伏的電壓。 實際應用環(huán)境下還是存在高頻瞬態(tài)干擾的可能。一般在切換大功率感性負載如變壓器、繼電器等或閃電過程中都會產生幅度很高的瞬態(tài)干擾，如果不加以適當防護就會損壞RS-485通信接口。對于這種瞬態(tài)干擾可以采用隔離或旁路的方法加以防護。主要有隔離保護、旁路保護等方法可以實現(xiàn)有效的瞬態(tài)保護。

    1)隔離保護方法。這種方案實際上將瞬態(tài)高壓轉移到隔離接口中的電隔離層上，由于隔離層的高絕緣電阻，不會產生損害性的浪涌電流，起到保護接口的作用。通常采用高頻變壓器、光耦等元件實現(xiàn)接口的電氣隔離。

    2)旁路保護方法。這種方案利用瞬態(tài)抑制元件(如TVS、MOV、氣體放電管等)將危害性的瞬態(tài)能量旁路到大地，優(yōu)點是成本較低，缺點是保護能力有限，只能保護一定能量以內的瞬態(tài)干擾，持續(xù)時間不能很長，而且需要有一條良好的連接大地的通道，實現(xiàn)起來比較困難。實際應用中是將上述兩種方案結合起來靈活加以運用。

    5、RS-485總線安防應用總結

    在很多實際安防工程應用中，由于總線結構不合理導致匹配阻抗問題，引起很多終端設備無法通訊，例如：在同一個RS-485總線上的部分攝像機不可控。針對典型安防工程中出現(xiàn)的一些情況，給出以下建議：

    1)RS-485總線結構盡可能采用類菊花鏈型串接，如果是星型結構要采用RS485Hub來匯聚;

    2)在總線的起始端和末端要添加120Ω匹配電阻，降低信號反射干擾;

    3)要選用帶RS485瞬態(tài)保護電路的安防設備，降低設備故障的概率;

    4)采用屏蔽雙絞線的屏蔽層作為地線，或者額外敷設一條地線來達到系統(tǒng)信號地共地。

快速以太網(wǎng)(FastEthernet)

快速以太網(wǎng)(Fast Ethernet)

    以太網(wǎng)是Xerox公司發(fā)明的基帶LAN標準。它采用帶沖突檢測的載波監(jiān)聽多路訪問協(xié)議(CSMA/CD)，最初的設計速率為10Mbps，傳輸介質為同軸電纜。以太網(wǎng)是在20世紀70年代為解決網(wǎng)絡中零散和偶然的堵塞而開發(fā)的，而IEEE802.3標準是在最初的以太網(wǎng)技術基礎上于1980年開發(fā)成功的。現(xiàn)在，以太網(wǎng)一詞泛指所有采用CSMA/CD協(xié)議的局域網(wǎng)。以太網(wǎng)2.0版由數(shù)字設備公司、Intel公司和Xerox公司聯(lián)合開發(fā)，它與IEEE802.3兼容。

    在基于廣播的以太網(wǎng)中，所有的工作站都可以收到發(fā)送到網(wǎng)上的信息幀。每個工作站都要確認該信息幀是不是發(fā)送給自己的，一旦確認是發(fā)給自己的，就將它發(fā)送到高一層的協(xié)議層。在采用CSMA/CD傳輸介質訪問的以太網(wǎng)中，任何一個CSMA/CD工作站在任何一時刻都可以訪問網(wǎng)絡。發(fā)送數(shù)據(jù)前，工作站要偵聽網(wǎng)絡是否堵塞，只有檢測到網(wǎng)絡空閑時，工作站才能發(fā)送數(shù)據(jù)。在基于競爭的以太網(wǎng)中，只要網(wǎng)絡空閑，任一工作站均可發(fā)送數(shù)據(jù)。當兩個工作站發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡空閑而同時發(fā)出數(shù)據(jù)時，就發(fā)生沖突。這時，兩個傳送操作都遭到破壞，工作站必須在一定時間后重發(fā)，何時重發(fā)由延時算法決定。

    所有的以太網(wǎng)都遵循IEEE 802.3標準。以太網(wǎng)主要有兩種傳輸介質，分別是雙絞線和同軸電纜。以100Base-T標準為例，前面的數(shù)字表示傳輸速度，單位是“Mbps”，Base表示“基帶”的意思，T表示采用雙絞線傳輸。在很多安防工程應用中，采用5類線纜構成局域網(wǎng)，實現(xiàn)100Mbps快速以太網(wǎng)已成為典型應用。

安防監(jiān)控中的流媒體監(jiān)控應用

    在以視頻監(jiān)控為主的安防監(jiān)控系統(tǒng)中，IP監(jiān)控正成為主流趨勢，通過計算機網(wǎng)絡技術、流媒體技術，網(wǎng)絡化監(jiān)控打破了地域的限制，基于國際互聯(lián)網(wǎng)的應用也越來越多。

    1、安防流媒體監(jiān)控總體要求

    因為流媒體信號是交互的、互動的，因此對網(wǎng)絡提出了以下的應用要求：

    1)吞吐(Throughtput)的要求：是指對高傳輸帶寬、大存儲緩沖帶寬的要求和對流量的控制。

    2)可靠性的要求：適當?shù)臄?shù)據(jù)丟失不會過多影響視頻播出的實際效果。��

    3)網(wǎng)絡延時要求：對網(wǎng)絡延時、抖動要求較高，因為多媒體視頻流對網(wǎng)絡傳輸延時和抖動比較敏感。如傳輸?shù)囊曨l信號與音頻信號必須同步等。��

    因此，通過對網(wǎng)絡結構的優(yōu)化和調整對完成良好的流媒體監(jiān)控十分必要，主要可采取以下措施：

    1)如果條件允許，為安防流媒體監(jiān)控建立專門的傳輸網(wǎng)絡可大大提高系統(tǒng)穩(wěn)定性、安全性。

    2)網(wǎng)絡交換設備支持組播功能，流媒體數(shù)據(jù)采用組播形式在網(wǎng)絡內傳輸，可減少一定數(shù)量的轉發(fā)服務器，降低網(wǎng)絡骨干的傳輸壓力;同時應用軟件系統(tǒng)可更加健壯，避免TCP、UDP傳輸會話異常斷開時回收工作帶來的資源浪費。

    3)網(wǎng)絡交換設備如支持QOS(服務質量)控制將縮短云鏡控制延時、流媒體傳輸延時，一般認為此類延時控制在1秒以內是非常必要的，否則操作者將感覺操作不便。

    4)使用多級網(wǎng)絡結構，通過劃分不同的核心交換機、骨干交換機、接入交換機來實現(xiàn)層次化的應用。