摘要：隨著電力系統(tǒng)自動化水平的日益提高，人們對變電站監(jiān)控系統(tǒng)提出了越來越高的要求。結合變電站現(xiàn)場的實際需求，以及對嵌入式系統(tǒng)Wince和WiFi技術研究的基礎上，文章提出了一套無線視頻傳輸系統(tǒng)。包括論述了系統(tǒng)各組成部分、涉及到的關鍵性技術問題，并驗證了系統(tǒng)設計的正確性。研究的成果為WiFi無線網(wǎng)絡應用于電力系統(tǒng)遠程視頻監(jiān)控奠定了基礎。
關鍵詞：WiFi；DirectShow；Wince；移動終端；監(jiān)控系統(tǒng)
0 引言
隨著電力體制改革的深入發(fā)展，國家電網(wǎng)為了提高經(jīng)濟效益，提高勞動生產(chǎn)率，都準備在各變電站實行無人值守。而如今計算機技術、網(wǎng)絡技術、以及多媒體技術的高速發(fā)展使得這種通過網(wǎng)絡實遠程視頻監(jiān)控系統(tǒng)的搭建成為可能。
傳統(tǒng)的監(jiān)控系統(tǒng)大部分都需要接入有線網(wǎng)絡才能實現(xiàn)監(jiān)控的功能，在空間和傳輸方式上有一點局限性，監(jiān)控設備不可能面面俱到。一旦由于自然災害、操作不當、設備老化等問題造成電力事故，而發(fā)生故障的地點是不確定的，搶修人員到達現(xiàn)場后，經(jīng)常由于沒有適合的監(jiān)控管理設備，致使搶修指揮中心無法及時、準確地采集、存儲和監(jiān)管操作現(xiàn)場的實時信息。
隨著WiFi等無線技術的發(fā)展及普及，使得無線傳輸視頻數(shù)據(jù)成為可能。利用無線網(wǎng)絡的便捷性，現(xiàn)場可以隨時隨地將視頻傳輸?shù)街笓]中心，從而更好地與現(xiàn)場進行交互。基于目前電力監(jiān)控系統(tǒng)對這一領域市場的強烈需求，提出設計和開發(fā)出一套便攜式視頻傳輸系統(tǒng)。
1 系統(tǒng)架構介紹
1．1 系統(tǒng)組成
本系統(tǒng)大致可分為三個部分：無線移動終端、WiFi無線傳輸網(wǎng)絡和監(jiān)控平臺，采用C／S架構。如圖1所示。
(1)無線移動終端。無線移動終端是一部類似于PDA的手持設備，使用靈活、方便。設備自帶攝像頭、WiFi通信模塊等。終端客戶端軟件主要功能包括：視頻信號的采集、預覽、傳輸、拍照；系統(tǒng)參數(shù)的設置(如時間、背光等)；攝像頭參數(shù)設置(如亮度、飽和度等)。移動終端軟件涉及的功能比較多，實現(xiàn)難度比較大，是本文討論的重點。
(2)WiFi無線網(wǎng)絡。視頻信號采集后，經(jīng)過相應的視頻編碼技術處理，將數(shù)據(jù)通過WiFi無線網(wǎng)絡傳輸?shù)奖O(jiān)控平臺，實時顯示和播放。
(3)監(jiān)控平臺。該監(jiān)控平臺是一臺PC服務器。
通過安裝監(jiān)控軟件可以實時監(jiān)視移動終端傳過來的視頻畫面并保存。
1．2 系統(tǒng)研究的技術基礎
(1)DirectShow技術。DirectShow是DircctX中的一員，它為Windows平臺上處理各種格式的媒體文件播放、音視頻采集等高性能要求的多媒體應用提供了完整的解決方案。
在DirectShow的開發(fā)技術中，比較重要的一個概念就是過濾器(Filter)，過濾器處于DirectShow技術的核心地位，一個基于DirectShow的程序的核心功能都是由若干個過濾器實現(xiàn)的，過濾器大致分三種，分別是源過濾器(Source filter)、變換過濾器(Transform filter)、表現(xiàn)過濾器(Render filter)，在一個具體的應用中，這三種過濾器構成了一個過濾器圖(Filter graph)，由一個過濾器圖管理器(Filtcr grap hmanager)來管理這個圖表中的所有過濾器，應用程序則通過事件和命令來和過濾器圖管理器打交道，從而控制所有的功能。DirectShow的體系框架如圖2所示。
(2)WiFi通信技術。WiFi全稱Wireless Fidelity，又稱802．11b標準，是1EEE定義的一個無線網(wǎng)絡通信的工業(yè)標準(IEE 802．11)。WiFi無線傳輸技術優(yōu)勢體現(xiàn)在：
·架設方便，免去了現(xiàn)場長工期的布線安裝工程。
·覆蓋范圍廣，WiFi的半徑可達300feet左右，約合100m。一般只需安裝一個或多個AP設備，就可以解決現(xiàn)場的網(wǎng)絡通信問題，根據(jù)實際測得的經(jīng)驗，現(xiàn)場一般間隔30m安裝一個AP。
投資經(jīng)濟。有線網(wǎng)絡的固有缺點就是缺乏靈活性，在有線接入網(wǎng)規(guī)劃中，考慮到未來的發(fā)展，大量的超前投資往往會出現(xiàn)線路利用率低的情況。而WiFi的規(guī)劃就可以隨著用戶的增加而逐步擴展，而不需要重新布線，具有較強的經(jīng)濟性。
·傳輸速度快，最高可達到54Mbit／s，完全滿足視頻數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊蟆?/p>
(3)視頻編解碼技術。通過移動終端攝像頭采集的視頻圖像數(shù)據(jù)是相當龐大的，如不經(jīng)過壓縮處理，要想對一幀原始視頻圖像進行數(shù)字化傳輸?shù)脑?如本系統(tǒng)攝像頭輸出視頻像素格式為320×240，每個像素占用16bit，速度為每秒30幀)則要求傳輸能力要達到320×240×16×30= 35．16Mbit／s。所以未壓縮的視頻在一般的通信網(wǎng)絡上傳輸?shù)氖菬o法想象的。
所謂視頻編碼技術就是指通過特定的壓縮技術，將原始的視頻流轉換成另一種視頻流的方式。目前視頻流傳輸中最為重要的編解碼標準有ITU的H．263、H．264，ISO運動圖像專家組的MPEG系列標準，此外在互聯(lián)網(wǎng)上被廣泛應用的還有Real-Networks的Real Video、微軟公司的WMV以及Apple公司的QuickTime等。
2 系統(tǒng)實現(xiàn)
2．1 無線移動終端
2．1．1 硬件設計
移動終端采用Wince操作系統(tǒng)，硬件平臺基于TI的OMAP3530嵌入式高端CPU，主頻可達600MHz。系統(tǒng)硬件架構如圖3所示。
2. 1．2 客戶端軟件設計
客戶端軟件設計是無線視頻系統(tǒng)最重要的部分，也是實現(xiàn)的難點。軟件采用MFC編寫工具，基于DirectShow框架的實現(xiàn)方式，主要包括以下幾個功能：
(1)系統(tǒng)參數(shù)設置模塊實現(xiàn)方法。
·系統(tǒng)背光調節(jié)。系統(tǒng)的背光調節(jié)功能主要由Wince系統(tǒng)的電源管理模塊以及背光驅動程序相互作用實現(xiàn)的。提供如設置背光的亮度、無人機交互情況下何時自動關閉背光等。
視頻文件存放路徑。考慮到實際工作環(huán)境下，視頻實時保存的路徑可能是flash路徑或者是SD卡路徑，這就涉及到文件路徑的設置。實現(xiàn)方式為：默認情況下為flash的存儲路徑(＼ResidentFlash)，如果flash的空間很小且有SD卡的情況下，建議設置為SD卡路徑(＼Storage Card)。下次開機后顯示為上次保存的路徑。
·系統(tǒng)時間設置。系統(tǒng)時間的顯示和設置是通過調用wince系統(tǒng)自帶的時間設置程序。
(2)視頻控制模塊實現(xiàn)方法。
構建正確的Filter Graph是基于DirectShow軟件開發(fā)成功的關鍵。構建好Graph之后，接下來就利用DirectShow組件提供的相關接口函數(shù)把圖中所有的Filter都加入進去，連接相連Filter的Pin(Pin是DirectShow中多媒體信息藉以流經(jīng)的單元，數(shù)據(jù)在Graph中流動是通過各個Fil ter導出的Pin來支持的)，最后啟動Graph。
·視頻數(shù)據(jù)實時傳輸。移動終端攝像頭采集的原始視頻數(shù)據(jù)經(jīng)過H264編碼壓縮后，通過TCP／IP網(wǎng)絡傳輸?shù)竭h方監(jiān)控平臺。構建如下Fil ter Graph：
·視頻數(shù)據(jù)本地實時預覽。工作人員不僅要將現(xiàn)場捕獲的視頻圖像實時傳送到指揮中心，還需要本地可以實時顯示當前的畫面，從而保證圖像的一致性。建構如下Filter Graph：
·即時拍照功能。現(xiàn)場的情況錯綜復雜，環(huán)境也千差萬別，可能由于在夜間施工，光線太暗，導致視頻質量不佳；或者需要對現(xiàn)場某一故障設備進行詳細觀察，這時就需要拍照功能。移動終端采用高分辨率攝像頭(OV3640，像素300萬，帶有閃光燈)，拍下來的畫面非常清晰，完全滿足使用要求。Filter Graph構建如下：
軟件開發(fā)過程當中，會涉及到許多的Filter，它們分別對應唯一的GUID標識，表1列出了主要的Filter名稱以及功能簡要說明：
2．2 監(jiān)控平臺
PC服務器端監(jiān)控軟件的實現(xiàn)相對容易，實現(xiàn)功能比較簡單。主要包括視頻數(shù)據(jù)的解壓等。相關Filter Graph的建立參考無線移動終端部分，這里不再贅述。
3 測試與驗證
為測試系統(tǒng)的可行性及正確性，搭建如下測試平臺：手持移動終端一臺、無線路由器(也就是AP)一臺、PC機一臺(服務器)。無線路由器和PC服務器在局域網(wǎng)內。測試平臺實物圖如下：
3．1 視頻無線實時傳輸顯示
測試過程如下：
首先分別運行無線終端客戶端軟件(如圖8)，以及PC端服務器監(jiān)控軟件，這時監(jiān)控軟件處于等待客戶端連接狀態(tài)。
設置移動終端WiFi連接；開啟DHCP功能，連接AP(如圖9)。
AP連接成功之后，會自動分配一個IP地址(如圖10)。
·建立TCP／IP連接，成功之后，傳輸視頻數(shù)據(jù)。
測試效果如圖11所示。
實際測試過程中，以AP為中心，在有效的范圍內(大約50m)隨意走動，視頻都能夠流暢地傳輸顯示，達到了現(xiàn)場的使用范圍要求。
4 結論
當前，隨著嵌入式技術、數(shù)字視頻以及無線網(wǎng)絡技術的飛速發(fā)展，視頻監(jiān)控技術也日趨成熟，并成功運用于電力系統(tǒng)自動化領域。本文設計和開發(fā)了基于嵌入式系統(tǒng)Wince和WiFi無線技術的便攜式視頻傳輸系統(tǒng)，有如下特點：依靠手持終端，隨時隨地采集和傳輸現(xiàn)場圖像，突出便攜性；采用WiFi無線技術，方便快捷；使用TCP／IP協(xié)議傳輸視頻數(shù)據(jù)，保證了傳輸?shù)目煽啃浴?/p>
隨著無線傳輸技術在視頻監(jiān)控系統(tǒng)中的成熟應用，必將增強電力運行的安全和可靠性，對社會經(jīng)濟的發(fā)展起重要的作用。 
