变电站集中视频监控系统设备远程配置设计与实现.docx

变电站集中视频监控系统设备远程配置设计与实现摘要随着电力系统的飞速发展，电力系统的传输电压等级不断提高，传输参数以及继电保护设备数量也在飞速增长。视频监控也成了电力系统预防故障的一个重要手段，可以预防许多人为故障以及重要设备表面老化故障。本文对电力系统视频监控系统的发展、组成和功能等进行介绍。视频监控系统的发展也离不开计算机处理水平相应设备及技术的发展，现代的视频监控系统依托于网络通过缆线传输实时监控画面，这也对网络传输技术提出了一定要求。本次毕业设计我的工作主要集中在视频设备参数的远程配置，通过调用SDK来实现网络参数、视频参数的配置。并且与同组同学共同学习了socket套接字实现了客户端与服务端的通信与数据传输。本论文以SDK调用为重点，实现了视频参数的配置。关键词 视频监控，SDK调用，参数配置AbstractWith the rapid development of power system, the transmission voltage level of power system is increasing, the transmission parameters and the number of relay protection devices are increasing rapidly.Video surveillance has also become an important means of power system fault prevention, can prevent many human failure and important equipment surface aging failure.This paper introduces the development, composition and function of the video monitoring system of power system.video monitoring system development is inseparable from the computer processing level of the corresponding equipment and technology development, the modern video surveillance system transmit real-time monitoring screen through cable on the network, which also propose more requirements to the network transmission technology.This graduation project my work focus on remote configuration of the video equipment parameters, through the call SDK to achieve network parameters, video parameters of the configuration.And focus on the study of socket to achieve the client and server communication and data transmission with mumbers.This thesis focuses on the SDK call to achieve the configuration of the video parameters.Keywords Video surveillance, SDK call, Parameter configuration目录摘要·····························································································································Abstract·····················································································································1 绪论···························································································································11.1 研究背景················································································································11.2 国内外研究现状····································································································12 变电站视频监控系统·······························································································32.1 视频监控系统的发展····························································································32.2 视频监控系统的功能和组成················································································53 软件开发平台与开发工具·······················································································83.1 C+语言··················································································································83.2 Visual C+开发工具·······························································································93.3 SDK调用················································································································93.4 MySQL数据库·······································································································103.5 Navicat for MySQL 数据库可视化工具·····························································113.6 软件安装中出现的问题及解决··········································································124 视频监控系统的网络传输技术·············································································144.1 视频图像压缩技术······························································································144.2 视频压缩编码的发展··························································································144.3 H.264视频编解码标准·························································································164.4 网络传输介质······································································································194.5 TCP/IP网络通信协议···························································································204.6 socket通信技术····································································································225 服务端与客户端设计·····························································································245.1 概述······················································································································245.2 服务端程序设计··································································································255.3 远程参数配置模块实现······················································································285.4 客户端程序设计··································································································30总结·····························································································································34致谢·····························································································································35参考文献·····················································································································35附录外文翻译原文·································································································37附录外文翻译·········································································································43附录 部分代码·······································································································48V 变电站集中视频监控系统设备远程配置设计与实现第1章 绪论1.1 背景近年来，随着电力系统的飞速发展，电压等级越来越高，电力系统越来越复杂。传统的RTU（远程终端单元）四遥：遥测，遥信，遥调，遥控，已经越来越无法满足SCADA（数据采集与监控控制系统）的满足。现在110KV以下的变电站已逐渐变得少人或无人值守，变电站监控系统的发展与逐渐完善是随着电力系统的发展而发展的。而仅凭传统的四遥来实现变电站的无人值守，几乎是无法令人放心的。传统的电力系统监控是通过互感器采集电气量，把电气量传送到监控室上屏。然而事实是，若监控室能监控到异常时，继电保护设备已经动作但未起到作用或者保护失灵。监控室此事只能将事故段解列出电力系统以便于事故排查以及维护。这时我们就需要一种更好的保护方法，使电力设备初现故障倪端时就对其进行维护。传统的方法是安排人员巡查，但是人员巡查容易产生疏忽，或者出现问题时不能及时观察到而产生事故，这时我们就需要一种类似于人眼观测但是能长时间进行持续观察的方法视频监控。可以认为视频监控是RTU“四遥”之外的第五遥“遥视”。通过多个摄像头对重要的设备进行长期不间断的监控，监控被监控对象的外表状态，温度等。并且也可以用来监控一些人为的问题，如误操作，防火防盗等。视频监控系统发展至今可以归纳为三个阶段：模拟信号视频监控系统、数字信号视频监控系统，模拟与数字相结合的视频监控系统。1.2 国内外研究现状国外对于视频监控系统的研发较早，早在上世纪九十年代初就已经开发了以模拟信号为主的视频监控系统，而在20世纪末转入了以数字信号为主的的视频监控系统，之后发展到数字信号与模拟信号相结合并且与网络化相结合的视频监控系统。我国视频监控系统起步较晚，在2005年之前都是以发展模拟视频监控系统为主，之后三年发展到数字监控系统，在2009年后至今，都在发展网络化的视频监控系统。近年来，随着计算机处理能力的飞速发展，视频监控也蓬勃发展，人脸识别技术在视频监控中已不是一个构思，人脸识别技术已经能完全投入使用但依旧有许多不足仍需继续完善。在变电站视频监控中，巡检机器人的出现标志着视频监控系统的更进一步的发展。巡检机器人配备有红外摄像头，超高像素的摄像头等设备，能检查关键设备的外表状态，温度情况等，并将采集到的镜头信息传输到监控室实时播放及保存。他能够弥补一些人工巡查的失误，比如日复一日的观察很难察觉到设备状态的变化，而通过录像的对比很容易发现一些设备的表面损坏等。 图1-1 国网东善桥变电站智能巡检机器人如图1-1，是国网南京东善桥500KV变电站的智能巡检机器人，它装备有高像素摄像头，红外摄像头等，它能把拍摄到的画面实时传输到监控室并存储。 第2章 视频监控系统2.1 视频监控系统的发展2.1.1 第一代视频监控系统最初的第一代视频监控是采用了一对一的方式，即一台摄像机对应着一台相对的监视器，安装有有多少台摄像机就需要有多少台监视器。第一代视频监控被称为传统模拟闭路视频监视系统（CCTV）。之后出现了视频切换设备，改变了视频监控系统只能一台监视器对应一台摄像机的尴尬局面。此时的视频监视系统依旧处于只能监视而不能控制的阶段。随着单片机技术的飞速进步，模拟闭路监视系统又增加了一些功能如多路视频切换，摄像机云台控制等一些控制功能。这样的纯模拟的视频监控系统存在着大量的局限性：（1）传输线路受外界影响大，只能在小范围内进行视频传输；（2）受限于传输线路以及切换器容量，视频监控的可扩展性差；（3）视频的存储依靠录像带，录像带满载时需要更换，无法做到24小时连续监控，录像带不易于保存，极易丢失或被盗取，录像带的存放也是一个较大的问题；（4）录像质量低。 图2-1 模拟视频监控系统2.1.2 第二代视频监控系统到了20世纪90年代，得益于通信技术，计算机多媒体技术获得了相对较为快速的进步，人们依靠计算机对于数据的强大处理能力，较为显著的提升了对于视频信息的采集和处理能力，提高了视频录像的画面质量使视频监控系统的功能进一步发展。并且开发出了视频捕捉卡，并将其与计算机相结合。这种第二代视频监控系统大体模型是“模拟数字”系统。第二代视频监控系统基于多媒体技术的，以模拟信号为传输信息来输入信息，但是编码、视频播放和控制系统是依靠的数字信号。由于其核心设备基本都是数字设备所以人们称其为数字视频监控系统1。 图2-2 数字视频监控系统数字视频监控系统依旧存在着一些局限，每台摄像机都要安装单独的视频电缆，将导致后来的布线变得复杂，一台磁盘刻录机最多只能支持16台摄像头。磁盘的保存依旧会出现问题。2.1.3 第三代视频监控系统在20世纪90年代末到21世纪初，计算机处理能力，网络带宽和存储器的容量获得了长足的发展，同时出现了数量相当可观视频信息处理技术，视频监控进入了全数字化的网络时代，即数字多媒体视频监控系统。数字多媒体视频监控系统的IP摄像机都内置了Web服务器以及网络接口，这些摄像机生成的数字文件为JPEG或MPEG-4格式。用户远程访问Web服务器页面即可实现参数配置、远程控制以及图像监控等功能2。数字多媒体视频监控系统通过网络接口接入因特网后，其存储容量以及传输范围将不再受到限制。第三代视频监控系统不仅没有前两代视频监控系统的局限性反而还有着它的巨大优势，简便且易于控制，易于升级，可扩展性强，完全实现远程监控，可以使冗余的存储器获得利用3。 图2-3 数字多媒体视频监控系统21世纪初出现的嵌入式处理器，使高速大量的对音视频的编解码处理变得简单起来。与网络通信技术相结合，出现了集网络传输、本地存储、可编程图像/声音编解码和自动化为一体的嵌入式数字视频监控系统。可以满足视频监控系统发展的两大要求：网络化和数字化。2.1.4 第四代视频监控系统近几年来，出现的第四代视频监控系统是在第三代视频监控系统的基础上，结合图像处理、模式识别和计算机视觉技术等形成的智能视频监控系统。摄像机的拍摄画面质量越来越高，计算机处理能力的飞速提高，使得电脑可以自动分析画面，其强大的数据处理能力可以过滤掉画面中多余无用的信息，自动识别人、动物以及其他物体，并且抽取画面中的重要信息如车牌号等。智能视频监控系统可以智能的识别出人与物，比如人脸识别，车牌识别与记录。还可以进行运动轨迹的识别，这一技术可以应用到汽车自动驾驶技术上。还可以对视频环境的判断，如有人把摄像头的位置调偏（这时很常见的）可以自动调回去，又或者有人把摄像头镜头挡住之类的，可以实现对监控室的提醒。2.2 视频监控系统的组成及功能视频监控系统主要由由前端系统和终端系统两大部分组成，传输系统与终端系统通过传输系统进行通信。如图1-4所示，是一个基本的视频监控系统。由摄像机采集画面，经过解码器转换后通过传输线传输到监控室，若监控室由控制要求则可以通过控制线对摄像机进行控制。 图2-4 视频监控系统的组成2.2.1 前端系统前端系统包括：摄像机、云台、解码器、拾音器。摄像机是视频监控系统中最重要的部分，没有摄像机视频监控系统则无从谈起。监控用的摄像机的分辨率和像素比电脑摄像机高但是比专业的数码相机或数码摄像机低。从外形上主要分为枪型摄像机、半球摄像机、快速球形摄像机三种，枪型摄像机分为普通枪型摄像机和红外枪型摄像机。如图2-5所示，a)为枪型摄像机，b）为红外枪型摄像机，c）为半球摄像机，d）为高速球形摄像机。 图2-5 视频监控摄像机枪型摄像机室内室外都可以适应，用于监控固定的画面，但是可以将其安装在云台上以扩大监控范围。可以在摄像机上添加LED红外照明装置，可以使摄像机获得夜视功能，如图2-5b）就是红外监控摄像机，可以将其应用于夜间和无照明设备的场所。半球形摄像机安装于室内天花板上，由于其较小且不引人注意，具有美观和隐蔽的效果。快速球形摄像机又称为快球。它集摄像机，云台，解码器，快速变焦镜头于一体，可以实现全方位的监控。云台可以使摄像头移动，以此来实现更大范围的监控。解码器可以将输入的模拟信号转换并输出为数字信号，方便进一步的压缩和传输。拾音器就是采集声音信号别放大传输，一般的视频监控系统中不包含拾音器。2.2.2 传输系统传输系统包括：各种缆线。一般传输系统只是传输图像信号和控制信号，偶尔包含声音信号。对于传输系统来说最重要的是尽量保持原始信号不失真以及尽量减弱外界信号的干扰。目前多采用视频基带传输，若传输线路过长则采用光纤传说。2.2.3 终端系统终端设备包括：硬盘刻录机及显示设备、监控矩阵、存储设备、电视墙等。终端系统包括显示部分与控制部分。如今的监控室的显示都是以一个电视墙来同时显示多个画面，需要关注的画面会被监控人员切换到面前的显示器上来监视。监控人员可以通过控制摄像机的云台，以及摄像机的开/关来进行控制。第3章 软件开发平台与开发工具3.1 C+语言3.1.1计算机语言种类计算机语言的种类非常之多，大体上可以分为三大类：机器语言，汇编语言，高级语言。计算机所能识别的语言只有机器语言，但机器语言是由0和1构成的代码，非常不易于人们识别和记忆。而汇编语言实质上与机器语言是相同的，但其代码是由英文构成的标识符，都是直接对硬件进行操作的。汇编语言编出的文件相对于高级语言较小且执行速度很快。但是汇编语言的缺点是程序相对很长，复杂，比较容易出错。高级语言是相对与汇编语言来说的，它并不是一个具体的语言，它包含了很多语言，如：C/C+、Java、Basic等，这些语言各有不同。本次毕业设计就采用了C+高级语言。3.1.2 C+及其特点C+语言是一种高级语言，它是C语言的扩展，也是C语言的超集。C+是面向对象程序设计的高级语言。C+源程序设计好后要进行编译、连接生成可执行的程序文件，最后执行并且调试程序。C+源程序的扩展名是.cpp，将源程序进行编译，即将高级语言C+语言翻译成机器语言代码，编译后的程序扩展名为.obj。最后连接程序生成一个可执行文件，其扩展名为.exe。在C+中，类是一种结构化的数据类型，它是用来组织数据和函数的。类是将数据和数据操作函数结合在一个单元内的机制，类构成了C+面向对象程序设计的基础，是封装的基本单元。C+的软件复用功能之一是模块。C+既允许其用户构造函数模板，也允许用户构造类模板。模板是把函数或者类将要处理的数据类型参数化，使参数具有多态性。C+的一个重要功能是继承和派生。继承是面向对象程序设计可以复用代码的最重要的方法，它允许用户在保持原来的类的基础上进行扩展并增加新的功能。继承显现了面向对象程序设计的层次结构。呈现了一个由浅入深的认识过程。在C+中可以由一个类派出一个新类。通过继承可以对类进行分层，C+通过类的派生机制来支持继承。通过类派生出的新类也可以作为基类再继续派出更加新的类，以此形成了一个层次结构。继承反映了事物之间的联系，个性与共性间的关系。相对于独立设计而言，继承的工作量少，重复的部分可以从基类继承过来，不需要单独编程来实现功能。C+自带了一个标准库，称之为C+标准库，其包含了丰富的函数和类库等，在编程时可以直接使用，C+标准库的存在避免了重复劳动，大大提高了程序设计的效率。C+标准库包含了：STL（标准模板类库：Standard Template Library），C标准函数库，其他。3.2 Visual C+6.0开发工具Visual C+6.0是微软推出的Visual C+开发工具的6.0版本，Visual C+是微软的产品Visual Studio工具集的重要组成部分。Visual C+6.0可以在Windows的系统环境下开发应用程序，是一个功能齐全，高效率的可视化编程工具。Visual C+6.0提供了MFC类库，用户通过MFC类库可以很方便的开发出符合用户要求的功能。相对于其它的开发工具，Visual C+6.0完成功能目标要求花费的时间要少很多。Visual C+以可视化技术为基础，以C+语言为蓝本，以大量的可视化工具为骨架，让用户可以高效率的开发应用程序。3.3 SDK调用全程软件开发工具包（SDK：Software Development Kit）一般都是一些软件工程师为特定的软件包、软件框架、硬件平台、操作系统等建立应用软件时的开发工具的集合。它可以简单的为某个程序设计语言提供应用程序接口API的一些文件，但也可能包括能与某种嵌入式通讯的复杂的硬件。一般的工具包括用于调试和其他用途的实用工具。SDK 还经常包括示例代码、支持性的技术注解或者其他的为基本参考资料澄清疑点的支持文档4。本次毕业设计所用到的软件开发工具包是海康威视的SDK包。其中包含了网络通讯库、软件解码库、硬件解码库等功能部件。其文件名和功能组件如图所示： 图3-1 SDK主要功能组件该SDK的主要功能包括：1、图像预览；2、云台控制；3、语音对讲；4、解码卡远程升级；5、文件回放及下载；6、远程关闭/重启；7、参数配置等。海康威视的SDK包含了海康威视的各种功能函数，这些功能函数被封装在DLL（Dynamic Link Library）中。用户在开发过程必须有函数声明的的头文件（.h文件）和库文件（.lib文件）才能调用DLL中的函数。所以我们必须将我们需要用到的DLL文件，头文件和库文件导入Vicaual C+6.0中。海康威视对于实现不同的视频监视功能将SDK分为不同的模块。无论实现哪个模块的功能时都要进行初始化SDK，注册设备，用户注销，释放SDK资源。初始化SDK是对整个SDK进行初始化。模块功能的使用是在注册设备之后进行。注销和释放SDK是对内存进行重新分配。该SDK的主体是网络通讯库(HCNetSDK.dll)，网络通讯库应用于摄像头与视频客户端之间的网络通讯，具有远程参数配置及码流数据的获取和处理等通讯功能。软件解码库(Play Ctrl)用来实现实时码流数据的显示，回放录像文件等。硬解码库(DsSdk.dll)实现实时数据流的显示和对监视器进行矩阵输出。HCNetSDK.dll是必须加载的动态库，其余可选5。3.4 MySQL数据库3.4.1 MySQL概述MySQL是一个小型的关系数据库管理系统，开发中是瑞典的MySQL AB公司。MySQL至今被广泛的应用于Internet里的中小型网站上。多数中小型网站为了降低其总体拥有成本选择了MySQL来作为网站的数据库，因为MySQL体积小，运算速度快。总体拥有成本小。而且MySQL是开发源码软件，可以大大降低总体拥有成本。3.4.2 关系数据库语言MySQL所使用的语言是关系数据库的标准语言SQL(Structured Query Language，结构化查询语言)。SQL是一种介于关系代数和关系演算之间的语言，SQL有着非常齐全的查询功能，同时还有着数据控制和数据查询的功能，是集数据定义、数据查询和数据控制于一身的关系数据库语言。SQL的语言功能包括数据定义、数据操纵、数据控制和数据查询这4个部分。SQL语言简洁，易学易用。至今为止已经成为了应用最为广泛的关系数据库语言。为了达成SQL的核心功能只需要使用6个命令：SELECT、CREATE、INSERT、UPDATE、DELETE、GRSNT（REVOKE）。3.4.3 数据库的连接方式服务器或客户端应用程序向数据库服务器请求服务时，前提是必须要与数据库建立连接。由于不同的数据库管理系统有着兼容性等方面的问题，人们开发了不用的连接数据库的方法、技术和软件。大体上有四种接口和一种方法。1、ODBC数据库接口；2、ADO数据库接口；3、ADO.NET数据库接口；4、JDBC数据库接口；5、数据库连接池技术。本次毕业设计采用的MySQL是使用的ODBC数据库接口6。ODBC即开放式数据库互联（Open DataBase Connectivity），是微软推出的一种接口标准，用来实现关系数据库和应用程序之间的通信。ODBC本质上是一组数据库访问API（应用程序编程接口），核心是SQL语句，由一组函数调用组成。可以通过SQL语言编写命令来对符合接口标准的数据库进行操作，但只能对数据库进行操作。在使用ODBC时，首先用ODBC管理器注册一个数据源，数据源提供数据位置、数据库类型及驱动程序等给管理器，ODBC管理器就能建立起相对的联接。3.5 Navicat for MySQL 数据库可视化工具Navicat for MySQL是一套专为MySQL设计的强大数据库管理及开发工具。它可以用于任何3.21或以上的MySQL数据库服务器，并支持大部份MySQL最新版本的功能，包括触发器、存储过程、函数、事件、检索、权限管理等等。同时SQLyog也是一款非常好用的数据库可视化工具。 图3-2 Navicat for MySQL操作界面3.6 软件安装及连接中出现的问题3.6.1 软件安装本次毕业设计用到的软件是Visual C+6.0开发工具，传统的VC6.0编程是为Windows XP开发的32位开发工具，而我们所使用的电脑为Windows 7 64位系统，导致了该开发工具与与电脑系统不兼容，虽然我们找了一些与Windows 7系统兼容较好的VC6.0开发工具，但是依旧存在着一些问题如无法从开发工具内直接打开工程文件，但已经不影响该工具的使用。3.6.2 与数据库建立连接MySQL的操作界面是一个DOS界面，这对于熟悉Windows系统的我们来使用DOS系统是非常困难的，所以我们需要一个MySQL可视化工具，Navicat for MySQL与SQLyog都是非常合适的。此时需要一个连接工具ODBC数据源，ODBC数据源设置后可以使VC6.0与MySQL相连。在配置过程中我的电脑在安装connector/ODBC5.3.6却一直无法成功安装，显示找不到动态链接库文件myodbc5s.dll与myodbc5.dll，而事实上是在指定的文件夹里myodbc5s.dll与myodbc5.dll都是存在的。由此我们猜测到这两个文件可能不兼容，于是我们找到了适合64位系统的myodbc5s.dll与myodbc5.dll文件，在相应的文件目录中粘贴替换后完全没有问题了。另一种解决办法是安装X86版本的connector/ODBC，较为快捷实用。图3-3 ODBC安装出错程序的MS端与SC端在本机内部调试互相连接时并没有出现任何问题。服务端可以成功登陆与启动服务，客户端也可以成功与服务端建立连接。但是在联机调试时出现了一些问题，服务端开启服务后客户端显示连接数据库失败，数据库的失败表示代码并没有问题而是电脑系统或者安装的软件出现了问题。在经过仔细排查后发现了两处问题：（1）电脑防火墙未关闭，阻碍了通信；（2）MySQL程序默认禁止远程连接，这使我们程序的调试变得麻烦起来。防火墙未关闭的问题容易获得解决，在“开始”“控制面板”“Windows防火墙”“打开或关闭防火墙”中设置解决即可。MySQL禁止远程访问提供了两种解决方法，第一种是改表法，因为账号只能在localhost登陆，这个时候只要在localhost的那台电脑，登入MySQL后，更改“MySQL”数据库里的“user”表里的“host”项，从“localhost”改成“%”即可。该操作的SQL代码为：1.mysql -u root -pvmwaremysql>use mysql; 2. Mysql>update user set host = % where user = root; 3. Mysql>select host,user from user;这样的改法只适合两台电脑的互相连接的访问，所以我们选择了第二种方法。第二种方法为授权法，用户可以使用mypassword从任何主机连接到MySQL服务器，该方法的sql代码为：1. GRANT ALL PRIVILEGES ON *.* TO 'myuser''%' IDENTIFIED BY 'mypassword' WITH GRANT OPTION;    2.FLUSH   PRIVILEGES;  第4章 视频监控系统的网络传输技术4.1视频图像压缩技术4.1.1 视频图像压缩的意义对于视频监控系统，视频图像压缩技术是不可或缺的，一张A4纸大小的彩色照片（12/mm的分辨率，16bt像素）所包含的数据量大约有18MB（兆字节）左右，正常视频监控帧率为每秒25帧，如果不经压缩而直接传输每秒需要传输450MB的数据量，时下流行的USB3.0接口都无法做到这样的传输速率，这样大的数据量给存储器以及传输线路造成了很大的压力。彩色视频图像传输的数据量是目前计算机传输速率的几十倍甚至上百倍。如此之大的数据流不是可能靠扩大存储容量和扩大传输线路带宽来实现的。所以，视频图像压缩技术的使用是必然的。从通信的角度来看，压缩意味着去除冗余。视频图像作为一种信息，它本身存在着大量的冗余，而且视频具有极强的连续性和相关性，则其信息的冗余程度较之单独的图像更大。这些大量冗余信息的存在使视频压缩变得可行。为了使视频传输的图像质量得到保障，实时传输，占用存储空间减小，压缩时需要做到：1、比较高的压缩比；2解压缩速率要快；3、传输的图像失真率要低。3.1.2 视频图像压缩的可行性由于视频图像有着大量的冗余，这些冗余人们是观察不到的，在视频图像压缩的时候是个编码的过程，在编码事这些冗余会被去除掉，而视频图像恢复的时候集解码过程，这些冗余又会自动的恢复，而人眼对这些冗余的消除减少并不会察觉到，所以也不会影响到画面的质量。在实际的视频传输中存在着大量的各式各样的冗余，这使得视频图像视频压缩成为一门需