摘要：本文分析了在機車上配置視頻監控系統的必要性，比較了GPRS、CDMA、WLAN三種無線網絡的優劣，得出了CDMA 最適合于開發本系統的結論。本文論述了建立在硬盤錄像機和無線視頻傳輸模塊基礎上的系統實現方案，分別描述了車載端、視頻服務器、遠程監控端的軟硬件結構。
1. 引言
隨著我國鐵路事業的不斷發展，機車行駛的速度越來越快，確保機車行駛的平穩安全已經成為鐵路運輸部門工作的重中之重，幫助司機和地面管理部門實時監控機車運行狀況已經成為當務之急。特別是在機車駕駛由正、副司機操作改革為單司機值乘后，一個司機在操作機車的同時還必須監控動力間、輔助間、電器間等設備間的運行情。在這樣的背景下，研制一套機車視頻監控系統來幫助司機在駕駛室內對整個機車實施監控，輔助地面管理部門遠程實時掌握機車運行狀況，就顯得十分重要了[2].本文從網絡選擇和系統結構方面論述了機車視頻監控系統的基本開發方案。
2. 無線網絡的選擇
要使地面管理部門能夠實時監控機車運行狀況，該系統就必須選用無線網絡來傳輸數據。目前，在我國，能夠用于大數據量視頻信號傳輸的無線網絡主要有三種，分別是中國GPRS、中國聯通的CDMA2000 1X 以及中國網通和中國電信的WLAN.這三種無線網絡各具優勢。
下面從速度、穩定性和覆蓋面、資費等方面比較這三種無線網絡的優劣，從而選擇一種適合機車視頻監控系統的無線網絡。
（1）速度
GPRS 網絡理論傳輸速率可達171.2kbps,運營商聲稱的傳輸速率可達115kbps,實際傳輸速率大約40kbps;CDMA2000 1X 網絡理論傳輸速率可達153.6kbps,實際傳輸速率大約70kbps;WLAN 網絡理論傳輸速率可達11Mbps,實際傳輸速率可達8Mbps,但是要受到接入人數的影響，接入人數越多，每個用戶分到的帶寬越小，傳送速率也就越慢。
從網絡的速度來說，CDMA2000 1X 網絡要比GPRS 網絡快很多，WLAN 網絡更快，但是要受到接入人數的影響[3].
（2）穩定性和覆蓋面
GPRS 網絡只要有網絡信號的地方就可以使用，目前GPRS 的網絡覆蓋已經非常完善，信號也十分穩定。CDMA2000 1X 網絡和GPRS 網絡一樣，只要有網絡信號的地方就可以使用，CDMA2000 1X 的網絡覆蓋和信號的穩定性雖然不如GPRS 網絡，但也尚可。WLAN 網路的覆蓋面還十分有限，只能在具備無線AP 的附近使用，在使用上有一定局限性。
從網絡的穩定性來說，GPRS 和CDMA 網絡的覆蓋面和穩定性都還不錯，WLAN 網絡的覆蓋面不足，使用受到限制。
（3）資費
目前，這三種網絡的各地運營商都推出了很多套餐，有包年、包月、包流量。綜合比較這三種網絡的各種資費標準，CDMA2000 1X 網絡的資費最具優勢。
通過對以上三方面的比較，明確了三種網絡的優劣。結合機車視頻監控系統對無線網絡的需要，最終決定選用中國聯通的CDMA2000 1X 網絡。
我國正準備大力發展TD-SCDMA 的3G 網絡，而CDMA2000 1X 屬于向3G 網絡的過渡階段。選用CDMA2000 1X 網絡開發機車視頻監控系統，在我國實施3G 網絡標準以后，方便開發人員對產品進行系統升級，使機車視頻監控系統能夠享受到更加優質的網絡服務。
3. 系統結構
整個系統分三部分，分別為車載端、視頻服務器端和遠程監控端。這三部分依靠CDMA2000 1X 網絡和Internet 連接。系統結構圖如圖1 所示。
圖 1 系統結構圖
3.1 車載端
車載端是機車視頻監控系統的一個重要部分，它將直接與機車司機接觸。為方便開發，縮短開發周期，擬采用硬盤錄像機和無線視頻傳輸模塊為核心來組成車載端系統。
硬盤錄像機選用了深圳景陽公司的ADR 系列嵌入式數字硬盤錄像機，它采用工業級專用數字信號處理器和嵌入式操作系統（Vxworks），可靠、穩定。它支持16 路視頻輸入，司機在駕駛室可通過RS485 接口接盤選擇1 路或者多路觀看。同時，它還支持多路報警量輸入，可在機車關鍵部位安裝溫度、煙霧傳感器，并接入硬盤錄像機對應接口，在機車出現溫度、煙霧異常情況時，硬盤錄像機可發出警報，提醒司機注意。
無線視頻傳輸模塊選用了北京百目公司的極目 728M - CDMA 無線視頻傳輸器，可通過廠家提供的SDK 進行二次開發，十分方便。該模塊的功能結構圖如圖2 所示。
圖2 極目728M 結構圖
極目 728M 采用了基于H.264 的活動視頻壓縮算法，具有壓縮效率高，系統功耗小的特點。由于在色度壓縮上的特殊處理，在實現高壓縮效率的同時也保證了很好的清晰度和色彩還原質量，最高分辨率可達704x576.該模塊內置CDMA 通訊控制協議及TCP/IP 協議，支持動態或固定IP 地址方式，支持域名解析，多種觸發啟動模式，具有2 路雙向輔助串行口，可連接串行用戶設備，支持雙向測控數據復用。傳輸速率為：彩色320x240/CDMA2000 1X -平均5 幀/秒，最高15 幀/秒；彩色640x480/CDMA2000 1X - 平均0.5 幀/秒，最高2 幀/秒。
將攝像頭輸出的 NTSC 或PAL 制視頻信號接入該模塊，經解碼器解碼后送入DSP 芯片。
DSP 采取基于H.264 的視頻壓縮算法，采用多模式多尺寸運動估算和4x4 整數無損變換等多種最新視頻壓縮技術，具有編碼效率高、圖像質量好等優點。DSP 將經壓縮的視頻數據送入CDMA 模塊，通過無線網絡將視頻數據送到視頻服務器，從而實現了視頻信號的無線傳輸。
此外，機車上的運行記錄單元是保證機車安全運行的重要裝置，它記錄著機車運行時的各項數據。在車載端可通過一個小的單片機系統，從機車TAX 箱中將這些運行數據實時讀出，并送入極目728M 模塊的RS232 接口中，將這些數據無線傳輸到服務器，使得地面監控人員也能夠實時了解機車運行的數據。
3.2 視頻服務器
視頻服務器是整個機車視頻監控系統的關鍵部分，它是車載端和地面遠程監控端聯系的樞紐。車載端將數據通過無線網絡發送到服務器上，遠程監控端通過視頻服務器來實時瀏覽這些重要數據。因為需要處理大量的視頻數據，所以視頻服務器需要一個性能良好，能夠穩定運行的硬件平臺。另外，需要申請一個獨立固定的IP 地址，使得各個地面遠程監控端能夠訪問視頻服務器。視頻服務器端軟件在百目公司提供的與極目728M 配套的SDK 上開發，簡潔方便。服務器軟件工作流程如下：
（1）服務器啟動，向車載端發送包含本地地址信息的短消息，此時車載端處于離線狀態；（2）車載端接收到短消息后，自動上線然后與服務器進行連接，此時車載端處于休眠狀態；（3）服務器向車載端發送激活命令，當車載端激活后服務器便可以控制傳輸器傳輸視頻圖象，并可以進行其他的遠程操作，此時車載端處于激活狀態；（4）服務器操作完畢，斷開與傳輸器的連接，然后關閉服務器，此時站點處于離線狀態。
3.3 遠程監控端
遠程監控端是是地面管理人員實時監控機車運行狀況和司機駕駛情況的平臺，只需在能夠上網的普通PC 機上安裝一套客戶端軟件即可。視頻服務器首先給各個地面監控端分配好用戶名和密碼，遠程監控端通過客戶端軟件，使用用戶名，密碼登錄視頻服務器，不同級別的用戶，可以取得不同的權限，瀏覽或控制各個車載端。遠程監控端客戶軟件工作流程如下：
（1）設置網絡參數，包括服務器地址/端口，本地地址/端口，用戶名/密碼；（2）連接視頻服務器，判斷連接成功或者失敗，產生相應事件；（3）連接上視頻服務器后，出現車載端列表，選擇需要瀏覽的車載端名稱，并啟動視頻瀏覽；（4）在啟動視頻瀏覽后，可以設置視頻參數，以及選擇車載端不同的畫面瀏覽；（5）結束視頻瀏覽后，可從視頻服務器等出并斷開連接。
4. 結論
開發一套機車視頻監控系統是十分必要的，它可以幫助司機更好的駕駛機車，減輕司機的工作壓力，降低司機的工作強度，提高機車行駛的安全性。此外，該系統還可以幫助地面管理部門實施遠程實時監控，便于管理。
該開發方案是建立在 DVR 和視頻傳輸模塊之上的，開發周期較短，過程簡單可行。
