SPCDMA基于CDMA1X的输电线路无线视频监控系统.docx
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SPCDMA基于CDMA1X的输电线路无线视频监控系统
基于CDMA1X的输电线路无线视频监控系统
一、引言
在我国经济快速增长、能源日益紧张的今天，电网的安全性越来越受到重视，这其中，高压输电线路的安全性也是不容忽视的重要环节。
作为电力输送、遍布全国各地的网络，电力线路具有分布区域广、传输距离长、地形条件复杂多变、受环境气候影响大等特点，完全由人工定期巡检工作量非常大，而且难以做到全天候、广覆盖。
随着通信技术、计算机网络技术以及数字视频技术的飞速发展，对输电线路实行远程视频监控成为了可能，由于输电线路固有的分布范围广的特点，实施远程无线视频监控有其独到的优势，更是得到越来越广泛的应用。
其基本工作原理是：
摄像头采集到的模拟视频信号，如：
电力杆塔、线路图象，送到无线视频终端，经过数字化、视频压缩编码后，通过CDMA1X无线网络、internet网送到视频监控中心，在监控中心上对视频流进行解码，即可看到摄像头拍摄的现场视频画面。
采用这种方式对输电线路进行视频监控有如下优点：
1、采用CDMA无线网络传输，无须敷设通信电缆，大大方便了野外施工；
2、监控区域广阔，只要CDMA网络覆盖到的地方，都可以安装此监控设备；
3、现场设备无人值守，防护等级高，设备运行稳定可靠，免维护；
4、可传送现场的视频画面，比仅传送图片的系统更实时、更详细、更直观；
5、可远程控制摄像头；
6、可远程控制电源的开、关，以最大程度地降低功耗；
7、系统可方便地进行功能扩展，比如：
增加温度、风速、风向、雨量等传感器，可以对输电线周边的环境进行全方位的监测。
本文就该系统在输电线监控上的应用予以详细介绍。
二、输电线路视频监控系统的组成
整套设备是一个防水、防尘、防电磁干扰、满足IP65防护等级的机箱，机箱顶部是太阳能电池板，摄像头安装在杆塔的合适位置。
机箱内部设备包括：
CDMA视频终端、蓄电池、蓄电池控制器等。
下面分别对各个部分的功能予以描述。
1、CDMA视频终端
CDMA视频终端是整个视频监控系统的核心，在本系统中，选用了上海英硕自动化科技有限公司研发的CDMA视频终端VF－C600。
它是一款集成度高、体积小巧、功能丰富、性能稳定的视频终端设备。
其主要特点如下：
（1）2路模拟视频输入信号，MPEG4压缩算法；
（3）可同时传输视频流及数据；
（4）支持远程云台、镜头控制；
（5）支持远程IP地址、ID号等参数修改；
（6）自带4路开关量输入，光耦隔离；2路开关量输出，继电器输出；
（7）电源输入电源范围宽：
11～40VDC；
在本系统中，它主要完成如下功能：
（1）将模拟视频信号进行数字化、压缩处理，转化为便于在CDMA网络、及internet网上传输的视频流；
众所周知，不经压缩的视频数据量非常大，例如：
对于352×288分辨率的CIF格式，当每个亮度和色度分量取8bit精度，每个色度分量取亮度分量一半的分辨率时，每幅图象大约需要152K字节的存贮空间，如果不经过压缩以25帧每秒的速率传送，则需要惊人的30Mbps带宽！
这样的带宽无论对于何种网络平台，都是一个很大的负担。
随着数字视频技术的飞速发展，各种高效的视频压缩算法应运而生。
近年来出现的MPEG4，H.264算法以其高效的压缩比、高质量的图象在网络视频会议、网络视频监控、数字电视等领域得到广泛应用。
特别地，采用MPEG4或H.264算法，在现有的CDMA1X传输带宽下，能提供较满意的视频服务，因此，在基于无线的视频监控领域得到广泛应用。
（2）与中心端的视频服务器建立无线连接，并将压缩后的视频流传送到视频服务器。
这过程涉及到TCP/IP、PPP等协议栈的实现、数据流控、以及无线通信链路的管理，包括断线监测、断线重连等等；通信链路管理的最终目的是要建立起可靠、通畅的数据通道，将视频流、传感器数据等实时地传送到监控中心，同时，实时地接受并执行监控中心下发的各种控制命令。
（3）远程控制摄像头的伸缩、旋转
CDMA视频终端可接受远程监控中心的命令，实时控制摄像头的伸缩、旋转，这样，在监控中心即可非常方便的从多个角度观察杆塔、输电线路的情况；
（4）电源控制
由于CDMA视频终端是安装在高高的杠塔上，采用太阳能电池供电，因此，低功耗运行是保证系统长期、可靠工作的重要条件。
现场消耗电能的设备有：
摄像头和CDMA视频终端。
在平时无须摄像时，可远程控制，关闭摄像头电源；同时，视频终端也关闭视频数据通道，以便最大程度地降低电能消耗。
电源的控制是通过监控中心远程实施的，非常灵活、方便，监控中心可以根据实际的需要，实现特定的电源远程控制策略，最大程度地保证系统低功耗运行。
（5）告警输入
CDMA视频终端具备开关量输入端口，可接受外部告警信号。
比如：
可接门磁开关，防止现场机箱被打开，起到放盗作用；
再比如：
可接红外探测器，对某些特殊情况实行监控、告警。
2、摄像头
摄像头须选用室外安装型，可以根据需要选取固定镜头、可变焦距镜头或者带红外功能的镜头，另外，云台也可根据需要配置。
摄像头可以远程控制打开或者关闭，以便最大限度地降低功耗。
3、太阳能供电系统
由于本系统一般安装在野外的杠塔上，现场无交流电源供给，所以都采用太阳能供电。
选择合适功率的太阳能电板以及合适容量的蓄电池，对于保证系统全天候正常工作，同时，又兼顾安装施工、设备维护的方便性非常重要。
这其中，设备的低功耗模式工作是关键。
4、监控中心
监控中心是整个电力线路视频监控系统的神经中枢，通过它可以对野外所有的杠塔、电力线路的现场情况一览无余，一旦出现异常情况，及时发出告警，通知相关人员予以处理。
告警的方式包括：
短讯告警、邮件提醒等。
监控中心的设备包括视频服务器以及视频客户端。
所有野外采集点的视频图象、设备数据都汇聚到视频服务器上，在此进行视频流解码、视频显示、以及完成整个系统的控制功能。
一台视频服务器可以同时显示4路视频图象，但可以同时连接多达255路CDMA视频终端，通过视频切换可以显示所有已连接的终端图象。
视频客户端通过访问视频服务器，同样可以浏览现场的图象，这种分布式的C－S架构可以更好地满足企业对输电线路监控系统的管理、操作要求。
三、关键技术、实际工程问题及其对策
前面提到，由于电力线路的分布范围极其广泛，且都处在野外环境中，受自然、人为因素的影响非常大，因此，对于监控设备而言，它必须解决供电、防护（防水、防尘、防强电磁干扰、防盗等）、远程可维护等问题，同时，设备要非常稳定可靠。
基于上海英硕公司的CDMA1X视频终端组建而成的电力线路视频监控系统很好地解决了上述问题。
在本系统中，综合应用了视频压缩处理、CDMA无线通信及VPN组网、节电控制、设备防护等多种先进的技术及工程设计，下面分别予以简要说明。
1、CDMA无线通信及其VPN技术
在组建基于CDMA无线数据采集系统时，有些行业的客户对数据的安全性、保密性非常敏感，而一般的GPRS/CDMA数据采集系统，其传输的数据要经过CDMA网、Internet网，而后送到数据中心，这些数据在经过这些公共网络时，可能存在安全隐患。
针对这个问题，联通公司（CDMA）推出了VPDN业务，它为客户提供了一种通过公用网络，安全地对企业内部专用网络进行远程访问的连接方式。
VPN使用三个方面的技术保证了通信的安全性：
隧道协议、身份验证和数据加密。
客户机向VPN服务器发出请求，VPN服务器响应请求并向客户机发出身份质询，客户机将加密的响应信息发送到VPN服务器，VPN服务器根据用户数据库检查该响应，如果账户有效，VPN服务器将检查该用户是否具有远程访问权限，如果该用户拥有远程访问的权限，VPN服务器接受此连接。
在本系统中，CDMA1X视频数据终端就是通过VPDN网络，接入到企业内部的视频服务器上。
每次接入时，企业的VPN服务器都需要对它进行身份验证。
只有验证通过了，才允许接入。
本电力线视频监控系统以VPN的方式接入，可以很好地保证数据的安全性。
2、低功耗的挑战
低功耗设计在本系统中十分关键。
由于采用太阳能供电，如果设备功耗过大，势必造成太阳能电板、蓄电池体积、重量变得庞大，给设备在杠塔上的安装带来不便，甚至无法安装、使用。
在本系统中的设计中，除了选用功耗低的视频终端设备外，监控中心还可以远程控制设备电源，这就给系统以低功耗运行带来了很大的灵活性。
比如：
可以根据系统运行的实际需要，制定、调整相应的节电策略。
3、防护技术（IP65、强电磁干扰）
由于设备是安装在野外，常年无人维护，且环境恶劣，因此，必须仔细考虑设备的防护问题。
除了通常的防水、防尘外，设备是安装在高压线路附近，防强电磁干扰问题也必须予以十分重视。
选用具备IP65防护等级、且具备防电磁干扰的机箱，这对于设备的稳定、可靠运行同样十分重要。
此外，还要考虑机箱本身的防盗：
可以安装门磁开关，防止机箱门被打开；可以安装震动传感器等等。
四、结束语
输电线路的远程监控系统将视频监控和其他告警功能完整地组合在一起，能够有效地预测、降低输电线路故障，及时判断故障原因、对故障作出反应，对于保障电网的安全运行有十分重要的意义。
基于CDMA1X的输电线视频监控系统解决了广覆盖、全天候、野外安装等诸多难题，可以实时地传回现场的视频图象、现场的故障告警，可以节省大量的电力线路的巡检人力、快速对线路故障作出反应，有很强的实际的应用价值。
太阳能供电无线通信和视频监控解决方案
2007-8-2
一、太阳能供电技术简介
在当前全球能源紧张，价格飞涨的情况下，许多国家采取优惠的政策鼓励太阳能技术的开发和应用。
太阳能供电技术作为一种高新技术，最早应用于航空探险等高端应用场合，随着各国的推动，太阳能供电技术也得到了日新月异的发展，太阳能发电和太阳能供电技术日益走进民用应用的场合。
在森林、道路、河流、山川等通信或音视频电子设备应用场合，主要采取电网供电和电池供电方式，电池供电往往只能解决临时的需要，不能作为长期的供电电源；而采取电网供电方式存在诸多缺点：
1、供电方式为电缆输送，工程施工困难，造价高昂；
2、系统维护不便，高压输送存在安全隐患，运营成本高；
3、安装、组网困难。
而太阳供电系统工作时无需水、油、汽、燃料，只要有光就能发电的特点，是清洁、无污染的可再生能源，而且安装维护简单，使用寿命长，可以实现无人值守，倍受人们的青睐，是新能源的领头羊。
近年来，太阳能的应用在全球越来越广泛，特别是在野外领域，太阳能电源系统正逐步取代一些传统的电源设备，得到越来越普遍的应用。
太阳电池方阵在晴朗的白天把太阳光能转换为电能，给负载供电的同时，也给蓄电池组充电；在无光照时，由蓄电池给负载供电。
太阳能供电系统由太阳电池组件构成的太阳电池方阵、太阳能充电控制装置、逆变器、蓄电池组构成。
太阳能电池板阵列组件
●太阳能电池板阵列的表面采用复合材料，由进口层压机层压而成。
气密性、耐候性好，抗腐蚀、机械强度好。
●太阳电池为单晶硅太阳电池，太阳电池转换效率高。
而且太阳能电池板阵列一次性性能佳。
●太阳电池在制造时，先进行化学处理，表面做成了一个象金字塔一样的绒面，能减少反射，更好地吸收光能。
●采用双栅线，使组件的封装的可靠性更高。
●太阳能电池板阵列抗冲击性能佳，符合IEC国际标准。
●太阳能电池板阵列层之间采用双层EVA材料以及TPT复合材料，组件气密性好，抗潮，抗紫外线好，不容易老化。
●ABS塑料接线盒，耐老化防水防潮性能好。
●带有旁路二极管能减少局部阴影而引起的损害。
充放电控制器
●智能控制器能控制多路太阳电池方阵对蓄电池组的充电，并实现蓄电池给负载供电。
●采用先进的阶梯式逐级限流充电方法，依据蓄电池组端电压的变化趋势自动控制多路太阳电池方阵的依次接通或切离，既可充分利用宝贵的太阳电池资源，又可保证蓄电池组安全而可靠的工作。
●蓄电池组过放电保护功能。
●蓄电池组过充电保护功能。
●太阳电池、蓄电池、负载反接保护。
●太阳电池防反充功能。
●太阳电池充电控制功能。
●负载供电控制功能。
●提供RS232和RS485通信接口，便于实现远端和近端监控。
蓄电池组
●蓄电池组是独立太阳能供电系统不可缺少的重要部件，因为太阳能供电系统本身只有光电转换的作用。
为了解决太阳光能供电的同步性和储能的效果，满足阴雨天和夜间的正常供电，必须配备合理的蓄电池组。
●蓄电池容量应能保证连续最长的阴雨天的供电。
二、太阳能供电无线通信和视频监控解决方案
智达康（ZDC）根据客户需要研制了太阳能供电无线通信和视频监控系统，本系统在供电方式上采用太阳能供电，传输方式上采用国际标准801.11aOFDM无线技术。
采用本系统可以摆脱线缆的束缚，实现快速安装，施工时间短，投入低，效果好。
采用本系统可以摆脱山地、森林、河流、开阔地等特殊地理环境的限制，无须考虑电源线及通信光缆的布线和施工问题，彻底解决布线工程周期长，施工成本高昂甚至根本无法实现的困难，尤其适合森林、矿山、水利、边疆、道路、油田等部门，快速建设集中监控系统的应用，也适应建筑工地、旅游景点等重要场所的无线监控的需要。
这种太阳能供电的无线通信和视频监控系统优点如下：
1、采用太阳能独立供电，无线传输，彻底无线化；
2、组件灵活，小巧，方便安装与组网；
3、交直流供电方式，满足多种负载用电的需要；
4、安全性好，维护费用少，造价低；
太阳能供电的无线视频交通监控系统
一、现有系统的不足
现有视频监控系统传输方式一般为光缆或有线网络，供电方式为电网供电：
这类视频监控系统的缺点如下：
1、传统的视频交通监控系统供电方式为电缆输送，数据信号传输方式采用光缆或同轴缆，存在工程施工困难、造价高、运营成本高的问题。
2、系统维护不便，高压输送存在安全隐患。
3、安装、组网困难。
二、本系统的特点
我中心研制的太阳能供电的无线视频交通监控系统旨在实现真正的无线传输，在供电方式上采用太阳能供电，传输方式上采用无线公共移动通信网的窄带传输。
传输视频图像信号时，由于信息量较大，在保证视频传输的实时性和视频信号质量的前提下，视频/音频经编码压缩后的多媒体流仍超出现有无线公网（GPRS或CDMA1X）的传输带宽。
本系统采用专利技术，对原始多媒体数字码流进行高效编码压缩，在接收端采用合并处理技术，将接受到的数字码流解压缩和解码最终还原视频图像。
太阳能供电的无线视频交通监控系统优点如下：
1、 采用太阳能供电，无线公网数据或信号窄带传输，彻底无线化；
2、 无缆式独立供电，组件灵活、小巧，方便安装与组网；
3、 全低压直流供电方式，能源利用效率高安全性好；
4、 维护费用少造价低；
5、 传输不受距离和地形限制
6、 发送端信号两个以上发送模块并行传送；
7、 接收端信号两个以上发送模块并行接收。
三、流程说明
信号发送部分
信号接收部分
四、工程实例
图北京109国道太阳能供电无线视频交通监控系统实地照片（配合信号灯）
太阳能电池配套蓄电池和负载的匹配
章晓春
1、太阳能电池
太阳能电池参数有：
空载电压和短路电流，两者乘积为太阳能电池的功率，即P=UI，P为电功率单位是瓦（W），U为电压单位是伏（V），I为电流单位是安（A）。
还有工作电压和工作电流，工作电压一般为空载电压的80%-90%，工作电流一般为短路电流的80%-90%。
2、蓄电池（也称电瓶）
蓄电池的最佳充电电流和放电电流，一般按10小时充、放电率计算。
例如：
10AH的电瓶，其充电电流最佳为1A，最佳放电电流也是1A。
7AH的电瓶即为700mA。
40AH的电瓶为4A。
充、放电电流过大都会对电瓶的寿命有一定的影响。
3、太阳能电池如何给蓄电池相匹配
如：
一天要把12V10AH的电瓶充满，就可选用电压为15V-18V，电流为1A的太阳能电池板。
要是要求两天将电池充满，那用15V500mA的太阳能电池板就可以了。
一天按太阳照射10小时计算。
如：
一天要把12V40AH的电瓶充满，可选用电压为15V-18V，电流为4A的太阳能电池板，或选取电流为1A的电池板用四块并联使用。
如果要求两天将电瓶充满，那么太阳能电池板选2A的电流即可。
充电时，太阳能电池的电压要高于电瓶电压20%-30%。
4、太阳能电池和电瓶如何与负载匹配
如：
12V10AH的电瓶充满电后，可供12V10W的节能灯工作8小时。
10W节能灯的工作电流为I=P/U，10/12=0.8A。
电瓶按10小时放电率计算，正常放电电流为1A，考虑到效率问题，所以灯可以正常工作8--10小时。
如用40W灯泡，电流为40/12=3.3A，那就只能工作2-3小时。
或者这样计算，10W的太阳能电池给蓄电池充电，供10W的灯来用电，按理想状态来讲，充电10小时就能用电10小时，而实际上是达不到的，只能用7-8小时。
如果用40W灯照明，那就只能用2小时了。
太阳能光伏知识
1、太阳能电池发电原理：
太阳电池是一对光有响应并能将光能转换成电力的器件。
能产生光伏效应的材料有许多种，如：
单晶硅，多晶硅，非晶硅，砷化镓，硒铟铜等。
它们的发电原理基本相同，现以晶体为例描述光发电过程。
P型晶体硅经过掺杂磷可得N型硅，形成P－N结。
当光线照射太阳电池表面时，一部分光子被硅材料吸收；光子的能量传递给了硅原子，使电子发生了越迁，成为自由电子在P-N结两侧集聚形成了电位差，当外部接通电路时，在该电压的作用下，将会有电流流过外部电路产生一定的输出功率。
这个过程的的实质是：
光子能量转换成电能的过程。
2、晶体硅太阳电池的制作过程：
“硅”是我们这个星球上储藏最丰量的材料之一。
自从19世纪科学家们发现了晶体硅的半导体特性后，它几乎改变了一切，甚至人类的思维，20世纪末．我们的生活中处处可见“硅”的身影和作用，晶体硅太阳电池是近15年来形成产业化最快。
生产过程大致可分为五个步骤：
a、提纯过程b、拉棒过程c、切片过程d、制电池过程e、封装过程。
3、太阳电池的应用：
上世纪60年代，科学家们就己经将太阳电池应用于空间技术——通信卫星供电，上世纪末，在人类不断自我反省的过程中，对于光伏发电这种如此清洁和直接的能源形式已愈加亲切，不仅在空间应用，在众多领域中也大显身手。
如：
太阳能庭院灯、太阳能发电户用系统、村寨供电的独立系统、光伏水泵（饮水或灌溉）、通信电源、石油输油管道阴极保护、光缆通信泵站电源、海水淡化系统、城镇中路标、高速公路路标等。
在世纪之交前后期间，欧美等先进国家光伏发电并入城市用电系统及边远地区自然界村落供电系统纳入发展方向。
太阳电池与建筑系统的结合已经形成产业化趋势。
4、太阳电池基本性质：
a、光电转换效率η%评估太阳电池好坏的重要因素。
目前：
实验室η≈24%，产业化：
η≈15%。
b、单体电池电压V：
0.4V——0.6V由材料物理特性决定。
c、填充因子FF%：
评估太阳电池负载能力的重要因素。
FF=（Im×Vm）/（Isc×Voc）
其中：
Isc—短路电流，Voc—开路电压，Im—最佳工作电流，Vm—最佳工作电压；
d、标准光强与环境温度 地面：
AM1.5光强，1000W/m2，t=25℃；
e、温度对电池性质的影响，例如：
在标准状况下,AM1.5光强，t=25℃某电池板输出功率测得为100Wp,如果电池温度升高至45℃时，则电池板输出功率就不到100Wp
使用太阳能供电系统的相关说明
蓄电池（也俗称电瓶）是太阳能供电系统的重要器件，它的主要功能，是把太阳能电池板发的电能即时储存在电瓶内，以供用电设备使用，蓄电池具有储存电能和稳定电压的作用。
蓄电池的主要技术参数是电压和容量。
电压是指蓄电池的额定电压即正常工作电压，一般有3V、6V、12V、24V、36V等。
容量是指蓄电池储存电量的能力，一般常见的有4AH、6AH、12AH、20AH、40AH、60AH、120AH等。
如以40AH电瓶为例，表示以4A电流给蓄电池充电时，10小时可以充满；若以1A电流充电，则需要40小时才能充满。
反之放电时也是如此。
一般情况下，蓄电池的充放电时间，按10小时充放电率为宜。
用太阳能电池给蓄电池充电时，太阳能电池的电压要超过蓄电池的工作电压20%-30%，才能保证给蓄电池正常充电。
如给6V蓄电池充电需要用8-9V太阳能电池，给12V蓄电池充电需要用15-18V太阳能电池。
至于用太阳能电池板给蓄电池充电时，如何匹配为好，主要是看你的实际需要。
如果是用于普通家庭，即白天用太阳能给蓄电池充电，晚上照明。
如：
蓄电池选用40AH电瓶，太阳能电池选用305*457MM（15V400MA）10片并联，电压为15V、电流为4A，那么用10小时可以把电瓶充满。
若用20片并联，用5小时可以充满。
同样400*200MM（10W）的单晶硅太阳能板，用5片并联，电压为18V，电流约为4A，10小时可把40AH电瓶充满。
太阳能电池305*457MM（15V400MA），功率约为5瓦，功率=电压*电流（P=UI），10片并联为50瓦，白天充电10小时充的电量为500瓦时。
晚上可供100瓦灯泡，用电5小时，即用电量也为500瓦时。
若使用200瓦用电器，就只能工作2.5小时。
用太阳能电池给蓄电池充电时，最好在充电电路中加一只整流二极管，以保证在晚上蓄电池不会通过太阳能电池板反向放电。
若加装上充、放电自动保护器更好，可以保证蓄电池不至于过充电或过放电，对延长蓄电池的寿命有好处，蓄电池的寿命一般为1-2年。
若要使用220V用电器，则要使用专用的逆变电源。
几例太阳能发电供电系统
民用太阳能发电供电系统
1、5W简易型太阳能发电照明系统：
包括305*457MM太阳能电池板一块，1N54043A整流二极管一只，12V7AH松下免维护电瓶一块，12V9W节能灯一盏，白天充电一天，晚上可工作3-4小时。
价格：
330元/套。
2、10W简易型太阳能发电照明系统：
包括305*457MM太阳能电池板两块，1N54043A整流二极管一只，12V7AH松下免维护电瓶一块，12V9W节能灯2盏，白天充电一天，晚上可工作3-4小时。
价格：
660元/套。
3、20W太阳能发电系统：
包括多晶硅太阳能电池20W一块，密封蓄电池：
12V/20AH一块（自备），控制器一个，12V9W节能灯2盏，300W逆变器一台。
价格：
1300元/套。
4、50瓦多晶硅太阳能发电系统：
包括多晶硅太阳能电池板50W，密封蓄电池：
12V/40AH一块（自备），控制器一台，500W逆变器一台。
12V9W节能灯2盏。
3400元/套。
5、50瓦非晶硅太阳能发电系统：
包括非晶硅太阳能电池板50W，密封蓄电池：
12V/40AH一块（自备），控制器一台，12V9W节能灯2盏。
500W逆变器一台。
2800元/套。
6、太阳能庭院灯：
包括10W晶硅太阳能电池板、12V9W节能灯、12V7AH免维护电瓶、智能光伏控制器。
680元/套。
7、太阳能电源控制器：
A型：
有过压、欠压、接反、过载短路保护功能220元/台；B型：
除具有A型的全部功能外，还有光控功能，白天充电晚上自动点亮灯240元/台。
C型还有定时和红外控制功能3
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