基于电力线通信的户外视频监控网络改造

母金文

(河北远东通信系统工程有限公司，河北 石家庄 050081)



基于电力线通信的户外视频监控网络改造

母金文

(河北远东通信系统工程有限公司，河北 石家庄 050081)

摘要：简要介绍了宽带电力线通信技术的特点和典型应用，分析了当前平安城市建设的大背景下传统老旧户外视频监控网络改造的必要性。针对常见电力线调制解调器产品使用中存在的问题和视频监控的户外使用特点，提出了一种低成本但有效的解决方案，不仅解决了低温环境条件下电力线调制解调器产品无法正常工作的缺点，而且简化了操作，提升了用户体验。

关键词：电力线通信；视频监控网络；加热控制

0引言

伴随着计算机多媒体技术、编解码技术、网络传输技术、存储技术与视频监控应用的不断融合，视频监控的发展经历了模拟视频监控、数字视频监控和网络视频监控几个阶段。

模拟视频监控阶段主要利用模拟摄像机采集视频信号，通过同轴电缆传输给矩阵主机和磁带式录像机等记录设备[1]。

数字视频监控阶段的特点是利用视频压缩板卡把模拟摄像机采集到的视频信号进行AD转换并编码压缩后在本地计算机硬盘中存储[2]。

网络视频监控主要是利用嵌入式网络硬盘录像机(DVR)或者嵌入式视频服务器(DVS)把经过编码压缩后的视频信号IP化，接入网络，实现视频监控联网[3]。

随着平安城市建设的广泛开展，交通、金融、商场和物业等行业视频监控规模不断扩大，视频监控的联网需求日趋显著，现有的模拟视频监控系统和数字视频监控系统急需升级改造。为最大限度地保护用户前期投资，节约成本，宽带电力线通信技术是一个不错的选择[4]。

1宽带电力线通信技术简介

电力线通信技术(Power Line Communication，PLC)是利用电力线传输数据和语音信号的一种通信方式。发送时利用OFDM调制技术将用户数据调制，在电力线上进行传输，接收端经过滤波解调得到原信号[5]。

早期PLC主要利用高压输电线路作为高频信号的传输通道，局限于传输话音、远程控制信号等，应用范围窄，传输速率低。近年来PLC快速发展，传输速率大幅提高，被称为宽带电力线通信(Broadband over Power Line，BPL)，同时转向采用低压配电网进行载波通信，可以实现计算机联网、Internet接入、小区安全监控、自动抄表和组建家庭局域网络等。电力线通信技术利用现有电力线传输信号，无需布线，组网快速简单便捷，成本低廉，同时数据可以加密，保障信息安全[6]。

2PLC视频监控系统与问题

传统的模拟视频监控系统和数字视频监控系统设备陈旧，技术落后，急需升级改造。摄像头可直接更换成市场主流使用的网络摄像头，监控中心设备更换成高性能计算机，按照实际需求存储设备可选用磁盘阵列或者网络存储(NAS)。PLC主要解决的是传输问题，使用的设备是电力线调制解调器(俗称电力猫)，前期铺设的供电电源线路可以继续使用。现在主流电力猫产品传输速率可达500 Mbps，配合千兆以太网网络设备，传输高分辨率监控视频信号毫无压力。各个网络摄像头通过电力猫与电源线路连接，监控中心也使用一个电力猫把信号转换成网络接口信号，通过以太网交换机或者路由器等网络设备与监控中心计算机连接。整个系统连接示意如图1所示。

图1　视频监控系统连接示意

经过升级改造的视频监控系统完全网络化，数字化，便于对采集到的监控视频做进一步分析处理，完成更多应用功能，提高系统的整体性能[7]。

视频监控系统本身的应用特性决定了必然有部分监控点布置在户外，环境条件恶劣，在北方冬季气温达到-20℃以下并不罕见，这个数值已经超出了商业级产品芯片的正常工作温度范围，很有可能导致设备无法正常启动工作。同时，普通电力猫产品入网、退网，产生随机密钥等操作都是使用一个按键，通过按键按下的时间不同来区分，使用起来颇为不便。

3解决方案

针对上述问题，对普通电力猫产品进行改造，加入温度监测电路和加热电路，在低温时对芯片进行预加热，芯片温度上升至正常范围后停止加热，从而实现设备低温条件下正常工作[8]。

设计3个独立按键分别完成3种不同操作，如表1所示，而且无需默数按键时间，只要按一下对应按键即可完成相应操作[9]。

表1　电力猫常用功能按键操作

经过改造的电力猫不仅在低温条件下可以正常工作，而且大大提高了用户使用的便利性。

4硬件设计

按键的设计很实用，但实现并不复杂，不做赘述。常见加热方式有功率电阻加热、印制板敷铜加热等，电阻加热功率较小且导热不便，印制板敷铜导热良好，但加热功率更小。这里采用一种特殊的方法，场效应管(MOSFET)加热。通常情况下MOSFET用于小信号的开关控制，或者电源信号的开关控制，对应有不同的封装，比如SOT23、TO252等。为了获得较大的发热功率和较好的导热效果，选用TO252封装的大功率MOSFET。一般MOSFET的用法是利用它的开关特性，用栅极Gate(G)和源极Source(S)间的电压控制源极S和漏极Drain(D)的通断，源极S和漏极D导通时，导通电阻很小，一般为几十mΩ，这样消耗在场效应管上的功耗基本可以忽略。而这里恰恰相反，是为了让场效应管产生尽可能多的热量，所以要设法让场效应管工作在非开关特性区域。这个区域的特性曲线在场效应管的数据手册中是没有的，只能实验测试得出[10]。

选取内置温度传感器、模数转换(ADC)和数模转换(DAC)的处理器C8051F330，加热用MOS管选择N沟道场效应管FQD5N15。利用DAC在一个电阻上产生电压可以变化的信号，把这个信号加到场效应管的栅极G和源极S之间，通过调整电压大小，可以控制源极S和漏极D的导通程度，通过大小变化的电流，从而得到加热需要的功率。采用这种方法加热，优点是可以获得较大的发热功率和较好的导热效果，而且发热功率连续可调，不是突变的。DAC精度为10 bit，档位选择1 mA，电阻选择2.49 kΩ，那么控制电压调整精度为：

2.49 kΩ*1 mA/1010=2.4 mV

通过实测，这个精度可以满足设计需要。

加热电路原理如图2所示。

图2　加热电路原理

图2中，51 mΩ的电阻可以用来检测电流大小。实测结果显示，常温条件下栅极G和源极S之间电压Vgs=1.9 V时，流过漏极D和源极S的电流Id大约为160 mA，加热电源电压为12 V的话，加热功率为2 W。

5软件设计

加热时间是一个很重要的参数，设备必须能在较短的时间内完成预加热，然后启动开始工作。该设计中加热电路的控制采用模糊控制技术，把用户设定的芯片能正常工作的温度下限值与电力猫芯片温度的检测值相减得到一个偏差值，将这个差值按照百分比分成5个范围，定义成5个模糊量，对应大小不同的5种加热功率。温度低于设定值越多，加热功率越大，使加热时间尽量缩短[11]。

需要注意的是开始加热后，随着MOS管本身温度的升高，流过同样大小的电流需要的控制电压Vgs减小，为此，引入加热电流检测值作为反馈控制Vgs电压，使当前加热功率尽量保持稳定可控。软件的主要工作是这个部分的程序设计[12]。

主要流程如图3所示。

图3　主要程序流程

6热传导设计

另外热传导设计也不容忽略，通过安装导热胶垫，并配合紧固螺柱，使加热器件(场效应管)、测温器件(内置温度传感器的处理器)和受热器件(电力猫模块上的芯片)紧密接触，尽量减小热阻[13]，如图4所示。

图4　热传导设计示意

需要注意的是紧固螺柱的尺寸应尽量精确，避免电路板和模块变形。

7结束语

该设计用较低的成本解决了常规电力猫产品低温无法正常启动的问题，并创造性地改善了电力猫用户使用体验。改进后的电力猫产品已成功应用于某社区的模拟视频监控系统升级改造，工作稳定，性能良好，取得了较好的经济效益和社会效益。

参考文献

[1]徐松涛，张中兆．基于OFDM技术的视频传输研究[J]．无线电工程，2003，33( 11) :10-13．

[2]陈露晨，温林．电力线通信网的研究及实现[J]．无线电工程，2000，30( 2) :25-27．

[3]魏春娟．低压电力线载波通信的应用与发展[J]．低压电器，2011( 9) :45-49．

[4]冯蓉珍．基于电力载波通信的远程路灯监控系统设计[J]．电力系统通信，2010( 10) :65-68，71．

[5]刘柱，汪晓岩，蔡世龙．低压电力线载波通信组网方法[J]．电力系统通信，2009( 12) :17-20．

[6]周晓伟，蔡建平，郑增威，等．基于ZigBee传感网的楼宇智能照明控制系统的设计与实现[J]．计算机工程与科学，2009( 8) :150-152，155．

[7]陈继，何永贵．低压电力载波技术在集中抄表系统中的实现[J]．电力科学与工程，2008( 4) :45-49．

[8]田振华．视频监控发展与趋势[J]．中国公共安全，2013( 19) :108-109．

[9]杜建华，张认成．基于低压电力载波通信的温度采集系统[J]．仪表技术与传感器，2007( 5) :31-34．

[10]刘晓胜，李贵娇，戚佳金．基于ST7538的多频率电力线通信系统设计[J]．电子器件，2007( 1) :278-282．

[11]徐力，孔岩．视频监控系统的现状和发展趋势[J]．信息技术与信息化，2005( 4) :60-62．

[12]石小木，王毅，周东辉．基于ATmgea8型单片机的加热控制系统[J]．国外电子元器，2006( 7) :34-37．

[13]谢奕胜，向平．加热控制系统设计[J]．电子测量技术，2005( 6) :90-91．

引用格式:杨凌云秦岸．基于非相关多线性主成分分析的人脸识别算法[J]．无线电通信技术，2016，42( 1) : 73-75，98．

Improvement of Outdoor Video Surveillance Network Based on Power
Line Communication Technology

MU Jin-wen

(Hebei Far-east Communication System Engineering Co.,Ltd,ShijiazhuangHebei 050081,China)

Abstract：The specifications and typical application of broadband power line communication technology is introduced briefly,and the improvement of the old outdoor video surveillance network is necessary under the background of safe city construction.As the usual PLC modem has some inconveniences in configuration,and the video surveillance equipments are often installed outside the building,a low-cost but effective solution is proposed in this paper.This solution not only solves the problem that the PLC modem can’t operate normally in low temperature condition,but also simplifies the operation and promotes user’s experience.

Key words：power line communication;video surveillance network;heating controlling

作者简介：母金文(1981—)，男，工程师，主要研究方向：嵌入式系统开发。

收稿日期：2015-09-21

中图分类号：TP311

文献标识码：A

文章编号：1003-3114(2016)01-28-4

doi:10.3969/j.issn.1003-3114.2016.01.07 book=73,ebook=510．3969/j．issn．1003-3114．2016．01．19

引用格式：母金文.基于电力线通信的户外视频监控网络改造[J].无线电通信技术,2016,42(1):28-30,72.