安防系統中的常用網絡

    隨著全球安防監控產業需求和相關技術的迅猛發展，數字圖像壓縮處理、流媒體技術、計算機網絡通信、自動控制技術、智能報警技術、人工智能技術等已在安防領域得到廣泛應用。在現代安防系統中，網絡傳輸技術是實現各種安防設備集成應用的基礎。采用合適的網絡傳輸技術，既可以降低安防工程的施工成本，也可以構建規模更大的安防網絡系統。

    安防監控系統中的網絡傳輸主要用途是電源傳輸、信號傳輸，甚至二者結合傳輸。一般提到網絡傳輸首先考慮的是信號傳輸，信號傳輸基礎是“信道”。信道：傳輸信息的必經之路稱為“信道”。 從信道的傳輸介質來分，信道可以分為有線與無線信道，而按其頻率來劃分，可以分為窄帶、話音頻帶、寬帶。如果從它所傳輸的信號類型來分，又有數字信道與模擬信道的概念。通常網絡的拓撲結構有總線型、星型、環型、樹型。

    總線型拓撲結構采用一個專用信道作為傳輸媒體，所有站點都通過相應的硬件接口直接連到這一公共傳輸媒體上。總線型結構的優點是結構簡單、易于擴充。總線型結構的缺點是傳輸距離有限、故障診斷和隔離較困難、實時性較差。

    星型拓撲結構由中心節點和通過通信鏈路接到中心節點的各個端節點組成。星型結構的優點是故障診斷和隔離容易、便于管理。星型結構的缺點是中心節點負擔較重，容易形成瓶頸，傳輸信道的安裝調試工作量較大。

    環型拓撲結構由節點和連接節點的鏈路組成一個閉合環。環型結構的優點是傳輸所需的物理媒介(電纜、光纖等)消耗較少，便于擴充。環型結構的缺點是節點故障會引起全網故障，信道利用率較低。

    樹型拓撲結構由從總線拓撲演變而來，形狀類似一棵樹。樹型結構的優點是故障隔離較容易，便于擴充。樹型結構的缺點是子節點對父節點、根節點的依賴性較大。

    典型的安防傳輸網絡有視頻信號網、以太網、RS-232/485/422串行總線等等，下面將就一些典型的網絡結構結合實際應用分析。

RS-485串型總線型網絡

    幾乎所有做過安防系統工程安裝調試的技術人員對RS-485串型總線都不會陌生，基本上絕大多數的攝像機云臺、鏡頭控制都是通過RS-485總線完成控制的，采用RS-485通信方式具有布線成本低、施工調試方便等顯著優點。

    RS-232、RS-422、RS-485都是串行數據接口標準，由電子工業協會(EIA)制訂并發布。RS-232于1962年發布，最初命名為EIA-232-E，作為一項工業標準來保證不同廠家產品之間的兼容。RS-422由RS-232發展而來，主要為彌補RS-232之不足而提出。為改進RS-232通信距離短、速率低的缺點，RS-422定義了一種平衡通信接口，將傳輸速率提高到10Mb/s，傳輸距離延長到4000英尺(速率低于100kb/s時),并允許在一條平衡總線上連接最多10個接收器。RS-422是一種單機發送、多機接收的單向、平衡傳輸規范,被命名為TIA/EIA-422-A標準。為擴展應用范圍，EIA于1983年在RS-422基礎上制定了RS-485標準，增加了多點、雙向通信能力，允許多個發送器連接到同一條總線上，同時增加了發送器的驅動能力和沖突保護特性，擴展了總線共模范圍，后命名為TIA/EIA-485-A標準。由于EIA提出的建議標準都是以“RS”作為前綴，所以習慣將上述標準以RS作前綴稱謂。

    RS-485標準只對接口的電氣特性做出規定，不涉及接插件、電纜或協議，在此基礎上用戶可以建立自己的高層通信協議。因此對于在安防的應用，許多廠家都建立了一套高層通信協議，一般作為私有協議或公開使用。國內的安防設備廠家大多采用標準RS-485串行通信協議方式，國外廠家大多采用曼切斯特(Manchester)編/解碼協議方式通信。

    1、RS-485電氣規定

    RS-485一般采用兩線平衡差分信號傳輸，兩條通信線上的信號極性正好相反。通常安防工程中采用的傳輸介質是雙絞線。采用雙絞線傳輸可以有效減少高速率長距離傳輸數字信號時常見的輻射電磁干擾(radiated EMI)和接收電磁干擾(received EMI)。RS-485與RS-422一樣，其最大傳輸距離約為1219米，最大傳輸速率為10Mb/s。平衡雙絞線的長度與傳輸速率成反比，在100kb/s速率以下，才可能使用規定最長的電纜長度。只有在很短的距離下才能獲得最高速率傳輸。一般100米長雙絞線最大傳輸速率僅為1Mb/s。

    輻射電磁干擾：數字信號傳輸時的上升沿和下降沿處集中了信號的高頻分量，這些高頻分量在長線傳輸時會產生較強的輻射電磁干擾。使用雙絞線時，兩條線上的輻射幅度相等，極性相反，凈輻射為零。

    接收電磁干擾：傳輸電纜同時相當于接收天線，會接收到空間的雜散信號(噪聲)，會對有用的485通信信號造成干擾。雙絞線防止了平衡傳輸時的電磁輻射，也就減少了接收電磁干擾的可能。同時雙絞線上接收的噪聲幾乎是一樣的(這種噪聲叫共模噪聲)。RS-485接收器只尋找兩條線上形狀相同極性相反的信號。因此噪聲信號不會被接收。

    2、RS-485總線匹配電阻

    RS-485總線方式采用一條雙絞線電纜作總線，將各個節點串接起來，從總線到每個節點的引出線長度應盡量短，以便使引出線中的反射信號對總線信號的影響最低。網絡連接盡管不正確，在短距離、低速率仍可能正常工作，但隨著通信距離的延長或通信速率的提高，其不良影響會越來越嚴重，主要原因是信號在各支路末端反射后與原信號疊加，會造成信號質量下降。

    因此，一般在RS-485總線電纜的開始和末端都需要并接終接電阻，一般在300米以下短距離傳輸時可不需終接電阻終接電阻阻值一般為120Ω。這種匹配方法簡單有效，但有一個缺點，匹配電阻要消耗較大功率，對于功耗限制比較嚴格的系統不太適合。采用RC匹配(電阻、電容匹配)、二極管匹配等方法通過節能和削弱反射信號，可解決由于功率消耗導致的信號弱現象。

    3、RS-485總線接地問題

    電子系統的接地非常重要、不容被忽視。RS-485總線接地系統不合理會影響整個網絡的穩定性，尤其是在工作環境比較惡劣和傳輸距離較遠的情況下，對于接地的要求更為嚴格，否則接口損壞率較高。很多實際的應用中，連接RS-485通信鏈路時只是簡單地用一對雙絞線將各個接口的“A”、“B”端連接起來。而忽略了信號地的連接，這種連接方法在許多場合是能正常工作的，但卻埋下了很大的問題隱患，會帶來共模干擾問題、電磁干擾(EMI)問題。

    1)共模干擾問題： RS-485接口均采用差分方式傳輸信號方式，并不需要相對于某個參照點來檢測信號，系統只需檢測兩線之間的電位差就可以了。但人們往往忽視了收發器有一定的共模電壓范圍，RS-485收發器共模電壓范圍為-7～+12V，當網絡線路中共模電壓超出此范圍時就會影響通信的穩定可靠，甚至損壞接口。地電位差可能會有很大幅度，并可能伴有強干擾信號，致使接收器共模輸入電壓超出正常范圍，并在傳輸線路上產生干擾電流，輕則影響正常通信，重則損壞通信接口電路。

    2)電磁干擾(EMI)問題：發送驅動器輸出信號中的共模部分需要一個返回通路，如沒有一個低阻的返回通道(信號地)，就會以輻射的形式返回源端，整個總線就會像一個巨大的天線向外輻射電磁波。

    由于上述原因，RS-422、RS-485盡管采用差分平衡傳輸方式，但對整個RS-422或RS-485網絡，必須有一條低阻的信號地。通過信號地將兩個接口的工作地連接起來，使共模干擾電壓被短路。這條信號地可以是額外的一條線(非屏蔽雙絞線)，或者是屏蔽雙絞線的屏蔽層。

    4、RS-485總線瞬態保護

    信號接地措施，針對低頻率的共模干擾有保護作用，對于頻率很高的瞬態干擾就無能為力了。由于傳輸線對高頻信號相當于電感，因此對于高頻瞬態干擾，接地線實際等同于開路。這樣的瞬態干擾雖然持續時間短暫，但可能會有成百上千伏的電壓。 實際應用環境下還是存在高頻瞬態干擾的可能。一般在切換大功率感性負載如變壓器、繼電器等或閃電過程中都會產生幅度很高的瞬態干擾，如果不加以適當防護就會損壞RS-485通信接口。對于這種瞬態干擾可以采用隔離或旁路的方法加以防護。主要有隔離保護、旁路保護等方法可以實現有效的瞬態保護。

    1)隔離保護方法。這種方案實際上將瞬態高壓轉移到隔離接口中的電隔離層上，由于隔離層的高絕緣電阻，不會產生損害性的浪涌電流，起到保護接口的作用。通常采用高頻變壓器、光耦等元件實現接口的電氣隔離。

    2)旁路保護方法。這種方案利用瞬態抑制元件(如TVS、MOV、氣體放電管等)將危害性的瞬態能量旁路到大地，優點是成本較低，缺點是保護能力有限，只能保護一定能量以內的瞬態干擾，持續時間不能很長，而且需要有一條良好的連接大地的通道，實現起來比較困難。實際應用中是將上述兩種方案結合起來靈活加以運用。

    5、RS-485總線安防應用總結

    在很多實際安防工程應用中，由于總線結構不合理導致匹配阻抗問題，引起很多終端設備無法通訊，例如：在同一個RS-485總線上的部分攝像機不可控。針對典型安防工程中出現的一些情況，給出以下建議：

    1)RS-485總線結構盡可能采用類菊花鏈型串接，如果是星型結構要采用RS485Hub來匯聚;

    2)在總線的起始端和末端要添加120Ω匹配電阻，降低信號反射干擾;

    3)要選用帶RS485瞬態保護電路的安防設備，降低設備故障的概率;

    4)采用屏蔽雙絞線的屏蔽層作為地線，或者額外敷設一條地線來達到系統信號地共地。

快速以太網(FastEthernet)

快速以太網(Fast Ethernet)

    以太網是Xerox公司發明的基帶LAN標準。它采用帶沖突檢測的載波監聽多路訪問協議(CSMA/CD)，最初的設計速率為10Mbps，傳輸介質為同軸電纜。以太網是在20世紀70年代為解決網絡中零散和偶然的堵塞而開發的，而IEEE802.3標準是在最初的以太網技術基礎上于1980年開發成功的。現在，以太網一詞泛指所有采用CSMA/CD協議的局域網。以太網2.0版由數字設備公司、Intel公司和Xerox公司聯合開發，它與IEEE802.3兼容。

    在基于廣播的以太網中，所有的工作站都可以收到發送到網上的信息幀。每個工作站都要確認該信息幀是不是發送給自己的，一旦確認是發給自己的，就將它發送到高一層的協議層。在采用CSMA/CD傳輸介質訪問的以太網中，任何一個CSMA/CD工作站在任何一時刻都可以訪問網絡。發送數據前，工作站要偵聽網絡是否堵塞，只有檢測到網絡空閑時，工作站才能發送數據。在基于競爭的以太網中，只要網絡空閑，任一工作站均可發送數據。當兩個工作站發現網絡空閑而同時發出數據時，就發生沖突。這時，兩個傳送操作都遭到破壞，工作站必須在一定時間后重發，何時重發由延時算法決定。

    所有的以太網都遵循IEEE 802.3標準。以太網主要有兩種傳輸介質，分別是雙絞線和同軸電纜。以100Base-T標準為例，前面的數字表示傳輸速度，單位是“Mbps”，Base表示“基帶”的意思，T表示采用雙絞線傳輸。在很多安防工程應用中，采用5類線纜構成局域網，實現100Mbps快速以太網已成為典型應用。

安防監控中的流媒體監控應用

    在以視頻監控為主的安防監控系統中，IP監控正成為主流趨勢，通過計算機網絡技術、流媒體技術，網絡化監控打破了地域的限制，基于國際互聯網的應用也越來越多。

    1、安防流媒體監控總體要求

    因為流媒體信號是交互的、互動的，因此對網絡提出了以下的應用要求：

    1)吞吐(Throughtput)的要求：是指對高傳輸帶寬、大存儲緩沖帶寬的要求和對流量的控制。

    2)可靠性的要求：適當的數據丟失不會過多影響視頻播出的實際效果。��

    3)網絡延時要求：對網絡延時、抖動要求較高，因為多媒體視頻流對網絡傳輸延時和抖動比較敏感。如傳輸的視頻信號與音頻信號必須同步等。��

    因此，通過對網絡結構的優化和調整對完成良好的流媒體監控十分必要，主要可采取以下措施：

    1)如果條件允許，為安防流媒體監控建立專門的傳輸網絡可大大提高系統穩定性、安全性。

    2)網絡交換設備支持組播功能，流媒體數據采用組播形式在網絡內傳輸，可減少一定數量的轉發服務器，降低網絡骨干的傳輸壓力;同時應用軟件系統可更加健壯，避免TCP、UDP傳輸會話異常斷開時回收工作帶來的資源浪費。

    3)網絡交換設備如支持QOS(服務質量)控制將縮短云鏡控制延時、流媒體傳輸延時，一般認為此類延時控制在1秒以內是非常必要的，否則操作者將感覺操作不便。

    4)使用多級網絡結構，通過劃分不同的核心交換機、骨干交換機、接入交換機來實現層次化的應用。