远距离森林防火无线视频监控系统解决方案

一、概述：

森林火灾以成为全球性的问题，防火成为重中之重。随着我国退耕还林政策的实施，造林事业的不断发展，林地面积、林业蓄积量逐年增加，防火工作是首要任务。森林火灾具有突发性、灾害发生的随机性、短时间内能造成巨大损失的特点。因此一旦有火警发生，就必须以极快的速度采取扑救措施，扑救是否及时，决策是否得当，重要原因都取决于对林火行为的发现是否及时。为此国内外都在为预防、减少和控制森林火灾而努力。针对我国森林面积覆盖的实际情况，由于林区地形条件很复杂，不适用通常的有线传输模式。目前，基于无线网络技术的远程无线监控系统，已广泛应用于森林防火监控领域。

二、系统技术方案：

森林防火无线视频监控系统是一个森林防火数字化、网络化远程无线监控工程，它以森林现场图像采集为中心，以远程通信网为传输平台，将光电转换技术、数字图像处理技术、微波无线/光缆有线传输技术、通信网络技术、计算机软件技术等高新技术综合应用于森林防火监测和森林资源管理中，能够全天候、全方位、远距离地以高清晰度图像方式监控大范围的森林目标，把大面积的森林场景通过图像方式实时传输到防火监控中心，实现防火人员在室内对野外的远距离集中监控；而且，该系统在监控森林防火灾的同时，还可以对森林资源、森林病虫害及野生动物实施监控，甚至可以用于植被保护和树木监护，通过图像记录发现非法伐木者，录像资料可以作为处罚依据。因此，远程图像监控系统在森林保护工作中的应用前景将十分广阔。

该系统除主要用于森林防火、防护外，还广范应用于边防监视、油田、水利保护、风景区、旅游区、自然保护区监控及洪涝、干旱、虫害等自然灾害的提供发现和预防。该系统具有明显的社会、生态效益，其在监控自然资源，保护生态环境和生态平衡方面将发挥极大的作用，是一项造福子孙后代的有益工程。在管理方面，它实现了远距离、免维护、自动即时监控。

在实现这一功能的过程中，避免了以往监控设施出现的由于架设线路装置及人员巡查对自然环境造成的损害，特别是弥补了“卫星监控、航空拍照、人工巡视”等方式的诸多不足。在使用效果方面它可以做到全天 24 小时全方位、多角度、多内容实时监控，及时、准确地反馈信息，即为领导决策提供了第一手有价值的参考资料，又为林业工作者提供了大量的数据资料，对减少森林经济损失将起到重大作用。因此，该项目是一项实用、高效、低投入、高产出的利国利民项目，为应用高科技手段监控森林火灾开辟了一条新路，其使用将大大提升我国林业的管理水平，提高我国保护生态环境的能力，为我国林业的持续发展奠定牢固的管理平台。

三、系统方案设计：

1、一个森林防火图像自动监控系统将包含如下环节：

a) 图像采集和云台控制。

在森林防火监控的任务需求中，一般采用大口径、长焦距、三可变高质量镜头，配合数字化、高清晰、低照度的CCD摄像机，在数控室外重载云台的支持下，完成高质量的图像采集和准确的方位控制任务。

b) 视频信号和控制信号远程传输。

通过先进的光缆和无线微波方式实现一路正向视频信号和一路反向（或双向）控制信号的传输，这都要求在一根光纤或一路微波中同时实现，有时甚至在一根光纤或一路微波中同时传输多路不同的视频信号和控制信号；无线微波信号的无中继传输距离一般不超过50公里，其特点是无线方式，工程施工简单，但易受天气影响，中间不能有遮挡物体；光缆的无中继传输距离一般都能达到50公里以上（单模光纤），而且工作可靠，但施工程量大；一般地，结合具体实施环境情况，在五公里范围内采用光缆，超过五公里则用无线微波。

c) 图像监看和操作控制

图像监看一般采用视频监视器，多个图像同时监看可利用电视墙，更多的画面则用矩阵切换器和画面分割器；操作控制有专用键盘，也可用微机实现。

d) 图像录制和自动报警

利用多媒体技术的微机，通过图像采集卡把视频信号送入计算机，经过软件算法处理和数据压缩，可以方便地实现硬盘录像，也能够通过数据传输网络把压缩后的图像送到上级管理部门，并在一定条件下实现火情自动识别和报警。

2、森林防火图像自动监控系统区别于普通图像监控系统的特征为：

摄像机一般安装在森林制高点（如高山顶、建筑物屋顶、平原森林的监视塔顶），设立地点要求视野宽、无障碍、监测面大，如有监测死角，可另设补充监控点；由于监视的地理范围大（可达方圆10公里以上）、而且需要全天候工作，这就要求摄像机能够在低照度下工作（可彩色自动转黑白），具有可控光圈、焦距、对焦，镜头焦距变化可达二、三十倍。

在监控点工作的设备包括：摄像机及其防护罩、转动云台、解码器、通信终端机、不间断电源、避雷装置，这些设备工作在野外环境，应该具备抗大风、避雷击、御寒冷、耐潮湿、免雨淋、防沙尘、抵腐蚀、甚至防盗窃等要求，同时需要切实解决长期稳定可靠供电的问题，这就要求设备尽量简单、小型化、低耗电、工作可靠、无人值守、维护工作量小，而且具有工作状态自动检测功能，遇到故障能够自动向监控中心报警。

由于监控点在地理上很分散，而且与监控中心的距离很远，一般都需要建立专用通信手段，如光缆、电缆、微波等通信线路，把监控点的图像直接传输到监控中心。而且现场图像能够从监控中心通过各种通信线路逐级传送到有关防火管理部门。

目前，森林防火人员计算机技术水平并不高，这就要求系统能够全自动工作，安装使用方便简单，而且故障时间短、维护工作量小；从用户的角度考虑，森林防火自动监控系统产品必须做到功能齐全、配套合理、适应性强、性价比高。

专业的森林防火图像监控系统还应具备以下功能：摄像机在云台的带动下自动进行场景的全方位扫描，在白天实现烟雾自动报警，在夜间实现火情自动报警，系统可以测定目标的方位和距离，与地理信息系统（GIS）相对接。当摄像机发现某一着火点时，指挥中心的计算机自动运行软件，将着火点的精确位置显示在三维电子地图上，同时还显示着火点的地形地貌，森林防火类型，火灾发展蔓延趋势，以及通往火场的主要道路及通行能力，防火隔离带的位置及阻火能力，距着火点最近的消防队伍的具体位置及赶赴火场所需要的时间等重要指挥信息。

四、无线视频监控系统架构

1、监控点基本情况：

各监控点的地理环境（湿度、盐度、温度范围、海拔高度、最大风速、雷电情况、电磁干扰等）目前还不十分清楚，有待到现场勘测。监控范围为方圆五公里，监控点均架设在建筑物屋顶上，建筑物内有交流220V供电条件，各监控点到监控中心的直线距离以30公里估计；工程上需要架设一座小型铁支架（高约两米）和金属密封盒，放置摄像机、云台和微波设备等；共设置？？？个监控点，其中一个无需远程传输（在林业局防火办楼顶）。

监控中心基本情况：

位于林业局防火办大楼内，地形海拔高度？？？米，建筑物高度？？米，指挥室建筑面积(长？宽？高？)，具有会议室、控制室、设备室三大功能。

注：各监控点到监控中心的网络拓扑图，具体的距离、海拔高度等。

2、视频采集

采用的摄像机是一款日夜型的摄像机，具有低照度下自动彩色转黑白的功能，可实现480线的高清晰度图像。与日本精工名牌长焦镜头相配合，能够提供优质的监控图像。

采用公司专门为森林防火监控系统研制的数字化控制云台，这是一种室外重载云台，定位精度达到0.5°，其独特的角度实时回送功能，满足监控点与地理信息系统（GIS）相结合的要求，云台扫描速度可控制在两分钟一圈，已在国内多个森林防火监控系统中使用。

选用进口高质量的室外防护罩和网络音视频服务器，其优良的自动恒温、密封、雨刷等措施，较好地解决了监控点设备防尘、防腐蚀、防潮湿、防雨雪、防高温、防严寒、防强风、防电磁干扰的问题，加上良好的防雷电措施和电源保障手段，从而确保监控点设备全天候正常工作。采用红外探测器实现监控点设备防盗报警功能，一旦有人在监控点附近出现，探测器将自动报警，并把报警信号传输到中心。

电子设备工作是否正常，很大程度上取决于供电的质量。在林区，由于各种因素造成电源质量不高，主要是电压波动范围太大，超过了设备的一般承受能力，导致设备工作不稳定、工作寿命下降，严重时甚至会烧毁设备。为此，我们专门给每个监控点配备了在线式净化UPS电源，其在线式工作方式提供了较大的输入电压动态范围，而且具备电源滤波功能，改善了电源波形，后备电池支持时间不少于8小时，这样才能保障监控点设备的正常工作。

3、信号传输

在森林防火监控系统中，各监控点与指挥中心的距离均在二十公里以上，这种情况在设备成本与工程量上采用微波设备都比光缆设备优越；所以，我们选用微波设备来实现视频信号（单向）和控制信号（双向）的传输；由于模拟微波传输视频信号要占用很大带宽（近40MHz），已经被管理机构禁止使用，目前一般采用数字微波，数字微波的传输可靠性一直为人们所乐道；近几年，扩频技术和数字调制技术开始用于微波传输，设备十分成熟，尤其是利用微波设备方便组成计算机局域网，支持TCP/IP协议，而且价格也能接受；由于多媒体技术的发展，视频图像的压缩变得简单了，利用计算机局域网传输图像总体效果很好，使用方便、灵活、可靠；尤其要完成单向视频信号和双向控制信号一起混合传输，而且在还要加入其它数据（如红外报警数据），这时更能体现出无线局域网的优越性。另外，无线局域网十分方便系统扩充，如果今后要增加监控点，只需用一对无线设备把信号从新增点传输到临近的已建监控点，就实现新增监控点的入网，把监控信号传输到指挥中心；这种系统可扩充性是普通数字微波（如PDH）所不具备的。
无线设备采用专业室外无线传输设备制造商Ryan，VS-5854产品家族，该设备工作可靠、使用方便，且具备标准以太网接口，产品已经在各地大量使用Ryan，VS-5854可提供优化、高效、低成本点对点和点对多点的无线网络应用，在恶劣的环境及天气条件下其覆盖范围最高可达30公里。

4、监控中心

森林防火指挥中心座落在林业局大楼，？？？平方米房间面积要同时兼顾会议室、控制室、设备室三大功能，要合理进行房间分割，安排室内功能分区。主要功能是远程监看多个监控点传来的图像、必要时对摄像头进行控制、视频录像和火情报警、把图像传输到上级防火管理部门。

在办公楼顶要安装微波设备。指挥中心室内将布置操作指挥台、LED字符显示屏、大屏幕多媒体显示屏、电视墙、办公设备、会议音响视频设备、不间断电源、空调和圆形会议桌等，具体内容详见设备清单。所有监控操作均在监控工作站上完成，同时监控工作站负责向上级管理部门提供数字图像数据，监控工作站采用双机热备配置，有利于提高系统可靠性。

由于我们采用了全数字视频图像传输方式，即图像信号在监控点就已经转换成数字图像，所以在监控中心要使用图像解码器把数字图像转换为模拟图像，给电视机、监视器这样的模拟图像设备提供信号，所有图像都可以在计算机显示器、大屏幕投影仪、电视墙上显示出来。

监控服务器功能包括数字图像接收、实时解压缩、实时录像、云台自动扫描控制/手动操作、火情识别报警等。监控服务器采用双机热备配置，两台服务器独立工作，平常分担数据处理负载，故障时起到相互备份作用，这样有利于提高系统可靠性和可扩充性。监控系统可以通过局域网交换机向地图工作站提供各监控点的位置信息。

五、产品资料（VS-5854电信企业级室外无线微波）

工作频率: 4900MHz~5850MHz

发射功率:    20dBm~28dBm可调
输出阻抗:    50Ω（外接天线时）
协议标准:    IEEE802.11a/n
灵敏度:    -96dBm@6Mbps;   -75dBm@54Mbps
调制方式:    DSSS,OFDM
天线模式:    MIMO双天线,V+H极化
天线增益:    28dBi
波瓣角度:    V:40°,H:60°

六、系统结构示意图：

前端基站采集设备组成

无线微波传输部分

七、方案的优势及特色：

方案设计关键点在林区复杂环境下实现实时监控，系统要考虑具备以下特点：

环境导致监控范围大

监控点的选择，首先摄像机应安装在森林制高点，要求视野广、无障碍、监控角度大，尽量少设监控点，并尽可能使得每个监控点监控覆盖的森林面积最大，如无法回避有死角，可增加监控点。

全天候监控

监控点要全天候工作，这就需要选择摄像机时应选用红外敏感型彩色转黑白摄像机；镜头应选用日夜两用型镜头，并且外能看清人物活动；云台要求选用螺杆传动的室外一体化云台，为了减少远距离图像的抖动，摄像机的安装也要确保牢固稳定。

传输链路是系统中最关键的环节

由于森林防火监控自身的特点，传输方式不可能采用有线或光缆的方式，因此最理想的方式就是无线传输。无线传输方式以施工简便，成本低，一次性投入等优势，无疑成为监控系统传输链路的首选。图像实时传输、清晰，传输频率可选，并且可根据传输距离的远近、现场自然条件的不同，其功率的大小可以按要求配制，在遇障碍物阻挡的情况下，可采用架设中继。

森林防火涉及的范围广，距离远

各个需要监控的林区与监控管理中心距离较远，分布较为分散。通常采用2G、3G与5G产品混合组网模式。前端设备的供电，采用太阳能、风能供电方式给每一个监控点的设备提供小时供电。避雷接地要安全可靠。

为及时发现火警，前端需要有烟感等感应器以及报警联动设备

中心实时监控前端设备工作状态。由于整个监控前端设备地处深山，维护极为不便，所以中心要能随时掌握前端设备的工作状态，对维护将起到重要的指导分析作用。

后端监控指挥控制系统通常是以多客户端方式查看图像

在无线链路带宽足够的前提下，所有图像应采用组播方式传输，以便节约无线链路带宽，保证无线链路的稳定性。此时，监控中心的交换机必须具备组播转发控制功能，防止广播风暴发生。

八、5.8G微波的安装要求

1、安装高度要求及注意

要求在视线距离内没有阻挡。

由于安装在塔上，塔的晃动对微波的接收有很大的影响，会使数据接收不稳定，请在调试时注意。

2、室外安装

固定微波天线及ODU的采用Φ40镀锌钢管，高度3m及以上，根据现场的实际情况调整，要求固定牢固。在砖塔上，除在巡逻道栏杆固定外，在塔顶用一根钢管与装ODU及天线的Φ40镀锌钢管固定。如果是铁塔，根据天线对准的方位，采用2米左右Φ40镀锌钢管固定在铁塔的栏杆上。

连接电缆

一条以太网电缆连接到POE的输出端口。另一条以太网络电缆 (RJ – 45；交叉电缆) 连接POE的输入端口。

3、天线和安全注意事项

请遵循如下注意事项进行天线安装:

l 对于大多数升降天线的安装，我们推荐您向专业安装人员咨询安全正确的方法。

l 考虑到安全因素,你不能触摸甚至是你身体的某个部分轻轻碰到一个正在传输的高增益天线。

l 使天线远离金属物体/不利因素。(暖气、空调管、大的天花板构架,建筑上部构造、和主电源线)

l 当你在两个基站之间建立连接的时候，由于距离远推荐使用定向天线。一个定向天线的发射面要与另一个定向天线发射面对上。

l 室外天线应该放置在足够的高度以避免以上所提到的由于树和建筑产生的干扰

l 天线塔应该与上方的高压电线保持安全距离。我们推荐的安全距离是两倍的天线塔高。

l 防止水渗进天线的电缆中并确保所有接入的外部电缆接口都已经密封完好。

4、基本天线对准

当你使用定向天线在两个网桥之间通讯的时候,需要手动对准天线以便恰好执行网桥的操作。定向天线的发射角度很小，大约是 15 到 25 度，而且抛物面天线的发射角大约是12.5度。

在网桥被连接之后，使用测试连接的工具帮助测量二个天线是否对准。测试连接的工具能提供数据使你能够精确计量对准。

5、重检安装

当安装好网桥而且对准天线后, 你需要确保所有的电缆连接畅通。

l 确保对准后的天线装置牢固。

l 检查连接在天线和网桥之间的电缆是否牢靠。

l 确定接地线连接是否正确。

l 检查连接POE适配器的电缆连接是否正确。

l 确定从个人计算机或手提电脑到POE适配器的电缆连接正确。

l 确定POE适配器的指示灯是亮的。

l 确定你在安装期间使用的是合适的电缆。

l 确定所有接口都被密封完好。

l 在现场安装之前按你的需要配置好ODU 。

l 检查两边的网桥无线电设置是否相同。

确保你已经分别设置了两边网桥的MAC地址。检查完毕后，你需要进入网络用户界面进行连接性能测试，观察RSSI值是否在正常值范围内。如果效果不是很好，你可能需要再次调校天线。

九、系统安全保护

前端基站部分

良好的接地设备安全防护的基础，根据对现场的初步勘察，每个基站的接地都不规范，甚至有站接地阻值超标，给设备的安全保护造成不利影响。另外，每个塔的避雷针已生锈，有些站避雷针高度不够，甚至避雷针已经不在，基于以上因素，建议用户对所有塔的避雷针重新处理，我们对直击雷防护提出要求如下。

A、直击雷防护

铁塔、砖塔担负着极其重要的作用，摄像机，云台、微波天线，风力发电机等重要设备均位于塔之上，因此做好雷电防护工作。

1、塔上设备处于雷击防护区内，保护角度<30度。避雷针的引下线采用40*4热镀锌扁钢作为防雷引下线。

2、线缆穿钢管或镀锌金属屏蔽软管进行保护，钢管或金属软管两端可靠接地，同时线缆的屏蔽层在两端与汇流排连接。

3、联合接地的要求：接地阻值小于等于1欧。

直击雷防护接地与雷电感应防护接地、工作接地、保护接地与联合地网的引接点距离应不小于10米

雷电感应防护接地与工作接地、保护接地与联合地网的引接点距离应不小于5米。

当地网的接地电阻值达不到要求时，应扩大地网的面积（宽度和深度）、换土法和采用降阻剂。环形接地装置由水平接地体和垂直接地体组成，水平接地体周边为封闭式,可辐射式延伸接地体，延伸接地体的长度宜限制在10-30米以内。

B、基站感应防雷部署

（1）基站通讯信息防雷部署

在防水控制箱到数字云台的视频线、电源线两端部署署二合一防雷器；在防水控制箱到数字云台控制线两端部署RS422防雷器；

在微波天线进入设备房端部署POE防雷器。

（2）基站电源防雷部署

在采用市电供电的指挥中心中继塔部署三级防雷。

a：电源一级防雷粗保护：在基站总电源入线处安装60KA电涌保护器。

b：电源二级防雷细保护：在基站接入防雷插座之前并联接入40KA电涌保护器，吸收低能雷电流和浪涌过电压，以保护设备的安全。

由于一级防雷器和二级防雷器之间的电缆长度不能达到10米，则需在一级和二级之间一个串联退耦器，以满足保护要求。

c：电源三级防雷防过压精细保护：在进入设备箱之前安装避雷插座1个，吸收低能雷电流和浪涌过电压，作为防雷三级保护。

十、设备材料清单

序号	名称	型号	数量	单价	合计
1	摄像机
2	带预置位电动变焦镜头
3	室外数字云台
4	野外护罩
5	交换机
6	5.8G无线微波	Vs-5854
7	5.8G无线微波	Vs-5854
8	POE供电模块	配套
9	POE供电模块电源适配器	配套
10	POE供电模块电源适配器	配套
11	5.8G30db天线
12	5.8G27db定向天线
13	5.8GG适用低损耗高频馈线（含接头）	配套
14	防水套装	3M胶泥
15	Φ40热镀锌钢管	3M
16	中心媒体服务器	双核处理，2G内存，19寸液晶
17	智能监控终端	四核处理器，4G内存，19寸液晶
18	交换机
19	硬盘
20	UPS电源	C3KV 4H
21	机柜	30U
22	控制软件
23	总控中心软件
24	有源音箱
25	LED显示屏	3600*400
26	线材、管材