Радиосистема дистанционного видеоконтроля.

Часть 1

(Лукашин И.В., РГРТУ, гр.9110)

 

1. Анализ поставленной задачи и исходных данных, выявление особенностей работы системы. Цель – проработка идеи создания сети как целостной системы. В контексте решаемой задачи выделение источников и получателей информационных сообщений, оценка характера трафика и обозначение требований к способу доставки сообщений. Определение списка основных и дополнительных услуг системы, предоставляемых пользователям.

 

В рамках курсового проекта предполагается разработать радиосистему дистанционного видеоконтроля, система предназначается для организации сети подвижных роботов, оснащенных видео и аудио датчиками. Видеоизображения и звуковые сигналы от активных устройств в режиме реального времени передаются на базовую станцию (точку доступа), которая перенаправляет эти потоки конечным потребителям.

Системы дистанционного видеоконтроля на основе сети подвижных роботов могут применяться во многих сферах, например, системы патрулирования территорий и зданий, системы для поиска людей и обследования пострадавших районов в различных чрезвычайных ситуациях (землетрясения, техногенные катастрофы, наводнения и др.).

Рассмотрение принципов управления передвижением робота находится за рамками данной работы. Необходимо выделить основные требования к системе:

- максимальное количество активных подвижных терминалов: 10

- радиус зоны обслуживания: 250 м

- тип местности: городская застройка/производственные помещения;

- вероятность ошибки на бит P_b=1*10^-6;

- адаптивное изменение мощности передачи;

- минимальный диапазон используемых частот.

Следует отметить, что существует большое количество способ передвижения роботов:

- колёсные и гусеничные роботы;

- летающие роботы;

- роботы, перемещающиеся по вертикальным поверхностям;

- шагающие роботы;

- плавающие роботы; и другие.

Выбор способа передвижения зависит от конкретных решаемых задач.

В проектируемой системе роботы по типу управления являются автоматизированными (т.е возможно чередование биотехнических(1) и автоматических(2) режимов). Для координирования роботов необходим центр управления и сбора информации (ЦУСИ). Управление датчиками робота осуществляется оператором. Вся аудио и видео информация приходящая на ЦУСИ хранится либо на накопителях (которые входят в состав ЦУСИ), либо на сервере хранения данных. Так как проектируется радиосистема видеонаблюдения, то роботы необходимо оснастить радиооборудованием, такой комплект назовем терминалом (Т). Еще необходимо устройство осуществляющее связь с подвижными терминалами с одной стороны и ЦУСИ с другой – точка доступа (ТД).

В качестве одного из источников информационных сообщений выступают аудио и видео датчики, в таком случае ЦУСИ выступает в роли получателя. Чтобы оценить характер трафика в этом направлении, необходимо определиться в каком формате ведется запись аудио и видео данных. Проведя некоторый анализ «онлайн» камер видеонаблюдения предлагаемых на рынке [1], [2], [3], можно заметить что наибольшей популярностью пользуется стандарт MPEG-4.  Чаще всего используется MPEG-4 с характеристиками приведенными в таблице 1.

 

Таблица 1. Модификации стандарта MPEG-4 [4].

№	Разрешение	Настройки качества	Настройки fps	Получаемый поток	Получаемый fps
1	640*480	384Kbps	5 fps	373Kbps - 388Kbps	5 fps
2	640*480	1024Kbps	5 fps	1024Kbps- 1036Kbps	5 fps
3	640*480	2048Kbps	5 fps	1800Kbps	5 fps
4	640*480	384Kbps	20 fps	550Kbps	22 fps
5	640*480	1024Kbps	20 fps	1400Kbps	20 fps
6	640*480	2048Kbps	20 fps	2600Kbps	16 - 17fps
7	320*240	200Kbps	5 fps	183Kbps - 200Kbps	5 fps
8	320*240	1024Kbps	5 fps	760Kbps - 800Kbps	5 fps
9	320*240	2048Kbps	5 fps	850Kbps	5 fps
10	320*240	200Kbps	25 fps	240Kbps	28 fps
11	320*240	1024Kbps	25 fps	1100Kbps	30 fps
12	320*240	2048Kbps	25 fps	1600Kbps	30 fps
13	160*120	128Kbps	5 fps	117Kbps - 121Kbps	5 fps
14	160*120	1024Kbps	5 fps	176Kbps	5 fps
15	160*120	2048Kbps	5 fps	220Kbps	5 fps
16	160*120	128Kbps	25 fps	155Kbps	30 fps
17	160*120	1024Kbps	25 fps	520Kbps	30 fps
18	160*120	2048Kbps	25 fps	1000Kbps	30 fps

fps - это количество кадров в секунду

Kbps – скорость,  килобит в секунду

 

В разрабатываемой системе видео контроля будет использовано две модификации стандарта MPEG-4 (таблица 2). Эти модификации обладают наилучшим качеством видео среди представленных, но отличаются лишь параметром «Настройки качества». Этот параметр выражает степень сжатия потока, и от него напрямую зависит качество аудио и видео.

 

Таблица 2. Модификации стандарта MPEG-4 используемые в системе видеоконтроля.

№	Разрешение	Настройки качества	Настройки fps	Получаемый поток	Получаемый fps
1	640*480	1024Kbps	20 fps	1400Kbps	20 fps
2	640*480	2048Kbps	20 fps	2600Kbps	16 - 17fps

 

Из выбранных модификаций следует, что для передачи видео и аудио потоков с одного терминала необходимо гарантировать скорость передачи 1400Кбит/с. В случае если в системе видеонаблюдения работают только половина роботов, то можно увеличить до 2600 Кбит/с. Еще одной особенностью этого направления передачи является негарантируемость доставки аудио и видео данных. Это объясняется визуальными и слуховыми особенностями восприятия человека, т.е. потерю нескольких видео кадров или нескольких секунд аудио человек способен «домыслить».

ЦУСИ (оператор) в свою очередь также является источником сообщений, которые предназначены аудио и видео датчикам. В роли таких сообщений выступают команды управления датчиками (поворот камеры, зуммирование изображения, регулировка громкости и т.д.). Команды управления могут осуществляться до сотен раз в минуту. Для передачи таких сообщений достаточно скорости несколько сотен бит/с. В этом направлении передачи ТД должна гарантировать доставку команд управления, иначе отсутствие такой гарантии может привести к неправильному выполнению команд, неисправности или потери робота.

В связи с широким спектром применения системы видеонаблюдения следует предусмотреть возможность шифрования данных. Режим шифрования будет включатся по требованию оператора (администратора). Основной услугой этой системы является видеонаблюдение. Дополнительных услуг в системе не предусмотрено.

 

2. Проработка обобщенной функциональной схемы системы: выявление основных ее компонент и описание функциональных связей. Краткое описание концепции функционирования сети в виде анализа доставки информационных/служебных сообщений системы по схеме: сообщения для передачи - инициатор сеанса связи – доставка сообщения (сеть) – получатель сообщения. Обоснование наличия выделенных узлов сети и отражение их задач. Выбор интерфейсов взаимодействия разрабатываемой сети с внешними компонентами (при необходимости).

 

В пункте 1 был установлен перечень функциональных узлов системы, это

- терминал (Т1-Т10);

- точка доступа (ТД);

- центр управления и сбора информации (ЦУСИ).

Т и ТД связаны между собой беспроводным способом (поскольку разрабатывается радиосистема видеонаблюдения). Между ТД и ЦУСИ устанавливается маршрутизатор (входящий в состав ЦУСИ), выполняющий функцию адресной доставки данных. ТД, маршрутизатор и ЦУСИ объедены между собой линиями сетевого кабеля. Роль администратора системы выполняет один из операторов. В его обязанности входят:

- включение и отключение системы, каналов передачи данных, терминалов;

- поддержание работоспособности сети и её компонентов;

- модернизация существующего программного обеспечения и установка нового;

- защита данных (введение режима шифрования данных);

- сбор статистических данных о работе сети;

- резервное копирование данных на сервер хранения данных, например информационной системы ТД.

Функциональная схема сети представлена на рис. 1.

Рис. 1. Функциональная схема сети

Рассмотрим краткое  описание концепции функционирования сети. Функционирование разрабатываемое радиосети начинается с этапа поиска сети. ТД передает широковещательное сообщение в состав которого входит уникальный ID_ТД . Т осуществляет поиск сети. Найдя сеть Т получает ID_ТД , сравнивает его с ID_ТД , хранящимся в информационной системе Т. В случае если они совпадают, то начинается процедура регистрации Т в сети, в противном случае поиск сети продолжается (№1 табл. 3). Для прохождения процедуры регистрации в сети Т передает ТД уникальный ID_Т . ТД, получив ID_Т , сравнивает его с ID_Т, хранящимся в информационной системе ТД. В случае если принятый ID_Т совпадает с хранящимся, то процедура регистрации окончена: Т зарегистрирован в сети (№2 табл. 3). Эти этапы функционирования осуществляются только один раз: во время включения Т. А при дальнейшем функционировании сети ТД  периодически опрашивает терминалы (№3 табл. 3), если терминал включен и зарегистрирован, то он ответит подтверждением (№4 табл. 3). Данная процедура позволяет терминалам знать сколько терминалов в сети на данный момент. Это дает возможность оператору сделать запрос Т на улучшение качества передачи видео и аудио данных, если в сети находятся не все терминалы. После прохождения этапа регистрации оператор (ЦУСИ)  может осуществлять видео наблюдение, запросив нужный ему терминал (№5 табл. 3). Для того чтобы ТД знала кому предназначаются видео и аудио данные необходимо каждому оператору присвоить уникальный номер: ID_{оператора} . И далее после запроса терминал предоставляет конкретному оператору видео и аудио данные (№6 табл. 3). Осуществление управления датчиками осуществляется по той же схеме, что «запрос на видео наблюдение» (№5 табл. 3).  Более подробный анализ функционирования системы будет рассмотрен позднее.

 

Таблица. 3. Анализ доставки информационных/служебных сообщений системы.

№	Этапы функциони-рования системы	Сообщение для передачи	Инициатор сеанса связи	Доставка сообщения (сеть)	Получатель сообщения
1	Поиск сети	IDТД	ТД	ТД→Т	Т
2	Регистрация в сети	IDТ	Т	Т→ТД	ТД
3	Опрос каждого терминала	«Т работает?»	ТД	ТД→Т	Т
4	Подтверждение работы терминала	«Т работает!»	Т	Т→ТД	ТД
5	Запрос на видео наблюдение	«Т -видеонаблюдение»	оператор (ЦУСИ)	ЦУСИ→ТД→Т	Т
6	Предоставление видео и аудио данных	Видео и аудио данные	Т	Датчики→Т→ТД→ ЦУСИ	Оператор (ЦУСИ)

 

Исходя из описанного выше, необходимо сформулировать основные задачи выделенных узлов радиосети, то есть, терминала и точки доступа.

Задачи ТД:

·                    передача общей информации о сети:

·                    прием/передача адресных сообщений;

·                    прием и обработка запросов от Т и от ЦУСИ;

·                    организация и выделение каналов связи;

·                    синхронизация всех терминалов в зоне радиопокрытия;

·                    сбор статистических данных о работе сети.

Задачи Т:

·                    сбор аудио и видео данных;

·                    прием и обработка запросов от ТД;

·                    передача аудио и видео данных;

·                    синхронизация с ТД;

·                    сбор статистических данных о работе терминала.

Функциональная схема ТД отражена на рис. 2. 

Рис. 2. Функциональная схема точки доступа.

 

В ее состав входят:

· радиомодуль - отвечает за формирование и достоверный прием потока битов;

· буфер - устройство для временного хранения передаваемой информации, которое при заполнении передает данные терминалам-адресатам;

· модуль извлечения информационных сообщений, необходим для отделения аудио и видео данных от служебных сообщений;

· модуль принятия решений и обработки каналов сигнализации на основе полученных служебных сообщений решает, как будут развиваться и корректироваться сценарии взаимодействия ТД и Т;

· модуль оперативных измерений - определяет параметры сети с точки зрения ее производительности, например уровень сигнала, оповещает модуль принятия решений и обработки каналов сигнализации, который затем отправляет команду радиомодулю пере-строиться на соответствующий профиль функционирования;

· информационная система – отвечает за ведение журнала активных терминалов и хранение как идентификатора ТД, так и идентификаторов терминалов, а также сбор статистических данных о работе сети;

· сетевой контроллер - периферийное устройство, обеспечивающее доступ к провод-ной сети по технологии Ethernet через разъем RJ-45. Связь между контроллером и модулем принятия решений и обработки каналов сигнализации необходима для возможности обновления сценариев взаимодействия ТД и Т. Связь между контроллером и информационной системой – для обновления данных, хранящихся в ней, и дублирования её на ЦУСИ.

Функциональная схема Т отражена на рис. 3. 

Рис. 3. Функциональная схема терминала.

В его состав входят:

· радиомодуль - отвечает за формирование и достоверный прием потока битов;

· модуль извлечения информационных сообщений, необходим для отделения команд управления от служебных сообщений;

· модуль управления ресурсами терминала на основе полученных служебных сообщений определяет, как будут развиваться и корректироваться сценарии взаимодействия Т и ТД;

· модуль оперативных измерений – определяет параметры сети с точки зрения ее производительности, например уровень сигнала, оповещает модуль управления ресурсами терминала, который затем отправляет команду радиомодулю. И далее радиомодуль сигнализирует ТД, чтобы та приняла решение о перестройке на соответствующий профиль функционирования;

· информационная система – отвечает за хранение идентификатора Т,  идентификаторов ТД;

· сетевой контроллер - периферийное устройство имеющее два интерфейса:

1) IEEE 1394(3) (и одноименный разъем) – протокол, обеспечивающий доступ к аудио и видео датчикам;

2) USB – интерфейс, обеспечивающий возможность обновления сценариев взаимодействия Т и ТД, а также обновление информационной системы (точнее, хранящихся в ней идентификаторов) [5]. Этот интерфейс необходим на этапе подготовки Т к работе.

 

3. Определение и обоснование структуры информационной подсистемы сети. Выявление важнейших модулей информационной подсистемы и пояснение необходимых связей модулей.

 

Информационная подсистема ТД отображена на рис. 4 и включает в себя:

журнал операторов хранит ID всех операторов, а также информацию о том какими датчиками на каком терминале он управляет;

 журнал шифрования хранит ключи шифрования для каждого терминала;

журнал адресов содержит ID всех терминалов, сведения о том за каким терминалом закреплен оператор, а также ключи шифрования (в случае включения режима «шифрования»);

журнал активных терминалов содержит сведения о терминалах, находящихся в активном режиме работы, готовых передавать данные. Здесь записываются ID активных термина-лов, которые заимствуются из журнала адресов;

журнал выделенных каналов связи содержит информацию об используемых каналах связи (скорость трафика, каким Т используется). Данная информация берется из журнала активных терминалов;

журнал статистики содержит такую информацию как входящий/исходящий трафик (от журнала выделенных каналов связи), время нахождения терминала в сети (от журнала активных терминалов);

информация о точке доступа – содержит ID точки доступа, функционально не связан с выше перечисленными журналами.

Информационная подсистема Т отображена на рис. 5 и включает в себя всего два элемента:

журнал идентификаторов точки доступа – содержит идентификатор ТД;

информация о терминале – содержит ID терминала, а также ключ шифрования.

Стоит отметить что эти элементы функционально не связаны.

 

Список литературы.

1.                  http://www.omikom.ru/detail.php?id=1806

2.                  http://www.gadgetsstore.net/gadget-793

3.                  http://www.aktivsb.ru/prod-16922.html

4.                  http://wisol.ru/articles/2/

5.                  http://www.ruggedcomputers.ru/modern-notebook-ports.html

6.                  http://www.robo-homo.ru/robo-lenta/robo-glossary/144.html

7.                  http://omoled.ru/publications/view/291

8.                  http://omoled.ru/publications/view/295

9.                  http://omoled.ru/publications/view/288

10.              http://omoled.ru/publications/view/296