一套完整的智慧农场视频监控系统设计方案

作者：时间：2022-04-21来源：智能化弱电工程设计与施工收藏

1.1 项目概述

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/202204/433333.htm

随着国家对农业发展的重视，以及人们对绿色饮食的关注，智慧农业成为当前备受关注的生态农业发展手段。作为农场园区的经营者最头疼的问题莫过于两点：一是所经营作物的销售途径问题；二是作物的生长状况及生产过程把控。透过远程实时监控农业园区的生产过程、生态环境、作业监督，更好地指导生产的同时，也打消了用户对绿色产品的顾虑，为营销问题大大的拓展了途径。多数经营者在园区安营扎寨日夜守护着，园区的规模越大，在看护上投入的费用和人力也就越多，这就严重制约了农业园区的发展和扩大。

农业物联网综合监控技术的突破，利用软件平台和先进的硬件设备，建成支撑现代农业发展的物联网综合管理服务体系。建设农业物联网综合平台，覆盖全农场的决策指挥调度体系。在农业种植、水产养殖、畜禽养殖和大田种植监测上广泛应用农业物联网技术，实现精确感知、精准操作、精准管理，促进农产品产量增加、投入品减少、劳动力消耗减少、成本降低、质量提高、价格提升，以取得良好的经济效益、社会效益和生态效益。

本次方案设计建立数字化视频监控，最终实现所有农场的平台互联互通，实现统一管理、统一调度，为智慧农业的科学种植和安全生产、管理系统提高效率做出贡献。

1.2 视频监控系统设计

视频监控系统采用纯网络模式，前端全部采用网络摄像机，信号通过局域网传输，中心存储则采用CVR网络直存方式。中心机房设置在监控中心旁，内部包含了存储子系统、管理控制子系统和集成联动等部分，是整个监控系统的核心，是软件平台的核心；在系统结构图如下：

系统拓扑示意图

1.2.1 功能说明

全天候监控功能：通过安装的全天候监控设备，全天候24小时成像，实时监控办公楼室内外在农业种植、水产养殖、畜禽养殖、菜蔬大棚、种植周边等区域的安全状况；

高清成像功能：农业试验田需要清晰的监控田地农苗的长势、花期、病虫害，同时具有试验田整体情况把控和秧苗细节监视的功能，建议使用大倍数高清低照球机。

自动跟踪功能：办公楼周界和主要路口、室外开阔区域采用高清智能快速球机，当发现运动物体后，系统会停止继续执行摄像机的巡逻程序，而对目标图像变焦放大，并跟踪目标，以便将运动录像，并发出报警。这些动作都不需要操作人员的帮助，使操作人员能处理报警或采取其它行动。

前端设备控制功能：可手动控制镜头的变倍、聚焦等操作，实现对目标细致观察和抓拍的需要；对于室外前端设备，还可远程启动雨刷、灯光等辅助功能。

分级管理功能：记录配置客户端、操作客户端的信息，包括用户名、密码和用户权限（系统资源），在客户端访问监控系统前执行登陆验证功能。在办公楼安防控制中心建设以C/S为架构的管理平台，对于远程访问和控制的人员，可以通过授权登录WEB客户端，实现对摄像机云台、镜头的控制和预览实时图像、查看录像资料等功能。

报警功能：系统对各监控点进行有效布防，避免人为破坏；当发生断电、视频遮挡、视频丢失等情况时，现场发出告警信号，同时将报警信息传输到监控中心，使管理人员第一时间了解现场情况。

联动功能：监控区域出现任何警情（图像丢失、遮挡、人员区域入侵等），都可以设置后端平台联动计划，从而通过声音、警灯、电视墙弹出图像进行实时告警。做到第一时间了解现场情况。

集中管理指挥功能：在指挥中心采用综合管理软件，实现对各监控点多画面实时监控、录像、控制、报警处理和权限分配。

回放查询功能：有突发事件可以及时调看现场画面并进行实时录像，记录事件发生时间、地点、及时报警联动相关部门和人员进行处理，事后可对事件发生视频资料进行查询分析。

电子地图功能：系统软件多级电子地图，可以将区域的平面电子地图以可视化方式呈现每一个监控点的安装位置、报警点位置、设备状态等，利于操作员方便快捷地调用视频图像。

设备状态监测功能：对于系统前端节点为网络摄像机，它们与软件平台之间保持IP通信和心跳保活，软件平台能实时监测它们的运行状态，对工作异常的设备可发出报警信号。

1.2.2 点位设计

前端设备技术要求

前端摄像机是整个视频监控系统的原始信号源，主要负责各个监控点现场视频信号的采集，并将其传输给视频处理设备。监控前端的设计将结合农场实际监控需要选择合适的产品和技术方法，保障视频监控的效果。

作为监控系统的视频源头，摄像机对整套监控系统起着至关重要的作用。对摄像机的基本要求是：图像清晰真实、适应复杂环境、安装调试简便、承受超低温。

1、图像真实清晰——摄像机种类很多，其本源是内部核心部件“图像传感器+数字处理芯片”，针对不同的行业有完全不同的优化方案。比如：广播电视系统的图像处理偏艳丽，这是符合观众的视觉需求。相对而言，视频监控系统对图像的要求是真实还原，尤其是图像的色彩应与现场一致，比如：植物绿叶的颜色、花的颜色、水质的颜色及感观等。此外镜头倍数也将影响用户捕获图像的景深，广角取景能获取全景概况，长焦取景能获取人脸面部特征，因此，用户对图像要求与使用场景密切相关。当然，在特殊场景下还需要特殊功能进行匹配，比如：超低照度、宽动态等等。

2、适应复杂环境——与硬盘录像机、交换机所处环境不同，摄像机一般都置于风吹日晒的环境下，天气变化都会影响摄像机的工作。耐高温与低温、抗雷击、防水防尘等应达到相关指标，摄像机应该能在恶劣环境下正常工作。有些环境下室外摄像机护罩内应该有加热、除湿等装置，防水防尘级别应该达到IP66，内部电路应该具备防浪涌保护设计，抗6000V雷击。

3、安装调试简便——摄像机多安装于难以摘取的位置，因此使用过程中的再度调试是较麻烦的，增加维护成本。摄像机应该提供OSD操作菜单供用户远程调试及参数修改。此外，建议为摄像机由UPS集中供电以保证电源洁净，防止串扰。

二、前端监控点的选择

根据监控点的具体位置和现场环境情况，采用红外枪机、宽动态摄像机、高清智能球型摄像机和一体化超远距离网络摄像机相结合的方式。

整个农场视频监控系统，根据监视场景的不同，做如下设计：

1.2.3 室外大场景——催芽基地

大场景的应用，主要为具有开阔视野和需要大范围呈现监控画面的场景。比如催芽大棚整体环境，育芽苗圃安全环境监控。育芽期间需要把控整体育芽基地的安全，主要场景包括主要交通干道，大棚的周边。育芽期间需要全天候监控周边环境。

配置原则如下：

1.2.4 室外重点监控区域（枪球联动）

无缝枪球联动自动跟踪监控系统，主要应用于防范等级较高的场所。正常状态下的自动跟踪系统只能兼顾一个场景，在跟踪的同时会忽略整体场景，容易被”声东击西”。枪球联动系统很好的解决了针对细节自动跟踪放大的问题，枪机看全景，球机高速捕捉细节。早期的1枪1球联动无法同时对多个运动目标进行同时跟踪，为了改善这个问题，目前我们最多可以支持“1枪4球联动”，不遗漏任何关键细节。

从应用的角度，这个系统不需要服务器的支撑，完全的智能前置，极大简化系统配置和成本。

1.2.5 自动跟踪球机

无缝自动跟踪监控系统设置的跟踪触发规则如下图所示：当有移动目标进入该区域时，球机开始对其进行跟踪。

1.2.6 主要路面监控

室外路面面固定点推荐采用200万网络高清球型摄像机，满足在覆盖范围内看清过往行人、车辆的行为特征和体貌特征，来对大范围监控区域进行监控。在重要监控区域推荐采用带有自动跟踪功能的网络高清智能球机，对进出人员进行自动跟踪。

摄像机要达到IP66的防护等级，避免在雨天等环境下因为雨水或灰尘的进入；在晚上光线不足的环境下推荐采用超低照度功能或红外功能的网络高清枪机，保障夜晚等光线不足环境下的监控图像质量。

路面可控点监控效果示例图

1.2.7 周界监控

Ø 主动红外报警存在的问题

主动红外报警系统主要是由主动红外探测器和报警主机这两个基本部分组成，根据需要还会配置计算机管理软件、报警联动板、联动显示板、报警打印机等等。主动红外是指这种报警探测器本身发射红外线束，由发射端和接收端两部分组成。存在问题是：

1.当夜间100以上较长对射式红外报警时，保安值班人员无法及时判断准确的位置，如果使用摄像机联动进行抓拍很难做到准确，往往出事之后靠录像资料分析可疑人员。

2.如果采用近距离的红外对射装置（40米以内）同加摄像机联动是可以的，但工程造价和线缆较多，施工难度较大。

3.树叶遮挡光速时会频繁造成误报。误报率比较高。

Ø 智能周界监控系统的优势

智能视觉监控系统是基于智能视觉分析技术的监控跟踪系统，它具有穿越警戒面、入侵检测等功能模块，可以很好地解决各种环境下遇到的各种各样的难题。

不需要一直紧盯屏幕，保安人员只需要在系统告警时进行确认即可。避免了保安人员因长时间观看屏幕造成疲劳而降低注意力，提高了保安人员实际监控的效果，真正做到7×24全天候监控。

所有监视屏幕均由摄像机自动进行智能监控，保安人员只需要对产生告警的摄像机进行确认和处理即可。这样，保安人员的实际有效监控范围可以提高数十倍，大大提高了监控效率。

可以侦测并记录出现在监控屏幕内的徘徊行为。在发现入侵者之后可以自动预警，这样，保安人员就可以随时掌握着入侵者的行踪，并在事发之前进行预防和控制，把损失降到最低。

可设置“告警触发式”传输模式——借助计算机或嵌入式设备的强大数据处理功能，对视频图像中海量的数据进行高速分析，过滤掉用户不关心的信息，仅仅为监控者提供有用的关键信息。只在监控到威胁的时候才占用带宽，在同等带宽条件下可以容纳更多路监控

可设置“告警触发式”录像模式——只对用户指定的入侵行为或威胁事件前后过程进行录像，在同等条件下可以存储更长时间的录像，同时回放翻查录像效率很高。

Ø 智能周界监控系统特点

智能视频监控以普通的SMART网络视频监控为基础，除了具备广为人知的网络视频监控的优势外，智能视频监控系统还能为用户带来更大收益：

24x7全天候可靠监控：彻底改变以往完全由安全工作人员对监控画面进行监视和分析的模式，通过嵌入在前端处理设备中的智能视频模块对所监控的画面进行不间断分析;

大大提高报警精确度：前端处理设备集成强大的图像处理能力，并运行高级智能算法，使用户可以更加精确的定义安全威胁的特征，有效降低误报和漏报现象，减少无用数据量;

有效利用和扩展视频资源的用途：对事件和画面经过了智能分析和过滤，仅保留和记录了有用的信息，使得对事件的分析更为有效和直接。

Ø 系统功能

序号	功能名称	规则详细解析	规则图片
1	穿越警戒面	当目标越过用户设置的警戒面时，系统自动产生报警。可区分穿越警戒面的方向，可区分单向报警（从左往右、从右往左）或双向报警。
2	区域入侵	当目标在用户设置的检测区域范围内停留（包括静止和移动）超过设定时间时，系统自动产生报警。
3	进入区域	当目标从用户设置的检测区域外进入检测区域内时，系统自动产生报警
4	离开区域	当目标从用户设置的检测区域内离开检测区域时，系统自动产生报警。

1.2.8 室内场景

Ø 室内通道场景

楼梯、走廊、电梯、出入口等室内固定点监控场景，由于夜晚光线较弱，推荐采用200 万网络高清红外半球或筒机；电梯内空间狭小，推荐采用200 万网络高清迷你小半球；大厅等出入口外部夜晚光线较弱，推荐采用200 万网络高清红外球机。

Ø 室内大型场景

门厅、大型办公区域、仓库、一楼大堂等大型室内场景，白天或夜晚光线都较弱，推荐采用200 万网络高清红外球机，可上下左右旋转并对远处细节进行变倍放大，固定点监控推荐使用200 万网络高清红外筒机。

注意：如有逆光环境，如大堂内部安装的对准大门口或前台等场景下，建议部署具备宽动态功能的摄像机。

Ø 室内小型区域

会议室、独立办公室、资料室等小型室内区域，分块监控推荐使用隐蔽美观的200 万网络高清红外半球产品，全景监控推荐使用600 万全景鱼眼摄像机，可实现360 °（吸顶装）或180 °（壁装）的全方位监控。

1.2.9 网络设计

一、传输方式的类型

视频监控系统中，视频信号的传输是整个系统非常重要的一环，这部分的造价虽然所占比重不大，但关系到整个视频安防监控系统的图像质量和使用效果，因此要选择合理的传输方式。目前，在高清监控系统中最常用的传输介质是双绞线、光纤等方式。

1)视频双绞线传输

视频双绞线基带传输是用5类以上的双绞线，利用平衡传输和差分放大原理。这种传输方式的优点是线缆和设备价格便宜，传输距离相对较远。

2)光缆传输

光缆传输技术是远距离传输最有效的方式，传输效果也都公认的好，适于几公里到几十公里以上的远距离视频传输。具体实施是通过光缆把视频编码信号传输到监控中心的汇聚交换机上进行监控和存储；控制信号通过汇聚交换机传输到前端设备，完成对前端高清摄像机的控制。

根据两种传输方式的特性，在本案的视频安防监控系统当中，两种传输方式比较如下：

1)图像质量：光纤>超五类非屏蔽双绞线；

2)传输距离：光纤>超五类非屏蔽双绞线；

3)布线成本：光纤>超五类非屏蔽双绞线；

根据本次监控系统的整体构架及办公楼实地情况，对于不同场合、不同的传输距离，选择不同的传输方式。

1、室外场所一般距离监控中心较远，且因进监控中心信号有防雷的要求，宜选用光纤传输方式传输信号，有效地避免了视频信号受到雷击和静电干扰和破坏，确保视频信号稳定可靠的采集和传输；

2、由于本次视频监控系统采用纯网络架构，因此室内的监控点只需通过网线接入到就近弱电室的接入交换机上，距离超出一百米的则可考虑采用光纤传输。

3、当必须穿越复杂电磁环境时（如附件有大功率电动机）时，建议采用光纤传输方式。

二．田间网络传输设计WIFI

田间地形环境较为复杂且不稳定，走有线传输施工成本特别大，并且野外的线路破坏可能性比较大。监控布点较为分散，综合以上考虑建议田间和龙虾养殖区域采用WIFI覆盖，电源供电考虑就近取电或者采用风光太阳能取电。三、电源及控制信号传输

前端摄像机建议采用UPS统一供电，UPS供电线路部署到每个楼栋或室外弱电箱，通过变压后输出给前端摄像机，直流供电线路采用RVV3*1.5。

1.3 监控中心系统设计

1.3.1 概述

监控中心建设内容具体包括视频存储子系统、视频解码拼控子系统、大屏显示子系统、平台管理软件等，本章主要介绍存储子系统、解码拼控子系统和大屏显示子系统。

1.3.2 系统结构设计

监控中心系统结构图如下所示：

图1. 监控中心系统结构图

监控中心是整个视频监控系统的核心，实现视频图像资源的汇聚，并对视频图像资源进行统一管理和调度。其中，NVR实现视频图像资源的存储及调用，并且通过N+1备份模式，确保录像资源的可靠稳定；视频综合平台完成视频解码上墙和图像的拼接控制，同时其在硬件层面支撑管理平台，并通过网络键盘进行视频切换和控制，通过高清大屏对高清视频进行精彩展现。

1.3.3 存储子系统

存储子系统采用NVR的存储模式，通过N+1备份方式，实现对视频的存储，提高了系统的可靠性。其中NVR为海康威视自主研发，它融合了多项专利技术，采用了多项IT高新技术，如视音频编解码技术、嵌入式系统技术、存储技术、网络技术和智能技术等。

1.3.3.1 NVR存储设计

1.3.3.1.1 存储结构设计

本方案存储系统采用NVR模式，其中IPC不与平台直接对接，而是先接入NVR，再通过NVR接入平台。IPC与NVR之间实现了直接对接，而直接对接模式一般采用底层协议而非SDK方式，更有利于提高接入效率。NVR直接获取IPC的音视频直接存在本机上，实现视频直存。

视频存储系统结构设计及视频流向如下图所示：

图2. 存储子系统结构图

1.3.3.1.2 存储设计原则

对于NVR台数和硬盘数量的设计，需要结合实际情况综合考虑，其中主要可参考“短板优先”的设计原则。

“短板优先”是指在具体项目需求中，在部署NVR数量尽量少的前提下，首先分析接入路数（接入带宽）和存储容量哪个是主要限制项。

假设接入路数为“短板”，以接入路数来优先计算，假设接入带宽为短板，应以最大带宽所能容纳的最大接入路数来计算；对于存储需求很大，接入路数要求不高的情况，可先计算总的存储容量，再计算每台NVR最大存储容量，以此计算出需要的NVR台数。

1.3.3.1.3 存储热备设计

“N+1”热备功能是指系统中多台NVR可组成工作集群，通过设置备份主机的方式，保证系统中任意一台NVR网络中断、工作异常的时候，录像数据可靠、完整。

设置一台NVR为热备主机，其他NVR为工作主机。当任意一台工作主机网络中断或工作异常时，热备主机自动接管工作主机的网络视频，开启录像任务；当工作主机恢复正常后，热备主机放弃接管，并将异常期间的录像数据自动回传到工作主机中，保证录像完整、可靠。目前在N+1的配置中，1台备机支持32台工作主机。

1.3.3.1.4 存储空间计算

在计算存储空间时需先计算出所有路数存储一定的时间所需的存储总空间，用总路数乘以每路码流大小，再乘以总的存储时间即可算出总的存储空间，在计算过程中保持单位的一致性。下表为分别按照1路每天存储24小时、摄像机按照D1、720P、1080P的分辨率存储不同天数所需的存储空间表，如下表：

序号	分辨率	码流大小	1天存储空间（TB）	7天存储空间（TB）	15天存储空间（TB）	30天存储空间（TB）
1	D1	1.5Mbps	0.0154	0.1081	0.2317	0.4635
2	720P	2Mbps	0.0206	0.1442	0.3090	0.6180
3	1080P	4Mbps	0.0412	0.2884	0.6180	1.2360

1.3.3.2 NVR 存储亮点

海康威视是国内领先的嵌入式硬盘录像机设备生产厂家，针对安防市场的沉淀和理解，推出了多项符合视频流转发和存储的技术，利用专业性产品和配套系统，提供了高稳定性、高安全性、高可靠性的转发存储系统，在系统灵活性、兼容性、安全性、稳定性、可靠性、冗余性以及设备磁盘利用率、功耗、重量、体积和性价比上，都有非常大的优势。

1) 可靠性高

设备采用嵌入式操作系统，不会因病毒等原因导致无法使用或者异常关机重启，确保系统高可靠性。

嵌入式NVR专用软硬件的特性，决定了其针对应用环境的“量身打造”，环境适应能力更强，更切合于监控行业当前的实际情况（介于民用与工业之间）。

嵌入式NVR采用分布式存储方案，采用就近存储、快速存储、分散存储的策略，保证数据尽可能早的存储，有效规避网络异常等问题，把单点故障的风险降到最低。

该设备支持主辅双操作系统，主系统异常后辅系统立即顶上，保证设备稳定运行。同步降低功耗的同时，提高了运行寿命和稳定性，也增加了环境的适应性。

具备N+1热备功能，通过设置备份主机的方式，保证系统中任意一台NVR网络中断、工作异常的时候，录像数据可靠、完整。

具备ANR断网补录功能，ANR(Automatic Network Replenishment Technology)即自动网络补偿技术，在NVR与网络摄像机之间的网络出现异常的时候，自动启用前端SD卡缓存，将录像保存在网络摄像机SD卡中，网络恢复正常后自动将前端数据同步到NVR中。

2) 性价比高

嵌入式NVR采用分布式存储的模式，图像资源都分布存储在前端，汇聚网络投资成本低，同时数据可靠性得到有效保证。

嵌入式NVR多读少些的特性，监控级硬盘即可满足存储需求，同时其硬盘利用率上可以高达98%以上，大大降低存储成本。

嵌入式NVR低功耗的特点，可大大节省UPS投资成本和运营维护成本。

3) 灵活性高

海康威视新一代NVR产品灵活性高，在智能搜索、浓缩播放等智能化功能的基础上可根据不同情况进行灵活运用。

4) 兼容性高

作为专业视频转发存储设备，嵌入式NVR能够兼容大多数网络高清摄像机的接入。

5) 利用率高

嵌入式NVR采用磁盘空间预分配技术、整个系统仅损耗格式化空间，硬盘空间利用率在98%以上。

6) 数据安全性高

通过磁盘预分配技术、文件保护技术、硬盘SMART预警技术和硬盘休眠技术等多种安全技术手段，确保存储数据高安全性。

该设备还支持硬盘分组管理、通道配额设置、冗余录像、重要录像文件保护等机制，在提高数据安全性的同时，可针对实际应用提供更加灵活的配置和管理机制。

7) 适应性高

NVR存储部署方式较为灵活，即可采用分布式存储，又可进行集中存储部署，可以适应不同场景的应用需求。

8) 能耗低

设备采用Ti嵌入式专用视频处理芯片，打造专业的嵌入式NVR，设备运行功耗低；同时，配合硬盘休眠技术，有效降低设备整机功耗。

1.3.4 解码拼控子系统

解码拼控子系统主要是采用海康威视系统级的以解码、控制、拼控等功能集于一体的视频综合平台来进行设计，满足解码拼控等功能。

视频综合平台集所有控制解码设备于一体，参考ATCA ( Advanced TelecommunicationsComputing Architecture 高级电信计算架构) 标准设计，支持模拟及数字视频的矩阵切换、视频图像行为分析、视音频编解码、集中存储管理、网络实时预览、视频拼接上墙等功能，是一款集图像处理、网络功能、日志管理、用户和权限管理、设备维护于一体的电信级视频综合处理交换平台，解码拼控子系统采用视频综合各平台，性能强大，集成度高。

1.3.4.1 视频综合平台设计

1.3.4.1.1 一体化设计

1) 可插入各类输出接口类型的增强型解码板，每个输出接口能输出多路高清视频，进行上墙显示；由于视频综合平台本身集成大屏拼控功能，能进行拼接、开窗、漫游等各类功能。

2) 可插入各类信号输入板，可将电脑信号输入并切换上墙；除此之外，也可接入模拟、数字（HD-SDI）或光信号的信源接入。

3) 空余部分槽位，为后期系统扩展等提供方便接口。

4) 将平台软件模块以X86板插入的形式全部部署在视频综合平台内，无需购置各类服务器，平台各模块借助综合平台高性能的双交换总线技术，高效平稳的运行，无需考虑原先网络压力问题。

1.3.4.2 链路汇聚（LACP）设计