模拟微波森林防火监控系统方案

概 述
森林放火监控系统不论其系统的大小或功能强弱，概括起来，主要由前端、传输、主控和网络4个部分构成。整个系统的主要作用在于快速处理警情和及时防范火警。一旦遇有火灾报警，可以为指挥中心提供准确的时间、地点、灾情及详细的图像信息，便于中心及时做出相应的决策。本森林防火监控系统采用微波远程监控设计，具有监控图像质量好,实时性好,并进行多层次的并行分控，可以大大降低误警的概率，提高系统的灵活性和实用性。
另外，随着技术的进步，还在主控系统中还可以增加计算机图像识别技术，该技术主要适用于夜间监控，由计算机自动识别火灾警情。对减轻工作人员的劳动强度和提高火灾预警系统的自动化程度起到很大作用。本方案对摄像机出来的图像信号，采用AC-460远程微波图像传输系统进行传输，而对于云台、镜头等需要控制的设备，则采用CM-300无线指令发射接收系统来传输控制信号。
由于森林防火系统,一般监控点的地点距离监控中心都有几十公里不等的距离，我们需要将图像传输到监控中心，不外乎两种方案：光纤和微波。在山地铺设光纤，其施工难度是相当难的，并且造价相当高工期也很长，所以采用光纤传输的方案是不可行的。而如果采用微波方式来传输的话，则容易得多，并且工期也要短，造价也比较低，用户完全可以接受。AC－460远程微波图像传输系统，采用1.0-13.7GHZ频段的无线微波来传输远程监控视频信号。由于设备选用日本NEC Pasolink高性能数字化通信收发信机组件，具有稳定可靠等优点，并且设备采用了较高的频率，具有较强的抗干扰性能，图像十分清晰稳定。在无遮挡情况下，通常可以传输50－100公里。其中不可能完全保证可视，那么则为了保证监控中心图像接收效果，可以找出监控现场与中心都可视的第三点，加装图像传输中继设备。
AC－460的工作频段主要有三个频段，即L波段，S波段和KU波段。三个频段的频率范围为：
L波段0.95－1.8GHz
S波段  2.3－2.7GHz
KU波段10.7-13.7GHz
由于频率越高，抗干扰能力越强，本方案中，我们根据用户的现场情况，建议用户采用KU频率的设备,在本方案中以KU波段的设备为例； AC－460的功率根据具体森林防火监控点的距离确定。
CM－300无线数字指令收发系统，工作于RF射频频段，用于传输速率为1200BPS－9600BPS的串行数字信号。其接口方式有RS232和RS485两种，它既可以与KWT多媒体控制系统配合使用，又能与美国PELCO，美国AD等控制矩阵和控制键盘（如KBD-300、KT-8000系列）相配套，应用十分灵活。其全向发射覆盖范围可达到30多公里。配合AC-460无线图像传输设备，组成一套完整的无线传输、控制系统。
CM－300的工作方式为点频方式，频点通常有150MHZ、230MHZ和450MHZ等频点，发射功率为25W或40W，视控制距离而定。由于工作频率远低于图像传输的频率，能够饶绕过一般障碍物，永康市监控中心在整个市的地理中心，周围监控点最远点位于龙山镇东北角，大致距离为30多公里，监控中心到前端距离不远并且无高山等大的障碍物，所以控制信号的传输，无须中继设备，都可以将控制指令传输到监控点现场点。其的工作方式为自控发射方式，即当发射机收到RS485或RS232总线的数据时才发射，平时为待机状态。
CM－300还具有远程喊话的功能，控制中心还可以通过CM-300对前端的监控点进行喊话，如果前端配置高音喇叭，可以对所监控的区域，在一定的范围内喊话。这在紧急情况下是非常有用的

系统功能
● 监控中心实现对所辖林区的图像系统进行全方位实时监控，及时发现火警或火警隐患。
●前端设备具有防盗报警功能，一旦有人接近，中心可以立即知道，同时发出报警声音，前端图像由原来的监控图像自动切换到防盗图像上，中心可以对现场声音进行监听，也可以对前端进行喊话。
●中心监控室的监视器可以实时显示当前摄像机所观察的方位角，便于紧急情况下协助指挥员决策
●喊话功能即可以在林区,遇到紧急情况时（如火灾，暴风雨，洪涝灾害等）作为紧急疏散功能
●在监控中心采用硬盘录像系统,进行实时录,林业局可以轻易实现通过联网的计算机进行远程监控,并且直接调看前端图像或录像资料。网内计算机便可以通过计算机网络进行监看、查询录像资料。
●各个前端配置后备电源，和太阳能电池,使得前端所有设备能够在7个阴雨天也能正常工作。

3.1 前端
所谓前端，包括低照度高清晰摄像机，万向云台，高倍望远镜头，防尘罩和供电电源等。
摄像机：我们建议采用高清晰度，低照度的彩色CCD摄像机，摄像机感光光谱要宽，对远红外线光谱线十分敏感，这样使得摄像机对火光和由火光引起的燃烧温度有较高的检知能力，我们建议选取低照度星级光摄像机AC-168。
变焦镜头：由于森林监控的监视范围较大，通常一个CCD摄像机要兼顾到几公里 或更远范围的区域，所以必须用高倍数的长焦距望远镜头。根据我们在一些森林防火监控系统中的经验和教训，我们认为，选用镜头的主要依据需要根据监控点所监控的实际范围来定，但是总的来说，应该选取焦距范围在200毫米－600毫米之间的变焦镜头。为了适合夜间观察，最好采用三可变镜头，其光圈的控制范围会比两可变的效果好。变焦镜头的倍数不必太大，因为有云台的转动，镜头的视角不必太大，否则设备价格将成倍上升。如果选用大于300毫米的镜头，我们建议采用国产镜头。如果选用小于300毫米的镜头，我们就要选取进口镜头。这主要考虑到器材的性能价格比的问题。进口镜头除了清晰度和稳定性优于国产镜头外，在功能上一般都有预置功能，可以对选好的重点方位进行预置编程监控。但是如果焦距太长，价格很难以接受。如果选用200毫米镜头，我们建议选用日本精工公司的20倍变焦镜头，焦距为10~200mm。如果选用300毫米镜头，建议选取日本COMPUTAR公司的10－300毫米的变焦镜头，该镜头除了常规功能以外，可以实现预置跟踪。对于观察距离更远的监控点，建议采用国内生产的20-600mm焦距的30倍长焦镜头。
云台：云台的选取主要是可靠，耐用，稳定性高，抗风能力强，由于选取的镜头和护罩都很大，所以载重量要大于20公斤。
防护罩：防护罩要容得下长焦距镜头和摄像机，所以其尺寸要足够大。而且要由雨刷和恒温装置。
解码器：解码器的选取应可以配合云台镜头的工作，可以与CM-308无线指令接收机的通讯端口相兼容。同时，该解码器可以实现视频切换功能，当前端的设备防盗报警装置检测到报警信号时，该解码器自动将视频信号切换到云台下面防盗监视摄像头，以便观察周围的情况。该切换功能以中心控制为优先级。
防雷设备：系统防雷分为微波系统防雷和电源防雷。微波系统防雷主要是在发射机和天线之间串接避雷器，以避免来自天线的雷击，起到保护微波发射机的目的。电源防雷主要是为了避免电源线引入的浪涌袭击。根据我们的经验，野外监控和微波系统对于雷击最为薄弱的环节还是系统的电源，因此作好电源防雷是相当重要的。电源防雷的关键是作好接地，而森林防火监控的摄像机往往置于高山之上，接地很难作好，所以要根据具体地形，因地制宜。
微波设备:由于森林防火监控系统主要用于野外远距离传输，所以传输系统不外乎光缆和微波。通常由于森林山区的特殊性，光缆的铺设费用较高，且易被人为破坏，所以微波图像传输的主要特点成为森林防火监控的首选方案。微波传输的主要特点是便于架设、开通快。由于森林监控的监控点本身地势较高，所以正好克服了微波传输受地形限制的缺点。尤其是在前端到当地分控中心的传输过程中，采用微波是最佳方案。微波图像传输通道选择ALLTECH品牌，科卫泰公司的AC-460微波设备，该产品核心部件采用日本NEC Pasolink数字化通信收发信机组件，结合我公司先进的模拟视频调制技术，进行设备整合，生产的设备具有高稳定性、微波指标好等优点。在没有遮挡的情况下，AC-460系统可以传输十几甚至100公里的距离，图像质量能达到4级标准。如果避不开遮挡，则可以找一个对发射和接收点都可视的第三点，进行一次中继。增加一套微波中继设备，就相当于将微波发射接收设备增加一套，中继的数量根据现场情况增减。
太阳能电池: 用户自备

微波传输的选取
由于森林防火监控系统主要用于野外远距离传输，所以传输系统不外乎光缆和微波。通常由于森林山区的特殊性，光缆的铺设费用较高，且易被人为破坏，所以微波图像传输的主要特点成为森林防火监控的首选方案。微波传输的主要特点是便于架设、开通快。由于森林监控的监控点本身地势较高，所以正好克服了微波传输受地形限制的缺点。尤其是在前端到当地分控中心的传输过程中，采用微波是最佳方案。
微波传输设备通常分为数字微波图象传输和模拟微波图象传输两大类。对于数字微波和模拟微波的差别，主要有以下几点：
a）、数字扩频微波占用频率资源较少，抗干扰能力强，由于采用了数字压缩技术，大大地提高了微波频率资源的使用效率。例如，采用4M带宽可以传输DVD等级的高清晰图像，而占用频率带宽仅为6MHz左右。如果采用模拟微波，则需要大约20MHz的带宽。所以，目前国家极力主张采用数字方式传送图像，主要是考虑到尽可能节省频谱资源。但是，从一些林业监控系统的实际效果来看，目前大多数采用MPEG-4压缩的微波图象传输效果都不太理想（如采用的5。8GHZ数字微波加MPEG-4编解码器的传输方式，基本上对清晰度指标持否定态度，但是这不是设备质量问题，而是方案性问题），清晰度达不到要求，远远比不上模拟微波的实际图象效果。
b)、数字微波传送图像时，首先必须将图像进行压缩，然后送入数字微波通道，而接收端需要进行解压还原，所以，数字微波图像传输系统的成本造价远远高于模拟微波，它们的价格差异大约是一个数量级的概念。以效果最好的MPEG-2方式来说，尽管其图像可达到DVD效果，但其视频通道是一个模拟微波通道的十倍，这就大大地限制了它的应用范围。目前，另外两种常用的压缩方式为MPEG-1和MPEG-4，这两种压缩方式的压缩比较大，适合于窄带传输，速率在2M左右，成本比MPEG-2低很多，但是图像清晰度要差一些。MPEG-2的图像清晰度约为800*640像素，而MPEG-1和MPEG-4大约为352*288的清晰度（即VCD的清晰度）。
c)、从图像清晰度来说，MPEG-2的效果为DVD效果，该效果与模拟微波的效果等同，具有足够完美的清晰度，而MPEG-1和MPEG-4则明显劣于模拟微波图像设备。由于数字微波的压缩需要高速运算电路处理，所以，压缩过的图像通常比模拟图像有一定的延迟时间。例如，MPEG-2和MPEG-1大约为延迟2~3秒，而MPEG-4则大约延迟0.3秒左右。也就是说，采用MPEG-1或MPEG-2压缩方式，在监控中心看到的图像大约是摄像机在2~3秒以前所摄取的图像。这一点在控制云台镜头变化时，给操作带来了很大的麻烦，完全不像模拟微波那样灵活自如。所以，在监控领域，如果必须选择数字微波时，我们建议尽量选取MPEG-4的压缩方式。
d)、从抗干扰性能来说，如果采用扩频方式，则数字微波的抗干扰性能要优于模拟微波。但是，为了提高系统的抗干扰能力，我们通常采用频率高达13GHz的设备。13GHZ的模拟微波图象传输设备本身一样有很强的抗干扰特性。他的天线波束宽度大约为2.5度左右，指向性非常强，即使在同一个监控中心，也可以用一个频点传输多路图象而互不干扰，所以，即使时20个点的微波监控系统，也只需要5－6对频点就可以了。
e)、数字微波图像传输系统通常都是双向传输，我们可以在传输图像的同时传输反向控制信号，无需增加额外的设备。而模拟微波图像传输为单向传输，所以在使用模拟微波图像传输系统时，必须增加一套低频段的点对多点的无线遥控系统，该系统只要占用一个25KHz带宽的无线数字信道即可。
f). 由于数字微波图象传输需要视频编解码器，所以系统耗电很大，不太适用于在太阳能供电的场合。相反，模拟微波的耗电很少，大约是数字微波系统耗电的十分之一，在同样的电源容量下，可以有更长的连续工作时间，同时由于电源损耗少，系统的可靠性和稳定性也大大优于数字微波图象传输系统。
g).由于数字微波图象传输系统的设备复杂程度较高，设备量较大，因此系统造价也远远高于模拟微波图象传输系统。他们的差距几乎相差一个数量级。

     一套微波传输设备，三种波段分别包含发射接收等设备,其中本方案,采用AC-460Ku波段设备.
AC－460Ku，Ku波段发射接收系统，频率：10.7-12.7GHz，含1路视频，1－2路音频，
AC－460Ku发射机                        1台
MR－360接收机                              1台
0.5米偏馈天线                              2面
LNB变频放大器                              1个

     前端的系统防雷
系统防雷分为微波系统防雷和电源防雷。微波系统防雷主要是在发射机和天线之间串接避雷器，以避免来自天线的雷击，起到保护微波发射机的目的。电源防雷主要是为了避免电源线引入的浪涌袭击。根据我们的经验，野外监控和微波系统对于雷击最为薄弱的环节还是系统的电源，因此作好电源防雷是相当重要的。
电源防雷的关键是作好接地，而森林防火监控的摄象机往往置于高山之上，接地很难作好，所以要根据具体地形，因地制宜。最为基本的做法是，在建设安装支架或铁塔时，同时作一个埋地的铁丝网结构，大约直径为10米左右，该铁丝网的形状类似蜘蛛网形式，埋地深度大约为1米左右，如果条件允许，可以进一步买一些木炭，提高导电率。
      无线指令传输设备
由于每个监控点区的摄像机都要配置变焦镜头、云台、室外防尘罩等，为了方便某单位监控中心对现场的监控，这就需要对这些设备进行控制。CM-300远程无线遥控系统可以很好地解决这一问题。在中心和分控点用CM－300通过２３０Ｍ或者４６０MHz无线发射机来发射由控制键盘发出的控制指令；在控制现场由CM-308无线指令接收机来接收控制指令，然后输出指令通过RS485总线接到多个一体化球，再通过解码器来控制云台、镜头、防尘罩或开机、关机等，十分灵活。当然，用户如果有多路图像需要进行传输，也可以选配AC-480多路微波发射机，同时将图像传输到控制中心。

．防盗窃装置：
由于森林监控系统必须设置在荒郊野外，因此为了防止盗窃和破坏，我们在前端的监视点设置双鉴报警探头，一旦有人靠近设备，设备将以声光方式自动报警，同时报警的声音直接传输会监控中心，监控中心接到报警以后，可以通过CM-300指令发射机对现场进行喊话，同时，我们在监控点安装一个专门用于防盗的广角黑白摄像头，该摄像头可以使指挥中心一目了然地看清现场的实际情况。紧急情况下，指挥中心可以将监控图象切换到该摄像机，同时对现场进行录像。
．前端电源配置：
前端电源应该尽量采用市电，也就是说，选择具体的监控点时，除了监视范围的需要以外，还要考虑尽量选择在有电源的山头上。如果有一些监控点实在没有电源，可以考虑采用太阳能供电系统。在浙江地区，由于阴雨天气较多，太阳能供电系统的后备工作时间应该至少设计为15－20天。前端设备的电源功率如下：
AC-460KU                    2.5W
CM-308/ST-832指令接收解码     5W
室外云台KT-570/镜头           35W
摄像机                         3W
报警探头                       2W
根据以上电源耗能，可以由太阳能电源配套生产厂家计算出所需要的电池板数量和后备电池容量。
．铁塔或天线架的设置：
由于森林监控系统多数架设在高山之上，所以铁塔不必太高，其实际高度只要高过山顶的树木就可以了。如果铁塔高度太高，其造价会直线上升，不利于成本控制。但是铁塔的强度要好，否则在变焦镜头的焦距变到最大时，图象会产生晃动现象。铁塔的接地要求非常严格，接地电阻一定要小于国家要求的4欧姆。