Připojení IP kamery na vzdálenost více než 100 m

V 1. části jsme zahájili stručný přehled možností výstavby moderních video monitorovacích systémů, umístění serverů a rekordérů v nich.

Na základě zpětné vazby jsme zjistili, že téma je aktuální. Vývoj pokračuje a dnes sami lídři v oblasti softwaru pro video dohled diskutují o výhodách a nevýhodách softwarových systémů (serverových) a systémů s rekordéry. V důsledku toho chápou, že spolehlivost registrátorů je vyšší, ale serverové systémy jsou flexibilnější a umožňují řešení složitějších problémů. Servery a rekordéry již mají software založený na neuronových sítích, ale tento software vyžaduje školení na konkrétní oblasti s větrem, vegetací a mraky. A to je „Achillova pata“ neuronových sítí, protože výrobci důvěřují školení pouze svým vlastním placeným certifikovaným specialistům.

Pravděpodobně, a to se u IP videosystémů již stalo (videokamery, rekordéry a optika k nim), brzy klesnou ceny neuromodulů a kvalifikovaní montéři s technickým vzděláním si poradí s přizpůsobením balíkových řešení konkrétnímu objektu. Pomůže nám zahraničí zastoupené Čínou.

Na základě vaší zpětné vazby bylo jasné, že existuje mnoho otázek ohledně konkrétních modelů serverů a registrátorů a systémů z nich vytvořených. Ale samozřejmě není možné přezkoumat celou řadu tohoto zařízení. Jednodušší je přejít na stránky výrobců, které jsem uvedl v odpovědích na otázky. Nenechám odkazy, je to zakázáno pravidly.

Během dotazů také vyšlo najevo, že je zájem o noční režim provozu videosystému. Toto je neprobádaná oblast a existuje mnoho klišé, mylných představ a nevyřešených problémů. Toto téma dnes nebudeme nastolovat, ale necháme si ho na další část naší eseje.

O videosystémy pro domácnosti je velký zájem a tento směr se díky vysoké technické úrovni uživatelů a mobilitě klientských zařízení stal hybatelem rozvoje video dohledu. Ale i zde existují pojmy, specifika a jemnosti, které stojí za řeč.

Dnes se pokusíme přejít ke specifikům distribuovaných video monitorovacích systémů, které byly zmíněny v první části prezentace, a uvedeme několik příkladů.

Připomeňme si tedy konec prvního dílu.

Lokální servery se používají k provádění analytických úkolů přímo v zařízení v oblasti, kde se nacházejí skupiny videokamer.

Proč na místě? Aby se snížilo zatížení cesty přenosu dat (DTP), zejména pokud je bezdrátová.

V článcích takové servery podrobně zvážíme a probereme:

• jemnosti jejich výběru;
• provozní a instalační podmínky;
• funkce přizpůsobení;
• jejich nedostatky;
• možnosti jejich kabelového i bezdrátového připojení přes Wi-Fi a GSM.

Začněme posledním bodem, protože ten určuje návrh a složení distribuovaných uzlů.

1. Kabelové komunikační kanály

V IP video monitorovacích systémech je možné použít kabelové kanály 2 hlavních typů:

1. UTP/FTP kabely na bázi mědi
2. Optické, založené na jednovidovém a vícevidovém vláknu

Tyto možnosti každý zná a zná jejich výhody a nevýhody, proto je nebudeme popisovat.

Pokud existuje drát, nejsou žádné problémy s rychlostmi a propustností vzdáleného uzlu, hlavním problémem je zajistit položení takové komunikační linky. Někdy je to nemožné. Někdy na to není čas a někdy musí být systém mobilní a musí být nainstalován a přesouván z místa na místo.

V obou případech je jako součást distribuovaného uzlu vyžadován měděný nebo optický port, nebo 2 pro redundanci.

2. Parametry moderních bezdrátových komunikačních kanálů

1. Wi-Fi
2. GSM
3. Specializované vysokofrekvenční rádiové kanály s parabolickými anténami v rozsahu 18-24 GHz (vzácné a drahé exotiky)

Proč jsou první dvě možnosti hlavní? Protože přenos videa vyžaduje vysokorychlostní širokopásmové kanály.

3. Komunikační kanály Wi-Fi. Přenosová rychlost až 300-900 Mbps

Přenosový kanál je regulován výkonem, zejména v Rusku ne více než 20 dBm, je také specifikován tvar spektra. Pro pásmo 2,4 GHz není nutná žádná licence.

Doplňky:

Není vyžadována žádná platba.

Pomocí Wi-Fi můžete organizovat přenos v rámci místní sítě (bezdrátový most), přístupového bodu (síťová distribuce) a klienta (předplatitel sítě).

Nevýhody:

1. K zajištění maximálního dosahu není zapotřebí jasná přímka a žádné stěny. Viz tabulka 1.

Tabulka 1. Ztráta účinnosti signálu Wi-Fi.

Další ztráty (db)

Okno bez tónování

Okno s tónováním

Vnitřní stěna (15 cm)

Nosná stěna (30 cm)

Monolitická železobetonová podlaha

2. Možná krátkodobá ztráta provozu v důsledku odrazů, superpozice vln a vnějšího rušení v dosahu.

3. V síti Wi-Fi může současně vysílat pouze jedna stanice. Pokud tedy v síti vysílá několik stanic najednou, kapacita sítě se vydělí počtem těchto vysílacích stanic:

• Pokud máte ve své síti dva uzly, které přenášejí data do třetího uzlu, bude přenosová rychlost v každém uzlu činit pouze 1/2 propustnosti.
• Pokud stanice 1 vysílá data do stanice 2 a stanice 2 vysílá data do stanice 3, pak bude rychlost v každém bodě 1/2 kapacity sítě. Děje se tak proto, že síť Wi-Fi má jediné přenosové médium – v podstatě vzduch.

Z nějakého důvodu se někteří lidé domnívají, že opakovač, který lze použít v síti Wi-Fi, není stanice, ale něco zvláštního. Při opětovném vysílání rychlost klesne na polovinu – protože v jednu chvíli bude repeater data přijímat a v jinou je bude vysílat dál.

Zde je několik bodů, které je třeba zvážit.

Vícenásobný vstup/výstup (MIMO)

Jednou z hlavních funkcí standardu 802.11n je podpora technologie MIMO (Multiple Input Multiple Output). Technologie MIMO umožňuje současně přijímat/vysílat více datových toků prostřednictvím více antén namísto pouze jedné.

Standard 802.11n definuje různé konfigurace antény MxN v rozsahu od 1×1 do 4×4 (nejběžnější jsou dnes konfigurace 3×3 nebo 2×3). První číslo (M) definuje počet vysílacích antén a druhé číslo (N) definuje počet přijímacích antén. Například přístupový bod se dvěma vysílacími a třemi přijímacími anténami je zařízení MIMO „2×3“.

Čím více antén zařízení 802.11n používá pro současné vysílání/příjem, tím vyšší bude maximální přenosová rychlost (obrázek 1).

Samotné použití více antén však nezvýší rychlost přenosu dat ani dosah. Hlavní věc na standardních zařízeních 802.11n je, že implementují pokročilou metodu zpracování signálu, která určuje algoritmus pro provoz zařízení MIMO při použití více antén.

Konfigurace 4×4 využívající modulaci 64-QAM poskytuje rychlosti až 600 Mbps.

Stojí za zmínku, že rychlost 600 Mbps a dokonce 940 s MIMO lze snadno získat pouze ze směrovače, ale pokud jde o vzdálenosti kilometru, je to pro skutečně používané rozpočtové mosty nemožné.

Nebudeme uvažovat o jiných standardech Wi-Fi (IEEE 802.11ac, IEEE 802.11ax), protože se ještě nerozšířily ve video dohledu.

Pokud někoho zajímá vývoj Wi-Fi obecně, může autor navrhnout článek kolegy.

Možnosti aplikace

Wi-Fi umožňuje přenášet velké množství streamů současně, například více video streamů z kamer v reálném čase. Pro dosažení maximálního dosahu přenosu s omezeným výkonem je nutné použít směrové antény.

Anténa s horizontálním úhlem 60 stupňů a vertikálním úhlem 40 stupňů umožňuje podle výsledků testů ve městě přenos 2 km. V zorném poli ve městě při přenosu videa ze 4 videokamer při 2 MP, 25 fps, ve standardu H264 je dosah od 1 do 2 km.

4. Přehled bezdrátových uzlů pro Wi-Fi video monitorovací systémy

Pro přímý přenos z videokamer na poštu byla pod tímto názvem vyvinuta třída produktů VUS – uzel komunikace za každého počasí (obr. 2).

Jednotka je autonomní designová jednotka do každého počasí zabezpečovacího systému (SVN, SOT, POS, ACS), dispečink, automatizace.

Používá se k vybudování video monitorovacích systémů a dalších systémů zabezpečení informací jako bezdrátový komunikační uzel připojený k poště nebo serveru prostřednictvím kanálu Wi-Fi.

Jedná se o hotový produkt pro řešení následujících problémů:

vzdálené online video monitorování objektu v přijatelné kvalitě bezdrátového Wi-Fi kanálu, provádění úkolů v oblasti zabezpečení a signalizace, organizace přístupu, sledování technologických procesů, dispečink a automatizace.

Jednotky jsou vyrobeny ve formě skříně z radiotransparentního plastu, aby skryly vysílací anténu a napodobily běžnou elektrickou skříň.

Rozsah provozních teplot od -40 C do +50 C.

Uzel poskytuje možnost připojit až 4 IP kamery nebo jiná IP zařízení pomocí měděných linek (UTP) na místech vzdálených až 1,2 km nebo více od bezpečnostního stanoviště nebo přijímacího uzlu se záznamníkem, serverem, ovládacím panelem nebo jinými zařízeními v přímé viditelnosti (obr. 3).

Tabulka 2. Hlavní technické vlastnosti VUS:

220 V AC ±10 %, 50 Hz

Frekvenční rozsah přenosu kanálu

Napájení pro připojené videokamery/zařízení

PoE IEEE 802.3af/ PoE IEEE 802.3at

Maximální výkon připojených videokamer/zařízení, ne více než W

dle PoE IEEE 802.3af standard 4×15 dle PoE IEEE 802.3at standard 2×30 celkový rozpočet PoE 60

Topení (pokud je k dispozici)

40 W rozsah zapnutí/vypnutí +10°С ±3°С / +20°С ±3°С

Rozsah provozních teplot (bez ohřevu / s ohřevem)

Materiály a povrchy výrobku

tělo polyester montážní panel hliníková slitina

Celkové rozměry (s kabelovými průchodkami)

390 x 253 x 111 mm

Hmotnost s obalem, ne více než

Nezbývá než si vyměnit naše praktické zkušenosti s testováním Wi-Fi uzlů.

Testy jsme prováděli v našem rodném Petrohradě, v centru města. Hlavním problémem bylo najít přímou viditelnost uvnitř metropole. Stalo se to podél nábřeží Něvy. Na okno naší budovy ve výšce 3. patra byl instalován vysílací VUS se 4 kamerami. Přijímací jednotka s notebookem, pojízdným stožárem, baterií s měničem 220V byla naložena do auta. Úkolem bylo najít nikoli teoretickou, ale skutečnou přenosovou vzdálenost přes Wi-Fi v podmínkách přímé viditelnosti a městského rušení. Přenos se prováděl přes Něvu podél břehů a dopravní dálnice. Zaparkovali jsme, nastavili přijímací bod a sledovali skutečné video bez jakéhokoli přerušení nebo zamrznutí. Nahrávali jsme video a telemetrii z vysílacích a přijímacích bodů v podobě provozu ze samotných přístupových bodů.

Snímek obrazovky z videa je na obr. 5.

Závěry získané jako výsledek

Použili jsme typický přístupový bod pro Wi-Fi mosty. Hlavními výrobci takových bodů jsou Ubiquiti (NanoStation Loco M2), TPLINK a další. Weby slibují dojezd až 14 km, později se ale objevily údaje blízké těm přijatým – až 3 km. Pro účely videodohledu nepotřebujeme 14 km, to lze vyřešit radioreléovými a GSM věžemi.

Celé kouzlo takových uzlů je snadnost a mobilita připojení vzdálené skupiny kamer, z nichž nemusí být 3-4, ale až 32, připojených k levnému videorekordéru, který funguje přes Wi-Fi most. Tento kompaktní síťový videorekordér je instalován uvnitř komunikačního uzlu za každého počasí (obr. 2) a při vhodném výběru kamer detekuje a pamatuje si tváře a organizuje poplachové nahrávání „humanoidních“ objektů – objektů, které vypadají jako lidé. Uzel s takovým rekordérem tedy funguje lokálně a autonomně, ale je kdykoli přístupný z hlavního serveru (a téměř z jakéhokoli počítače, například instalačního notebooku) přes Wi-Fi most z místa vzdáleného až 2 km.

Přístupnost znamená jak online prohlížení, tak vyhledávání v archivu jakékoli kamery pro poplachovou událost. Chcete-li to provést, můžete pracovat jak prostřednictvím prohlížeče, tak prostřednictvím aplikací SMS. Navíc se můžete přímo připojit ke kterékoli z 32 kamer pro plnou konfiguraci.

Pro komunikaci se vzdáleným uzlem přitom stačí provoz 30 Mbps.

Takové možnosti řeší problém pokládání kabelů. Všechny problémy s Wi-Fi komunikací se stávají méně kritickými, protože provoz uzlu (detekce, nahrávání, protokol událostí) probíhá autonomně a vše, co se stalo, zůstává v archivu rekordéru až do „debriefingu“.

Vezmeme-li v úvahu náklady na pokládku kabelů (ve velkých systémech dosahují 1000 USD za kameru a v obydlených oblastech, zejména na silnicích, trolejových vedeních na osvětlovacích sloupech), pro kompaktní „shluky“ kamer se použití Wi-Fi mostů ukazuje jako ekonomicky výhodné.

5. GSM komunikační kanály

• Přenosová rychlost až 1-30 Mbps
• Dosah až 35 km od věže mobilního operátora

Přenosový kanál zajišťuje mobilní operátor.

Místo licence je potřeba zakoupit SIM kartu a platit za provoz. Hlavní rozdíl oproti Wi-Fi je v tom, že se nepřipojujeme přes bezdrátovou místní síť, ale přes globální internet.

To má výhody i nevýhody.

Nevýhody:

1. Je vyžadováno připojení k mobilní věži a oblasti pokrytí sítě vybraného operátora.
2. Pro zajištění maximálního dosahu je žádoucí jasný výhled a žádné stěny.
3. Musíte platit za provoz operátorovi.
4. Nízká přenosová rychlost, která závisí jak na standardu přenosu GSM, tak na vzdálenosti od mobilní věže, přenosu signálu a počtu účastníků v síti.

Tabulka 3. Normy mobilní komunikace používané pro přenos videa přes GSM

Generace celulárních komunikací

Instalace video monitorovacího systému v zásadě zahrnuje dálkové ovládání a téměř vždy se projektanti na místě setkávají s omezeními při používání komunikačních linek UTP. Toto omezení předpokládá použití kabelových vedení delších než 100 metrů. Tento údaj samozřejmě nemůže mít žádnou přesnou definici: no, nikde není psáno, že IP videokamera nebude fungovat na vzdálenost 101 metrů. Toto je doporučená délka linky pro vybudování sítě Ethernet a je předepsána standardem IEEE 802.3U. To samozřejmě znamená organizaci při použití docela dobrého krouceného párového kabelu. Například ocelové jádro potažené mědí, které se nyní používá v levných UTP kabelech, může odmítnout pracovat na kratší vzdálenost než 100 metrů. Na takovém kabelu nelze postavit dobrý video dohled, takže v článku budeme předpokládat, že všude máme kabel poměrně dobré kvality – je kompletně měděný, stíněný a má jádra o průměru alespoň 0,5 mm.

Síťové kaskády

Jak jsme pochopili, vzdálenost videokamer na 100 metrů je abstraktní hodnota, to znamená, že tímto tvrzením rozumíme vzdálenost videokamery od místa sledování nebo záznamu video informace. Nikdo nám však nebrání udělat dva stupně s mezivýhybkou. Například takto:

Od kontrolního bodu, který je na schématu označen jako notebook, k přepínači může být spojení již 100 metrů, ale i po přepnutí budeme mít k videokamerám rezervu dalších 100 metrů. A tímto jednoduchým řešením zdvojnásobíme místní síť.

Takové spínací stupně můžeme mít až tři nebo čtyři – více se nedoporučuje. Spínače samozřejmě musí mít napájecí napětí, ale zde jsou podmínky napájení mnohem jednodušší. Může být napájen spínacími zařízeními z různých síťových zdrojů, a pokud existuje pouze jeden zdroj a již s napětím, které potřebují přímo vypínače, mohou konstruktéři zvětšit průřez vodiče a tím prodloužit napájecí síť. Ale tento „trik“ nebude fungovat s kroucenými páry kabelů: standardní UTP jádra mají 0,5 mm a ne o milimetr více.

Je tu ale jedna nuance: pokud jsou IP videokamery napájeny pomocí technologie PoE (Power over Ethernet), pak platí zákon „poslední míle“, tedy posledních 100 metrů. Jinak řečeno, pro podporu PoE není vyžadován celý řetězec několika přepínacích zařízení, ale krajní přepínač, ke kterému jsou již přímo připojeny videokamery, musí podporovat PoE. Tato možnost je cenově nejpříznivější a může používat levnější přechodné přepínače, které nepodporují PoE. To je řečeno, pokud nejsou zařízení s napájením přes Ethernet připojena k mezilehlým přepínačům.

PoE extendery

Instalace video monitorovacího systému na vzdálenost více než 100 metrů může využít možnost bez přepínačů. K tomu můžete využít tzv. PoE extendery. V jádru se jedná o prodlužovací kabel, jehož princip fungování je podobný jako u vypínače. Rozdíl je v tom, že signály z kamer ve switchi jsou smíšené, kombinované, oddělené s pro ně předepsanými trasami. Extender však funguje jako jednokanálový vysílač a pracuje s jedním datovým tokem, ačkoli několik dalších zařízení je může vytvořit v tomto toku. Obecně platí, že co dostal, to předal. Má však důležitý účel: je to také PoE extender, který optimalizuje signály přes kroucené dvoulinky. Samozřejmě se vyrábí i multiportové extendery, ale ty jsou méně běžné, protože flexibilita instalace videokamer stále vyžaduje oddělení a vazba na konkrétní místo není vždy prospěšná. Rovněž se nedoporučuje budovat síť z více než dvou extenderů umístěných na lince jedné IP videokamery. A konstrukční schéma s několika víceportovými a jednoportovými zařízeními vypadá asi takto:

Jak vidíme ze schématu, je možné vytvořit komunikační linky až do 500 metrů pomocí PoE rozbočovačů a extenderů. Zde je ale také třeba věnovat pozornost tomu, že prodlužovací kabely jsou k dispozici ve dvou verzích: s napájením pomocí stejné technologie a s externím napájením. Externí napájení se také dělí na dva typy: s vestavěnými jednotkami, které pracují přímo z elektrické sítě, a externími jednotkami. Jaká zařízení zvolit závisí na objektu a proveditelnosti prodlužování jednotlivých silových vedení. Bez seznámení se s místem instalace zde nelze poradit.

Nestandardní vybavení

Nestandardním vybavením rozumíme takové vybavení, kde je možné prodloužit video přenosové linky při použití zařízení, která dle výrobce podporují dlouhé vzdálenosti. Toto zařízení je nestandardní zařízení a nesplňuje požadavky na délku trasování IEEE 802.3U. Taková řešení by již měla obsahovat jakési zesilovače videosignálu a PoE. Taková zařízení se shodují spíše špatně a pro co nejpřijatelnější výsledek by prodloužení linky mělo obsahovat zařízení od stejného výrobce. Důležité je dokonce nejen to, že existuje, ale aby řada jedné značky obsahovala zařízení pro ni určená pro výstavbu sítí „dalekého dosahu“. To znamená, že pro organizaci prodloužení linky musí být videokamera a například přepínač prezentovány jako pár. Při použití této metody výrobci slibují nárůst až o 500 metrů pouze pomocí UTP, bez mezizařízení. Ale v praxi je vzdálenost mnohem menší pro dosažení stabilního provozu. A můžeme také říci, že rychlost přenosu dat pro dosažení velkých vzdáleností s jedním „kusem“ kroucené dvoulinky je omezená a ve skutečnosti nemůže být vyšší než 5 Mbit/s. Obrázek pro prezentaci:

Instalace video monitorovacího systému bez dalšího vybavení je samozřejmě dobrá, ale stojí za to pamatovat na to, že obětujete rychlost a tedy i kvalitu obrazu.

Prodlužování video přenosových linek pomocí konvertorů

To znamená „destilaci“ na jiný standard. Mohou to být:

• konvertory,
• optické linky,
• rozhlasové kanály.

Začněme různými převodníky. Takové zařízení funguje především na principu vysokofrekvenčních modulačních zařízení a je určeno k přenosu informací po UTP kabelu daleko od konstrukce. Teoreticky je možné přenášet video obraz přes svítidla nebo jeden vodič elektrické sítě. To samozřejmě nikdo nedělá, ačkoli takové technologie existují. Zařízení pro konverzi a vysílání na jiných frekvencích se nazývají media konvertory.

Aniž bychom zacházeli do technických detailů převodu video streamu na přenášený a zpět na čitelný, můžeme říci, že tato technologie se dobře osvědčila ve video dohledu. Například přenos přes koaxiální kabel se používá velmi často a signál přes něj přenášený není vůbec analogový, jak se mnozí domnívají, ale digitální signál převedený na minimální ztráty a pro tento účel jsou zvoleny odpovídající frekvence. Převaděče video streamů se dodávají v různých variantách a výrobci uvádějí délky datových linek až několik kilometrů. Jediné pravidlo: zařízení musí být také použito od stejného výrobce. To vám umožní získat maximum z vašich linek pro vaše CCTV kamery. Mimochodem, ačkoliv by měly být frekvence víceméně redukovány na stejné parametry, taková zařízení různých značek mají různé amplitudy frekvence. Bez ohledu na to, jak banálně to zní, je to jen neférový boj s konkurenty na trhu. Konstrukce video monitorovací sítě vypadá takto:

Technologie digitálního přenosu dat může zahrnovat i přenos napájecích napětí. Tato technologie se nazývá PoC (Power over Coaxial), více si o ní můžete přečíst v odpovídajícím článku na webu.

Dále následují linie převodu video dat na světelný tok. Samozřejmě se jedná o konvertory z optických vláken. Jejich princip je podobný přenosu po koaxiálním kabelu, to znamená, že media konvertor převádí ethernetovou linku z kroucené dvoulinky na optické vlákno, navíc využívá vlnové multiplexování (WDM), čímž je dosaženo současného přenosu a příjmu po jednom optickém vlákno.

Optika umožňuje přenášet video stream na velké vzdálenosti a dosahuje několika desítek kilometrů. Optické vlákno je méně náchylné k útokům vandalů, protože pro zloděje nepředstavuje materiální hodnotu. Existují však také nevýhody: spojování optického vlákna vyžaduje speciální vybavení a pro jednorázovou instalaci není ekonomicky výhodné jej kupovat. Vlastní svařovací stroje jsou komplexní zařízení s vestavěnými počítači určená k analýze místa svařování a vyhodnocení průchodnosti optiky. Takto vypadají konvertory optických médií:

No, rádiový kanál se stále více používá k přenosu videa na velké vzdálenosti, například prostřednictvím protokolu Wi-Fi. Ale v obvyklém slova smyslu to na dálkové párování zařízení stále nestačí, protože IP videokamery s Wi-Fi na palubě jsou omezeny na téměř stejných sto metrů. Zde na pomoc přicházejí vysoce cílené Wi-Fi mosty. Umožňují přenášet mediální data až na stovky kilometrů a nejsou vázány na žádnou instalaci kabelových produktů (no, když jen trochu, vedle koncových zařízení).