基于epon的模块化监控终端设备的制作方法

专利名称：基于epon的模块化监控终端设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及光接入网、安防监控、工业控制等领域，特别是涉及一种远程监控多网融合 终端设备。
背景技术：
在工厂企业、智能建筑、家庭网络等众多的企业和行业应用领域，普遍存在远程视频监 控、远程过程控制及抄表传送、宽带数据接入等多种业务应用需求。 一般的弱电系统都是由 通信与网络系统、安防系统、设备监控系统等各自独立的系统组成，很难满足智能化系统集 成的要求，无法做到"统一规划、统一施工、统一维护"。
EP0N (以太网无源光网络)技术在宽带多业务接入方面具有巨大优势，它网络结构简单， 支持多种拓扑组网方式，具有强大的业务策略和完善的线路运维技术，可以实现多业务统一 维护管理，可以以较低的成本建设可运营、可管理的多网融合的业务网络。
IP (因特网协议)技术已经广泛应用于安防监控、工业控制等领域。在全国各地的平安 工程中，基于IP技术的端到端网络视频监控路线已经成为主流模式，基于EPON的视频监控 平台也己经有众多应用案例。在视频监控方面的应用，EPON技术明显优于xDSL (数字用户线 路)和点对点技术。在工业控制领域，过程控制系统的发展经历常规仪表控制系统、集中式 控制系统、分布式控制系统、现场总线控制系统等几个阶段，正在逐步跟IP技术融合，以网 络控制模式逐步取代传统的集散控制模式。若采用EPON光纤接入网作为控制系统的承载通 道，将有助于建成一个开放的、标准的、可扩展的控制系统。

发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种基于EPON的模块化监控终端设备，本设备基于 EP0N技术，采用模块化设计，适用于行业和企业领域中，需要提供远程视频监控、远程抄表 传送及过程控制和宽带数据接入等综合业务应用的场合。
本发明解决其技术问题采用以下的技术方案本发明包括包括机箱、0NU模块、音视频 编码模块、控制协议网关模块，0NU模块、音视频编码模块、控制协议网关模块均插入机箱 上的插槽，0NU模块、音视频编码模块、控制协议网关模块分别提供对外接口， 0NU模块还外 接EPON设备，ONU模块通过网络接口为音视频编码模块、控制协议网关模块提供传送功能。
本发明主要有以下优点
其一、本设备多业务应用一体化设计，集成EP0N接入、IP音视频监控、控制协议转换 等功能，适用于行业和企业领域中，需要提供远程视频监控、远程抄表传送及过程控制和宽 带数据接入等综合业务应用的场合。
其二、本设备釆用模块化设计，保证不同应用场景的灵活组网；模块化设计方式还使得 设备功能扩展和功能升级都相对更容易。
其三、本设备采用EPON技术实现宽带接入，全面符合EPON相关的国际标准和国内中国电信等企业/行业标准，可以与公网和专网部属的EPON OLT (光线路终端)设备互连互通。
其四、本设备集成IP音视频编码功能，音视频编码压缩格式满足H. 264/MPEG/G. 7xx等 标准，编码功能完善，基于EP0N传输可以保证图像分辨率达到Dl格式(分辨率为720X576)， 音视频数据集中存储和管理，满足大规模视频监控系统的要求。
其五、在各地的平安城市等应用中，IP视频监控和基于EPON的接入已经成为主流应用。 本设备集成音视频编码功能，比单独的0NU (光网络单元)设备和单独的IP视频编码设备的 应用，从性价比、可维护性等方面更有优势。
其六、IP技术正逐步应用于工业控制领域，本设备集成控制协议转换模块，可以实现远 程过程控制及抄表传送等功能。本设备用于智能建筑、工厂企业等控制领域可以将网络与通 信系统、安防系统、过程控制系统等统一到一个平台，集成管理系统的实现也更容易。可以 实现以太网与串口 (如RS422/485、 RS232)和I/O (输入输出)模块之间的数据协议转换， 实现远程抄表和过程控制功能。
其七、本设备集成完善的网络管理功能。本发明基于O扁(操作管理维护)、SNMP (简单 网络管理协议)远程网络管理和WEB (网络)本地管理；支持PPPoE (以太网点到点协议)、 IPoE (以太网IP协议)或静态IP等宽带接入应用方式。本发明在设备网管系统和业务管理 系统的支撑下，可以大规模组网应用，并实现对设备和业务的远程访问管理功能。
其八、本发明的设计充分考虑工程应用情况，机箱提供IIC (集成电路互联总线)环境 变量监控接口， DC (直流电)12V供电，支持外接后备电池续航。
总之，本设备在集成度、可靠性、可维护性、可服务性方面，都具有明显的优势。本发 明多个系统统一平台，具有广阔的应用前景。


图l是本发明设备功能框图。
图2是0NU模块原理框图。
图3是音视频编码模块原理框图。
图4是控制协议转换模块原理框图。
图5是本发明设备软件架构图。
具体实施例方式
本发明集音视频编码压縮、控制协议转换和数据传输为一体，主要功能是提供宽带数据 接入，然后将音视频信号、工业控制数据封装为IP数据包，通过EPON接入网络传送到指定 的目的地址。因此本发明是一种多网融合终端设备。本发明须提供多种联网接口宽带数据 接口，如百兆以太网接口；音视频监控接口，包括音视频输入/输出接口、联动报警I/0 (输 入输出)口、云台摄像机控制接口 (RS422/485);工业控制接口，包括多路差分或单端模拟 量采集/输出接口、多路数字量输入/输出接口、 RS485/232控制接口。
下面结合实施例及附图对本发明作进一步说明。
如图1所示，基于EPON的模块化监控终端设备，各模块均位于机箱内。机箱可采用小型 盒式机箱。本终端包括ONU模块、音视频编码模块、控制协议网关模块。机箱上提供上中下
43个插卡槽位。0NU模块、音视频编码模块、控制协议网关模块均插入机箱上的插槽。ONU模 块、音视频编码模块、控制协议网关模块分别提供对外接口，以实现联网功能。联网功能主 要实现本发明设备与外围终端设备之间的连接，比如宽带上网接口由ONU模块提供，视频监 控接口由视频编码模块提供，模拟量和数字量的输入输出接口由控制协议网关模块提供。
ONU模块上联EPON 0LT，以实现EPON宽带接入功能。0NU模块还通过网络接口为音视频 编码模块、控制协议网关模块提供传送功能。如图2所示，ONU模块包括快速以太网接口、 以太网交换芯片、内嵌处理器的ONUMAC (介质访问控制)芯片、0NU光模块、存储器和电源 电路。
在EP0N系统中，为实现点到多点的双向传输，必须使用突发模式千兆光收发合一模块。 在0LT侧，光模块下行方向采取1490nm CW (连续波)发送模式(采用DFB，即分布反馈式激 光器；或者FP，即法布里-珀罗激光器)，上行方向采取1310nm突发式接收模式(采用PIN， 即P区和N区之间夹一层本征半导体的光电二级管；或者APD,即雪崩光电二极管)。在ONU 侧，下行方向采用1490nm CW接收模式(采用PIN或者APD)，上行方向采用1310rnn突发式 发送模式(采用DFB或者FP)。
本发明的ONUMAC芯片能完成IEEE (国际电气与电子工程师协会)802. 3—2005规定的 MPCP (多点控制协议)等协议转换，选用的MAC芯片及其固件完全符合中国电信EPON设备技 术要求V2.1，支持CTC (中国电信)V2.10AM及其扩展，支持CTC规定的多种DBA (动态带 宽分配)算法，可以与支持CTC V2. 1标准的EP0N设备互连互通。
具体而言，0而MAC芯片通过GMII (千兆媒体无关)接口接至以太网交换芯片，以太网 交换芯片通过双绞线接至网络变压器，网络变压器与前面板的2个FE (快速以太网)接口、 背板的2个FE接口相连。背板的2个FE接口分别接至音视频编码模块、控制协议网关模块 相应的网络接口，从而实现远程视频监控、控制协议数据的IP包传送。前面板的2个FE接 口对外提供宽带上网接口。
ONU MAC芯片通过SerDes (串型器/解串器)接口接至ONU光模块，ONU光模块接至EPON 设备。ONU MAC芯片还通过控制信号线与ONU光模块相连接。本发明的SerDes接口由ONU MAC 芯片内部集成的SerDes芯片提供，可以直接连接LVPECL (低电压射级耦合)接口电平的ONU 光模块，在光模块的突发控制上，兼容低电平或高电平开启的光模块。本发明的ONU模块支 持lOOOBase-PX20 (以太网千兆单模光纤，至少支持20km)的物理接口，完全适用于公网和 专网建设的EPON网络。
O而MAC芯片还通过存储总线接至存储器，存储器可采用SDRAM (同步动态随机存取存储 器)和Flash (闪存)存储器。电源电路为ONU模块提供电源转换的功能。ONUMAC芯片可采 用频率为125M的时钟电路，并接有逻辑电路、指示灯。ONUMAC芯片还通过IIC接口接至IIC
通道扩展，nc通道扩展分别接至为前面板和背板的nc接口。背板的nc接口和音视频编
码模块、控制协议网关模块的IIC接口相连。前面板的IIC接口对外提供IIC环境变量监控端口。
如图1所示，ONU模块提供核心功能，包括地址功能，主要实现各业务模块IP地址的
5获得，支持PPPoE、 IPoE或静态IP等宽带接入应用方式；QoS (服务质量)功能主要实现多 业务流的分级处理及转发；安全功能主要防止外部网络对设备的非法访问以及对各业务系统 的非法接入；远程管理功能主要实现对设备和业务的远程管理和控制，其中0AM负责EP0N接 入模块功能的管理，SNMP负责其他业务模块功能的远程管理；WEB本地管理功能主要实现设 备的本地登录管理和控制。
音视频编码模块完成音视频编码，实现远程音视频监控，并提供报警联动功能。如图3 所示，音视频编码模块包括媒体处理器、视频编码模块、视频解码模块、音频编码模块。媒 体处理器还接至电源电路和存储器，电源电路为音视频编码模块提供电源转换功能，存储器 可以为Flash存储器和SDRAM存储器。音视频编码模块还包括时钟、复位逻辑电路、指示灯。
媒体处理器还通过ITU-656 (ITU指国际电信联盟)接口和IIC接口接至视频编码模块， 视频编码模块接至模拟视频输入接口，该接口采用BNC形式，即同轴电缆卡环形接口。
媒体处理器通过ITU-656接口和IIC接口接至视频解码模块，视频解码模块接至模拟视 频环回输出接口，该接口也采用BNC形式。
媒体处理器通过IIS (内部集成电路音频)接口接至音频编码模块，音频编码模块接至 音频输入接口 (MIC)。
媒体处理器通过总线接至NIC (网卡)，NIC再接至背板提供的一个FE接口， FE接口接 至0NU模块的一个背板FE接口 。
媒体处理器通过IIC总线接至IIC缓冲，最后接至背板IIC接口，该接口与ONU模块的 背板IIC接口相连。
媒体处理器通过UART (通用异步收发器)接口接至RS485 (或RS422)端口， RS485 (或 RS422)端口对外提供云台摄像机控制接口。
媒体处理器通过GPIO (通用输入输出)接口接至光电隔离器，光电隔离器对外提供告警 联动接口。
媒体处理器支持H.264/MPEG (动态图像专家组)/G. 7xx的音视频编码压縮格式，基于 EPON传输可以保证图像分辨率达到Dl格式。媒体处理器还内置iSCSI (互联网小型计算机系 统接口)模块，可通过iSCSI协议在EP0N网络上传输音视频数据并保存至局端IP网络存储 系统中，从而实现音视频数据的集中存储和管理。
控制协议网关模块实现以太网与串口 (如RS422/485、 RS232通讯接口)和1/0模块之间 的数据协议转换，实现远程抄表和过程控制功能。如图4所示，控制协议网关模块包括CPU, CPU与外存储器、网关电源电路均相连。CPU还外接有RS422/485接口、 RS232接口、数字量 输出接口 、数字量输入接口 、模拟量输出接口 、模拟量输入接口 ；控制协议网关模块内置TCP/IP 协议栈，能实现以太网与串口和1/0模块之间的数据协议转换。
控制协议网关模块的模拟量输入接口可配置为2路差分或4路单端输入。模拟量输入接 口依次通过多路选择器、抗混叠滤波电路和模数转换模块ADC、用于模拟量输入的光电隔离 器接至CPU。各输入通道可以接收土10v或士20mA信号，分辨率为16bit，采集精度优于满量 程的0.02%，采样速率达800次/s (总共)，足以胜任工业现场中通用电压、电流控制信号的采集。
控制协议网关模块的模拟量输出接口为4通道，分为两组。CPU依次接有用于模拟量输 出的光电隔离器、两个相同的数模转换模块DAC、与每个DAC相接的OP (运算放大器)输出 接口和V/1 (电压/电流)输出接口。模拟量输出接口的分辨率为12bit，各通道可单独配置 为0 10V输出或0 20mA、 4 20mA输出，具备设定上电安全输出值功能。此外，模块还包 含4通道的数字量输入接口、 4通道的数字量输出接口。 CPU通过用于数字量输出的光电隔离 器接至数字量输出接口，数字量输入接口通过用于数字量输入的光电隔离器接至CPU。
CPU还通过用于本模块的网卡提供一个FE端口，该FE端口位于背板，与ONU模块的另 一个背板FE接口相连。CPU通过用于本模块的IIC缓冲器提供IIC端口，该IIC端口位于背 板，与ONU模块的背板IIC接口相连。CPU通过电气隔离器接至RS422/485接口。 CPU通过电 平转换器接至RS232接口。外存储器可以为Flash存储器和SDRAM内存。电源电路提供电源 转换的功能。此外，CPU还接有EEPROM (电可擦可编程只读存储器)和看门狗电路。本模块 也包含时钟、复位逻辑电路、指示灯。
由于控制协议网关模块整合了各种类型信号的采集，使得控制协议网关能够为需要少量、 多种数据采集控制功能的应用场合提供单模块的完整解决方案。模块内部实现TCP (传输控 制协议)/IP协议栈，可以完成以太网与串口 (RS422/485， RS232)和I/O模块之间的数据 传输，轻松实现设备间的互联。这些设备可以为PLC (可编程控制器)、DCS (集散控制系统)、 HMI (人机界面)和各类仪器等。
本终端采用12V直流电供电，支持外接后备电池续航。
硬件平台上的设备软件架构图如图5所示。其软件设计从最底层到最高层分为设备驱动 (包括ONU模块、音视频编码模块、控制协议网关模块的驱动)、Linux嵌入式操作系统、基 础支撑层、业务处理层和用户操作界面。基础支撑层在底层驱动和操作系统之上，封装抽象 硬件访问接口和系统接口；业务处理层采用中间件设计，完成音视频和控制业务处理；用户 操作界面提供SNMP、 WEB、 CLI (命令行界面)等交互式管理接口。设备支持PPPoE、 IPoE或 静态IP等宽带接入应用方式，支持点播、组播等组网传输方式。软件系统在设备和业务管理 平台(提供对业务和网络的管理)的支撑下，可以大规模组网应用，并实现对设备和业务的 远程管理和控制功能。
权利要求
1.基于EPON的模块化监控终端设备，其特征在于包括机箱、ONU模块、音视频编码模块、控制协议网关模块；ONU模块、音视频编码模块、控制协议网关模块均插入机箱上的插槽；ONU模块、音视频编码模块、控制协议网关模块分别提供对外接口；ONU模块上联EPONOLT设备，通过网络接口为音视频编码模块、控制协议网关模块提供传送功能。
2. 根据权利要求l所述的监控终端设备，其特征在于ONU模块包括快速以太网接口、 以太网交换芯片、内嵌处理器的ONU區C芯片、ONU光模块，ONUMAC芯片通过以太网交换芯 片接至快速以太网接口， ONU MAC芯片通过ONU光模块外接EPON设备。
3. 根据权利要求1所述的监控终端设备，其特征在于音视频编码模块包括媒体处理器、 视频编码模块、视频解码模块、音频编码模块；媒体处理器通过音频编码模块接至音频输入 接口，媒体处理器通过视频编码模块接至模拟视频输入接口，媒体处理器通过视频解码模块 接至模拟视频环回输出接口，媒体处理器还接有云台摄像机控制接口、告警联动接口；媒体 处理器支持H. 264/MPEG/G. 7xx的音视频编码压縮格式，内置iSCSI模块。
4. 根据权利要求1所述的监控终端设备，其特征在于控制协议网关模块包括CPU, CPU 外接有RS422/485接口、 RS232接口、数字量输出接口、数字量输入接口、模拟量输出接口、 模拟量输入接口；控制协议网关模块内置TCP/IP协议栈，能实现以太网与串口和I/0模块之 间的数据协议转换。
5. 根据权利要求1 4中任一项所述的监控终端设备，其特征在于本终端采用Linux 嵌入式操作系统，基于0細、S丽P远程管理和WEB本地管理，支持PPPoE、 IPoE或静态IP的 宽带接入应用方式。
6. 根据权利要求1 4中任一项所述的监控终端设备，其特征在于本终端的机箱提供 IIC环境变量监控端口，采用12V直流电供电，支持外接后备电池续航。
7. 根据权利要求2所述的监控终端设备，其特征在于PON接口釆用1000Base-PX20。
全文摘要
本发明提供了一种基于EPON的模块化监控终端设备。本发明包括机箱、ONU模块、音视频编码模块、控制协议网关模块；ONU模块、音视频编码模块、控制协议网关模块均插入机箱上的插槽；ONU模块、音视频编码模块、控制协议网关模块分别提供对外接口；ONU模块上联EPON OLT设备，通过网络接口为音视频编码模块、控制协议网关模块提供传送功能。本设备集音视频编码压缩、控制协议转换和数据传输为一体，适用于行业和企业领域中，需要提供远程视频监控、远程抄表传送及过程控制和宽带数据接入等综合业务应用的场合。
文档编号H04N7/26GK101651836SQ200910272128
公开日2010年2月17日 申请日期2009年9月18日 优先权日2009年9月18日
发明者叶勇刚, 吴广生, 俊 李, 直 郑, 灏 陈 申请人:武汉长光科技有限公司