前言

经过了第一章多路视频展示系统设计和第二章AI分析模块的嵌入，我们设计的AI视频监控系统已经具备了基本的框架和雏形，具备基本的视频展示和AI分析功能，但是该系统仅有内部信息的流转，缺少有效的社会或生产价值，因为我们并没有有效的利用AI视频分析系统有效的分析结果，如将报警信息推送至信息汇总中心，及时消除报警威胁，或是将AI视频监控系统信息数据推送至数据分析中心，依靠大数据技术和数据分析算法有效提高信息的利用效率。所以在本章节我们需要完善AI视频监控系统的信息共享功能，具备数据生态圈的接入能力，使之成为工业生产、社会行为规范等领域的有力工具。

一、基本的信息通信机制及简介

一个完整的AI视频监控系统要实现信息共享与生态接入，必须根据不同的设备类型、应用场景和性能要求，采用多样化的通信机制。现代工业通信是一个分层体系，需要从传输层、协议层和应用层综合考量。本节将深入分析各类设备的通信需求，并详细介绍相应的通信协议与技术。

1. 通信基础：TCP与UDP的本质

在讨论具体协议前，必须明确TCP和UDP在网络体系结构中的位置。它们都属于传输层（Transport Layer） 协议，为应用层提供端到端的通信服务，但其特性截然不同。

为了更好地理解它们在协议栈中的位置及其核心区别，请见下图：

• TCP（传输控制协议）：面向连接、可靠传输、保证顺序、流量控制

  • 适用场景：需要可靠数据传输的应用，如Web服务（HTTP）、邮件（SMTP）、文件传输

  • 特点：三次握手建立连接，保证数据包完整性和顺序，适合重要数据传输

• UDP（用户数据报协议）：无连接、不可靠传输、不保证顺序、低延迟

  • 适用场景：实时性要求高的应用，如视频流、语音通话、实时状态监测

  • 特点：无需建立连接，直接发送数据包，适合对实时性要求高于可靠性的场景

2. 不同设备类型的通信方案

2.1 服务器间通信

服务器间通信通常要求高可靠性和数据完整性，系统的复杂性要求我们为不同类型的设备选择合适的通信协议，其决策流程可概括如下：

低频次数据交互：

• HTTP/HTTPS（RESTful API）：

  • 协议层级：应用层协议（基于TCP）

  • 工作方式：请求-响应模式，客户端发起请求，服务器返回响应

  • 适用场景：配置管理、报表生成、低频事件上报

  • 优势：标准化、易于实现和调试、防火墙友好

  • 劣势：每次请求需要建立TCP连接（HTTP1.1支持持久连接但仍有头部开销）

  • 示意如下：

高频次实时数据交互：

• WebSocket：

  • 协议层级：应用层协议（基于TCP）

  工作方式：先通过HTTP握手，然后升级为全双工通信通道

  • 适用场景：实时仪表盘、高频状态更新、实时协作应用

  • 优势：单连接持久化，减少连接建立开销，支持双向实时通信

• 自定义TCP协议：

  • 协议层级：传输层+自定义应用层协议

  • 工作方式：基于TCP长连接，自定义二进制或文本协议

  • 适用场景：极高性能要求的内部系统通信

  • 优势：极致性能，最小化协议开销

  • 劣势：需要自行处理粘包、拆包、重连等机制

2.2 嵌入式设备通信

嵌入式设备通常资源有限（计算能力、内存、功耗），需要轻量级协议：

MQTT（消息队列遥测传输）：

• 协议层级：应用层协议（基于TCP）

• 架构：发布/订阅模式，中心代理（Broker）架构

• 适用场景：物联网设备数据上报、远程控制、状态监控

• QoS级别：

  • QoS 0：最多一次交付（可能丢失）

  • QoS 1：至少一次交付（可能重复）

  • QoS 2：恰好一次交付（可靠但开销大）

• 优势：

  • 极低的协议开销（最小报文仅2字节）

  • 支持离线消息（持久会话）

  • 适应不稳定网络环境

  • 一对多消息分发

• 典型应用：AI边缘计算盒子上报分析结果、接收远程配置更新

• 示意图如下:

CoAP（受限应用协议）：

• 协议层级：应用层协议（基于UDP）

• 特点：专为受限设备设计，类似HTTP的语义但更轻量

• 适用场景：极低功耗设备，如电池供电的传感器

• 优势：基于UDP，头部开销极小，支持多播

2.3 工业设备与控制通信

对于直接控制声光报警器、门禁控制器等工业设备，需要实时可靠的工业协议：

Modbus协议：

• 协议变体：

  • Modbus RTU：基于串行通信（RS-485/RS-232），二进制格式

  • Modbus TCP：基于以太网/TCP，封装Modbus帧

• 工作模式：主从架构，主机发起请求，从设备响应

• 数据模型：

  • 线圈（Coils）：读写布尔值（1位）

  • 离散输入（Discrete Inputs）：只读布尔值

  • 输入寄存器（Input Registers）：只读16位值

  • 保持寄存器（Holding Registers）：读写16位值

• 适用场景：PLC控制、传感器数据采集、设备状态监控

典型应用流程：

1. AI分析服务器检测到安全事件（如入侵）

2. 通过MQTT上报云端管理平台

3. 管理平台通过Modbus TCP/RTU向现场的PLC发送控制指令

4. PLC驱动声光报警器启动，同时控制门禁系统锁闭相关区域

示意流程如下:

3. 协议选择决策矩阵

4.系统通信架构示例

• 一个完整的AI视频监控系统的通信架构可能如下所示：

• 参考的文本流程图如下：

┌─────────────────┐    MQTT over TLS    ┌─────────────────┐
│  边缘AI计算设备  │ ←─────────────────→ │   MQTT Broker   │
│ (摄像头+分析盒)  │    JSON数据上报     │   (消息中间件)  │
└─────────────────┘                     └─────────┬───────┘
                                                  │ HTTP Webhook
                                                  ▼
┌─────────────────┐    Modbus TCP/RTU    ┌───────────────┐    WebSocket     ┌───────────────┐
│ 工业控制设备     │ ←─────────────────→ │ 边缘网关/PLC  │ ←──────────────→ │ Web监控平台   │
│ (声光报警器/门禁)│   控制指令、状态读取   │               │   实时状态更新   │               │
└─────────────────┘                     └───────────────┘                 └───────────────┘
                                                  │  HTTP API
                                                  ▼
                                           ┌───────────────┐    REST API      ┌───────────────┐
                                           │ 后端微服务集群 │ ←──────────────→ │ 移动APP/第三方 │
                                           │               │   业务数据交互   │ 系统集成      │
                                           └───────────────┘                 └───────────────┘
                                                  │ gRPC/Thrift
                                                  ▼
                                           ┌───────────────┐
                                           │ 数据分析服务   │
                                           │ (大数据分析)  │
                                           └───────────────┘

总结

本小节主要的目的是为了让大家明白基本的通信机制和原理，可以根据使用情况合适的选择有效的通信机制，在下一小节，我们将针对常用的通信机制，实现最小单元级别的案例。

下期预告

1. http请求推送数据。
2. mqtt请求推送数据。
3. modbus请求控制设备。