遠(yuǎn)程無(wú)線(xiàn)視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

胡白燕

摘要:該文設(shè)計(jì)了一種基于3G的無(wú)線(xiàn)視頻監(jiān)控系統(tǒng)。論述了系統(tǒng)的基本組成及相關(guān)工作原理。重點(diǎn)對(duì)系統(tǒng)應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)分析。該系統(tǒng)具有壓縮比高、布線(xiàn)靈活、經(jīng)濟(jì)高效的特點(diǎn)。系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜環(huán)境下的視頻監(jiān)控。

關(guān)鍵詞:視頻監(jiān)控;3G;無(wú)線(xiàn)傳輸;嵌入式;ARM

中圖分類(lèi)號(hào):TP311文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1009-3044(2009)22-pppp-0c

現(xiàn)代視頻監(jiān)控已經(jīng)進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)化與數(shù)字化時(shí)代。在水利施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行視頻監(jiān)控,能保證現(xiàn)場(chǎng)管理的質(zhì)量,提高施工效率。由于施工現(xiàn)場(chǎng)地理環(huán)境較復(fù)雜,施工地點(diǎn)分布較為分散,安裝設(shè)備與布線(xiàn)成為難題。隨著無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)的飛速發(fā)展,配合不斷完善的視頻壓縮技術(shù),為在地形復(fù)雜、布線(xiàn)困難的現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控帶來(lái)更大的方便。移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商目前在國(guó)內(nèi)搭建的數(shù)據(jù)通信平臺(tái),覆蓋范圍廣,利用公共無(wú)線(xiàn)信道進(jìn)行信號(hào)傳輸成為首選?，F(xiàn)在不斷在各地開(kāi)通的3G無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò),具有比前期以GPRS為代表的2.5G技術(shù)和以CDMA1X為代表的2.75G技術(shù)更令人滿(mǎn)意的傳輸速度和帶寬,提供最高2Mbps、最低144Kbps的傳輸速度[1]。為建立高質(zhì)量的遠(yuǎn)程無(wú)線(xiàn)視頻監(jiān)控提供了強(qiáng)有力的保證。本文設(shè)計(jì)了一種基于3G無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的嵌入式無(wú)線(xiàn)視頻監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)同樣可以用于交通、物流、工廠(chǎng)等場(chǎng)所。

1 系統(tǒng)工作原理與結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)在整體上由前端采集模塊、無(wú)線(xiàn)傳輸鏈路、監(jiān)控中心三部分組成,如圖1。前端嵌入式采集設(shè)備將由USB攝像頭采集到的視頻數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)壓縮編碼以后,通過(guò)3G無(wú)線(xiàn)模塊發(fā)送到3G無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò),經(jīng)過(guò)無(wú)線(xiàn)傳輸鏈路送至遠(yuǎn)程監(jiān)控中心。傳輸至監(jiān)控中心的視頻數(shù)據(jù)流經(jīng)過(guò)解碼以后,能通過(guò)監(jiān)控終端進(jìn)行實(shí)時(shí)查看。監(jiān)控中心采用客戶(hù)機(jī)/服務(wù)器結(jié)構(gòu),服務(wù)器接收視頻圖像后進(jìn)行視頻解碼,客戶(hù)機(jī)連入局域網(wǎng)訪(fǎng)問(wèn)服務(wù)器,進(jìn)行圖像的監(jiān)控。無(wú)線(xiàn)傳輸鏈路與后端監(jiān)控連接方法有兩種:一種是通過(guò)3G無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)直接與遠(yuǎn)程無(wú)線(xiàn)監(jiān)控終端端,一種是經(jīng)過(guò)3G無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)與Internet傳送至遠(yuǎn)程視頻服務(wù)器。本文采用第二種方案。

2 系統(tǒng)硬件組成

前端嵌入式視頻采集設(shè)備的核心采用基于ARMv5E的Xscale核心的芯片PXA255,連接如圖2。PXA255在嵌入式開(kāi)放領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛,具有功耗小、性能高、高效率的特點(diǎn)。集成了64 Mbytes SDRAM,32 Mbytes Flash,同時(shí)它具有豐富的外圍接口,如UART串口、USB HOST接口、SD卡接口、JTAG接口、LCD控制器等。數(shù)字?jǐn)z像頭通過(guò)USB口與芯片相連,UART串口與無(wú)線(xiàn)通訊模塊相連,負(fù)責(zé)將信號(hào)發(fā)送至3G無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)軟件組成

嵌入式Linux 是將日益流行的Linux操作系統(tǒng)進(jìn)行裁剪修改,使之能在嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)上運(yùn)行的一種操作系統(tǒng)。嵌入式Linux既繼承了Interlnet上無(wú)限的開(kāi)放源代碼資源,又具有嵌入式操作系統(tǒng)的特性。它被廣泛應(yīng)用在移動(dòng)電話(huà)、個(gè)人數(shù)字助理(PDA)、媒體播放器、消費(fèi)性電子產(chǎn)品以及航空航天等領(lǐng)域中,它具有內(nèi)核小、代碼開(kāi)放的優(yōu)點(diǎn)。本系統(tǒng)所有軟件設(shè)計(jì)都是基于嵌入式Linux操作系統(tǒng)的。Linux經(jīng)過(guò)配置與裁剪后安裝入系統(tǒng)。整個(gè)軟件系統(tǒng)由圖像采集模塊、圖像壓縮模塊以及數(shù)據(jù)傳輸模塊構(gòu)成。圖像經(jīng)過(guò)前端采集后進(jìn)行壓縮,傳輸模塊負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)發(fā)送至無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)。視頻流解碼后在監(jiān)視中心能進(jìn)行實(shí)時(shí)查看。

3.2 圖像采集模塊

圖像采集模塊負(fù)責(zé)采集前端視頻采集模塊獲得的數(shù)據(jù)。前端視頻采集使用的是數(shù)字?jǐn)z像頭,免去了將模擬視頻信號(hào)轉(zhuǎn)為數(shù)字的的過(guò)程,提高了工作效率,節(jié)省了成本。采集到的視頻數(shù)據(jù)以文件的形式存于緩沖區(qū)內(nèi),供其他模塊使用。Linux下的V4L(video for Linux)是進(jìn)行視頻音頻數(shù)據(jù)采集、文字電視廣播、VBI數(shù)據(jù)等的API接口。圖像采集模塊使用了基于V4L的編程。獲取視頻的流程一般包括:啟動(dòng)設(shè)備、獲取設(shè)備及圖像信息、設(shè)備圖像格式化、關(guān)閉設(shè)備。視頻采集流程圖如圖3所示。

3.3 圖像壓縮模塊

USB攝像頭獲取的視頻信號(hào)必須經(jīng)過(guò)壓縮編碼以后才適合在無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行傳輸。本系統(tǒng)沒(méi)有采用專(zhuān)用硬件芯片,而是使用軟件對(duì)圖像進(jìn)行壓縮編碼。采用MEPG-4標(biāo)準(zhǔn)。MPEG-4提供高壓縮率,采用分層可擴(kuò)展性編碼,可以根據(jù)不同的帶寬調(diào)整質(zhì)量,根據(jù)需要進(jìn)行模塊的添加,支持多種多媒體應(yīng)用。MPEG-4提供的碼率控制技術(shù)符合無(wú)線(xiàn)信道帶寬窄且不停變化的特性[2]。

3.4 數(shù)據(jù)傳輸模塊

TCP與UDP傳輸難以支持實(shí)時(shí)傳輸和QOS等問(wèn)題[4]。為實(shí)現(xiàn)視頻壓縮數(shù)據(jù)在IP上實(shí)時(shí)傳輸,需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行RTP封包。RTP提供端到端的服務(wù),支持在單目標(biāo)廣播和多目標(biāo)廣播網(wǎng)絡(luò)中傳輸實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。RTP本身不能保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)拇涡颉⒓皶r(shí)性和服務(wù)質(zhì)量,要與RTCP一起使用。在RTP會(huì)話(huà)期間,發(fā)端周期性的向收端發(fā)送RTCP控制信息包,用來(lái)監(jiān)視服務(wù)質(zhì)量[5]。視頻數(shù)據(jù)封裝在RTP信息包中,每個(gè)包封裝在UDP消息段中,然后封裝在IP數(shù)據(jù)包中進(jìn)行傳輸。如圖4。

3.5 遠(yuǎn)程監(jiān)控模塊

遠(yuǎn)程監(jiān)控端系統(tǒng)模塊基于Socket編程實(shí)現(xiàn),采用多線(xiàn)程方式以進(jìn)行合理分配資源。監(jiān)控中心服務(wù)器擁有一個(gè)固定IP地址,連接入Internet。前端采集模塊啟動(dòng)后就自動(dòng)請(qǐng)求與監(jiān)控中心IP建立連接。服務(wù)器實(shí)時(shí)監(jiān)聽(tīng)經(jīng)由無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)傳來(lái)的數(shù)據(jù),選擇性的接受連接請(qǐng)求,并分配接收數(shù)據(jù)和解碼線(xiàn)程。服務(wù)器通過(guò)共享端口向各個(gè)監(jiān)控客戶(hù)端發(fā)送數(shù)據(jù)。

4 小結(jié)

本文設(shè)計(jì)了一種基于3G網(wǎng)絡(luò)的嵌入式遠(yuǎn)程無(wú)線(xiàn)視頻監(jiān)控系統(tǒng)。目前,該系統(tǒng)正在試用中,監(jiān)測(cè)結(jié)果較好,不過(guò)仍然需要進(jìn)一步完善。系統(tǒng)通過(guò)搭建好的無(wú)線(xiàn)平臺(tái)和Internet實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控,無(wú)論身在何地,只需一臺(tái)固定IP的電腦,便可實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。該系統(tǒng)具有視頻壓縮比高、傳輸質(zhì)量好、組建方便靈活的特點(diǎn)。隨著3G網(wǎng)絡(luò)的覆蓋在全國(guó)范圍內(nèi)不斷擴(kuò)展,該系統(tǒng)的適應(yīng)性及實(shí)用性將有更多的體現(xiàn)。

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