基于CDMA2000-VPDN的視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

李建文,章堅武

(杭州電子科技大學(xué) 通信工程學(xué)院,杭州 310018)

李建文(碩士研究生),主要研究方向為多媒體通信與技術(shù)、嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用;章堅武(教授),主要研究方向為個人通信與移動通信、多媒體通信等。

引 言

隨著3G技術(shù)在國內(nèi)的逐步推廣,3G技術(shù)在視頻監(jiān)控行業(yè)的應(yīng)用已經(jīng)成為熱點。CDMA2000作為三種主流3G技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)之一,在國內(nèi)的應(yīng)用發(fā)展迅速。中國電信CDMA2000系統(tǒng)主要應(yīng)用在語音和低速數(shù)據(jù)的CDMA2000 1x以及視頻和高速率數(shù)據(jù)的CDM A2000 1xEV-DO(Evolution-Data Only)[1]上。CDM A2000 1xEV-DO在一個無線信道傳送高速數(shù)據(jù)報文的情況下,理論上支持下行數(shù)據(jù)速率最高可達(dá)3.1 Mbps,上行速率最高到1.8 Mbps。中國電信數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)費用按流量或時間計算,隨著中國電信大力推廣3G業(yè)務(wù),費用也在逐步降低,為CDMA2000網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用普及提供有利的條件。3G網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控也越來越受人們關(guān)注。本文正是在此背景下提出了基于CDMA2000-VPDN的視頻監(jiān)控系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)功能及特點

1.1 功能描述

本文所提出的系統(tǒng)具有以下功能:

①支持前端設(shè)備3G無線方式接入,實現(xiàn)免布線,提高安裝速度。

②有權(quán)限用戶可以瀏覽實時圖像,并可控制監(jiān)控點的云臺、鏡頭。

③用戶可通過3G手機(jī)客戶端實時瀏覽監(jiān)控點。

④平臺告警包括運動檢測告警、紅外檢測告警,并可通過撥號方式通知用戶。

⑤錄像和圖片資源集中存儲在前段編碼器,視頻流由設(shè)備直接傳給用戶3G手機(jī)客戶端。

1.2 系統(tǒng)特點

①處理器采用TI公司基于達(dá)芬奇技術(shù)的新型TMS320DM365數(shù)字媒體處理器。TMS320DM365高度集成了眾多組件,如 H264、MPEG4、MPEG2編解碼器,可滿足智能視頻處理功能的集成影像信號處理(ISP)解決方案,集成組件使開發(fā)周期大大減少,并降低開發(fā)成本。本文采用TMS320DM365中高性能的H264編碼器組件,大大壓縮了視頻數(shù)據(jù),為3G網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸減輕了負(fù)擔(dān)。

②采用嵌入式Linux操作系統(tǒng)。本系統(tǒng)采用了開源的嵌入式Linux操作系統(tǒng)。其良好的可裁減性與可移植性、卓越的效率和穩(wěn)定性,以及支持多種處理器體系架構(gòu)的特點,使得Linux越來越廣泛地應(yīng)用于嵌入式領(lǐng)域[2]。

③以電信CDMA2000的3G-VPDN平臺為支撐。本系統(tǒng)是基于電信CDMA2000的3G-VPDN平臺,3G-VPDN(Virtual Private Network)采用安全專用隧道技術(shù),對目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)提供了高安全的防護(hù),防止了用戶的隱私、信息等泄漏。而且采用3G手機(jī)客戶端可以隨時隨地接入,實現(xiàn)實時移動式監(jiān)控。

④系統(tǒng)監(jiān)控采用運動檢測技術(shù)。本系統(tǒng)采用了運動檢測技術(shù)、視頻運動檢測結(jié)合紅外檢測,大大加強了系統(tǒng)告警的可靠性。隨著視頻監(jiān)控的智能化,運動檢測、模式識別等新技術(shù)被引入視頻監(jiān)控系統(tǒng)。智能化是視頻監(jiān)控在今后發(fā)展的必然趨勢。

2 實現(xiàn)原理及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1 系統(tǒng)總體框架

系統(tǒng)的總體框架如圖1所示。系統(tǒng)包括前端嵌入式智能視頻監(jiān)控器、3G-VPDN認(rèn)證平臺、手機(jī)監(jiān)控客戶端。整個系統(tǒng)以嵌入式智能視頻監(jiān)控器為核心,以電信 CDMA2000-VPDN為網(wǎng)絡(luò)支撐,以3G智能手機(jī)為遠(yuǎn)程監(jiān)控客戶端。

圖1 系統(tǒng)總體框架

嵌入式智能視頻監(jiān)控器采集現(xiàn)場的視頻數(shù)據(jù),通過運動檢測技術(shù),結(jié)合監(jiān)控器的紅外告警模塊,判斷是否有人在監(jiān)控區(qū)域活動。若檢測到有人在監(jiān)控區(qū)活動時,立即撥打系統(tǒng)預(yù)先設(shè)定的3G手機(jī)號碼進(jìn)行告警。3G手機(jī)接收到呼叫后,用戶選擇啟動手機(jī)視頻監(jiān)控客戶端,發(fā)起VPDN連接,通過3G-VPDN認(rèn)證平臺認(rèn)證后,嵌入式視頻監(jiān)控器同時也建立VPDN連接,建立視頻監(jiān)控器和手機(jī)客戶端點對點VPDN連接。利用UDP和TCP協(xié)議,與嵌入式智能控制器進(jìn)行交互,如用戶是否請求嵌入式智能控制器發(fā)送現(xiàn)場視頻數(shù)據(jù)到手機(jī)客戶端、是否請求云臺控制、解除告警等。同時3G手機(jī)客戶端在未告警時,也可以主動呼叫嵌入式視頻監(jiān)控器,申請建立VPDN連接進(jìn)行主動訪問,經(jīng)授權(quán)可以實時瀏覽本地監(jiān)控畫面。

2.2 嵌入式智能監(jiān)控器的硬件結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。系統(tǒng)主控制器采用TI公司的DaVinci處理器 TMS320DM365。系統(tǒng)主要模塊包括:CCD視頻信號采集攝像機(jī)、A/D轉(zhuǎn)換模塊、云臺控制器、紅外探測模塊、SD卡存儲模塊、EVDO 3G模塊。圖中的有線網(wǎng)絡(luò)接口模塊主要用于調(diào)試系統(tǒng)軟件。

圖2 嵌入式智能監(jiān)控器的硬件結(jié)構(gòu)框圖

2.2.1 CCD視頻A/D轉(zhuǎn)換模塊電路

A/D轉(zhuǎn)換芯片采用 TI公司的高性能視頻解碼芯片TVP5146,完成從模擬到數(shù)字視頻的轉(zhuǎn)換。TVP5146不僅支持RGB和YPbPr信號分量的A/D轉(zhuǎn)換,也支持A/D轉(zhuǎn)換并解碼NTSC、PAL、SECAM 、S-Video為 YCbCr信號分量。它允許10路模擬視頻輸入,具有 4路10位 A/D轉(zhuǎn)換器;場同步信號VS、行同步信號 HS、奇偶場信號FID、時鐘輸出信號 DAIACLK等都由引腳直接引出,省去同步時鐘電路的設(shè)置[3]。

圖3為TVP5146與TMS320DM365的接口電路,CCD輸出的PAL模擬信號連接到VIDEO_IN,經(jīng)引腳VI_2_B進(jìn)入 TVP5146的第二路A/D轉(zhuǎn)換器,轉(zhuǎn)換得到數(shù)字視頻信號(4:2:2 YCbCr),TVP5146輸出為10位的數(shù)字視頻信號,而TMS320DM365支持 8位的數(shù)字視頻信號,因此TVP5146采用8位模式輸出,即視頻Y分量和C分量的最低2位不連接,TVP5146的引腳Y_2～Y_9和GPIO/C_2～GPIO/C_9分別與 TMS320DM365的引腳YINO～YIN7和CINO～CIN7相連。TVP5146的SCL、SDA引腳分別與 TMS320DM365的I2C接口的I2C_SCL、I2C_SDA引腳連接,TMS320DM365通過I2C總線對TVP5146的寄存器進(jìn)行配置。

圖3 TVP5146與TMS320DM365的接口電路

2.2.2 3G-EVDO上網(wǎng)模塊電路

本模塊設(shè)計基于華為的MC703-CDMA-EVDO無線模塊[4]。該模塊支持CDMA 800/1900頻段,提供豐富的用戶信號接口:電源接口、1路9線全串口、2路模擬音頻接口、1路 RUIM 卡接口、1路 USB2.0全速接口、多達(dá)8路GPIO接口、2路DC接口。支持標(biāo)準(zhǔn)的AT指令集和華為擴(kuò)展AT指令集[5]。EVDO上網(wǎng)模塊接口電路如圖4所示。

圖4 EVDO上網(wǎng)模塊接口電路

EVDO上網(wǎng)模塊接口電路包括MC703的 USB接口電路、UIM卡的接口電路以及電源接口電路。MC703的USB接口與驅(qū)動程序配合可映射串口,通過串口AT指令控制該EVDO模塊完成3G數(shù)據(jù)連接、短信、撥號等任務(wù)。由于模塊天線接口對ESD(Electro-Static Discharge,靜電放電)敏感,天線電路設(shè)計上增加一個68 nH的電感作為ESD防護(hù)[5]。在電源接口電路上采用 LDO(Low-Dropout)電源穩(wěn)壓電路,采用高電流 LDO電源芯片MIC29302。在MIC29302電源的輸出端VBAT加了一個2 200 μ F的電解電容,以保證EVDO模塊在低信號下的功率上升導(dǎo)致的電壓跌落。

MC703模塊RUIM卡接口對ESD敏感,同樣需要設(shè)計防護(hù)電路。圖 5為RUIM卡接口ESD防護(hù)電路。圖中使用的TVS(瞬態(tài)電壓二極管),選用低電容 TVS陣列 芯 片MSMF05LCC。該芯片可以組成4路雙向的TVS,關(guān)斷電壓為5 V,極間電容可降至4.5 pF,可滿足 ESD(Air-15 kV,Contact-8 kV)防護(hù)要求。設(shè)計時使MSMF05LCC盡量靠近RUIM卡座放置。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)的軟件設(shè)計是基于嵌入式Linux平臺,在進(jìn)行系統(tǒng)應(yīng)用軟件設(shè)計之前首先要完成搭建嵌入式Linux開發(fā)環(huán)境,建立引導(dǎo)裝載程序Bootloader,移植Linux內(nèi)核,移植根文件系統(tǒng),編寫、修改和移植Linux驅(qū)動程序等工作。然后對系統(tǒng)的應(yīng)用程序進(jìn)行開發(fā)。

系統(tǒng)軟件流程如圖6所示。軟件設(shè)計包括視頻采集檢測、視頻編碼、打包傳輸、與客戶端交互等主要線程。視頻采集檢測線程包括采集從ISIF接口接入的數(shù)字(4:2:2 YCbCr)視頻信號,根據(jù)視頻運動檢測技術(shù)判斷是否有人闖入,結(jié)合紅外報警判斷是否需要告警,并對告警進(jìn)行計數(shù),以便對告警進(jìn)行統(tǒng)計。視頻編碼線程調(diào)用TMS320DM365的H264編碼引擎實施硬件編碼,編碼采用4CIF和CIF格式的雙碼流,分別用于本地保存和3G網(wǎng)絡(luò)傳輸。視頻數(shù)據(jù)打包發(fā)送線程對編碼完成得到的視頻數(shù)據(jù)流以RTP(Realtime Transport Protocol)協(xié)議打包,并等待用戶的視頻連接請求,當(dāng)用戶手機(jī)端與智能監(jiān)控端建立了基于VPDN的 UDP/TCP連接時,根據(jù)用戶的請求可及時發(fā)送視頻流數(shù)據(jù)到客戶端。與客戶端用戶交互線程處理告警和接收用戶的來電,以及響應(yīng)客戶的云臺控制請求。如果系統(tǒng)出現(xiàn)告警信息,則撥打預(yù)先設(shè)定用戶的手機(jī)即時告警,然后建立3G-VPDN連接,等待手機(jī)客戶端連接3G-VP-DN，并與手機(jī)端在 VPDN網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行交互(包括云臺控制、是否清除報警等)。

圖5 RUIM卡接口ESD防護(hù)電路

結(jié) 語

本文對基于CMDA2000-VPDN的網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的硬件進(jìn)行了模塊化的設(shè)計,并著重介紹了系統(tǒng)的主要模塊CDMA2000上網(wǎng)模塊和視頻A/D轉(zhuǎn)換模塊的硬件接口電路。軟件采用了嵌入式Linux的設(shè)計,并給出了主要的軟件流程。目前系統(tǒng)正在初步調(diào)試中,實驗中得到了良好的效果,基本實現(xiàn)了各個模塊的功能,視頻顯示清晰,3G網(wǎng)絡(luò)傳輸流暢,檢測報警可靠性較高。

圖6 系統(tǒng)軟件流程

[1]裴小燕,劉寶鳳.cdma2000 1xEV-DO技術(shù)及發(fā)展[J].電信科學(xué),2003(7).

[2]孫瓊.嵌入式Linux應(yīng)用程序開發(fā)詳解[M].北京:人民郵電出版社,2006.

[3]張琦,蘇宛新.基于達(dá)芬奇技術(shù)的數(shù)字視頻系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J].微計算機(jī)信息,2008(23):185.

[4]王鵬.基于Hi3510的3G視頻服務(wù)器研究與設(shè)計[D].太原:太原理工大學(xué),2010.

[5]華為.MC703 CDMA EV-DO無線模塊V100R001 Datasheet[EB/OL].(2009-08-24)[2011-04-20].http://wenlku.baidu.com.