基于WMN的無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)*

李 和，莫金旺，趙 利

(桂林電子科技大學(xué) 信息科技學(xué)院，廣西 桂林 541004)

視頻監(jiān)控系統(tǒng)是信息社會(huì)的重要基礎(chǔ)設(shè)施之一，無線化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化和數(shù)字化是其重要發(fā)展方向。近年來，一種新一代無線通信網(wǎng)——無線Mesh網(wǎng)WMN(Wireless Mesh Network)技術(shù)引起業(yè)界的重視和研究。由于它具備組網(wǎng)迅速、結(jié)構(gòu)靈活、傳輸速率大、可靠性強(qiáng)、成本低等突出的優(yōu)點(diǎn)，滿足了市場(chǎng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控的新需求，勢(shì)必會(huì)拓寬視頻監(jiān)控的應(yīng)用范圍[1]。因此，在視頻監(jiān)控系統(tǒng)中引入WMN技術(shù)后將具有如下特點(diǎn)：

(1)高效和靈活的網(wǎng)絡(luò)覆蓋方式。相對(duì)于傳統(tǒng)的有線網(wǎng)絡(luò)，采用無線網(wǎng)絡(luò)可以在原來不便或無法部署有線網(wǎng)絡(luò)的區(qū)域?qū)崿F(xiàn)無線監(jiān)控。

(2)施工容易，建設(shè)成本低。WMN僅需少量的網(wǎng)絡(luò)布線，基本不用建設(shè)新的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，結(jié)合整體規(guī)劃可最大限度降低建設(shè)成本。

(3)部署快捷，擴(kuò)展靈活。WMN具有自組網(wǎng)和自管理能力，視頻監(jiān)控點(diǎn)建成即接入監(jiān)控網(wǎng)，自動(dòng)地建立與監(jiān)控中心最佳的傳輸路由，并且視頻監(jiān)控點(diǎn)可隨時(shí)插入和刪除。

(4)具有鏈路故障自愈能力，通信可靠性高。由于采用無線網(wǎng)狀網(wǎng)(Mesh)結(jié)構(gòu)，多跳路由方式，可以利用迂回路由避開故障節(jié)點(diǎn)，保證系統(tǒng)具有較好的健壯性。

1 基于WMN的視頻監(jiān)控系統(tǒng)方案

WMN作為移動(dòng)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)(MANET)的一種特殊形態(tài)，融合了WLAN和Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點(diǎn)，成為一種新型的寬帶無線網(wǎng)絡(luò)。其核心思想是讓網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以發(fā)送和接收信號(hào)，使得傳統(tǒng)的WLAN中一直存在的可伸縮性低和健壯性差等諸多問題迎刃而解[2]。與傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相比，WMN更能適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控的發(fā)展。

考慮到業(yè)務(wù)功能的靈活性，本文構(gòu)建了一種較為通用的視頻監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，由單個(gè)Mesh終端節(jié)點(diǎn)構(gòu)搭建WMN如圖1所示，視頻監(jiān)控系統(tǒng)主要有監(jiān)控節(jié)點(diǎn)(終端)和監(jiān)控中心兩部分組成。在監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)，多個(gè)具有路由轉(zhuǎn)發(fā)功能的終端節(jié)點(diǎn)互聯(lián)構(gòu)成無線Mesh網(wǎng)絡(luò)骨干網(wǎng)，視頻監(jiān)控終端具有視頻服務(wù)器功能，負(fù)責(zé)完成監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)視頻采集、壓縮、無線路由及收發(fā)數(shù)據(jù)等功能，并以無線方式將視頻流傳輸?shù)脚c監(jiān)控中心相連的Mesh網(wǎng)關(guān)；監(jiān)控中心具有瀏覽器功能，接收來自監(jiān)控終端的視頻數(shù)據(jù)流，并進(jìn)行解壓、播放、存儲(chǔ)等處理，同時(shí)可通過Internet完成視頻轉(zhuǎn)發(fā)和各種視頻遙控功能。

圖1 基于WMN的視頻監(jiān)控系統(tǒng)方案

2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

視頻監(jiān)控終端硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示?？紤]到監(jiān)控終端對(duì)視頻壓縮能力、無線移動(dòng)特性和低功耗的要求，采用華恒公司的專用Freescale處理器i.MX21作為主控芯片。它集成了支持MPEG-4標(biāo)準(zhǔn)的硬件編解碼器和ARM9內(nèi)核，功耗僅為200 mW。復(fù)合視頻信號(hào)經(jīng)SAA7l13的模擬端輸入，經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換、濾波和縮放后，生成BT.656格式的視頻，輸出到i.MX21。i.MX21對(duì)視頻進(jìn)行MPEG-4格式的壓縮編碼，將數(shù)據(jù)流經(jīng)USB控制器擴(kuò)展的USB2.0接口輸出到VT6656模塊。VT6656模塊包含一個(gè)集成了MAC和基帶處理器的芯片以及一個(gè)集成了功率放大器和天線的芯片，其支持IEEE 802.11b/g無線傳輸。

圖2 視頻監(jiān)控終端硬件結(jié)構(gòu)

3 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

視頻監(jiān)控系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)如圖3所示。視頻監(jiān)控終端(服務(wù)器)采用基于Linux操作系統(tǒng)的ARM9嵌入式系統(tǒng)作為視頻監(jiān)控節(jié)點(diǎn)的軟硬件平臺(tái)，視頻監(jiān)控中心采用基于DirectShow的客戶端軟件進(jìn)行開發(fā)設(shè)計(jì)，整個(gè)系統(tǒng)軟件采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

圖3 視頻監(jiān)控系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

3.1 Linux操作系統(tǒng)

Linux操作系統(tǒng)采用成熟穩(wěn)定的2.6.23內(nèi)核。配置時(shí)根據(jù)硬件資源選擇Flash和SRAM的大小，在網(wǎng)絡(luò)子項(xiàng)中選擇對(duì)TCP/IP和IEEE 802.1l協(xié)議的支持，同時(shí)去除不支持的選項(xiàng)以縮減內(nèi)核體積，執(zhí)行編譯后得到Linux的內(nèi)核映像文件。

3.2 底層設(shè)備驅(qū)動(dòng)

Linux操作系統(tǒng)通過調(diào)用驅(qū)動(dòng)程序的接口函數(shù)實(shí)現(xiàn)硬件訪問請(qǐng)求。SAA7113和VT6656的驅(qū)動(dòng)程序分別控制相應(yīng)芯片完成視頻采集、USB接口控制和網(wǎng)絡(luò)傳輸控制功能，采用中斷觸發(fā)／響應(yīng)機(jī)制協(xié)調(diào)工作。

3.3 上層應(yīng)用程序

上層應(yīng)用程序包括視頻采集、視頻壓縮、網(wǎng)絡(luò)傳輸和網(wǎng)絡(luò)訪問控制模塊。監(jiān)控終端通過網(wǎng)絡(luò)訪問控制程序接收來自主機(jī)的控制命令，并同步更新至配置文件保存。為保證指令的可靠傳輸，采用面向連接的TCP/IP協(xié)議在主機(jī)和終端間建立一個(gè)端到端的虛擬連接，并通過套接字編程實(shí)現(xiàn)[3]。視頻采集程序負(fù)責(zé)啟動(dòng)SAA7113的視頻采集和模數(shù)轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生BT.656格式的視頻數(shù)據(jù)。視頻壓縮程序根據(jù)配置文件設(shè)定視頻壓縮格式(D1/VGA/CIF/QVGA/QCIF)、編碼方式(CAVLC/CABAC)、碼流(CBR/VBR)和碼率(最大 10 Mb/s)，以此為參數(shù)完成 MPEG-4視頻壓縮。網(wǎng)絡(luò)傳輸程序完成數(shù)據(jù)包的封裝，再經(jīng)VT6656傳送到鄰近的無線AP。為保證視頻流的實(shí)時(shí)性，采用RTP/RTCP協(xié)議對(duì)壓縮數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝[4]，使用IEEE802.11b標(biāo)準(zhǔn) (最大數(shù)據(jù)傳輸率為11 Mb/s，室外通信距離為500 m)完成數(shù)據(jù)包的無線傳輸。

3.4 Mesh路由協(xié)議AODV在嵌入式Linux下的設(shè)計(jì)

AODV路由協(xié)議是一種按需路由協(xié)議，實(shí)際上是DSR和DSDV協(xié)議的綜合，以DSDV為基礎(chǔ)，采用DSR中的按需路由思想進(jìn)行改進(jìn)[5]。AODV使用廣播式路由發(fā)現(xiàn)機(jī)制，當(dāng)源節(jié)點(diǎn)想與另一節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，而它的路由表中又沒有到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)的路由條目時(shí)，就廣播一個(gè)路由請(qǐng)求(RREQ)報(bào)文，源地址和廣播ID標(biāo)識(shí)了一個(gè)唯一的路由請(qǐng)求。中間節(jié)點(diǎn)在收到RREQ報(bào)文時(shí)，首先比較本節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)的IP地址，如果自己是目的節(jié)點(diǎn)，就向源節(jié)點(diǎn)回復(fù)路由響應(yīng)(RREP)報(bào)文；如果自己不是目的節(jié)點(diǎn)，則根據(jù)RREQ報(bào)文中的源IP地址和廣播ID判斷是否收到過該RREQ報(bào)文，如果收到過，則丟棄該RREQ報(bào)文，若沒有則記錄相關(guān)信息，用來形成反向路由。記錄的信息主要包括目的地址、源地址、廣播ID、源序列號(hào)、反向路由超時(shí)時(shí)長，同時(shí)將RREQ報(bào)文中的跳數(shù)字段值加1，并向鄰居節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)RREQ報(bào)文。當(dāng)中繼節(jié)點(diǎn)或目的節(jié)點(diǎn)沿著反向路徑回復(fù)RREP報(bào)文時(shí)，這條路徑上的節(jié)點(diǎn)建立前向路由。當(dāng)RREP報(bào)文到達(dá)源節(jié)點(diǎn)后，源節(jié)點(diǎn)就可以使用已經(jīng)建立的路由發(fā)送數(shù)據(jù)報(bào)文。

AODV程序從邏輯上可分為系統(tǒng)接口和AODV算法模塊兩個(gè)部分。系統(tǒng)接口部分的主要功能是用Linux系統(tǒng)提供的各種接口，為實(shí)現(xiàn)AODV路由協(xié)議提供所需的各種信息和服務(wù)。本系統(tǒng)的AODV程序用到的系統(tǒng)接口主要包括可加載模塊的管理、網(wǎng)絡(luò)過濾器(Netfilter)的使用、路由線程的產(chǎn)生、內(nèi)核路由表的修改以及定時(shí)器機(jī)制等，這部分是AODV程序與Linux系統(tǒng)交互的主要途徑。AODV算法模塊主要是執(zhí)行AODV協(xié)議邏輯，總的來說包括路由建立、路由維護(hù)和路由刪除三個(gè)模塊。該算法模塊的目標(biāo)是根據(jù)通信的需求建立正確的路由，通過接收和處理AODV控制分組來建立或改變路由。

3.5 基于DirectShow的客戶端軟件設(shè)計(jì)

DirectShow是微軟公司推出的新一代基于COM技術(shù)的流媒體處理的開發(fā)包，為流媒體的捕捉、回放等處理提供了強(qiáng)大的支持[6]。本系統(tǒng)利用DirectShow技術(shù)設(shè)計(jì)基于無線Mesh網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控客戶端軟件。軟件設(shè)計(jì)采用C/S模式，基于VC平臺(tái)的MFC框架?？蛻舳撕瓦h(yuǎn)程終端通過Socket編程實(shí)現(xiàn)在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)上通信。

客戶端軟件包括視頻瀏覽器和視頻監(jiān)控終端控制器軟件，主要由視頻接收、視頻解碼播放及遠(yuǎn)程控制命令發(fā)送模塊組成，模塊之間采用共享內(nèi)存進(jìn)行通信。為了能同時(shí)接收到來自終端的多路圖像，在程序中采用Windows界面設(shè)計(jì)和多線程技術(shù)，每個(gè)線程創(chuàng)建一個(gè)界面窗口，負(fù)責(zé)一路視頻流的接收和播放。由于系統(tǒng)中的視頻壓縮格式為MPEG-4標(biāo)準(zhǔn)，因此選用Xvid Codec作為MPEG-4的核心解碼庫，其源代碼是開放的，通過調(diào)用Xvid的MPEG-4解碼核心代碼可完成視頻數(shù)據(jù)的解壓縮。實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制就是在監(jiān)控中心通過客戶端軟件，利用計(jì)算機(jī)鼠標(biāo)或鍵盤的相應(yīng)操作來向終端服務(wù)器發(fā)送命令，以實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)控點(diǎn)的攝像機(jī)的參數(shù)及云臺(tái)進(jìn)行控制。由于控制命令準(zhǔn)確性要求較高，數(shù)據(jù)量較小，因此采用了提供可靠連接傳輸協(xié)議TCP/IP進(jìn)行傳輸，用戶可以根據(jù)監(jiān)控場(chǎng)合、用途和功能的不同對(duì)串口采取不同的配置，在程序運(yùn)行后也可隨時(shí)對(duì)串口的參數(shù)設(shè)置進(jìn)行更改。

4 系統(tǒng)測(cè)試

用5臺(tái)嵌入式監(jiān)控終端組成無線Mesh網(wǎng)絡(luò)，各監(jiān)控點(diǎn)之間的距離約為200 m，嵌入式終端操作系統(tǒng)Linux的內(nèi)核為2.6.23。監(jiān)控主機(jī)通過IEEE 802.11b/g標(biāo)準(zhǔn)的無線網(wǎng)卡接入Mesh網(wǎng)絡(luò)，從任一監(jiān)控終端獲取Xvid-MPEG-4格式的視頻流，采用基于DirectShow的客戶端解碼播放軟件完成終端設(shè)置、視頻解碼和實(shí)時(shí)播放功能。測(cè)試結(jié)果表明，畫面播放流暢，實(shí)時(shí)性較好。在進(jìn)行主動(dòng)丟包測(cè)試時(shí)，當(dāng)丟包率為10%時(shí)，圖像會(huì)出現(xiàn)少量的馬賽克，但播放依然流暢，完全可以滿足當(dāng)前視頻監(jiān)控市場(chǎng)的要求。

新一代的無線Mesh網(wǎng)絡(luò)利用網(wǎng)狀拓?fù)?、多跳鏈路和先進(jìn)的路由協(xié)議，通過融合IEEE 802.1la/b/g等無線通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)，其具有組網(wǎng)迅速、結(jié)構(gòu)靈活、傳輸率高、移動(dòng)性好、可靠性強(qiáng)和成本低等優(yōu)點(diǎn)，可極大的拓寬網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控的應(yīng)用范圍。因此，與其他無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)相比，基于無線Mesh網(wǎng)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)具有較高的性價(jià)比。隨著無線Mesh網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和完善，其必將在包括視頻監(jiān)控在內(nèi)的多種領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。

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