車載雙模無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

劉開夢，何 維，田增山

（重慶郵電大學無線定位與空間測量研究所，重慶 400065）

視頻監(jiān)控系統(tǒng)是一種新興的自動化系統(tǒng)，它綜合利用了視頻技術、計算機技術、通信技術和網(wǎng)絡技術，在多個行業(yè)得到了廣泛應用［1］。基于有線視頻監(jiān)控系統(tǒng)的各方面不足，例如布線、施工、擴展性、移動性等，無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)成為了必然的發(fā)展趨勢。隨著3G技術的發(fā)展與延伸，3G無線移動通信系統(tǒng)從概念到運作，從小范圍的試點，再到目前的正式商用，網(wǎng)絡覆蓋范圍逐漸擴大，傳輸帶寬不斷提高，這些都使得基于3G網(wǎng)絡傳輸?shù)囊曨l監(jiān)控系統(tǒng)成為現(xiàn)實。在森林防火、環(huán)保監(jiān)測、公路全線監(jiān)測等地域廣、監(jiān)控點稀疏的環(huán)境下，更需要移動地監(jiān)測實施情況，基于車載式的3G無線視頻監(jiān)控終端能夠較好完成這些任務。車載式視頻監(jiān)控終端，移動性好，便于調(diào)度、管理，能夠盡可能彌補定點式監(jiān)控終端存在的監(jiān)控盲點，更好的進行實時監(jiān)控?，F(xiàn)有的3G網(wǎng)絡TD-SCDMA，WCDMA和CDMA2000雖然已經(jīng)基本實現(xiàn)了全國地區(qū)的廣泛網(wǎng)絡覆蓋，但這3種3G網(wǎng)絡在各個地區(qū)的網(wǎng)絡覆蓋有所不同，覆蓋范圍、覆蓋地區(qū)的網(wǎng)絡信號強弱等都有所差別，這些因素直接影響通過3G無線網(wǎng)絡傳輸數(shù)據(jù)的效果。目前3G網(wǎng)絡上傳帶寬能夠達到384 kbit/s，能夠傳輸1路CIF的實時圖像，但這也只是在網(wǎng)絡較好的情況下［2-4］。對于車載式視頻監(jiān)控終端的應用場景，考慮到汽車高速移動以及地域變化等情況造成的網(wǎng)絡質量下降。

針對上述問題，本文設計并實現(xiàn)了一種基于WCDMA和CDMA2000 EVDO系統(tǒng)的車載式雙模視頻監(jiān)控系統(tǒng)，該雙模系統(tǒng)依托WCDMA和CDMA2000 EVDO移動通信公眾網(wǎng)實現(xiàn)視頻監(jiān)控，便捷實用，系統(tǒng)中合理調(diào)度雙模同時傳輸，和傳統(tǒng)的單模系統(tǒng)相比，有多方面的優(yōu)勢。本文重點介紹該視頻監(jiān)控系統(tǒng)的整體設計，給出嵌入式設備車載監(jiān)控終端的硬件設計，詳細介紹了監(jiān)控中心的軟件設計，之后對整個系統(tǒng)進行了測試，并記錄了測試結果。

1 車載視頻監(jiān)控系統(tǒng)結構

車載雙模無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

系統(tǒng)包括車載式雙模視頻監(jiān)控終端，CDMA2000和WCDMA系統(tǒng)基站和3G核心網(wǎng)絡，Internet和后臺監(jiān)控中心。

車載雙模監(jiān)控終端利用模擬攝像頭完成對所需監(jiān)控視頻的采集，將視頻數(shù)據(jù)進行H.264編碼壓縮處理，通過CDMA2000和WCDMA 3G無線通信模塊實現(xiàn)監(jiān)控視頻和其他信息例如GPS信息等向監(jiān)控中心的上傳，同時接收監(jiān)控中心的信息和指令，實現(xiàn)對視頻信息的分割、封裝、調(diào)度和管理。

圖1 系統(tǒng)組成結構圖

WCDMA系統(tǒng)基站和核心網(wǎng)、CDMA2000系統(tǒng)基站和核心網(wǎng)都是借助于公眾網(wǎng)絡，接入Internet網(wǎng)絡建立車載視頻監(jiān)控終端和視頻監(jiān)控中心的通信鏈路，完成兩者之間的視頻傳輸以及信令交互等。

視頻監(jiān)控中心完成對車載視頻監(jiān)控終端采集傳輸?shù)囊曨l信息進行組合、解碼、視頻恢復和實時顯示，同時完成對車載視頻終端的調(diào)度和管理。

2 車載雙模視頻監(jiān)控終端設計

車載視頻監(jiān)控終端系統(tǒng)組成結構圖如圖2所示。

圖2 車載視頻監(jiān)控終端系統(tǒng)組成結構圖

1）核心處理模塊。車載視頻監(jiān)控終端系統(tǒng)CPU選用具有ARM+DSP雙內(nèi)核的OMAP3530［5］，可兼顧設備的數(shù)據(jù)處理強度大、調(diào)度和控制功能要求高的需要。DSP內(nèi)核對視頻信號的壓縮處理能力強，主要完成對H.264視頻進行編碼壓縮，ARM內(nèi)核完成系統(tǒng)的整體控制和對DSP運算結果的訪問。

2）電源模塊。電源管理選用與OMAP3530匹配的TPS65930芯片智能管理整體系統(tǒng)的電能供應。設備對外提供適配器電源接口，通過汽車車載逆變器供電。

3）多媒體數(shù)據(jù)采集模塊。音頻數(shù)據(jù)由MIC部分負責采集一路音頻數(shù)據(jù)，將模擬信號用差分輸入方式送入TPS65930中，然后用I2S數(shù)據(jù)總線把采樣后的數(shù)字信號傳輸?shù)絆MAP3530中。視頻數(shù)據(jù)由模擬攝像頭采集，通過BNC數(shù)據(jù)線連接核心處理模塊，傳送數(shù)據(jù)到OMAP3530中。音頻數(shù)據(jù)和視頻數(shù)據(jù)，在OMAP3530中都以DMA方式進行數(shù)據(jù)的搬移，搬移到DDR中后。在DSP端以H.264標準對視頻數(shù)據(jù)進行壓縮，以G729標準對音頻數(shù)據(jù)進行壓縮。把壓縮后的數(shù)據(jù)進行本地存儲（用USB總線傳送到移動硬盤）或者發(fā)送到控制中心。

4）GPS模塊。用GPS模塊的喚醒功能可以實現(xiàn)對終端的定時定位和不定時定位。通過無線信道將定位衛(wèi)星采集到的當前終端的地理位置信息、時間信息等發(fā)送到GPS模塊，然后通過UART芯片傳送到核心處理模塊中，解析后保存在內(nèi)存當中。終端程序通過解包、判斷并提取出GPS信息之后，然后將這些信息與圖像信息一起封裝在一個結構體中，最后通過無線網(wǎng)絡發(fā)送模塊將信息發(fā)送到監(jiān)控中心。

5）數(shù)據(jù)發(fā)送模塊。選用中興通訊公司的MC8630 CDMA2000通信模塊和華為技術有限公司的EM770W WCDMA通信模塊作為系統(tǒng)無線網(wǎng)絡數(shù)據(jù)發(fā)送模塊。利用USB接口和MIC2551A芯片連接處理模塊和發(fā)送模塊，通過對發(fā)送模塊操作AT指令實現(xiàn)網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸。

3 視頻監(jiān)控中心設計

視頻監(jiān)控中心是整個監(jiān)控系統(tǒng)的中樞神經(jīng)，管理、調(diào)度整個監(jiān)控系統(tǒng)的合理運行，指揮視頻終端按要求實時進行監(jiān)控。本監(jiān)控中心系統(tǒng)采用Microsoft Visual C++6.0開發(fā)［6］，分功能進行模塊化，最后按需求整合實現(xiàn)視頻監(jiān)控中心系統(tǒng)。

3.1 監(jiān)控中心系統(tǒng)結構

如圖3所示，視頻監(jiān)控中心主要分為7個功能模塊。

1）監(jiān)聽、建立通信鏈路。該模塊用于監(jiān)聽是否有視頻監(jiān)控終端請求鏈接，通過正確信息交互后，與相應視頻監(jiān)控終端建立通信鏈路，建立心跳包，實時監(jiān)聽終端是否處于連接狀態(tài)。

2）監(jiān)控數(shù)據(jù)接收。該模塊用于通過UDP網(wǎng)絡傳輸協(xié)議將監(jiān)控終端上傳的數(shù)據(jù)正確接收下來，然后保存在緩存隊列中，以待后續(xù)處理。

圖3 監(jiān)控中心系統(tǒng)結構圖

3）監(jiān)控數(shù)據(jù)處理、顯示。該模塊用于將監(jiān)控數(shù)據(jù)中的視頻數(shù)據(jù)和GPS信息分別提取出來。對視頻數(shù)據(jù)進行解碼、恢復，然后和GPS信息組合，經(jīng)過相應處理后實時顯示在監(jiān)控中心主頁面中，并且按需求保存監(jiān)控視頻。

4）影像回放。該模塊用于對保存的監(jiān)控視頻進行回放。

5）網(wǎng)絡信息實時顯示。該模塊用于對整個視頻傳輸系統(tǒng)的網(wǎng)絡信息進行顯示，包括監(jiān)控中心接收每個終端對應的傳輸速率kbit/s、f/s（幀/秒）、收到的總字節(jié)等信息，可用作實時觀察每個監(jiān)控終端的傳輸情況。

6）雙向語音通信。該模塊用于與監(jiān)控終端進行實時語音通信，以此可用作指揮，管理。

7）調(diào)度、管理指令下發(fā)。該模塊用于通過TCP協(xié)議對監(jiān)控終端下發(fā)控制命令，例如設想頭的切換，數(shù)據(jù)傳輸方式改變等。

8）系統(tǒng)配置。該模塊用于整個系統(tǒng)的相關參數(shù)修改、配置。

3.2 監(jiān)控中心應用程序設計

根據(jù)雙模視頻監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控中心實際需求，本文給出了主要部分監(jiān)控中心系統(tǒng)流程圖，如圖4所示。

首先視頻監(jiān)控中心不斷監(jiān)聽是否有視頻監(jiān)控終端請求連接。當監(jiān)聽到有終端請求連接后，為其進行資源配置，并且建立心跳包鏈接，時刻監(jiān)測視頻監(jiān)控終端與監(jiān)控中心連接是否正常，如果視頻監(jiān)控終端斷開，監(jiān)控中心釋放為其配置的資源。

建立心跳鏈接后，監(jiān)控中心正常接收視頻監(jiān)控終端傳輸?shù)谋O(jiān)控數(shù)據(jù)。通過CDMA2000和WCDMA雙模傳輸?shù)臄?shù)據(jù)需要接收保存進緩存內(nèi)，考慮通過雙模傳輸，需要對到達數(shù)據(jù)順序進行調(diào)整。

對數(shù)據(jù)進行提前并解析，根據(jù)系統(tǒng)自定義的數(shù)據(jù)包格式，根據(jù)數(shù)據(jù)包頭信息，分別提前出GPS信息、時間和視頻數(shù)據(jù)，然后將提前的數(shù)據(jù)進行三個方面的工作:

1）傳遞給程序主頁面進行實時的監(jiān)控顯示;

圖4 監(jiān)控中心系統(tǒng)流程圖

2）根據(jù)時間信息保存成文件，以待影像回放所用;3）統(tǒng)計計算監(jiān)控數(shù)據(jù)信息，用于實時顯示網(wǎng)絡情況，包括kbit/s、f/s、丟包率等，同時利用調(diào)度算法，合理分配雙模傳輸資源，下發(fā)反饋信息給視頻監(jiān)控終端，控制終端合理調(diào)度雙模進行最大化數(shù)據(jù)傳輸。

3.3 關鍵技術實現(xiàn)

1）通信鏈路。本系統(tǒng)中監(jiān)控中心對監(jiān)控終端的監(jiān)聽管理、信令控制等信息的交互采用TCP網(wǎng)絡協(xié)議傳輸。TCP網(wǎng)絡控制協(xié)議是一種面向連接的、可靠的、基于字節(jié)流的通信協(xié)議，能夠保證信息的完成傳輸。監(jiān)控數(shù)據(jù)采用UDP網(wǎng)絡協(xié)議傳輸，UDP是面向數(shù)據(jù)報的傳輸層協(xié)議，建立在IP協(xié)議上，提供一種無連接的高效率的服務，時延短，但不保證數(shù)據(jù)的可靠性，系統(tǒng)中視頻數(shù)據(jù)要求實時性高而不要求數(shù)據(jù)絕對可靠，所以采用UDP協(xié)議傳輸。

2）監(jiān)聽管理。監(jiān)聽終端請求，通過套接字TCP接口函數(shù)建立監(jiān)聽程序，首先通過socket函數(shù)創(chuàng)建TCP協(xié)議套接字，配置地址結構體SOCKADDR_IN，然后調(diào)用bind函數(shù)綁定相關信息，WSAAsyncSelect函數(shù)設置響應事件為FD_ACCEPT，最后調(diào)用listen函數(shù)實現(xiàn)監(jiān)聽，recv函數(shù)接收數(shù)據(jù)。主要代碼如下:

建立心跳包鏈接也利用TCP套接字函數(shù)，同時通過SetTimer函數(shù)創(chuàng)建定時器，在響應函數(shù)OnTimer中定時發(fā)送TCP數(shù)據(jù)（心跳包）給終端，根據(jù)TCP套接字函數(shù)返回值判斷鏈接是否正常，如果終端斷開，則釋放為其分配的系統(tǒng)資源。

3）監(jiān)控顯示。將監(jiān)控顯示功能封裝成ActiveX控件［7］，監(jiān)控中心通過調(diào)用該控件實現(xiàn)多終端監(jiān)控信息的實時顯示。利用VC++6.0建立MFC ActiveX工程實現(xiàn)顯示控件，控件主要對外部程序提供3個接口。void Re-Set（）接口函數(shù)主要負責對占用資源的重置，釋放;void ShowStream（byte* StreamBuf，long StreamLen）接口函數(shù)用于接收視頻數(shù)據(jù)，第1個參數(shù)填寫保存視頻數(shù)據(jù)的內(nèi)存地址，第2個參數(shù)填寫地址長度，函數(shù)中調(diào)用H.264解碼庫，對視頻數(shù)據(jù)進行解碼，并保存進內(nèi)存中;void SetGps-Mem（double lon，double lat）接口函數(shù)用于接收解析后的GPS經(jīng)緯度信息。接著在控件內(nèi)部調(diào)用Invalidate（）函數(shù)觸發(fā) OnDraw（CDC*pdc，const CRect&rcBounds，const CRect&rcInvalid）顯示視頻信息和滾動的GPS信息。On-Draw函數(shù)中具體代碼如下:

主界面中調(diào)用現(xiàn)實空間效果圖如圖5所示。

4）雙模調(diào)度。監(jiān)控中心接收監(jiān)控終端通過WCDMA和CDMA2000 EVDO（以下簡稱W和C）2個模塊傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，并進行統(tǒng)計計算，實時分析出2個模塊的傳輸情況，確定個模塊合理的傳輸比例，并將信息和命令反饋給監(jiān)控終端。監(jiān)控終端根據(jù)收到的監(jiān)控中心的反饋信息進行發(fā)送模塊的選擇:根據(jù)反饋信息、進行視頻數(shù)據(jù)包的序列分隊，調(diào)整W模塊和C模塊的傳輸比例RW/RC進行數(shù)據(jù)傳輸。設監(jiān)控終端傳輸數(shù)據(jù)集合為M= {D1，D2，…，DN}，2個模塊傳輸速率比值為n=RW/RC，根據(jù)監(jiān)控中心反饋信息，調(diào)整n值，將M按n∶1的比例進行分隊，重新分配隊列后W模塊發(fā)送數(shù)據(jù)為 MW={（D1，D2，…，Dn），（Dn+2，Dn+3，…，D2n+1），…，（D（k－1）（n+1）+1，D（k－1）（n+1）+2，…，D（k－1）（n+1）+n）} ，C 模塊發(fā)送數(shù)據(jù)為 MC= {Dn+1，D2（n+1），…，Dk（n+1）}。算法流程圖如圖6所示。

圖5 顯示功能控件

圖6 算法流程圖

4 應用測試

車載雙模視頻監(jiān)控系統(tǒng)測試主要通過系統(tǒng)運行時由監(jiān)控中心網(wǎng)絡信息實時顯示獲得。監(jiān)控中心配置如下:Windows XP操作系統(tǒng)，CPU AMD AthlonII X2 250 Processor 3.01 GHz，內(nèi)存2 Gbyte。監(jiān)控中心實時顯示效果如圖7所示。

外場測試參數(shù)，車速30～40 km/h，傳輸視頻格式為CIF，每次行車時間15 min，行車地域為城市，車載終端視頻采集幀數(shù)20 f/s，單模為WCDMA，雙模為WCDMA+CDMA2000 EVDO，記錄數(shù)據(jù)由監(jiān)控中心實時顯示網(wǎng)絡數(shù)據(jù)獲得，性能結果如表1所示。

圖7 監(jiān)控中心實時顯示圖

表1 單模和雙模傳輸比較

由表1可以看出，在各方面參數(shù)設置相同情況下，基于雙模傳輸?shù)能囕d視頻監(jiān)控系統(tǒng)，通過調(diào)度算法充分利用兩種3G網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)傳輸，相比于單模視頻傳輸有效地提高了視頻傳輸質量。

5 結束語

結合國內(nèi)3G應用的快速發(fā)展和視頻監(jiān)控的廣泛應用，本文提出了一種基于3G網(wǎng)絡WCDMA和CDMA2000 EVDO的車載式雙模傳輸視頻監(jiān)控系統(tǒng)設計方案，在實踐中經(jīng)過測試分析，相比于傳統(tǒng)單模視頻監(jiān)控系統(tǒng)，具有更大的發(fā)送速率，對單一網(wǎng)絡依賴性小、穩(wěn)定性高，傳輸質量好的特點，對安防、勘測、生產(chǎn)調(diào)度、搶險救災等領域具有重要的現(xiàn)實意義，并能創(chuàng)造良好的社會效益和經(jīng)濟效益。

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