基于Android手機的無線視頻門禁系統(tǒng)應(yīng)用研究

段利文

(重慶電子工程職業(yè)學(xué)院，重慶 401120)

責(zé)任編輯:任健男

視頻門禁監(jiān)控作為智能小區(qū)安全建設(shè)的一部分，對整個小區(qū)的安全化管理起著至關(guān)重要的作用，安全性、靈活性及低成本是視頻門禁系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)重點考慮的因素［1］。將視頻門禁系統(tǒng)與小區(qū)內(nèi)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)相結(jié)合，可以處一室之內(nèi)而知整個小區(qū)的視頻監(jiān)控狀態(tài)，真正體現(xiàn)智能化小區(qū)的優(yōu)勢。

本文是在現(xiàn)有視頻門禁系統(tǒng)研究的基礎(chǔ)上，將無線局域網(wǎng)作為主要通信方式，視頻門禁系統(tǒng)與小區(qū)視頻監(jiān)控系統(tǒng)聯(lián)動整合，并運用嵌入式開發(fā)技術(shù)和Android技術(shù)對基于手機平臺的無線視頻門禁系統(tǒng)應(yīng)用進行研究，完成了基于無線局域網(wǎng)的手機視頻門禁系統(tǒng)的開發(fā)與設(shè)計。用戶除了簡單的門禁開啟外，還可以監(jiān)控小區(qū)環(huán)境，查看小區(qū)任何攝像頭，而且可以實現(xiàn)住戶、訪客、保安三方通話。既是門禁系統(tǒng)新的控制與監(jiān)控方法，也是Android手機的新應(yīng)用。

1 系統(tǒng)方案說明

1.1 無線局域網(wǎng)通信方式

當前小區(qū)視頻門禁系統(tǒng)的通信方式及終端控制方式多樣，最大眾化的方式仍是采用有線布網(wǎng)方式，小區(qū)大門門禁系統(tǒng)與小區(qū)保安中心通過有線方式連接，樓棟門禁系統(tǒng)與各住戶門禁終端通過有線方式連接，大門門禁系統(tǒng)與小區(qū)門禁系統(tǒng)之間各自工作，并無聯(lián)系，而且網(wǎng)絡(luò)固定。在終端控制方式，較普遍的是安裝在住戶大門墻上的門禁終端，通過查看樓棟門禁處的攝像頭，然后開啟門禁終端的開關(guān)或者通話按鈕進行相關(guān)操作。

隨著近年來無線通信技術(shù)的成熟，尤其是無線局域網(wǎng)(WLAN)，憑借其高速率帶寬和良好的網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性在城市建設(shè)中得到了廣泛的應(yīng)用，而且現(xiàn)在大部分家庭網(wǎng)關(guān)設(shè)備也具有無線路由功能，入戶光纖接入家庭網(wǎng)關(guān)后，通過無線的方式，家里所有終端設(shè)備通過家庭網(wǎng)關(guān)就可以接入Internet，非常方便，而且成本低。更重要的是WLAN建設(shè)已逐漸成為城市網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的一部分，大型城市的WLAN覆蓋率均超過了50%，網(wǎng)絡(luò)運營商也正努力加大全國城市的WLAN覆蓋率。

與傳統(tǒng)的有線視頻門禁聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)相比，無線視頻門禁系統(tǒng)具有更高的靈活性，網(wǎng)絡(luò)布置更加便捷，受小區(qū)地理環(huán)境的影響小，且成本較有線方式低，而且可以將無線視頻門禁系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)遠程監(jiān)控，充分利用無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境擴展門禁系統(tǒng)服務(wù)功能［2－3］。

1.2 Android手機門禁終端

傳統(tǒng)的門禁終端普遍采用壁掛式，掛在屋內(nèi)離大門不遠的墻壁上，移動性較差，而且門禁終端成本較高，在功能方面，只是簡單的可視化查看，門禁開啟與通話，無法實現(xiàn)與小區(qū)視頻監(jiān)控聯(lián)動，功能比較單一。

近年來以Android為平臺的智能手機得到廣泛應(yīng)用，高處理器CPU及良好的開放平臺給手機端應(yīng)用軟件提供了廣闊的開發(fā)環(huán)境，Android手機客戶端軟件應(yīng)運而生，比如購物網(wǎng)站客戶端、銀行手機客戶端、在線學(xué)習(xí)客戶端等紛紛涌入市場，利用手機的便捷特性實現(xiàn)掌上辦公、學(xué)習(xí)與購物已經(jīng)司空見慣，甚至車載系統(tǒng)也有所涉及［4］。正是在這樣一種背景下，本文提出了基于Android手機的視頻門禁終端客戶端。

Android手機視頻門禁系統(tǒng)充分利用手機硬件，采用Android開發(fā)平臺，實現(xiàn)視頻門禁系統(tǒng)的開啟、小區(qū)視頻監(jiān)控、視頻存儲與抓圖、語音通話等功能。該客戶端配合樓棟視頻門禁和大門視頻門禁系統(tǒng)使用，可以方便實現(xiàn)門禁的查看與開啟。而且客戶連入Internet網(wǎng)遠程也可以實現(xiàn)門禁系統(tǒng)開啟與小區(qū)視頻監(jiān)控。

2 系統(tǒng)框架設(shè)計

總體而言，視頻門禁系統(tǒng)主要分為3層，前端主要是安裝在小區(qū)的所有攝像頭設(shè)備和小區(qū)大門、樓棟門的可視化門禁系統(tǒng)，中間層是由嵌入式設(shè)備和服務(wù)器構(gòu)成，用戶端主要由Android手機構(gòu)成，具體如圖1所示。前端攝像頭數(shù)據(jù)和門禁系統(tǒng)數(shù)據(jù)通過中間層的嵌入式設(shè)備進行數(shù)據(jù)處理和視頻編解碼后發(fā)送至服務(wù)器，服務(wù)器將所有監(jiān)控數(shù)據(jù)和門禁數(shù)據(jù)做好備份并存儲，而Android手機可以通過無線路由的WLAN方式和3G方式連入Internet與服務(wù)器進行通信，完成門禁系統(tǒng)的開啟與小區(qū)監(jiān)控視頻的查看。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)圖

前端的攝像頭設(shè)備主要由DVR構(gòu)成，每個設(shè)備分配一個IP地址，用于對小區(qū)的所有環(huán)境進行監(jiān)控，而門禁系統(tǒng)主要由小區(qū)大門可視化門禁和樓棟可視化門禁構(gòu)成，分別負責(zé)小區(qū)不同的大門和各樓棟的門禁。DVR攝像頭和可視化門禁具體結(jié)構(gòu)不再詳述。

中間層的嵌入式設(shè)備除了由嵌入式處理器，存儲器Flash、SDRAM，以太網(wǎng)、RS－232接口等嵌入式設(shè)備的基本模塊之外，還擴展了無線收發(fā)模塊及LCD屏。具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。嵌入式處理器主芯片采用基于ARM9內(nèi)核的i.MX27，它是一款具有高速率計算功能的多媒體處理器芯片，這樣才能滿足視頻數(shù)據(jù)處理的要求。同時無線收發(fā)模塊主要是和無線路由進行通信。

圖2 嵌入式設(shè)備結(jié)構(gòu)圖

用戶端主要是Android手機客戶端完成，由于視頻傳輸數(shù)據(jù)量較大，大多方式采用WLAN通信，節(jié)省流量成本且網(wǎng)絡(luò)傳輸穩(wěn)定，之所以要提出3G方式通信，是因為考慮到在某些不支持WLAN通信方式時，也可以采取3G來視頻門禁的控制，以訪問服務(wù)器方式實現(xiàn)門禁管理，打破了空間限制，遠程也可以操作。而在安全方面，采用安全授權(quán)，普通用戶只有門禁可視化和開啟門禁功能，超級用戶可以擁有權(quán)限查看小區(qū)所有監(jiān)控攝像頭。而不同的用戶又通過無線局域網(wǎng)的WPA2－PSK加密，所以不同住戶間只能使用自己的設(shè)備，同時也只有經(jīng)過安全授權(quán)的用戶才能登陸查看視頻監(jiān)控。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計與實現(xiàn)

基于Android手機的無線視頻門禁系統(tǒng)主要包括視頻數(shù)據(jù)采集與處理模塊、服務(wù)器管理控制模塊、手機門禁客戶端軟件等3個部分。

3.1 視頻數(shù)據(jù)采集與處理

視頻數(shù)據(jù)采集主要由攝像頭和可視化門禁網(wǎng)關(guān)完成，采集數(shù)據(jù)要發(fā)送至嵌入式網(wǎng)關(guān)，嵌入式設(shè)備對視頻數(shù)據(jù)和門禁數(shù)據(jù)進行處理［5］。具體流程如圖3所示。

嵌入式設(shè)備軟件采用Linux操作系統(tǒng)作為開發(fā)平臺，該系統(tǒng)具有強大的網(wǎng)絡(luò)功能，通過RTP/RTCP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，以及Web服務(wù)器HTTP傳輸協(xié)議，進行視頻圖像的傳輸。從圖3可得，視頻采集主要用到了ioctl()函數(shù)完成，Linux系統(tǒng)中Video For Linux 2已經(jīng)提供了部分接口函數(shù)，對視頻設(shè)備的基本操作已經(jīng)足夠。

視頻數(shù)據(jù)采集后，從緩存隊列中將數(shù)據(jù)取出并存放在指定內(nèi)存區(qū)，然后就可以進行視頻數(shù)據(jù)的編碼，編碼的目的無非是盡量壓縮大量的視頻數(shù)據(jù)流，盡可能少地占用存儲空間，在視頻壓縮的過程中，必須保證視頻數(shù)據(jù)質(zhì)量在可允許的范圍之內(nèi)。

圖3 視頻采集流程圖

編碼方法比較多，本文采用JPEG編碼方式，主要分成6個步驟:1)色彩模式轉(zhuǎn)換與采集，將RGB三色轉(zhuǎn)換成YCbCr色彩模式，而后采用YUV422進行采集數(shù)據(jù);2)對光強數(shù)據(jù)進行DCT變換;3)將DCT變換后的頻率系數(shù)進行量化;4)對量化的系數(shù)進行Z字形編排;5)運用熵編碼、直流與交流系數(shù)編碼;6)組建比特流。比特流組建后視頻數(shù)據(jù)便可通過WLAN方式實現(xiàn)視頻數(shù)據(jù)的傳輸。

3.2 服務(wù)器監(jiān)控軟件

服務(wù)器軟件作為所有視頻數(shù)據(jù)的匯聚節(jié)點，也是整個系統(tǒng)數(shù)據(jù)備份與轉(zhuǎn)發(fā)的節(jié)點，對所有類型的前端設(shè)備進行集中式管理起著至關(guān)重要的作用［6］。服務(wù)器端軟件具體結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

圖4 服務(wù)器軟件結(jié)構(gòu)圖

中心服務(wù)器主要功能有:校時功能，可定時對前端設(shè)備進行校時;日志維護，根據(jù)設(shè)定的時間定時清理各種日志;用戶驗證功能，對系統(tǒng)中登錄的各個模塊進行合法性驗證;數(shù)據(jù)定期備份，數(shù)據(jù)庫每隔一定時間自動對數(shù)據(jù)進行本地備份。

注冊服務(wù)器主要功能有:注冊服務(wù)器分為前端接入和客戶端接入，前端接入主要負責(zé)前端設(shè)備的接入和代理，接受和轉(zhuǎn)發(fā)前端設(shè)備與中心平臺的通信信令，客戶端接入主要負責(zé)手機客戶端與中心平臺之間的會話。

Web服務(wù)器打包了 apache，mysql，php等服務(wù)器模塊，運行BS管理系統(tǒng)和BS客戶端網(wǎng)頁，可以跨Linux和Windows平臺。

流媒體服務(wù)器有流轉(zhuǎn)發(fā)功能，解決設(shè)備(DVR/DVS/IPCAM)視頻源的連接數(shù)限制，轉(zhuǎn)發(fā)實時音視頻數(shù)據(jù)，并支持多級轉(zhuǎn)發(fā)功能，流媒體服務(wù)器可以支持多級轉(zhuǎn)發(fā)。

存儲服務(wù)器:定時錄像功能，根據(jù)錄像計劃定時進行錄像并存儲。

3.3 Android手機客戶端軟件設(shè)計

手機門禁客戶端軟件功能模塊如圖5所示，主要分為門禁開啟、圖像瀏覽、實時監(jiān)控、視頻回放功能，為了方便系統(tǒng)個性化配置，還設(shè)置了系統(tǒng)設(shè)置功能。門禁開啟主要有來訪者視頻查看，包括小區(qū)大門視頻門禁和樓棟視頻門禁的查看，還有語音通話及開啟大門功能。實時監(jiān)控主要是對小區(qū)的監(jiān)控視頻進行實時查看，包括視頻小區(qū)不同攝像頭的設(shè)備切換、視頻圖像全屏、視頻錄像和圖像抓拍［7］，以供歷史查看。同時也可以對存儲的圖像和視頻進行瀏覽與回放。

圖5 手機端軟件功能模塊圖

Android程序的項目架構(gòu)比較清晰，一般程序的結(jié)構(gòu)都分為 src，gen，res，AndroidManifest.xml等 4 個部分［8］，具體結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 Android應(yīng)用程序基本結(jié)構(gòu)圖

src目錄存放應(yīng)用程序的源文件，主要作用是實現(xiàn)程序的基本功能，比如videorecv.java包含視頻數(shù)據(jù)接收處理函數(shù)，imagesnap.java是圖片抓取功能實現(xiàn)文件，syssetting.java是系統(tǒng)設(shè)置模塊文件。每個java文件都各司其職，實現(xiàn)不同的功能，各java程序之間的參數(shù)傳遞一般用Intent來實現(xiàn)。

gen目錄存儲各種標識符，創(chuàng)建videoAccessSystem工程的時候此目錄便自動生成了，在開發(fā)的過程中一般不需要更改。

res目錄存放各種資源文件，包括圖片文件、開發(fā)所需的背景文件、插圖文件，本文用的綠色方格的主頁背景文件 main.png 放在 res/drawable－mdpi文件夾下，layout文件存放的主要是界面文件，主界面main.xml，門禁查看accessview.xml，實時監(jiān)控 videomonitor.xml，圖像瀏覽 imagebrowse.xml，視頻回放 videoplayback.xml，系統(tǒng)設(shè)置 systemsetting.xml均存放在該目錄下，這種界面與功能java文件分開的方式結(jié)構(gòu)清晰，便于開發(fā)。

AndroidManifest.xml主要完成各模塊的配置，以及權(quán)限設(shè)置，比如門禁鈴音提示，需要權(quán)限開啟，在此文件中需要說明。

4 系統(tǒng)性能分析

打開視頻設(shè)備，然后開啟手機，打開連接方式配置，選擇WLAN連接，打開手機門禁客戶端軟件，輸入用戶名和密碼登錄。

打開手機客戶端后，主頁顯示有5個功能鍵，分別是門禁開啟、實時監(jiān)控、圖像瀏覽、視頻回放、系統(tǒng)設(shè)置，如圖7所示。按手機菜單鍵，客戶端隱藏主界面并在后臺運行，一旦有門鈴會有語音提示，客戶端軟件也會自動在狀態(tài)欄提示，按一次手機的返回鍵提示是否退出該軟件。

圖7 手機門禁客戶端主界面

實時視頻查看可以查看小區(qū)的所有視頻監(jiān)控狀態(tài)，本軟件一頁上有4個頁面通道，每個通道對應(yīng)的攝像頭在系統(tǒng)設(shè)置里預(yù)先設(shè)置好頁面對應(yīng)的是小區(qū)的哪個攝像頭，測試過程中只放了2個監(jiān)控攝像頭，因此只顯示了小區(qū)的兩處視頻監(jiān)控。測試證明，視頻信息流暢，且放大縮小功能完備，同時可以對圖片進行抓取和視頻錄像，這些數(shù)據(jù)都存放在SDCARD/MobileAccess文件夾下，方便導(dǎo)出。

門禁開啟界面可以對小區(qū)門禁和樓棟門禁分別查看，圖8是對小區(qū)的門禁進行視頻查看，然后按門禁開啟就能執(zhí)行，這個操作必須有小區(qū)保安物業(yè)的授權(quán)碼才能執(zhí)行，而且門禁開啟的日志記錄都會存放在小區(qū)管理服務(wù)器上，語音對話方便用戶與訪客語音溝通。

圖8 實時視頻查看和門禁開啟界面圖

經(jīng)過測試證明，手機視頻門禁客戶端基本功能均已實現(xiàn)，視頻數(shù)據(jù)運行流暢，且門禁開啟功能運行正常，數(shù)據(jù)備份快捷方便。

本文測試的節(jié)點數(shù)目較少，在攝像頭較多且網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定時，可能會出現(xiàn)視頻數(shù)據(jù)傳輸不流暢的問題。在后續(xù)研究中，應(yīng)考慮增加無線網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性問題，合理布置AP節(jié)點，同時采取有效的流控措施來保證視頻數(shù)據(jù)的可靠實時傳輸也是非常有必要的。

5 總結(jié)

本文根據(jù)視頻門禁系統(tǒng)的實際需求，結(jié)合當前流行的手機客戶端應(yīng)用模式，開發(fā)了一款基于Android手機的無線視頻門禁應(yīng)用系統(tǒng)。該無線視頻門禁系統(tǒng)靈活性好、可靠性高、實時性強，具有廣闊的應(yīng)用前景。而且此方案除了應(yīng)用于智能小區(qū)之外，還可以擴展至其他應(yīng)用場合，比如旅游景點、學(xué)校、酒店及寫字樓等，根據(jù)實際需求，對該系統(tǒng)進行模塊定制裁剪便可，該系統(tǒng)具有較高的擴展性與可重用性。

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