基于3G的無線智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

張起貴，陳 瑜

(太原理工大學(xué)信息工程學(xué)院，山西太原030024)

隨著3G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展，越來越多的無線監(jiān)控方案已經(jīng)應(yīng)用其中。雖然3G視頻監(jiān)控方案憑借3G網(wǎng)絡(luò)高帶寬的優(yōu)勢(shì)，提高了監(jiān)控視頻信息的傳輸質(zhì)量，增強(qiáng)了監(jiān)控的實(shí)時(shí)性，但是由于沒有選擇性地傳輸實(shí)時(shí)視頻［1－2］，會(huì)消耗非常大的數(shù)據(jù)流量，相應(yīng)地產(chǎn)生高額的數(shù)據(jù)流量費(fèi)用，不利于應(yīng)用與推廣。基于以上問題，提出了一個(gè)集智能視頻分析與控制功能的3G視頻監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)的監(jiān)控前端可以根據(jù)已嵌入的智能視頻分析算法，對(duì)采集的視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，對(duì)于有用信息進(jìn)行本地存儲(chǔ)，并通過3G網(wǎng)絡(luò)，將存儲(chǔ)的有用信息發(fā)送給提前設(shè)定好的接收方。監(jiān)控前端可以接收用戶發(fā)送的控制信息，根據(jù)信息內(nèi)容確定發(fā)送方式，比如發(fā)送圖片或者視頻片段等。從而在提高系統(tǒng)靈活性的同時(shí)，大幅度降低了使用過程中產(chǎn)生的3G流量費(fèi)用。另外，PC監(jiān)控端建立了監(jiān)控場(chǎng)景的信息數(shù)據(jù)庫，能夠根據(jù)接收到的監(jiān)控視頻數(shù)據(jù)，獲取相應(yīng)的電子地圖和周邊信息，并可實(shí)現(xiàn)多路監(jiān)控。

Hi3515作為海思半導(dǎo)體公司推出的一款視頻監(jiān)控應(yīng)用芯片，其搭載了高性能的ARM9處理器內(nèi)核，并且集成了視頻硬件加速引擎，從而大幅度提高了芯片的視頻處理能力。同時(shí)Hi3515支持H.264和M－JPEG等多種編解碼標(biāo)準(zhǔn)，滿足了無線監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)視頻格式的要求。本文提出了一種基于Hi3515和3G網(wǎng)絡(luò)的視頻監(jiān)控方案，實(shí)現(xiàn)了整個(gè)系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)，并在視頻監(jiān)控的前端，特別增加了智能視頻處理和智能控制的功能。

1 監(jiān)控系統(tǒng)總體方案

該監(jiān)控系統(tǒng)主要由視頻監(jiān)控前端、手機(jī)終端、PC用戶終端和FTP服務(wù)器終端等部分構(gòu)成，系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。實(shí)現(xiàn)了視頻監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的采集、分析、壓縮、傳輸以及控制的基本功能;結(jié)合3G無線網(wǎng)絡(luò)，只有當(dāng)異常發(fā)生時(shí)，監(jiān)控前端才會(huì)主動(dòng)向手機(jī)終端發(fā)送彩信報(bào)警信息，同時(shí)異常視頻數(shù)據(jù)也會(huì)傳輸?shù)絇C終端;用戶可以通過PC終端登錄郵箱和FTP服務(wù)器，對(duì)前端采集到的視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行查看，并且可以根據(jù)需要，通過手機(jī)向前端發(fā)送控制短信，請(qǐng)求發(fā)送視頻數(shù)據(jù);利用具有特定監(jiān)控系統(tǒng)的PC終端，能夠獲取監(jiān)控前端的電子地圖和周邊信息，通過可視化的操控界面，可以對(duì)監(jiān)控前端進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。

1.1 視頻監(jiān)控前端

視頻監(jiān)控前端主要由數(shù)字?jǐn)z像頭、視頻服務(wù)器以及3G模塊構(gòu)成。視頻服務(wù)器主要是基于海思半導(dǎo)體公司的Hi3515芯片設(shè)計(jì)的嵌入式系統(tǒng)，采用配套的Hilinux操作系統(tǒng)進(jìn)行開發(fā)。3G模塊采用的是SIM5216E，這是一款支持WCDMA在內(nèi)的多頻段3G模塊，并且集成了MMS，TCP，IP，SMTP，F(xiàn)TP等網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用協(xié)議。視頻監(jiān)控前端的主要功能有:1)前端上電后，插入U(xiǎn)SIM卡的3G模塊首先尋找移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行注冊(cè)，注冊(cè)成功后就順利接入3G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò);2)攝像頭將前端采集的視頻數(shù)據(jù)送入Hi3515，并通過智能算法進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，若有異常事件發(fā)生，便會(huì)觸及編碼程序，將相應(yīng)的視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行JPEG和H.264編碼，并分別存儲(chǔ)到本地;3)Hi3515將本地存儲(chǔ)的視頻數(shù)據(jù)傳輸給3G模塊，經(jīng)由3G模塊進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)協(xié)議打包封裝后發(fā)送到移動(dòng)網(wǎng)絡(luò);4)視頻監(jiān)控前端通過智能控制程序，實(shí)現(xiàn)了定時(shí)向用戶發(fā)送視頻數(shù)據(jù)和接收用戶請(qǐng)求發(fā)送視頻數(shù)據(jù)的功能，提高了系統(tǒng)應(yīng)用的方便性和靈活性。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

1.2 手機(jī)終端

手機(jī)終端主要針對(duì)具有彩信功能的用戶手機(jī)。當(dāng)異常事件發(fā)生時(shí)，手機(jī)終端會(huì)收到由視頻監(jiān)控前端發(fā)送的報(bào)警彩信［4］，用戶可以根據(jù)彩信的內(nèi)容對(duì)事件進(jìn)行初步判斷，選擇是否登錄PC終端進(jìn)行進(jìn)一步查看。

1.3 PC 用戶終端

PC用戶終端指的是具有操作系并且能夠連接互聯(lián)網(wǎng)的個(gè)人計(jì)算機(jī)。PC用戶終端根據(jù)瀏覽器/服務(wù)器通信模式，實(shí)現(xiàn)了Web網(wǎng)頁登錄郵箱和特定的FTP服務(wù)器，通過用戶身份驗(yàn)證機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了查看異常事件視頻數(shù)據(jù)，并選擇性地進(jìn)行刪除和本地存儲(chǔ);在特定PC端集成了監(jiān)控應(yīng)用系統(tǒng)，該系統(tǒng)建立了監(jiān)控場(chǎng)景的信息數(shù)據(jù)庫，可以根據(jù)接收到的監(jiān)控視頻數(shù)據(jù)，調(diào)取監(jiān)控場(chǎng)景的電子地圖和監(jiān)控終端周圍的信息，配合多路窗口化顯示，實(shí)現(xiàn)多路監(jiān)控。

1.4 FTP 服務(wù)器終端

FTP服務(wù)器終端利用PC機(jī)的操作系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)FTP服務(wù)器的搭建和路由器的設(shè)置。在FTP服務(wù)器下建立對(duì)應(yīng)不同監(jiān)控前端的文件夾，可以實(shí)現(xiàn)多路視頻監(jiān)控。如果FTP服務(wù)器使用的是內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)，通過以下設(shè)定，可以實(shí)現(xiàn)外網(wǎng)對(duì)內(nèi)網(wǎng)FTP服務(wù)器的訪問:進(jìn)入路由器設(shè)置界面，選定NAT或者轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)則的選項(xiàng)，其子菜單下會(huì)有設(shè)置DMZ主機(jī)IP地址的選項(xiàng)，將IP地址設(shè)定為FTP服務(wù)器主機(jī)IP，然后啟用即可。

2 視頻監(jiān)控前端硬件設(shè)計(jì)

視頻監(jiān)控前端硬件電路采用海思公司研發(fā)的Hi3515－H.264編解碼處理器作為主控芯片，采用SIMCOM公司的SIM5216E無線通信模塊作為3G模塊。DC－Camera使用CMOS攝像頭組模，其中的CMOS傳感器芯片采用由美光公司生產(chǎn)的MT9D111。硬件電路主要由Hi3515主控電路、3G通信模塊接口電路、視頻接口電路、穩(wěn)壓電源電路、實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路、系統(tǒng)復(fù)位電路、系統(tǒng)調(diào)試電路等組成［5］，硬件電路的總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 硬件電路總體結(jié)構(gòu)圖

Hi3515是一款集成了ARM926EJ內(nèi)核、視頻編解碼器、視頻硬件加速和圖形處理模塊的多核高性能高集成的通信媒體SOC處理器。其工作頻率可達(dá)400 MHz，16 kbyte的指令和數(shù)據(jù)雙Cache，以及內(nèi)置的MMU，保證了視頻監(jiān)控系統(tǒng)的執(zhí)行速度與穩(wěn)定性。同時(shí)Hi3515具備豐富的外圍接口，包括UART，GPIO，SPI等，為監(jiān)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)提供了方便。Hi3515主控電路作為視頻監(jiān)控前端的核心，擔(dān)負(fù)整個(gè)系統(tǒng)正常運(yùn)行、對(duì)外圍電路進(jìn)行正確控制的任務(wù)。本系統(tǒng)的NAND Flash存儲(chǔ)設(shè)備選取的容量為1 Gbyte，分別存儲(chǔ)uboot、Linux內(nèi)核、視頻分析和智能控制的應(yīng)用程序，以及經(jīng)壓縮編碼后的異常視頻數(shù)據(jù)。DDR SDRAM選取2片256 Mbyte的16 bit DDR2合成32 bit的運(yùn)存，足以保證大量數(shù)據(jù)同時(shí)運(yùn)行的可靠性。預(yù)留JTAG接口，負(fù)責(zé)硬件調(diào)試。

本系統(tǒng)的3G模塊SIM5216E支持HSDPA/WCDMA/GSM/GPRS/EDGE的網(wǎng)絡(luò)模式，HSDPA的下行數(shù)據(jù)傳輸速率達(dá)3.6 Mbit/s［6］?？蓮V泛適用于各種3G網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用解決方案。該模塊的特點(diǎn)有:

1)它有2種工作模式可供選擇:雙頻UMTS/HSDPA PC監(jiān)控中心安裝有特定的可視化監(jiān)控軟件，可以通過操作軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)控前端的控制，比如選擇傳輸視頻數(shù)據(jù)或者控制監(jiān)控前端的視頻采集參數(shù);在沒有異常事件發(fā)生，并且也沒有接收到控制命令的情況下，監(jiān)控前端也會(huì)根據(jù)提前設(shè)定好的時(shí)間參數(shù)，定時(shí)將監(jiān)控場(chǎng)景的圖片以彩信形式發(fā)送到用戶手機(jī)。系統(tǒng)控制軟件程序流程見圖8。

圖8 系統(tǒng)控制軟件

5 系統(tǒng)功能測(cè)試

在WCDMA網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，對(duì)手機(jī)、郵箱和FTP服務(wù)器三方的視頻數(shù)據(jù)接收功能進(jìn)行了測(cè)試。經(jīng)測(cè)試，手機(jī)接收彩信、郵箱接收?qǐng)D片和FTP服務(wù)器接收視頻片段均滿足預(yù)期設(shè)計(jì)。測(cè)試結(jié)果如圖9～圖11所示。

圖9 彩信接收測(cè)試(截圖)

圖10 郵件接收測(cè)試(截圖)

圖11 FTP服務(wù)器接收測(cè)試(截圖)

6 小結(jié)

本文設(shè)計(jì)了一個(gè)基于3G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)和嵌入式的智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)，對(duì)視頻的智能分析和控制，以及利用3G網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)進(jìn)行了研究。該系統(tǒng)能夠提供較好的遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控服務(wù)，使用方便，構(gòu)建成本低，配合智能視頻分析與控制功能，解決了傳統(tǒng)3G視頻傳輸中的流量資費(fèi)問題，提高了系統(tǒng)應(yīng)用的靈活性。同時(shí)，實(shí)踐證明Hi3515+SIM5216E的組合降低了監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)的難度，縮短了研發(fā)周期，是一種較為理想且穩(wěn)定性高的監(jiān)控方案。隨著3G網(wǎng)絡(luò)的大幅度普及，本系統(tǒng)配合相應(yīng)的智能視頻分析算法和控制程序，可廣泛地應(yīng)用于倉庫監(jiān)控、森林火災(zāi)防護(hù)、銀行柜臺(tái)監(jiān)控以及鐵路公交客運(yùn)等場(chǎng)所，使用手機(jī)便可查看監(jiān)控終端的場(chǎng)景，應(yīng)用十分方便。

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