基于Android移動終端的多功能視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

郭志濤 韓海凈 孔江浩 楊革宇 曹小青

摘 要： 隨著嵌入式技術(shù)和移動通信技術(shù)的不斷發(fā)展，利用智能移動終端設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控已經(jīng)成為網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控研究領(lǐng)域的熱點，本文設(shè)計了基于Android智能手機(jī)的多功能視頻監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)分為視頻采集端、Android智能手機(jī)客戶端、Web服務(wù)器三層設(shè)計。視頻采集端利用網(wǎng)絡(luò)攝像頭采集視頻，并將其以H.264標(biāo)準(zhǔn)壓縮傳輸至服務(wù)器進(jìn)行實時存儲，同時利用傳感器采集環(huán)境參數(shù)及有無人員入侵等信息；客戶端通過TCP/IP協(xié)議與服務(wù)器建立通信，實現(xiàn)實時視頻監(jiān)控和監(jiān)測數(shù)據(jù)的查閱，并對可疑情況報警與信息提示。綜合測試結(jié)果表明，系統(tǒng)實時性高且部署靈活，獲取的監(jiān)控畫面清晰穩(wěn)定，可以滿足無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控的要求。

關(guān)鍵詞： 視頻監(jiān)控系統(tǒng)； Android； 服務(wù)器； TCP/IP； 嵌入式技術(shù)； 智能移動終端

中圖分類號： TN948.64?34； TP311.5 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2018）16?0096?04

Abstract： With the constant development of the embedded technology and mobile communication technology， the application of intelligent mobile terminal equipment for remote monitoring has become a hot spot in the research field of network monitoring. A multifunctional video surveillance system based on the Android smart phone is designed in this paper. In the system， three layers of the video acquisition terminal， Android smart phone client， and Web server are designed. In the video acquisition terminal， videos are collected by the network camera， compressed according to the H.264 standard， and then transmitted to the server for real?time storage. Meanwhile， environmental parameters and personnel intrusion information （if there is any） are collected by sensors. The communication between the client and the server is established by means of the TCP/IP protocol， so as to realize real?time video surveillance， monitoring data query， and alarm and message prompt of suspicious circumstances. The results of the comprehensive test show that the system has a high real?time performance and flexible deployment， can obtain clear and stable monitoring images， and meet the requirements of remote video monitoring in wireless network environment.

Keywords： video surveillance system； Android； server； TCP/IP； embedded technology； intelligent mobile terminal

數(shù)字視頻監(jiān)控將前端采集的監(jiān)控現(xiàn)場的視頻信息進(jìn)行數(shù)字化處理，通過網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳送至后端顯示設(shè)備，供監(jiān)控人員決策、反應(yīng)，并可在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)人臉檢測、運動檢測、目標(biāo)跟蹤等智能化分析處理[1?2]。移動視頻監(jiān)控在某些特定應(yīng)用場合克服了傳統(tǒng)數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)的缺陷，具有設(shè)備成本低、網(wǎng)絡(luò)安裝費用低、部署靈活、方便快捷等特點，可以應(yīng)用于智能家居、公司企業(yè)管理、遠(yuǎn)程醫(yī)療、遠(yuǎn)程現(xiàn)場指揮等，監(jiān)控人員可以自由靈活地掌握現(xiàn)場實時信息[3?4]。目前智能手機(jī)是最快捷、最普及的通信工具，其處理器能力在不斷提高，現(xiàn)在手機(jī)性能完全滿足視頻監(jiān)控的實時性、高帶寬等技術(shù)要求。因此本文設(shè)計并實現(xiàn)了基于Android智能手機(jī)的多功能視頻監(jiān)控系統(tǒng)，監(jiān)控人員可以實時遠(yuǎn)程觀看清晰的監(jiān)控視頻并查看監(jiān)控的環(huán)境參數(shù)，遇有可疑情況，系統(tǒng)會報警并發(fā)出提示信息。該系統(tǒng)具有很好的可靠性和便捷性，在家居安防方面具有一定的實用價值。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

系統(tǒng)總體設(shè)計包括視頻采集端、Android智能手機(jī)客戶端、Web服務(wù)器設(shè)計三部分。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

1） 視頻采集端以STM32F103ZET6為控制核心，外圍硬件電路主要由網(wǎng)絡(luò)攝像頭和傳感器進(jìn)行視頻監(jiān)控、環(huán)境監(jiān)測的數(shù)據(jù)采集，視頻通過Internet網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至Web服務(wù)器。

2） Android智能手機(jī)客戶端交互軟件用 Java 語言編程，并在 Android Studio軟件環(huán)境中進(jìn)行開發(fā)?？蛻舳塑浖ㄟ^TCP/IP協(xié)議訪問服務(wù)器獲取視頻數(shù)據(jù)和環(huán)境檢測數(shù)據(jù)，并顯示在客戶端界面。

3） Web服務(wù)器的功能是存儲視頻采集端發(fā)送過來的視頻信息，供Android客戶端訪問和下載。服務(wù)器端數(shù)據(jù)采用SQL Server數(shù)據(jù)庫進(jìn)行管理、維護(hù)。系統(tǒng)主要實現(xiàn)了實時遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控、查看環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)、自動切換視頻清晰度、發(fā)出警報和APP警報通知等功能。

2 視頻采集終端設(shè)計

本系統(tǒng)將裝有網(wǎng)絡(luò)攝像頭、傳感器的智能小車作為系統(tǒng)的視頻采集終端，采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)通信模塊發(fā)送到服務(wù)器端；智能小車接收服務(wù)器指令進(jìn)行前進(jìn)、后退等動作進(jìn)行多方位的視頻監(jiān)控，達(dá)到自由獲取視頻信息的目的。

2.1 視頻采集端硬件設(shè)計

視頻采集端即智能小車，其硬件主要由網(wǎng)絡(luò)攝像頭、網(wǎng)絡(luò)通信模塊、溫濕度傳感器、人體紅外感應(yīng)器、警報器、照明燈組成。智能小車以STM32F103ZET6芯片為控制器，與51系列芯片相比，其運行速度快，外圍接口多，后續(xù)可方便增加傳感器以擴(kuò)展系統(tǒng)功能。智能小車具備靈活的移動性，使得攝像頭可以360°采集視頻信息，當(dāng)監(jiān)控環(huán)境光線昏暗時可以啟用照明燈。網(wǎng)絡(luò)攝像頭采用雄邁 XM?JPR攝像頭，具備紅外夜視功能，可以4倍變焦，采集的視頻數(shù)據(jù)按照H.264標(biāo)準(zhǔn)壓縮，以IEEE 802.11n無線方式傳輸，傳輸幀率能夠自適應(yīng)調(diào)整；網(wǎng)絡(luò)通信模塊采用GL?iNet無線迷你路由器，通過對其進(jìn)行刷攝像頭驅(qū)動固件操作使攝像頭正常工作，攝像頭采集的視頻數(shù)據(jù)通過路由器發(fā)送至服務(wù)器；系統(tǒng)采用SHT20溫濕度傳感器采集監(jiān)控環(huán)境的溫濕度信息，溫度檢測范圍在-40～125 ℃，濕度的測量范圍在0～100%，均采用串行數(shù)據(jù)傳輸方式傳輸；采用HC?SR501紅外感應(yīng)器進(jìn)行人體防盜檢測，當(dāng)檢測到有人入侵時，警報器會發(fā)出急促的報警聲，同時向客戶端發(fā)送警報，客戶端能夠在通知欄收到警報通知，其硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

2.2 視頻采集端軟件設(shè)計

視頻采集端程序在Keil環(huán)境下開發(fā)，使用C語言編寫對各個硬件模塊的控制代碼，系統(tǒng)上電初始化后網(wǎng)絡(luò)通信模塊掃描設(shè)定的路由器SSID進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)，連接成功后，攝像頭采集的視頻以H.264標(biāo)準(zhǔn)壓縮由網(wǎng)絡(luò)通信模塊上傳服務(wù)器。主控程序一方面將溫濕度傳感器采集數(shù)據(jù)上傳服務(wù)器，為了方便服務(wù)器端接收、存儲數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)以ASCII格式實現(xiàn)幀封裝，起始字符以“#P”表示溫度、“#w”表示濕度，結(jié)束字符為“@”；另一方面檢測是否收到客戶端發(fā)回的控制指令，收到指令后進(jìn)行分析響應(yīng)控制智能小車的移動。

3 Android客戶端應(yīng)用軟件設(shè)計

3.1 客戶端軟件控制界面設(shè)計

Android客戶端應(yīng)用程序是用Java 語言編程，在Android Studio軟件環(huán)境中進(jìn)行開發(fā)，該軟件具有構(gòu)建程序方便、完善的插件系統(tǒng)、UI編譯器性能好等優(yōu)點。

Android客戶端應(yīng)用軟件控制界面如圖3所示。軟件界面功能結(jié)構(gòu)如圖4所示，客戶端用戶交互界面主要由視頻、環(huán)境監(jiān)測、智能小車控制三部分功能模塊組成。視頻模塊包含實時錄像、照片抓拍和視頻清晰度調(diào)節(jié)三種功能，點擊實時錄像按鈕開始錄像，再次點擊完成錄像并以時間為文件名保存MP4格式到視頻列表中，點擊拍照按鈕進(jìn)行拍照，抓拍照片以JPG格式保存視頻列表中，視頻清晰度能夠自動檢測當(dāng)前網(wǎng)速并顯示當(dāng)前視頻的清晰度的類別；環(huán)境監(jiān)測模塊顯示當(dāng)前溫度、濕度，點擊溫度或濕度按鈕將呈現(xiàn)8個整點時刻監(jiān)測出的溫濕度變化折線圖界面，在設(shè)置按鈕中設(shè)置溫濕度最大值，當(dāng)監(jiān)測值超出設(shè)定值時，客戶端狀態(tài)欄會收到警告通知；智能小車控制模塊通過按鈕、進(jìn)度條、重力感應(yīng)（手機(jī)的傾斜角度）控制智能小車的行動，用于拍攝不同監(jiān)控點的視頻，點擊探照燈和警報器按鈕，發(fā)送指令打開智能小車的探照燈和警報器，發(fā)出警示信號。

每一個Android程序只有一個主線程，用來實現(xiàn)UI繪制及更新、業(yè)務(wù)邏輯、連接各子線程等。多個子線程完成耗時的操作（聯(lián)網(wǎng)取數(shù)據(jù)、SD卡數(shù)據(jù)加載等）防止界面出現(xiàn)卡頓無反應(yīng)現(xiàn)象[5]。在本設(shè)計的實時監(jiān)控功能中，視頻文件較大，若只放在主線程下載會出現(xiàn)用戶等待時間過長或應(yīng)用程序無響應(yīng)的現(xiàn)象，分配三個子線程用于后臺并發(fā)下載視頻，而圖片拍照在保存圖片過程中需要寫入SD卡也屬于耗時操作。該過程相對于視頻下載耗時較小，因此分配一個子線程進(jìn)行拍照保存，其他的界面控制按鈕的操作放在主線程進(jìn)行。程序線程關(guān)系處理如圖5所示。

3.2 客戶端視頻監(jiān)控功能設(shè)計

前端視頻監(jiān)控攝像頭采用雄邁XM?JPR網(wǎng)絡(luò)攝像頭，具有無線WiFi、視頻按H.264標(biāo)準(zhǔn)壓縮傳輸?shù)忍攸c的網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)，采集的視頻數(shù)據(jù)按照RSTP（實時流傳輸協(xié)議）協(xié)議發(fā)送至服務(wù)器端，客戶端獲取的視頻數(shù)據(jù)經(jīng)H.264解碼還原視頻圖像后顯示，為了提高解碼效率，移植了FFmpeg開源音視頻解碼庫進(jìn)行H.264解碼。FFmpeg是一套開源免費跨平臺的音視頻流工具，包括目前領(lǐng)先的音視頻解碼庫Libavcodec，支持多于90種編解碼標(biāo)準(zhǔn)及RTMP，HTTP，TCP等多種網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議，將其移植到程序設(shè)計中，能增強(qiáng)程序?qū)σ曨l信息的處理能力，改善用戶體驗[6?7]。

由于查看監(jiān)控視頻手機(jī)連接網(wǎng)速快慢的不穩(wěn)定性，在遠(yuǎn)程監(jiān)控時用戶往往體驗不暢，為了改善用戶體驗，需要碼流自適應(yīng)和做到Android播放控件的自適應(yīng)調(diào)節(jié)。播放控件自適應(yīng)需根據(jù)網(wǎng)速的不同播放不同分辨率的視頻，改變視頻的編碼碼率保證緩沖區(qū)不會發(fā)生溢出。這里定義一個類名selfAdaption.class的Java文件，進(jìn)行網(wǎng)速測試，調(diào)用Android流量統(tǒng)計TrafficStats類的getUidRxBytes（）獲取1 s內(nèi)接收的數(shù)據(jù)量，后1 s數(shù)據(jù)量減去前1 s的差值為當(dāng)前網(wǎng)速；根據(jù)計算的網(wǎng)速將視頻清晰度分為高清、普清、流暢、圖片顯示4種格式，傳入清晰度的分辨率參數(shù)到方法setVideoSize（）中設(shè)置不同的清晰度，表1為不同網(wǎng)速設(shè)置的清晰度。

4 Web服務(wù)器設(shè)計

服務(wù)器的主要作用是視頻采集端和Android客戶端之間的數(shù)據(jù)傳送的橋梁，存儲視頻采集端傳送過來的數(shù)據(jù)，并供Android客戶端訪問和下載。服務(wù)器與采集端、客戶端通信的實現(xiàn)是基于TCP/IP協(xié)議Socket編程，通過創(chuàng)建不同的Socket可以與多個終端通信，首先以設(shè)定好的端口號為參數(shù)創(chuàng)建ServerSocket對象，調(diào)用該對象的accept（）方法監(jiān)聽客戶端Socket連接請求，若沒有請求將一直處于堵塞狀態(tài)，當(dāng)有數(shù)據(jù)到來時，由InputStream對象讀取數(shù)據(jù)OutputStream對象發(fā)送數(shù)據(jù)。服務(wù)器接收請求流程如圖6所示。服務(wù)器端采用SQL Server數(shù)據(jù)庫進(jìn)行管理、維護(hù)，首先創(chuàng)建一個videoMonitor.db數(shù)據(jù)庫，并創(chuàng)建video_tb，data_tb兩個數(shù)據(jù)表，其中video_tb存放采集端發(fā)送的視頻數(shù)據(jù)，data_tb存放溫度、濕度的監(jiān)控數(shù)據(jù)。DAO（Data Access Object）類即數(shù)據(jù)訪問對象用于連接數(shù)據(jù)庫和操作數(shù)據(jù)庫（增刪改查），通過繼承Dao類創(chuàng)建video_Dao類和data_Dao類分別對video_tb、data_tb表進(jìn)行業(yè)務(wù)邏輯操作處理。

5 系統(tǒng)測試

本測試在裝有Android 6.0的小米5軟件環(huán)境下進(jìn)行。將編寫的Android客戶端應(yīng)用程序安裝到手機(jī)上，視頻采集端（智能小車）上電初始化，打開手機(jī)客戶端軟件，進(jìn)行WiFi連接，若連接失敗界面出現(xiàn)重新連接提示語，待連接成功后，提示成功連接服務(wù)器，出現(xiàn)監(jiān)控畫面；點擊界面上控制智能小車的各個按鈕，智能小車完成了按鈕對應(yīng)的移動監(jiān)控，客戶端界面實時顯示監(jiān)控畫面，并成功獲取環(huán)境監(jiān)測的數(shù)據(jù)；當(dāng)有人進(jìn)入攝像頭監(jiān)控區(qū)域時警報器響，界面的警報器控件變成紅色警告狀態(tài)，客戶端的通知欄收到推送警告通知。視頻監(jiān)控畫面如圖7所示，環(huán)境監(jiān)測的最新數(shù)據(jù)如圖8所示。

6 結(jié) 語

移動視頻監(jiān)控以其成本費用低、操作方便靈活等優(yōu)勢特點，在家居安防監(jiān)控方面贏得大量市場需求。本文提出基于Android智能手機(jī)的多功能視頻監(jiān)控的方案，用戶通過安裝設(shè)計的視頻監(jiān)控APP，在手機(jī)聯(lián)網(wǎng)狀態(tài)下可隨時隨地觀看監(jiān)控畫面。經(jīng)過綜合測試，本系統(tǒng)很好地實現(xiàn)了監(jiān)控系統(tǒng)的功能，具有可靠性高、方便靈活的特點，后續(xù)可增加一些傳感器擴(kuò)展其功能，設(shè)計客戶端多路監(jiān)控，將客戶端的界面設(shè)計得更加美觀并易于操作。

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