基于Android智能手機(jī)遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

李 琴，陳立定，任志剛

(華南理工大學(xué)自動(dòng)化科學(xué)與工程學(xué)院，廣東 廣州 510640)

視頻監(jiān)控具有悠久的歷史，目前廣泛應(yīng)用于安防領(lǐng)域，對(duì)人身安全和家庭財(cái)產(chǎn)安全的保護(hù)起到了關(guān)鍵的作用［1］。傳統(tǒng)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)大部分采用PC作為監(jiān)控終端，需要在指定的地點(diǎn)以及專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò)設(shè)備支持的環(huán)境下才能對(duì)目標(biāo)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行監(jiān)控，極大地限制了監(jiān)控系統(tǒng)的靈活性和應(yīng)用范圍。而現(xiàn)代3G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的飛速發(fā)展，使視頻傳輸在智能手機(jī)上得以輕易實(shí)現(xiàn)［2］。為解決傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)不靈活的弊端，讓人們通過(guò)移動(dòng)手機(jī)隨時(shí)對(duì)家人和住房等進(jìn)行視頻安防檢測(cè)，本文提出了一種基于Android平臺(tái)智能手機(jī)的遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。該系統(tǒng)主要采用Eclipse編程工具下的Android語(yǔ)言對(duì)其進(jìn)行了設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，只要在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)覆蓋的范圍內(nèi)，人們就可以通過(guò)Android手機(jī)畫(huà)面實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，極大方便了人們的生活。

1 Android操作系統(tǒng)

Android本義指“機(jī)器人”，同時(shí)也是Google于2007年11月5日宣布的基于Linux平臺(tái)的開(kāi)源手機(jī)操作系統(tǒng)的名稱，它采用了軟件堆層(Software Stack，又名軟件疊層)的架構(gòu)，主要分為底層Linux內(nèi)核、中介軟件和應(yīng)用軟件。

底層Linux內(nèi)核只用來(lái)提供基本功能，用來(lái)提供系統(tǒng)的底層服務(wù)位于硬件和其他軟件層之間。主要是添加了一個(gè)名為Goldfish的虛擬CPU以及Android運(yùn)行所需的特定驅(qū)動(dòng)代碼，包括安全機(jī)制、內(nèi)存管理、進(jìn)程管理、網(wǎng)絡(luò)堆棧及一系列的驅(qū)動(dòng)模塊［3］。

中介軟件是操作系統(tǒng)與應(yīng)用程序的溝通橋梁，應(yīng)用分為函數(shù)層(Library)和虛擬機(jī)(Virtual Machine)。Android的中間層多以Java實(shí)現(xiàn)，并且采用特殊的Dalvik虛擬機(jī)。虛擬機(jī)技術(shù)使得Android的Java應(yīng)用更接近于底層系統(tǒng)，效率更高，同時(shí)也使得Android的應(yīng)用在被監(jiān)控的情況下運(yùn)行，安全性更高。Android開(kāi)放的平臺(tái)允許任何移動(dòng)終端廠商加入到Android聯(lián)盟中來(lái)，從而不存在以往任何阻礙移動(dòng)產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新的專(zhuān)有權(quán)障礙。Android是一個(gè)對(duì)第三方軟件完全開(kāi)放的平臺(tái)，代碼完全開(kāi)源免費(fèi)。

在Android平臺(tái)上提供了2D、3D的圖形支持、數(shù)據(jù)庫(kù)支持(SQLite)，集成了瀏覽器，可以開(kāi)發(fā)出各式各樣的應(yīng)用。在應(yīng)用程序?qū)樱珹ndroid本身附帶了一些核心的應(yīng)用程序，大大簡(jiǎn)化了Android應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)［4］。Android的應(yīng)用程序是用Java語(yǔ)言開(kāi)發(fā)的，其編程語(yǔ)言完全開(kāi)源免費(fèi)。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主要是從網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控?cái)z像頭直接讀取視頻流，然后通過(guò)網(wǎng)絡(luò)在手機(jī)上面進(jìn)行實(shí)時(shí)播放和瀏覽，使用戶可以隨時(shí)隨地通過(guò)智能手機(jī)對(duì)家居環(huán)境進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)視。監(jiān)控系統(tǒng)采用C/S架構(gòu):客戶端為基于Android平臺(tái)的智能手機(jī)，支持3G和音頻視頻業(yè)務(wù)，具有聯(lián)網(wǎng)功能，作為掌上終端設(shè)備實(shí)時(shí)顯示遠(yuǎn)程家居監(jiān)視畫(huà)面;服務(wù)器端為1臺(tái)帶有監(jiān)控?cái)z像頭的PC，部署在用戶家中，負(fù)責(zé)連接、控制監(jiān)控設(shè)備并與用戶的智能手機(jī)進(jìn)行通信［5］。系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 服務(wù)器端軟件設(shè)計(jì)

服務(wù)器端設(shè)計(jì)的主要功能是初始化攝像頭設(shè)備和主機(jī)IP以及網(wǎng)絡(luò)端口號(hào)，開(kāi)啟視頻監(jiān)控服務(wù)，實(shí)時(shí)捕捉現(xiàn)場(chǎng)圖像并等待客戶端的連接請(qǐng)求。在與遠(yuǎn)程請(qǐng)求的手機(jī)客戶端成功建立連接后便開(kāi)始向其發(fā)送視頻圖像信息。服務(wù)器端整體設(shè)計(jì)流程圖如圖2所示。

圖2 服務(wù)器端整體設(shè)計(jì)流程圖

負(fù)責(zé)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控的PC服務(wù)器端，由于需要對(duì)監(jiān)控設(shè)備進(jìn)行初始化控制，采用Visual Studio編程環(huán)境下的C++/MFC語(yǔ)言來(lái)實(shí)現(xiàn)。在進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信傳輸時(shí)，本系統(tǒng)采用穩(wěn)定可靠的TCP套接字(Socket)傳輸協(xié)議來(lái)實(shí)現(xiàn)服務(wù)器端和客戶端之間的通信，以實(shí)現(xiàn)圖像穩(wěn)定傳輸。

TCP流式套接字的編程步驟如圖3所示。

圖3 Socket客戶/服務(wù)器通信模型

Socket通信部分利用MFC中的CSocket類(lèi)來(lái)實(shí)現(xiàn)，而攝像頭控制及圖像采集則通過(guò)服務(wù)廠商提供的SDK進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。在視頻捕獲中，設(shè)計(jì)了CCaptureVideo類(lèi)，并將其實(shí)現(xiàn)，在打開(kāi)視頻響應(yīng)函數(shù)中通過(guò)該類(lèi)的調(diào)用實(shí)現(xiàn)視頻的捕捉。在對(duì)捕獲的視頻圖像進(jìn)行處理時(shí)，創(chuàng)建一個(gè)新的TCP線程TcpThread，將捕獲的視頻圖像轉(zhuǎn)換成連續(xù)的JPG/JPEG格式的圖像存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中，該線程持續(xù)不斷地接受客戶端的連接請(qǐng)求，將圖像發(fā)送給客戶端。

3.2 手機(jī)客戶端軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)手機(jī)客戶端軟件是基于Android操作系統(tǒng)智能手機(jī)開(kāi)發(fā)的，在客戶端軟件設(shè)計(jì)過(guò)程中，主要利用Android軟件平臺(tái)的功能模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)，在應(yīng)用層利用Android提供的各種組件API接口進(jìn)行設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。

手機(jī)客戶端首次打開(kāi)運(yùn)行后，需要用戶添加遠(yuǎn)程監(jiān)控主機(jī)IP和網(wǎng)絡(luò)端口號(hào)以實(shí)現(xiàn)與主機(jī)的網(wǎng)絡(luò)通信連接，用戶添加的注冊(cè)信息可以保存到手機(jī)端以方便用戶以后的操作。客戶端的登錄界面設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 手機(jī)登錄界面(截圖)

手機(jī)客戶端的設(shè)計(jì)采用Eclipse工具下的Android插件進(jìn)行開(kāi)發(fā)，程序的設(shè)計(jì)主要基于Java語(yǔ)言對(duì)其進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，并調(diào)用了Android的部分API函數(shù)庫(kù)。Java語(yǔ)言編程特點(diǎn)是構(gòu)建各個(gè)類(lèi)來(lái)實(shí)現(xiàn)，為此構(gòu)建了系統(tǒng)的主要類(lèi)，分別為主程序入口類(lèi)VideoMonitorClient，連接視頻類(lèi)ConnectServer，通信處理類(lèi) SocketVide，圖像捕獲處理類(lèi)VideoMonitorView，以及線程類(lèi)MonitorThread。其中SocketVide主要完成套接字Socket服務(wù)，通過(guò)綁定服務(wù)器IP地址和端口號(hào)與遠(yuǎn)程服務(wù)器進(jìn)行通信連接。通信處理類(lèi)SocketVide和圖像捕獲處理類(lèi)VideoMonitorView被線程類(lèi)MonitorThread調(diào)用，該類(lèi)繼承函數(shù)庫(kù)類(lèi)thread，進(jìn)行視頻處理線程管理。

程序?qū)崿F(xiàn)結(jié)構(gòu)是:建立遠(yuǎn)程視頻請(qǐng)求連接時(shí)，程序開(kāi)始調(diào)用 ConnectServer，然后在 ConnectServer里面調(diào)用MonitorView，VideoMonitorView新建 1個(gè) mvideo對(duì)象，mvideo對(duì)象調(diào)用其方法DownloadThread處理線程函數(shù)和MonitorThread類(lèi)創(chuàng)建的對(duì)象 thread，對(duì)象thread調(diào)用SocketVide類(lèi)對(duì)象，這個(gè)類(lèi)對(duì)象建立TCP連接，建立連接后對(duì)象thread調(diào)用里面的視頻捕捉處理圖像函數(shù)，最后保存并不斷地將圖像顯示出來(lái)。客戶端的程序設(shè)計(jì)流程圖如圖5所示。

圖5 客戶端整體設(shè)計(jì)流程圖

3.3 測(cè)試結(jié)果

在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域內(nèi)，對(duì)設(shè)計(jì)的整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，服務(wù)器端為現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控的帶有攝像頭的PC，客戶端為基于Android的智能手機(jī)，結(jié)果表明，整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，連接圖像速度快，達(dá)到了預(yù)期設(shè)想的效果，服務(wù)器端和遠(yuǎn)程客戶端監(jiān)控畫(huà)面分別如圖6和圖7所示。

4 結(jié)論

本系統(tǒng)針對(duì)當(dāng)今最流行的Android智能手機(jī)，利用VS和Android環(huán)境編程對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。手機(jī)客戶端完全利用開(kāi)源代碼實(shí)現(xiàn)，具有超強(qiáng)的跨平臺(tái)移植性和二次開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)，緊扣目前主流技術(shù)，具有先進(jìn)、可靠、經(jīng)濟(jì)、便利等特點(diǎn)。實(shí)踐證明該系統(tǒng)具有較高的性能和可靠性。隨著3G，4G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)傳輸速度和智能手機(jī)處理性能的大幅度提高，本手機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)必將有廣闊的發(fā)展前景。

［1］王咸鋒，林華.手機(jī)遠(yuǎn)程視頻實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.微計(jì)算機(jī)信息，2007，23(34):111－112.

［2］吳建華，徐浩，丁月華.移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)手機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2010，31(10):2196－2198.

［3］耿東久，索岳，陳渝，等.基于Android手機(jī)的遠(yuǎn)程訪問(wèn)和控制系統(tǒng)［J］.計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2011，31(2):560.

［4］農(nóng)麗萍，王力虎，黃一平.Android在嵌入式車(chē)載導(dǎo)航系統(tǒng)的應(yīng)用研究［J］.計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2010，31(11):2473－2476.

［5］李裕，張玲華.手持無(wú)線視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.電視技術(shù)，2011，35(3):106－108.