基于3G的無線智能視頻監控系統的設計

張起貴，陳 瑜

(太原理工大學信息工程學院，山西太原030024)

隨著3G移動網絡的快速發展，越來越多的無線監控方案已經應用其中。雖然3G視頻監控方案憑借3G網絡高帶寬的優勢，提高了監控視頻信息的傳輸質量，增強了監控的實時性，但是由于沒有選擇性地傳輸實時視頻［1－2］，會消耗非常大的數據流量，相應地產生高額的數據流量費用，不利于應用與推廣。基于以上問題，提出了一個集智能視頻分析與控制功能的3G視頻監控系統。系統的監控前端可以根據已嵌入的智能視頻分析算法，對采集的視頻數據進行分析，對于有用信息進行本地存儲，并通過3G網絡，將存儲的有用信息發送給提前設定好的接收方。監控前端可以接收用戶發送的控制信息，根據信息內容確定發送方式，比如發送圖片或者視頻片段等。從而在提高系統靈活性的同時，大幅度降低了使用過程中產生的3G流量費用。另外，PC監控端建立了監控場景的信息數據庫，能夠根據接收到的監控視頻數據，獲取相應的電子地圖和周邊信息，并可實現多路監控。

Hi3515作為海思半導體公司推出的一款視頻監控應用芯片，其搭載了高性能的ARM9處理器內核，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Hi3515支持H.264和M－JPEG等多種編解碼標準，滿足了無線監控系統對視頻格式的要求。本文提出了一種基于Hi3515和3G網絡的視頻監控方案，實現了整個系統的軟硬件設計，并在視頻監控的前端，特別增加了智能視頻處理和智能控制的功能。

1 監控系統總體方案

該監控系統主要由視頻監控前端、手機終端、PC用戶終端和FTP服務器終端等部分構成，系統的總體結構如圖1所示。實現了視頻監控數據的采集、分析、壓縮、傳輸以及控制的基本功能;結合3G無線網絡，只有當異常發生時，監控前端才會主動向手機終端發送彩信報警信息，同時異常視頻數據也會傳輸到PC終端;用戶可以通過PC終端登錄郵箱和FTP服務器，對前端采集到的視頻數據進行查看，并且可以根據需要，通過手機向前端發送控制短信，請求發送視頻數據;利用具有特定監控系統的PC終端，能夠獲取監控前端的電子地圖和周邊信息，通過可視化的操控界面，可以對監控前端進行實時控制。

1.1 視頻監控前端

視頻監控前端主要由數字攝像頭、視頻服務器以及3G模塊構成。視頻服務器主要是基于海思半導體公司的Hi3515芯片設計的嵌入式系統，采用配套的Hilinux操作系統進行開發。3G模塊采用的是SIM5216E，這是一款支持WCDMA在內的多頻段3G模塊，并且集成了MMS，TCP，IP，SMTP，FTP等網絡應用協議。視頻監控前端的主要功能有:1)前端上電后，插入USIM卡的3G模塊首先尋找移動網絡進行注冊，注冊成功后就順利接入3G移動網絡;2)攝像頭將前端采集的視頻數據送入Hi3515，并通過智能算法進行實時分析，若有異常事件發生，便會觸及編碼程序，將相應的視頻數據進行JPEG和H.264編碼，并分別存儲到本地;3)Hi3515將本地存儲的視頻數據傳輸給3G模塊，經由3G模塊進行網絡協議打包封裝后發送到移動網絡;4)視頻監控前端通過智能控制程序，實現了定時向用戶發送視頻數據和接收用戶請求發送視頻數據的功能，提高了系統應用的方便性和靈活性。

圖1 系統總體結構圖

1.2 手機終端

手機終端主要針對具有彩信功能的用戶手機。當異常事件發生時，手機終端會收到由視頻監控前端發送的報警彩信［4］，用戶可以根據彩信的內容對事件進行初步判斷，選擇是否登錄PC終端進行進一步查看。

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網的個人計算機。PC用戶終端根據瀏覽器/服務器通信模式，實現了Web網頁登錄郵箱和特定的FTP服務器，通過用戶身份驗證機制，實現了查看異常事件視頻數據，并選擇性地進行刪除和本地存儲;在特定PC端集成了監控應用系統，該系統建立了監控場景的信息數據庫，可以根據接收到的監控視頻數據，調取監控場景的電子地圖和監控終端周圍的信息，配合多路窗口化顯示，實現多路監控。

1.4 FTP 服務器終端

FTP服務器終端利用PC機的操作系統，實現FTP服務器的搭建和路由器的設置。在FTP服務器下建立對應不同監控前端的文件夾，可以實現多路視頻監控。如果FTP服務器使用的是內部網絡，通過以下設定，可以實現外網對內網FTP服務器的訪問:進入路由器設置界面，選定NAT或者轉發規則的選項，其子菜單下會有設置DMZ主機IP地址的選項，將IP地址設定為FTP服務器主機IP，然后啟用即可。

2 視頻監控前端硬件設計

視頻監控前端硬件電路采用海思公司研發的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、穩壓電源電路、實時時鐘電路、系統復位電路、系統調試電路等組成［5］，硬件電路的總體結構如圖2所示。

圖2 硬件電路總體結構圖

Hi3515是一款集成了ARM926EJ內核、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400 MHz，16 kbyte的指令和數據雙Cache，以及內置的MMU，保證了視頻監控系統的執行速度與穩定性。同時Hi3515具備豐富的外圍接口，包括UART，GPIO，SPI等，為監控系統的硬件設計提供了方便。Hi3515主控電路作為視頻監控前端的核心，擔負整個系統正常運行、對外圍電路進行正確控制的任務。本系統的NAND Flash存儲設備選取的容量為1 Gbyte，分別存儲uboot、Linux內核、視頻分析和智能控制的應用程序，以及經壓縮編碼后的異常視頻數據。DDR SDRAM選取2片256 Mbyte的16 bit DDR2合成32 bit的運存，足以保證大量數據同時運行的可靠性。預留JTAG接口，負責硬件調試。

本系統的3G模塊SIM5216E支持HSDPA/WCDMA/GSM/GPRS/EDGE的網絡模式，HSDPA的下行數據傳輸速率達3.6 Mbit/s［6］。可廣泛適用于各種3G網絡應用解決方案。該模塊的特點有:

1)它有2種工作模式可供選擇:雙頻UMTS/HSDPA PC監控中心安裝有特定的可視化監控軟件，可以通過操作軟件實現對監控前端的控制，比如選擇傳輸視頻數據或者控制監控前端的視頻采集參數;在沒有異常事件發生，并且也沒有接收到控制命令的情況下，監控前端也會根據提前設定好的時間參數，定時將監控場景的圖片以彩信形式發送到用戶手機。系統控制軟件程序流程見圖8。

圖8 系統控制軟件

5 系統功能測試

在WCDMA網絡環境下，對手機、郵箱和FTP服務器三方的視頻數據接收功能進行了測試。經測試，手機接收彩信、郵箱接收圖片和FTP服務器接收視頻片段均滿足預期設計。測試結果如圖9～圖11所示。

圖9 彩信接收測試(截圖)

圖10 郵件接收測試(截圖)

圖11 FTP服務器接收測試(截圖)

6 小結

本文設計了一個基于3G移動網絡和嵌入式的智能視頻監控系統，對視頻的智能分析和控制，以及利用3G網絡傳輸數據進行了研究。該系統能夠提供較好的遠程視頻監控服務，使用方便，構建成本低，配合智能視頻分析與控制功能，解決了傳統3G視頻傳輸中的流量資費問題，提高了系統應用的靈活性。同時，實踐證明Hi3515+SIM5216E的組合降低了監控系統開發的難度，縮短了研發周期，是一種較為理想且穩定性高的監控方案。隨著3G網絡的大幅度普及，本系統配合相應的智能視頻分析算法和控制程序，可廣泛地應用于倉庫監控、森林火災防護、銀行柜臺監控以及鐵路公交客運等場所，使用手機便可查看監控終端的場景，應用十分方便。

［1］朱海華，陳自剛.基于3G的無線視頻家居安防系統設計［J］.計算機測量與控制，2011，19(12):2982－2984.

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