遠程無線視頻監控系統的設計與實現

袁純楨

（葛洲壩易普力四川爆破工程有限公司，四川 成都 610045）

0 引 言

隨著5G網絡的發展，遠程無線視頻監控系統的設計和發展也逐漸開始與高速網絡技術相結合，成為了視頻監控研究發展的主要方向。隨著通信系統的高速發展，視頻信號的無線傳輸使得監控信息能夠快速傳輸到監控后臺，然后采用流媒體技術將監控內容進行壓縮，再將監控數據傳輸到監視終端，由監視終端進行解壓后將視頻影像和時間等監控信息良好的呈現出來[1]。遠程無線視頻監控系統促進了視頻監控工作的有效進行，使得管理人員能夠使用手機App和PC端等設備便捷且及時地觀察，有效降低了網絡監控網絡的成本，提高了視頻監控系統的靈活性。

1 遠程無線監控系統發展趨勢

當前，遠程無線視頻監控系統已經逐漸普及到各種監控場所，在室外無人值守的場所和存在一定危險性的監控場所得到了良好的應用。隨著帶寬瓶頸逐漸突破圖像，數據得到了良好的傳輸[2]。隨著無線傳輸技術不斷發展，針對網絡視頻監控設備的實際需求，設計網絡遠程無線視頻監控系統成為了視頻監控系統研究人員的重要研究課題。通過有效結合計算機技術、控制技術以及網絡通信技術促進監控視頻的無損傳輸。

了解現代化遠程無線監控系統的發展趨勢是進行科學系統設計與實現的關鍵。當前的無線視頻監控系統的發展基于電子技術[3]。不僅針對于安防監控，也逐漸與人們的日常監控需求相結合，形成了家用遠程無線監控系統。其主要采用視頻數字化、系統集成化以及后端一體化的綜合性集成電子技術，將傳輸信號從模擬信號轉變為數字信號，通過編碼壓縮的方式將視頻流和信息流傳輸到監控終端，從而保障監控人員可以在終端操作平臺上進行各種監控數據的查看和處理工作。

監控系統的網絡化使得監控系統得以通過開放式的網絡傳輸協議來連接攝像機與監控終端，為其提供無線通信。分布式的操作系統使得搶險任務調度算法能夠有效應用于無線視頻監控系統中，使得整個監控過程可以實現有效的軟硬件資源共享，為監控視頻管理人員提供更加人性化的服務[4]。因此，監控系統的網絡化和數字化成為了遠程無線監控系統未來的發展趨向。

2 遠程無線視頻監控系統的設計與實現

2.1 設計思路

在設計遠程無線視頻監控系統的過程中，選取了基于Linux開源和嵌入式設備，進行了遠程無線視頻監控系統的硬軟件設計。以搭載S3C2440微處理器的開發板為主要硬件平臺，使用USB免驅攝像頭作為視頻拍攝設備，通過Linux內核提供的統一接口V4l2實現視頻圖像的采集工作。在具體的解編碼過程中采用MJPRG壓縮技術，通過無線網絡將視頻傳輸給監控終端。此外，嵌入式設備終端接收數據的軟件使用了基于Linux開源的MJPG-streamer軟件，根據多線程技術和智能網絡技術，將PC端的監控管理平臺建設為用戶友好型的圖形軟件，便于視頻監控使用人員的終端操作和安裝，最終使得監控使用人員能夠通過終端便捷地獲得清晰流暢的監控視頻數據[5]。

2.2 系統設計要點

本系統主要基于ARM硬件平臺的無線視頻監控終端，建立PC端的監控終端軟件，以Linux操作系統為主要建設平臺，通過USB無線網卡發出的無線信號將視頻數據傳輸給客戶端。其設計要點可以分為硬件設計、軟件設計以及無線視頻傳輸模塊設計等方面。

2.2.1 系統的硬件設計

根據系統整體的功能要求，遠程視頻監控系統應當選取適宜安裝的系統硬件以提高傳輸效率。在選擇核心處理器時可以選用雷凌科技（Ralink）公司的RT3052芯片，該芯片內置有5個10/100 MHz以太網交換/PHY設備，一個USB OTG接口和一個千兆以太網MAC，能提供300 Mb/s的物理傳輸速率，而且其運行所需的外圍器件芯片和無線產品較少，因此具有良好的傳輸特性。其中，USB HOST接口可以方便接入外部存儲器，系統中的接口為外部存儲設備提供了可靠的保障，十分適合在有野外作業的監控系統中使用。通過無線微波設備傳輸信號，使得遠程無線視頻監控的網絡部署更加方便、快捷且成本低。

2.2.2 系統軟件設計與實現

基于嵌入式的遠程無線視頻監控系統軟件由設備驅動模塊、圖像采集模塊、圖像壓縮模塊以及無線視頻傳輸模塊共同組成[6]。監控系統設計流程圖如圖1所示，監控終端模塊結構如圖2所示。

圖2 監控終端模塊結構圖

（1）設備驅動模塊嵌入式工作平臺的搭建。設備驅動模塊的嵌入式工作平臺的搭建主要是對遠程無線監控系統的Linux操作系統進行一定的修改和剪切工作。將必要的系統功能保留下來，建立交互編譯環境，實現ARM－Linux移植，建立交叉編譯環境，將可執行文件燒寫到開發版NAND Flash中，確保設備驅動模塊及監控系統功能正常實現。

（2）圖像采集模塊。圖像采集模塊主要負責視頻數據的采集。其設計采用V4L提供的函數接口提高視頻采集工作的完善性和高效性。V4L是Linux內核中關于視頻設備的API接口，為視頻設備的應用程序編程提供了一套接口規范[7]。開發完攝像頭的驅動程序后，就可以通過V4L提供的系統API來控制攝像頭，從而完成視頻采集工作

（3）無線視頻傳輸模塊設計。無線視頻傳輸模塊實現視頻圖像的網絡傳輸。通過驅動模塊來帶動攝像頭的運行，在無線網卡和Linux操作系統的運行下為驅動程序和應用程序提供接口。圖像采集模塊能夠將攝像頭所攝取的影像視頻進行暫存，避免使用SD卡。圖像壓縮模塊能夠將所拍攝的圖像進行編碼和壓縮處理，最終通過無線視頻傳輸模塊將監控視頻有效傳輸到監控終端。當前常用的網絡傳輸協議主要有TCP和UDP兩種[8]。通過TCP的三次握手建立連接不適合實時的數據傳輸，UDP協議盡管傳輸速度快，但卻是一種不可靠的傳輸協議，在視頻傳輸過程中有可能丟失重要監控畫面。這時運行在UDP上的RTP協議呈現出了巨大優勢。在無線視頻傳輸模塊的設計過程中，設計人員可以采用RTP協議為數據包進行有序編號，并加載時間管理等功能，實現最小的開銷和最佳的傳輸效率。通過改善視頻傳輸質量提高視頻傳輸和監控的有效性。

2.2.3 無線視頻監控客戶端的設計

完成監控系統后端搭建工作后，還需要對無線視頻監控終端進行人性化設計。通過視頻數據的采集和TCP協議的使用，在PC機的操作系統下基于Qt和OpenCV設計移植性好且操作性強的監控終端是無線視頻監控終端設計的要點。使得監控使用人員可以使用手機APP的遠程操控完成實時監控和實時錄像，能夠進行有效的監控工作。在設計時，應當注重實現實時監控、截圖拍照以及實時錄像等具體功能。

2.2.4 設計效果

經過系統測試可知，在此研究的基于嵌入式的遠程無線視頻監控系統在實際投入使用中表現出了優良特性。每幀圖像大小約為4 kB，而且在CDMA網絡中可以連續不丟幀的傳送，壞幀率在5%以下。實際圖像畫面質量較高，未出現失真情況，PC端實況監控結果如圖3所示。

圖3 監控PC終端實況圖

3 結 論

遠程無線視頻監控系統在當今的監控工作中具有重要作用。其所使用的無線微波和遠程技術能夠減免布線工作、簡單方便、安裝成本較低且靈活性較高，不受距離和地域的限制，在5G網絡逐漸普及的今天展現出良好的應用前景。此外，遠程無線視頻監控系統的科學設計和實現，推動了監控系統的智能化、信息化以及一體化發展。