遠程無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

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(wǎng)絡的發(fā)展，遠程無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設計和發(fā)展也逐漸開始與高速網(wǎng)絡技術相結合，成為了視頻監(jiān)控研究發(fā)展的主要方向。隨著通信系統(tǒng)的高速發(fā)展，視頻信號的無線傳輸使得監(jiān)控信息能夠快速傳輸?shù)奖O(jiān)控后臺，然后采用流媒體技術將監(jiān)控內(nèi)容進行壓縮，再將監(jiān)控數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)視終端，由監(jiān)視終端進行解壓后將視頻影像和時間等監(jiān)控信息良好的呈現(xiàn)出來[1]。遠程無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)促進了視頻監(jiān)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(wǎng)絡監(jiān)控網(wǎng)絡的成本，提高了視頻監(jiān)控系統(tǒng)的靈活性。

1 遠程無線監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)展趨勢

當前，遠程無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)已經(jīng)逐漸普及到各種監(jiān)控場所，在室外無人值守的場所和存在一定危險性的監(jiān)控場所得到了良好的應用。隨著帶寬瓶頸逐漸突破圖像，數(shù)據(jù)得到了良好的傳輸[2]。隨著無線傳輸技術不斷發(fā)展，針對網(wǎng)絡視頻監(jiān)控設備的實際需求，設計網(wǎng)絡遠程無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)成為了視頻監(jiān)控系統(tǒng)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(wǎng)絡通信技術促進監(jiān)控視頻的無損傳輸。

了解現(xiàn)代化遠程無線監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢是進行科學系統(tǒng)設計與實現(xiàn)的關鍵。當前的無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展基于電子技術[3]。不僅針對于安防監(jiān)控，也逐漸與人們的日常監(jiān)控需求相結合，形成了家用遠程無線監(jiān)控系統(tǒng)。其主要采用視頻數(shù)字化、系統(tǒng)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?yōu)閿?shù)字信號，通過編碼壓縮的方式將視頻流和信息流傳輸?shù)奖O(jiān)控終端，從而保障監(jiān)控人員可以在終端操作平臺上進行各種監(jiān)控數(shù)據(jù)的查看和處理工作。

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

2 遠程無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

2.1 設計思路

在設計遠程無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)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(jiān)控系統(tǒng)的硬軟件設計。以搭載S3C2440微處理器的開發(fā)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(nèi)核提供的統(tǒng)一接口V4l2實現(xiàn)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(wǎng)絡將視頻傳輸給監(jiān)控終端。此外，嵌入式設備終端接收數(shù)據(jù)的軟件使用了基于Linux開源的MJPG-streamer軟件，根據(jù)多線程技術和智能網(wǎng)絡技術，將PC端的監(jiān)控管理平臺建設為用戶友好型的圖形軟件，便于視頻監(jiān)控使用人員的終端操作和安裝，最終使得監(jiān)控使用人員能夠通過終端便捷地獲得清晰流暢的監(jiān)控視頻數(shù)據(jù)[5]。

2.2 系統(tǒng)設計要點

本系統(tǒng)主要基于ARM硬件平臺的無線視頻監(jiān)控終端，建立PC端的監(jiān)控終端軟件，以Linux操作系統(tǒng)為主要建設平臺，通過USB無線網(wǎng)卡發(fā)出的無線信號將視頻數(shù)據(jù)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(tǒng)的硬件設計

根據(jù)系統(tǒng)整體的功能要求，遠程視頻監(jiān)控系統(tǒng)應當選取適宜安裝的系統(tǒng)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(nèi)置有5個10/100 MHz以太網(wǎng)交換/PHY設備，一個USB OTG接口和一個千兆以太網(wǎng)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(chǎn)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(tǒng)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(yè)的監(jiān)控系統(tǒng)中使用。通過無線微波設備傳輸信號，使得遠程無線視頻監(jiān)控的網(wǎng)絡部署更加方便、快捷且成本低。

2.2.2 系統(tǒng)軟件設計與實現(xiàn)

基于嵌入式的遠程無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)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(jiān)控系統(tǒng)設計流程圖如圖1所示，監(jiān)控終端模塊結構如圖2所示。

圖2 監(jiān)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(jiān)控系統(tǒng)的Linux操作系統(tǒng)進行一定的修改和剪切工作。將必要的系統(tǒng)功能保留下來，建立交互編譯環(huán)境，實現(xiàn)ARM－Linux移植，建立交叉編譯環(huán)境，將可執(zhí)行文件燒寫到開發(fā)版NAND Flash中，確保設備驅動模塊及監(jiān)控系統(tǒng)功能正常實現(xiàn)。

（2）圖像采集模塊。圖像采集模塊主要負責視頻數(shù)據(jù)的采集。其設計采用V4L提供的函數(shù)接口提高視頻采集工作的完善性和高效性。V4L是Linux內(nèi)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(guī)范[7]。開發(fā)完攝像頭的驅動程序后，就可以通過V4L提供的系統(tǒng)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(xiàn)視頻圖像的網(wǎng)絡傳輸。通過驅動模塊來帶動攝像頭的運行，在無線網(wǎng)卡和Linux操作系統(tǒng)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(jiān)控視頻有效傳輸?shù)奖O(jiān)控終端。當前常用的網(wǎng)絡傳輸協(xié)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(shù)據(jù)傳輸，UDP協(xié)議盡管傳輸速度快，但卻是一種不可靠的傳輸協(xié)議，在視頻傳輸過程中有可能丟失重要監(jiān)控畫面。這時運行在UDP上的RTP協(xié)議呈現(xiàn)出了巨大優(yōu)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(xié)議為數(shù)據(jù)包進行有序編號，并加載時間管理等功能，實現(xiàn)最小的開銷和最佳的傳輸效率。通過改善視頻傳輸質(zhì)量提高視頻傳輸和監(jiān)控的有效性。

2.2.3 無線視頻監(jiān)控客戶端的設計

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

2.2.4 設計效果

經(jīng)過系統(tǒng)測試可知，在此研究的基于嵌入式的遠程無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)在實際投入使用中表現(xiàn)出了優(yōu)良特性。每幀圖像大小約為4 kB，而且在CDMA網(wǎng)絡中可以連續(xù)不丟幀的傳送，壞幀率在5%以下。實際圖像畫面質(zhì)量較高，未出現(xiàn)失真情況，PC端實況監(jiān)控結果如圖3所示。

圖3 監(jiān)控PC終端實況圖

3 結 論

遠程無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)在當今的監(jiān)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(wǎng)絡逐漸普及的今天展現(xiàn)出良好的應用前景。此外，遠程無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)的科學設計和實現(xiàn)，推動了監(jiān)控系統(tǒng)的智能化、信息化以及一體化發(fā)展。