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(luò)的發(fā)展，遠(yuǎn)程無(wú)線視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和發(fā)展也逐漸開(kāi)始與高速網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)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(hào)的無(wú)線傳輸使得監(jiān)控信息能夠快速傳輸?shù)奖O(jiān)控后臺(tái)，然后采用流媒體技術(shù)將監(jiān)控內(nèi)容進(jìn)行壓縮，再將監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)視終端，由監(jiān)視終端進(jìn)行解壓后將視頻影像和時(shí)間等監(jiān)控信息良好的呈現(xiàn)出來(lái)[1]。遠(yuǎn)程無(wú)線視頻監(jiān)控系統(tǒng)促進(jìn)了視頻監(jiān)控工作的有效進(jìn)行，使得管理人員能夠使用手機(jī)App和PC端等設(shè)備便捷且及時(shí)地觀察，有效降低了網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的成本，提高了視頻監(jiān)控系統(tǒng)的靈活性。

1 遠(yuǎn)程無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)

當(dāng)前，遠(yuǎn)程無(wú)線視頻監(jiān)控系統(tǒng)已經(jīng)逐漸普及到各種監(jiān)控場(chǎng)所，在室外無(wú)人值守的場(chǎng)所和存在一定危險(xiǎn)性的監(jiān)控場(chǎng)所得到了良好的應(yīng)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(wú)線傳輸技術(shù)不斷發(fā)展，針對(duì)網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控設(shè)備的實(shí)際需求，設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程無(wú)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(guò)有效結(jié)合計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)促進(jìn)監(jiān)控視頻的無(wú)損傳輸。

了解現(xiàn)代化遠(yuǎn)程無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)是進(jìn)行科學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵。當(dāng)前的無(wú)線視頻監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展基于電子技術(shù)[3]。不僅針對(duì)于安防監(jiān)控，也逐漸與人們的日常監(jiān)控需求相結(jié)合，形成了家用遠(yuǎn)程無(wú)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(shù)，將傳輸信號(hào)從模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)，通過(guò)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(tái)上進(jìn)行各種監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的查看和處理工作。

監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化使得監(jiān)控系統(tǒng)得以通過(guò)開(kāi)放式的網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議來(lái)連接攝像機(jī)與監(jiān)控終端，為其提供無(wú)線通信。分布式的操作系統(tǒng)使得搶險(xiǎn)任務(wù)調(diào)度算法能夠有效應(yīng)用于無(wú)線視頻監(jiān)控系統(tǒng)中，使得整個(gè)監(jiān)控過(guò)程可以實(shí)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(wù)[4]。因此，監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化和數(shù)字化成為了遠(yuǎn)程無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng)未來(lái)的發(fā)展趨向。

2 遠(yuǎn)程無(wú)線視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 設(shè)計(jì)思路

在設(shè)計(jì)遠(yuǎn)程無(wú)線視頻監(jiān)控系統(tǒng)的過(guò)程中，選取了基于Linux開(kāi)源和嵌入式設(shè)備，進(jìn)行了遠(yuǎn)程無(wú)線視頻監(jiān)控系統(tǒng)的硬軟件設(shè)計(jì)。以搭載S3C2440微處理器的開(kāi)發(fā)板為主要硬件平臺(tái)，使用USB免驅(qū)攝像頭作為視頻拍攝設(shè)備，通過(guò)Linux內(nèi)核提供的統(tǒng)一接口V4l2實(shí)現(xiàn)視頻圖像的采集工作。在具體的解編碼過(guò)程中采用MJPRG壓縮技術(shù)，通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)將視頻傳輸給監(jiān)控終端。此外，嵌入式設(shè)備終端接收數(shù)據(jù)的軟件使用了基于Linux開(kāi)源的MJPG-streamer軟件，根據(jù)多線程技術(shù)和智能網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，將PC端的監(jiān)控管理平臺(tái)建設(shè)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(guò)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(shè)計(jì)要點(diǎn)

本系統(tǒng)主要基于ARM硬件平臺(tái)的無(wú)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(shè)平臺(tái)，通過(guò)USB無(wú)線網(wǎng)卡發(fā)出的無(wú)線信號(hào)將視頻數(shù)據(jù)傳輸給客戶端。其設(shè)計(jì)要點(diǎn)可以分為硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)以及無(wú)線視頻傳輸模塊設(shè)計(jì)等方面。

2.2.1 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)整體的功能要求，遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)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(shí)可以選用雷凌科技（Ralink）公司的RT3052芯片，該芯片內(nèi)置有5個(gè)10/100 MHz以太網(wǎng)交換/PHY設(shè)備，一個(gè)USB OTG接口和一個(gè)千兆以太網(wǎng)MAC，能提供300 Mb/s的物理傳輸速率，而且其運(yùn)行所需的外圍器件芯片和無(wú)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(chǔ)器，系統(tǒng)中的接口為外部存儲(chǔ)設(shè)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(guò)無(wú)線微波設(shè)備傳輸信號(hào)，使得遠(yuǎn)程無(wú)線視頻監(jiān)控的網(wǎng)絡(luò)部署更加方便、快捷且成本低。

2.2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

基于嵌入式的遠(yuǎn)程無(wú)線視頻監(jiān)控系統(tǒng)軟件由設(shè)備驅(qū)動(dòng)模塊、圖像采集模塊、圖像壓縮模塊以及無(wú)線視頻傳輸模塊共同組成[6]。監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程圖如圖1所示，監(jiān)控終端模塊結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 監(jiān)控終端模塊結(jié)構(gòu)圖

（1）設(shè)備驅(qū)動(dòng)模塊嵌入式工作平臺(tái)的搭建。設(shè)備驅(qū)動(dòng)模塊的嵌入式工作平臺(tái)的搭建主要是對(duì)遠(yuǎn)程無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng)的Linux操作系統(tǒng)進(jìn)行一定的修改和剪切工作。將必要的系統(tǒng)功能保留下來(lái)，建立交互編譯環(huán)境，實(shí)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(kāi)發(fā)版NAND Flash中，確保設(shè)備驅(qū)動(dòng)模塊及監(jiān)控系統(tǒng)功能正常實(shí)現(xiàn)。

（2）圖像采集模塊。圖像采集模塊主要負(fù)責(zé)視頻數(shù)據(jù)的采集。其設(shè)計(jì)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(guān)于視頻設(shè)備的API接口，為視頻設(shè)備的應(yīng)用程序編程提供了一套接口規(guī)范[7]。開(kāi)發(fā)完攝像頭的驅(qū)動(dòng)程序后，就可以通過(guò)V4L提供的系統(tǒng)API來(lái)控制攝像頭，從而完成視頻采集工作

（3）無(wú)線視頻傳輸模塊設(shè)計(jì)。無(wú)線視頻傳輸模塊實(shí)現(xiàn)視頻圖像的網(wǎng)絡(luò)傳輸。通過(guò)驅(qū)動(dòng)模塊來(lái)帶動(dòng)攝像頭的運(yùn)行，在無(wú)線網(wǎng)卡和Linux操作系統(tǒng)的運(yùn)行下為驅(qū)動(dòng)程序和應(yīng)用程序提供接口。圖像采集模塊能夠?qū)z像頭所攝取的影像視頻進(jìn)行暫存，避免使用SD卡。圖像壓縮模塊能夠?qū)⑺臄z的圖像進(jìn)行編碼和壓縮處理，最終通過(guò)無(wú)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(dāng)前常用的網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議主要有TCP和UDP兩種[8]。通過(guò)TCP的三次握手建立連接不適合實(shí)時(shí)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(guò)程中有可能丟失重要監(jiān)控畫面。這時(shí)運(yùn)行在UDP上的RTP協(xié)議呈現(xiàn)出了巨大優(yōu)勢(shì)。在無(wú)線視頻傳輸模塊的設(shè)計(jì)過(guò)程中，設(shè)計(jì)人員可以采用RTP協(xié)議為數(shù)據(jù)包進(jìn)行有序編號(hào)，并加載時(shí)間管理等功能，實(shí)現(xiàn)最小的開(kāi)銷和最佳的傳輸效率。通過(guò)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(wú)線視頻監(jiān)控客戶端的設(shè)計(jì)

完成監(jiān)控系統(tǒng)后端搭建工作后，還需要對(duì)無(wú)線視頻監(jiān)控終端進(jìn)行人性化設(shè)計(jì)。通過(guò)視頻數(shù)據(jù)的采集和TCP協(xié)議的使用，在PC機(jī)的操作系統(tǒng)下基于Qt和OpenCV設(shè)計(jì)移植性好且操作性強(qiáng)的監(jiān)控終端是無(wú)線視頻監(jiān)控終端設(shè)計(jì)的要點(diǎn)。使得監(jiān)控使用人員可以使用手機(jī)APP的遠(yuǎn)程操控完成實(shí)時(shí)監(jiān)控和實(shí)時(shí)錄像，能夠進(jìn)行有效的監(jiān)控工作。在設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)當(dāng)注重實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控、截圖拍照以及實(shí)時(shí)錄像等具體功能。

2.2.4 設(shè)計(jì)效果

經(jīng)過(guò)系統(tǒng)測(cè)試可知，在此研究的基于嵌入式的遠(yuǎn)程無(wú)線視頻監(jiān)控系統(tǒng)在實(shí)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(luò)中可以連續(xù)不丟幀的傳送，壞幀率在5%以下。實(shí)際圖像畫面質(zhì)量較高，未出現(xiàn)失真情況，PC端實(shí)況監(jiān)控結(jié)果如圖3所示。

圖3 監(jiān)控PC終端實(shí)況圖

3 結(jié) 論

遠(yuǎn)程無(wú)線視頻監(jiān)控系統(tǒng)在當(dāng)今的監(jiān)控工作中具有重要作用。其所使用的無(wú)線微波和遠(yuǎn)程技術(shù)能夠減免布線工作、簡(jiǎn)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(luò)逐漸普及的今天展現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景。此外，遠(yuǎn)程無(wú)線視頻監(jiān)控系統(tǒng)的科學(xué)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，推動(dòng)了監(jiān)控系統(tǒng)的智能化、信息化以及一體化發(fā)展。