基于WMN的無線視頻監控系統的設計*

李 和，莫金旺，趙 利

(桂林電子科技大學 信息科技學院，廣西 桂林 541004)

視頻監控系統是信息社會的重要基礎設施之一，無線化、網絡化、智能化和數字化是其重要發展方向。近年來，一種新一代無線通信網——無線Mesh網WMN(Wireless Mesh Network)技術引起業界的重視和研究。由于它具備組網迅速、結構靈活、傳輸速率大、可靠性強、成本低等突出的優點，滿足了市場對網絡視頻監控的新需求，勢必會拓寬視頻監控的應用范圍[1]。因此，在視頻監控系統中引入WMN技術后將具有如下特點：

(1)高效和靈活的網絡覆蓋方式。相對于傳統的有線網絡，采用無線網絡可以在原來不便或無法部署有線網絡的區域實現無線監控。

(2)施工容易，建設成本低。WMN僅需少量的網絡布線，基本不用建設新的網絡基礎設施，結合整體規劃可最大限度降低建設成本。

(3)部署快捷，擴展靈活。WMN具有自組網和自管理能力，視頻監控點建成即接入監控網，自動地建立與監控中心最佳的傳輸路由，并且視頻監控點可隨時插入和刪除。

(4)具有鏈路故障自愈能力，通信可靠性高。由于采用無線網狀網(Mesh)結構，多跳路由方式，可以利用迂回路由避開故障節點，保證系統具有較好的健壯性。

1 基于WMN的視頻監控系統方案

WMN作為移動Ad Hoc網絡(MANET)的一種特殊形態，融合了WLAN和Ad Hoc網絡的優點，成為一種新型的寬帶無線網絡。其核心思想是讓網絡中的每個節點都可以發送和接收信號，使得傳統的WLAN中一直存在的可伸縮性低和健壯性差等諸多問題迎刃而解[2]。與傳統無線網絡技術相比，WMN更能適應網絡視頻監控的發展。

考慮到業務功能的靈活性，本文構建了一種較為通用的視頻監控網絡平臺，由單個Mesh終端節點構搭建WMN如圖1所示，視頻監控系統主要有監控節點(終端)和監控中心兩部分組成。在監控現場，多個具有路由轉發功能的終端節點互聯構成無線Mesh網絡骨干網，視頻監控終端具有視頻服務器功能，負責完成監控現場視頻采集、壓縮、無線路由及收發數據等功能，并以無線方式將視頻流傳輸到與監控中心相連的Mesh網關；監控中心具有瀏覽器功能，接收來自監控終端的視頻數據流，并進行解壓、播放、存儲等處理，同時可通過Internet完成視頻轉發和各種視頻遙控功能。

圖1 基于WMN的視頻監控系統方案

2 系統硬件結構

視頻監控終端硬件結構如圖2所示。考慮到監控終端對視頻壓縮能力、無線移動特性和低功耗的要求，采用華恒公司的專用Freescale處理器i.MX21作為主控芯片。它集成了支持MPEG-4標準的硬件編解碼器和ARM9內核，功耗僅為200 mW。復合視頻信號經SAA7l13的模擬端輸入，經過模數轉換、濾波和縮放后，生成BT.656格式的視頻，輸出到i.MX21。i.MX21對視頻進行MPEG-4格式的壓縮編碼，將數據流經USB控制器擴展的USB2.0接口輸出到VT6656模塊。VT6656模塊包含一個集成了MAC和基帶處理器的芯片以及一個集成了功率放大器和天線的芯片，其支持IEEE 802.11b/g無線傳輸。

圖2 視頻監控終端硬件結構

3 系統軟件結構

視頻監控系統軟件結構如圖3所示。視頻監控終端(服務器)采用基于Linux操作系統的ARM9嵌入式系統作為視頻監控節點的軟硬件平臺，視頻監控中心采用基于DirectShow的客戶端軟件進行開發設計，整個系統軟件采用模塊化結構設計。

圖3 視頻監控系統軟件結構

3.1 Linux操作系統

Linux操作系統采用成熟穩定的2.6.23內核。配置時根據硬件資源選擇Flash和SRAM的大小，在網絡子項中選擇對TCP/IP和IEEE 802.1l協議的支持，同時去除不支持的選項以縮減內核體積，執行編譯后得到Linux的內核映像文件。

3.2 底層設備驅動

Linux操作系統通過調用驅動程序的接口函數實現硬件訪問請求。SAA7113和VT6656的驅動程序分別控制相應芯片完成視頻采集、USB接口控制和網絡傳輸控制功能，采用中斷觸發／響應機制協調工作。

3.3 上層應用程序

上層應用程序包括視頻采集、視頻壓縮、網絡傳輸和網絡訪問控制模塊。監控終端通過網絡訪問控制程序接收來自主機的控制命令，并同步更新至配置文件保存。為保證指令的可靠傳輸，采用面向連接的TCP/IP協議在主機和終端間建立一個端到端的虛擬連接，并通過套接字編程實現[3]。視頻采集程序負責啟動SAA7113的視頻采集和模數轉換，產生BT.656格式的視頻數據。視頻壓縮程序根據配置文件設定視頻壓縮格式(D1/VGA/CIF/QVGA/QCIF)、編碼方式(CAVLC/CABAC)、碼流(CBR/VBR)和碼率(最大 10 Mb/s)，以此為參數完成 MPEG-4視頻壓縮。網絡傳輸程序完成數據包的封裝，再經VT6656傳送到鄰近的無線AP。為保證視頻流的實時性，采用RTP/RTCP協議對壓縮數據進行封裝[4]，使用IEEE802.11b標準 (最大數據傳輸率為11 Mb/s，室外通信距離為500 m)完成數據包的無線傳輸。

3.4 Mesh路由協議AODV在嵌入式Linux下的設計

AODV路由協議是一種按需路由協議，實際上是DSR和DSDV協議的綜合，以DSDV為基礎，采用DSR中的按需路由思想進行改進[5]。AODV使用廣播式路由發現機制，當源節點想與另一節點進行通信，而它的路由表中又沒有到達目的節點的路由條目時，就廣播一個路由請求(RREQ)報文，源地址和廣播ID標識了一個唯一的路由請求。中間節點在收到RREQ報文時，首先比較本節點和目的節點的IP地址，如果自己是目的節點，就向源節點回復路由響應(RREP)報文；如果自己不是目的節點，則根據RREQ報文中的源IP地址和廣播ID判斷是否收到過該RREQ報文，如果收到過，則丟棄該RREQ報文，若沒有則記錄相關信息，用來形成反向路由。記錄的信息主要包括目的地址、源地址、廣播ID、源序列號、反向路由超時時長，同時將RREQ報文中的跳數字段值加1，并向鄰居節點轉發RREQ報文。當中繼節點或目的節點沿著反向路徑回復RREP報文時，這條路徑上的節點建立前向路由。當RREP報文到達源節點后，源節點就可以使用已經建立的路由發送數據報文。

AODV程序從邏輯上可分為系統接口和AODV算法模塊兩個部分。系統接口部分的主要功能是用Linux系統提供的各種接口，為實現AODV路由協議提供所需的各種信息和服務。本系統的AODV程序用到的系統接口主要包括可加載模塊的管理、網絡過濾器(Netfilter)的使用、路由線程的產生、內核路由表的修改以及定時器機制等，這部分是AODV程序與Linux系統交互的主要途徑。AODV算法模塊主要是執行AODV協議邏輯，總的來說包括路由建立、路由維護和路由刪除三個模塊。該算法模塊的目標是根據通信的需求建立正確的路由，通過接收和處理AODV控制分組來建立或改變路由。

3.5 基于DirectShow的客戶端軟件設計

DirectShow是微軟公司推出的新一代基于COM技術的流媒體處理的開發包，為流媒體的捕捉、回放等處理提供了強大的支持[6]。本系統利用DirectShow技術設計基于無線Mesh網絡視頻監控客戶端軟件。軟件設計采用C/S模式，基于VC平臺的MFC框架。客戶端和遠程終端通過Socket編程實現在整個網絡上通信。

客戶端軟件包括視頻瀏覽器和視頻監控終端控制器軟件，主要由視頻接收、視頻解碼播放及遠程控制命令發送模塊組成，模塊之間采用共享內存進行通信。為了能同時接收到來自終端的多路圖像，在程序中采用Windows界面設計和多線程技術，每個線程創建一個界面窗口，負責一路視頻流的接收和播放。由于系統中的視頻壓縮格式為MPEG-4標準，因此選用Xvid Codec作為MPEG-4的核心解碼庫，其源代碼是開放的，通過調用Xvid的MPEG-4解碼核心代碼可完成視頻數據的解壓縮。實現遠程控制就是在監控中心通過客戶端軟件，利用計算機鼠標或鍵盤的相應操作來向終端服務器發送命令，以實現對監控點的攝像機的參數及云臺進行控制。由于控制命令準確性要求較高，數據量較小，因此采用了提供可靠連接傳輸協議TCP/IP進行傳輸，用戶可以根據監控場合、用途和功能的不同對串口采取不同的配置，在程序運行后也可隨時對串口的參數設置進行更改。

4 系統測試

用5臺嵌入式監控終端組成無線Mesh網絡，各監控點之間的距離約為200 m，嵌入式終端操作系統Linux的內核為2.6.23。監控主機通過IEEE 802.11b/g標準的無線網卡接入Mesh網絡，從任一監控終端獲取Xvid-MPEG-4格式的視頻流，采用基于DirectShow的客戶端解碼播放軟件完成終端設置、視頻解碼和實時播放功能。測試結果表明，畫面播放流暢，實時性較好。在進行主動丟包測試時，當丟包率為10%時，圖像會出現少量的馬賽克，但播放依然流暢，完全可以滿足當前視頻監控市場的要求。

新一代的無線Mesh網絡利用網狀拓撲、多跳鏈路和先進的路由協議，通過融合IEEE 802.1la/b/g等無線通信技術實現組網，其具有組網迅速、結構靈活、傳輸率高、移動性好、可靠性強和成本低等優點，可極大的拓寬網絡視頻監控的應用范圍。因此，與其他無線視頻監控系統相比，基于無線Mesh網的視頻監控系統具有較高的性價比。隨著無線Mesh網絡技術的進一步發展和完善，其必將在包括視頻監控在內的多種領域有廣闊的應用前景。

[1]F1RETIDE， Inc. An introduction to wireless mesh networking[EB ／OL].[2007-10-07].http：//www.firetide.com.

[2]AKYILDIZ I F， Wang Xudong.A survey on wireless mesh networks[J].IEEE Communications Magazine， 2005，43(9)：23-30.

[3]王楓，羅家融.Linux下多線程 Socket通訊的研究與應用[J].計算機工程與應用，2004(16)：106-109.

[4]潘鵬，杜旭，葉婷，等.RTP/RTCP實時傳輸協議的研究與 Linux 實現[J].計算機工程與應用，2005(24)：105-108.

[5]RAJIV M， MANDALC R.Performancecomparisonof AODV/DSR on-demand routing protocols for ad hoc networks in constrained situation[C].IEEE International Conference，2005：86-89.

[6]陸其明.DirectShow開發指南[M].北京：清華大學出版社，2003.