車載雙模無線視頻監控系統的設計與實現

劉開夢，何 維，田增山

（重慶郵電大學無線定位與空間測量研究所，重慶 400065）

視頻監控系統是一種新興的自動化系統，它綜合利用了視頻技術、計算機技術、通信技術和網絡技術，在多個行業得到了廣泛應用［1］。基于有線視頻監控系統的各方面不足，例如布線、施工、擴展性、移動性等，無線視頻監控系統成為了必然的發展趨勢。隨著3G技術的發展與延伸，3G無線移動通信系統從概念到運作，從小范圍的試點，再到目前的正式商用，網絡覆蓋范圍逐漸擴大，傳輸帶寬不斷提高，這些都使得基于3G網絡傳輸的視頻監控系統成為現實。在森林防火、環保監測、公路全線監測等地域廣、監控點稀疏的環境下，更需要移動地監測實施情況，基于車載式的3G無線視頻監控終端能夠較好完成這些任務。車載式視頻監控終端，移動性好，便于調度、管理，能夠盡可能彌補定點式監控終端存在的監控盲點，更好的進行實時監控。現有的3G網絡TD-SCDMA，WCDMA和CDMA2000雖然已經基本實現了全國地區的廣泛網絡覆蓋，但這3種3G網絡在各個地區的網絡覆蓋有所不同，覆蓋范圍、覆蓋地區的網絡信號強弱等都有所差別，這些因素直接影響通過3G無線網絡傳輸數據的效果。目前3G網絡上傳帶寬能夠達到384 kbit/s，能夠傳輸1路CIF的實時圖像，但這也只是在網絡較好的情況下［2-4］。對于車載式視頻監控終端的應用場景，考慮到汽車高速移動以及地域變化等情況造成的網絡質量下降。

針對上述問題，本文設計并實現了一種基于WCDMA和CDMA2000 EVDO系統的車載式雙模視頻監控系統，該雙模系統依托WCDMA和CDMA2000 EVDO移動通信公眾網實現視頻監控，便捷實用，系統中合理調度雙模同時傳輸，和傳統的單模系統相比，有多方面的優勢。本文重點介紹該視頻監控系統的整體設計，給出嵌入式設備車載監控終端的硬件設計，詳細介紹了監控中心的軟件設計，之后對整個系統進行了測試，并記錄了測試結果。

1 車載視頻監控系統結構

車載雙模無線視頻監控系統組成框圖如圖1所示。

系統包括車載式雙模視頻監控終端，CDMA2000和WCDMA系統基站和3G核心網絡，Internet和后臺監控中心。

車載雙模監控終端利用模擬攝像頭完成對所需監控視頻的采集，將視頻數據進行H.264編碼壓縮處理，通過CDMA2000和WCDMA 3G無線通信模塊實現監控視頻和其他信息例如GPS信息等向監控中心的上傳，同時接收監控中心的信息和指令，實現對視頻信息的分割、封裝、調度和管理。

圖1 系統組成結構圖

WCDMA系統基站和核心網、CDMA2000系統基站和核心網都是借助于公眾網絡，接入Internet網絡建立車載視頻監控終端和視頻監控中心的通信鏈路，完成兩者之間的視頻傳輸以及信令交互等。

視頻監控中心完成對車載視頻監控終端采集傳輸的視頻信息進行組合、解碼、視頻恢復和實時顯示，同時完成對車載視頻終端的調度和管理。

2 車載雙模視頻監控終端設計

車載視頻監控終端系統組成結構圖如圖2所示。

圖2 車載視頻監控終端系統組成結構圖

1）核心處理模塊。車載視頻監控終端系統CPU選用具有ARM+DSP雙內核的OMAP3530［5］，可兼顧設備的數據處理強度大、調度和控制功能要求高的需要。DSP內核對視頻信號的壓縮處理能力強，主要完成對H.264視頻進行編碼壓縮，ARM內核完成系統的整體控制和對DSP運算結果的訪問。

2）電源模塊。電源管理選用與OMAP3530匹配的TPS65930芯片智能管理整體系統的電能供應。設備對外提供適配器電源接口，通過汽車車載逆變器供電。

3）多媒體數據采集模塊。音頻數據由MIC部分負責采集一路音頻數據，將模擬信號用差分輸入方式送入TPS65930中，然后用I2S數據總線把采樣后的數字信號傳輸到OMAP3530中。視頻數據由模擬攝像頭采集，通過BNC數據線連接核心處理模塊，傳送數據到OMAP3530中。音頻數據和視頻數據，在OMAP3530中都以DMA方式進行數據的搬移，搬移到DDR中后。在DSP端以H.264標準對視頻數據進行壓縮，以G729標準對音頻數據進行壓縮。把壓縮后的數據進行本地存儲（用USB總線傳送到移動硬盤）或者發送到控制中心。

4）GPS模塊。用GPS模塊的喚醒功能可以實現對終端的定時定位和不定時定位。通過無線信道將定位衛星采集到的當前終端的地理位置信息、時間信息等發送到GPS模塊，然后通過UART芯片傳送到核心處理模塊中，解析后保存在內存當中。終端程序通過解包、判斷并提取出GPS信息之后，然后將這些信息與圖像信息一起封裝在一個結構體中，最后通過無線網絡發送模塊將信息發送到監控中心。

5）數據發送模塊。選用中興通訊公司的MC8630 CDMA2000通信模塊和華為技術有限公司的EM770W WCDMA通信模塊作為系統無線網絡數據發送模塊。利用USB接口和MIC2551A芯片連接處理模塊和發送模塊，通過對發送模塊操作AT指令實現網絡數據傳輸。

3 視頻監控中心設計

視頻監控中心是整個監控系統的中樞神經，管理、調度整個監控系統的合理運行，指揮視頻終端按要求實時進行監控。本監控中心系統采用Microsoft Visual C++6.0開發［6］，分功能進行模塊化，最后按需求整合實現視頻監控中心系統。

3.1 監控中心系統結構

如圖3所示，視頻監控中心主要分為7個功能模塊。

1）監聽、建立通信鏈路。該模塊用于監聽是否有視頻監控終端請求鏈接，通過正確信息交互后，與相應視頻監控終端建立通信鏈路，建立心跳包，實時監聽終端是否處于連接狀態。

2）監控數據接收。該模塊用于通過UDP網絡傳輸協議將監控終端上傳的數據正確接收下來，然后保存在緩存隊列中，以待后續處理。

圖3 監控中心系統結構圖

3）監控數據處理、顯示。該模塊用于將監控數據中的視頻數據和GPS信息分別提取出來。對視頻數據進行解碼、恢復，然后和GPS信息組合，經過相應處理后實時顯示在監控中心主頁面中，并且按需求保存監控視頻。

4）影像回放。該模塊用于對保存的監控視頻進行回放。

5）網絡信息實時顯示。該模塊用于對整個視頻傳輸系統的網絡信息進行顯示，包括監控中心接收每個終端對應的傳輸速率kbit/s、f/s（幀/秒）、收到的總字節等信息，可用作實時觀察每個監控終端的傳輸情況。

6）雙向語音通信。該模塊用于與監控終端進行實時語音通信，以此可用作指揮，管理。

7）調度、管理指令下發。該模塊用于通過TCP協議對監控終端下發控制命令，例如設想頭的切換，數據傳輸方式改變等。

8）系統配置。該模塊用于整個系統的相關參數修改、配置。

3.2 監控中心應用程序設計

根據雙模視頻監控系統監控中心實際需求，本文給出了主要部分監控中心系統流程圖，如圖4所示。

首先視頻監控中心不斷監聽是否有視頻監控終端請求連接。當監聽到有終端請求連接后，為其進行資源配置，并且建立心跳包鏈接，時刻監測視頻監控終端與監控中心連接是否正常，如果視頻監控終端斷開，監控中心釋放為其配置的資源。

建立心跳鏈接后，監控中心正常接收視頻監控終端傳輸的監控數據。通過CDMA2000和WCDMA雙模傳輸的數據需要接收保存進緩存內，考慮通過雙模傳輸，需要對到達數據順序進行調整。

對數據進行提前并解析，根據系統自定義的數據包格式，根據數據包頭信息，分別提前出GPS信息、時間和視頻數據，然后將提前的數據進行三個方面的工作:

1）傳遞給程序主頁面進行實時的監控顯示;

圖4 監控中心系統流程圖

2）根據時間信息保存成文件，以待影像回放所用;3）統計計算監控數據信息，用于實時顯示網絡情況，包括kbit/s、f/s、丟包率等，同時利用調度算法，合理分配雙模傳輸資源，下發反饋信息給視頻監控終端，控制終端合理調度雙模進行最大化數據傳輸。

3.3 關鍵技術實現

1）通信鏈路。本系統中監控中心對監控終端的監聽管理、信令控制等信息的交互采用TCP網絡協議傳輸。TCP網絡控制協議是一種面向連接的、可靠的、基于字節流的通信協議，能夠保證信息的完成傳輸。監控數據采用UDP網絡協議傳輸，UDP是面向數據報的傳輸層協議，建立在IP協議上，提供一種無連接的高效率的服務，時延短，但不保證數據的可靠性，系統中視頻數據要求實時性高而不要求數據絕對可靠，所以采用UDP協議傳輸。

2）監聽管理。監聽終端請求，通過套接字TCP接口函數建立監聽程序，首先通過socket函數創建TCP協議套接字，配置地址結構體SOCKADDR_IN，然后調用bind函數綁定相關信息，WSAAsyncSelect函數設置響應事件為FD_ACCEPT，最后調用listen函數實現監聽，recv函數接收數據。主要代碼如下:

建立心跳包鏈接也利用TCP套接字函數，同時通過SetTimer函數創建定時器，在響應函數OnTimer中定時發送TCP數據（心跳包）給終端，根據TCP套接字函數返回值判斷鏈接是否正常，如果終端斷開，則釋放為其分配的系統資源。

3）監控顯示。將監控顯示功能封裝成ActiveX控件［7］，監控中心通過調用該控件實現多終端監控信息的實時顯示。利用VC++6.0建立MFC ActiveX工程實現顯示控件，控件主要對外部程序提供3個接口。void Re-Set（）接口函數主要負責對占用資源的重置，釋放;void ShowStream（byte* StreamBuf，long StreamLen）接口函數用于接收視頻數據，第1個參數填寫保存視頻數據的內存地址，第2個參數填寫地址長度，函數中調用H.264解碼庫，對視頻數據進行解碼，并保存進內存中;void SetGps-Mem（double lon，double lat）接口函數用于接收解析后的GPS經緯度信息。接著在控件內部調用Invalidate（）函數觸發 OnDraw（CDC*pdc，const CRect&rcBounds，const CRect&rcInvalid）顯示視頻信息和滾動的GPS信息。On-Draw函數中具體代碼如下:

主界面中調用現實空間效果圖如圖5所示。

4）雙模調度。監控中心接收監控終端通過WCDMA和CDMA2000 EVDO（以下簡稱W和C）2個模塊傳輸的數據，并進行統計計算，實時分析出2個模塊的傳輸情況，確定個模塊合理的傳輸比例，并將信息和命令反饋給監控終端。監控終端根據收到的監控中心的反饋信息進行發送模塊的選擇:根據反饋信息、進行視頻數據包的序列分隊，調整W模塊和C模塊的傳輸比例RW/RC進行數據傳輸。設監控終端傳輸數據集合為M= {D1，D2，…，DN}，2個模塊傳輸速率比值為n=RW/RC，根據監控中心反饋信息，調整n值，將M按n∶1的比例進行分隊，重新分配隊列后W模塊發送數據為 MW={（D1，D2，…，Dn），（Dn+2，Dn+3，…，D2n+1），…，（D（k－1）（n+1）+1，D（k－1）（n+1）+2，…，D（k－1）（n+1）+n）} ，C 模塊發送數據為 MC= {Dn+1，D2（n+1），…，Dk（n+1）}。算法流程圖如圖6所示。

圖5 顯示功能控件

圖6 算法流程圖

4 應用測試

車載雙模視頻監控系統測試主要通過系統運行時由監控中心網絡信息實時顯示獲得。監控中心配置如下:Windows XP操作系統，CPU AMD AthlonII X2 250 Processor 3.01 GHz，內存2 Gbyte。監控中心實時顯示效果如圖7所示。

外場測試參數，車速30～40 km/h，傳輸視頻格式為CIF，每次行車時間15 min，行車地域為城市，車載終端視頻采集幀數20 f/s，單模為WCDMA，雙模為WCDMA+CDMA2000 EVDO，記錄數據由監控中心實時顯示網絡數據獲得，性能結果如表1所示。

圖7 監控中心實時顯示圖

表1 單模和雙模傳輸比較

由表1可以看出，在各方面參數設置相同情況下，基于雙模傳輸的車載視頻監控系統，通過調度算法充分利用兩種3G網絡進行數據傳輸，相比于單模視頻傳輸有效地提高了視頻傳輸質量。

5 結束語

結合國內3G應用的快速發展和視頻監控的廣泛應用，本文提出了一種基于3G網絡WCDMA和CDMA2000 EVDO的車載式雙模傳輸視頻監控系統設計方案，在實踐中經過測試分析，相比于傳統單模視頻監控系統，具有更大的發送速率，對單一網絡依賴性小、穩定性高，傳輸質量好的特點，對安防、勘測、生產調度、搶險救災等領域具有重要的現實意義，并能創造良好的社會效益和經濟效益。

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［1］袁勇，蔡運富，常國柱.無線雙模視頻傳輸設備的硬件設計與實現［J］.電視技術，2010，34（2）:64-82.

［2］潘國良.簡易視頻會議系統的設計與實現［J］.微電子學于計算機，2008，21（2）:56-58.

［3］顏菲菲，高勝法，劉曉蘭.遠程視頻監控系統的安全可靠性研究［J］.計算機工程與設計，2007，26（9）:2494-2496.

［4］夏振華，張正炳.基于3G移動通信的無線視頻監控的設計［J］.電視技術，2010，34（9）:95-98.

［5］TI.OMAP35X applications processor［EB/OL］.［2010-03-01］.http://focus.ti.com.cn/cn/lit/ds/symlink/oamp3530.pdf.

［6］侯俊杰.深入淺出MFC［M］.2版.武漢:華中科技大學出版社，2001.

［7］黃培.基于Active X控件的遠程客戶端軟件設計研究［J］.應用科學，2010（9）:18.