基于Android手機的無線視頻門禁系統應用研究

段利文

(重慶電子工程職業學院，重慶 401120)

責任編輯:任健男

視頻門禁監控作為智能小區安全建設的一部分，對整個小區的安全化管理起著至關重要的作用，安全性、靈活性及低成本是視頻門禁系統設計應重點考慮的因素［1］。將視頻門禁系統與小區內的視頻監控系統相結合，可以處一室之內而知整個小區的視頻監控狀態，真正體現智能化小區的優勢。

本文是在現有視頻門禁系統研究的基礎上，將無線局域網作為主要通信方式，視頻門禁系統與小區視頻監控系統聯動整合，并運用嵌入式開發技術和Android技術對基于手機平臺的無線視頻門禁系統應用進行研究，完成了基于無線局域網的手機視頻門禁系統的開發與設計。用戶除了簡單的門禁開啟外，還可以監控小區環境，查看小區任何攝像頭，而且可以實現住戶、訪客、保安三方通話。既是門禁系統新的控制與監控方法，也是Android手機的新應用。

1 系統方案說明

1.1 無線局域網通信方式

當前小區視頻門禁系統的通信方式及終端控制方式多樣，最大眾化的方式仍是采用有線布網方式，小區大門門禁系統與小區保安中心通過有線方式連接，樓棟門禁系統與各住戶門禁終端通過有線方式連接，大門門禁系統與小區門禁系統之間各自工作，并無聯系，而且網絡固定。在終端控制方式，較普遍的是安裝在住戶大門墻上的門禁終端，通過查看樓棟門禁處的攝像頭，然后開啟門禁終端的開關或者通話按鈕進行相關操作。

隨著近年來無線通信技術的成熟，尤其是無線局域網(WLAN)，憑借其高速率帶寬和良好的網絡穩定性在城市建設中得到了廣泛的應用，而且現在大部分家庭網關設備也具有無線路由功能，入戶光纖接入家庭網關后，通過無線的方式，家里所有終端設備通過家庭網關就可以接入Internet，非常方便，而且成本低。更重要的是WLAN建設已逐漸成為城市網絡建設的一部分，大型城市的WLAN覆蓋率均超過了50%，網絡運營商也正努力加大全國城市的WLAN覆蓋率。

與傳統的有線視頻門禁聯網系統相比，無線視頻門禁系統具有更高的靈活性，網絡布置更加便捷，受小區地理環境的影響小，且成本較有線方式低，而且可以將無線視頻門禁系統聯網，實現遠程監控，充分利用無線網絡環境擴展門禁系統服務功能［2－3］。

1.2 Android手機門禁終端

傳統的門禁終端普遍采用壁掛式，掛在屋內離大門不遠的墻壁上，移動性較差，而且門禁終端成本較高，在功能方面，只是簡單的可視化查看，門禁開啟與通話，無法實現與小區視頻監控聯動，功能比較單一。

近年來以Android為平臺的智能手機得到廣泛應用，高處理器CPU及良好的開放平臺給手機端應用軟件提供了廣闊的開發環境，Android手機客戶端軟件應運而生，比如購物網站客戶端、銀行手機客戶端、在線學習客戶端等紛紛涌入市場，利用手機的便捷特性實現掌上辦公、學習與購物已經司空見慣，甚至車載系統也有所涉及［4］。正是在這樣一種背景下，本文提出了基于Android手機的視頻門禁終端客戶端。

Android手機視頻門禁系統充分利用手機硬件，采用Android開發平臺，實現視頻門禁系統的開啟、小區視頻監控、視頻存儲與抓圖、語音通話等功能。該客戶端配合樓棟視頻門禁和大門視頻門禁系統使用，可以方便實現門禁的查看與開啟。而且客戶連入Internet網遠程也可以實現門禁系統開啟與小區視頻監控。

2 系統框架設計

總體而言，視頻門禁系統主要分為3層，前端主要是安裝在小區的所有攝像頭設備和小區大門、樓棟門的可視化門禁系統，中間層是由嵌入式設備和服務器構成，用戶端主要由Android手機構成，具體如圖1所示。前端攝像頭數據和門禁系統數據通過中間層的嵌入式設備進行數據處理和視頻編解碼后發送至服務器，服務器將所有監控數據和門禁數據做好備份并存儲，而Android手機可以通過無線路由的WLAN方式和3G方式連入Internet與服務器進行通信，完成門禁系統的開啟與小區監控視頻的查看。

圖1 系統總體架構圖

前端的攝像頭設備主要由DVR構成，每個設備分配一個IP地址，用于對小區的所有環境進行監控，而門禁系統主要由小區大門可視化門禁和樓棟可視化門禁構成，分別負責小區不同的大門和各樓棟的門禁。DVR攝像頭和可視化門禁具體結構不再詳述。

中間層的嵌入式設備除了由嵌入式處理器，存儲器Flash、SDRAM，以太網、RS－232接口等嵌入式設備的基本模塊之外，還擴展了無線收發模塊及LCD屏。具體結構如圖2所示。嵌入式處理器主芯片采用基于ARM9內核的i.MX27，它是一款具有高速率計算功能的多媒體處理器芯片，這樣才能滿足視頻數據處理的要求。同時無線收發模塊主要是和無線路由進行通信。

圖2 嵌入式設備結構圖

用戶端主要是Android手機客戶端完成，由于視頻傳輸數據量較大，大多方式采用WLAN通信，節省流量成本且網絡傳輸穩定，之所以要提出3G方式通信，是因為考慮到在某些不支持WLAN通信方式時，也可以采取3G來視頻門禁的控制，以訪問服務器方式實現門禁管理，打破了空間限制，遠程也可以操作。而在安全方面，采用安全授權，普通用戶只有門禁可視化和開啟門禁功能，超級用戶可以擁有權限查看小區所有監控攝像頭。而不同的用戶又通過無線局域網的WPA2－PSK加密，所以不同住戶間只能使用自己的設備，同時也只有經過安全授權的用戶才能登陸查看視頻監控。

3 系統軟件設計與實現

基于Android手機的無線視頻門禁系統主要包括視頻數據采集與處理模塊、服務器管理控制模塊、手機門禁客戶端軟件等3個部分。

3.1 視頻數據采集與處理

視頻數據采集主要由攝像頭和可視化門禁網關完成，采集數據要發送至嵌入式網關，嵌入式設備對視頻數據和門禁數據進行處理［5］。具體流程如圖3所示。

嵌入式設備軟件采用Linux操作系統作為開發平臺，該系統具有強大的網絡功能，通過RTP/RTCP網絡協議，以及Web服務器HTTP傳輸協議，進行視頻圖像的傳輸。從圖3可得，視頻采集主要用到了ioctl()函數完成，Linux系統中Video For Linux 2已經提供了部分接口函數，對視頻設備的基本操作已經足夠。

視頻數據采集后，從緩存隊列中將數據取出并存放在指定內存區，然后就可以進行視頻數據的編碼，編碼的目的無非是盡量壓縮大量的視頻數據流，盡可能少地占用存儲空間，在視頻壓縮的過程中，必須保證視頻數據質量在可允許的范圍之內。

圖3 視頻采集流程圖

編碼方法比較多，本文采用JPEG編碼方式，主要分成6個步驟:1)色彩模式轉換與采集，將RGB三色轉換成YCbCr色彩模式，而后采用YUV422進行采集數據;2)對光強數據進行DCT變換;3)將DCT變換后的頻率系數進行量化;4)對量化的系數進行Z字形編排;5)運用熵編碼、直流與交流系數編碼;6)組建比特流。比特流組建后視頻數據便可通過WLAN方式實現視頻數據的傳輸。

3.2 服務器監控軟件

服務器軟件作為所有視頻數據的匯聚節點，也是整個系統數據備份與轉發的節點，對所有類型的前端設備進行集中式管理起著至關重要的作用［6］。服務器端軟件具體結構圖如圖4所示。

圖4 服務器軟件結構圖

中心服務器主要功能有:校時功能，可定時對前端設備進行校時;日志維護，根據設定的時間定時清理各種日志;用戶驗證功能，對系統中登錄的各個模塊進行合法性驗證;數據定期備份，數據庫每隔一定時間自動對數據進行本地備份。

注冊服務器主要功能有:注冊服務器分為前端接入和客戶端接入，前端接入主要負責前端設備的接入和代理，接受和轉發前端設備與中心平臺的通信信令，客戶端接入主要負責手機客戶端與中心平臺之間的會話。

Web服務器打包了 apache，mysql，php等服務器模塊，運行BS管理系統和BS客戶端網頁，可以跨Linux和Windows平臺。

流媒體服務器有流轉發功能，解決設備(DVR/DVS/IPCAM)視頻源的連接數限制，轉發實時音視頻數據，并支持多級轉發功能，流媒體服務器可以支持多級轉發。

存儲服務器:定時錄像功能，根據錄像計劃定時進行錄像并存儲。

3.3 Android手機客戶端軟件設計

手機門禁客戶端軟件功能模塊如圖5所示，主要分為門禁開啟、圖像瀏覽、實時監控、視頻回放功能，為了方便系統個性化配置，還設置了系統設置功能。門禁開啟主要有來訪者視頻查看，包括小區大門視頻門禁和樓棟視頻門禁的查看，還有語音通話及開啟大門功能。實時監控主要是對小區的監控視頻進行實時查看，包括視頻小區不同攝像頭的設備切換、視頻圖像全屏、視頻錄像和圖像抓拍［7］，以供歷史查看。同時也可以對存儲的圖像和視頻進行瀏覽與回放。

圖5 手機端軟件功能模塊圖

Android程序的項目架構比較清晰，一般程序的結構都分為 src，gen，res，AndroidManifest.xml等 4 個部分［8］，具體結構如圖6所示。

圖6 Android應用程序基本結構圖

src目錄存放應用程序的源文件，主要作用是實現程序的基本功能，比如videorecv.java包含視頻數據接收處理函數，imagesnap.java是圖片抓取功能實現文件，syssetting.java是系統設置模塊文件。每個java文件都各司其職，實現不同的功能，各java程序之間的參數傳遞一般用Intent來實現。

gen目錄存儲各種標識符，創建videoAccessSystem工程的時候此目錄便自動生成了，在開發的過程中一般不需要更改。

res目錄存放各種資源文件，包括圖片文件、開發所需的背景文件、插圖文件，本文用的綠色方格的主頁背景文件 main.png 放在 res/drawable－mdpi文件夾下，layout文件存放的主要是界面文件，主界面main.xml，門禁查看accessview.xml，實時監控 videomonitor.xml，圖像瀏覽 imagebrowse.xml，視頻回放 videoplayback.xml，系統設置 systemsetting.xml均存放在該目錄下，這種界面與功能java文件分開的方式結構清晰，便于開發。

AndroidManifest.xml主要完成各模塊的配置，以及權限設置，比如門禁鈴音提示，需要權限開啟，在此文件中需要說明。

4 系統性能分析

打開視頻設備，然后開啟手機，打開連接方式配置，選擇WLAN連接，打開手機門禁客戶端軟件，輸入用戶名和密碼登錄。

打開手機客戶端后，主頁顯示有5個功能鍵，分別是門禁開啟、實時監控、圖像瀏覽、視頻回放、系統設置，如圖7所示。按手機菜單鍵，客戶端隱藏主界面并在后臺運行，一旦有門鈴會有語音提示，客戶端軟件也會自動在狀態欄提示，按一次手機的返回鍵提示是否退出該軟件。

圖7 手機門禁客戶端主界面

實時視頻查看可以查看小區的所有視頻監控狀態，本軟件一頁上有4個頁面通道，每個通道對應的攝像頭在系統設置里預先設置好頁面對應的是小區的哪個攝像頭，測試過程中只放了2個監控攝像頭，因此只顯示了小區的兩處視頻監控。測試證明，視頻信息流暢，且放大縮小功能完備，同時可以對圖片進行抓取和視頻錄像，這些數據都存放在SDCARD/MobileAccess文件夾下，方便導出。

門禁開啟界面可以對小區門禁和樓棟門禁分別查看，圖8是對小區的門禁進行視頻查看，然后按門禁開啟就能執行，這個操作必須有小區保安物業的授權碼才能執行，而且門禁開啟的日志記錄都會存放在小區管理服務器上，語音對話方便用戶與訪客語音溝通。

圖8 實時視頻查看和門禁開啟界面圖

經過測試證明，手機視頻門禁客戶端基本功能均已實現，視頻數據運行流暢，且門禁開啟功能運行正常，數據備份快捷方便。

本文測試的節點數目較少，在攝像頭較多且網絡不穩定時，可能會出現視頻數據傳輸不流暢的問題。在后續研究中，應考慮增加無線網絡穩定性問題，合理布置AP節點，同時采取有效的流控措施來保證視頻數據的可靠實時傳輸也是非常有必要的。

5 總結

本文根據視頻門禁系統的實際需求，結合當前流行的手機客戶端應用模式，開發了一款基于Android手機的無線視頻門禁應用系統。該無線視頻門禁系統靈活性好、可靠性高、實時性強，具有廣闊的應用前景。而且此方案除了應用于智能小區之外，還可以擴展至其他應用場合，比如旅游景點、學校、酒店及寫字樓等，根據實際需求，對該系統進行模塊定制裁剪便可，該系統具有較高的擴展性與可重用性。

［1］IBRAHIM R，ZIN Z M.Study of automated face recognition system for office door access control application［EB/OL］.［2012－10－20］.http://www.lw20.com/20111104345468156.html.

［2］劉建斌，易靈芝，王根平.基于以太網互聯接口的新型門禁系統［J］.計算機測量與控制，2011(3):688－690.

［3］佟秋利，張慧琳，孫國光.基于CPU卡的大學門禁應用設計實施方案［J］.計算機工程與設計，2011(4):1453－1457.

［4］高峰，畢經，郭景峰，等.汽車狀態感知系統的Android客戶端［EB/OL］.［2012－10－20］.http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTotal－QHXB2011S1003.htm.

［5］韓秋蕾，姚志軍.聯網式多通道門禁考勤系統的設計［J］.計算機工程與設計，2010(14):3249－3253.

［6］邵明星.基于ARM的嵌入式門禁系統設計［D］.北京:北京郵電大學，2011.

［7］梁篤國.網絡視頻監控技術及應用［M］.北京:人民郵電出版社，2009.

［8］葉小榕，邵晴.基于Android平臺的移動電子政務系統［J］.科技導報，2011(21):27－30.