基于3G和WiFi的無線視頻監控系統的設計

張劍龍，王耀青，楊 柳

(武漢科技大學 信息科學與工程學院，湖北 武漢 430081)

基于3G和WiFi的無線視頻監控系統的設計

張劍龍，王耀青，楊 柳

(武漢科技大學 信息科學與工程學院，湖北 武漢 430081)

為了實現對遠程環境的無線智能監控和提高用戶控制體驗，研究了3G和WLAN無線網絡的特點，提出一種以ARM和Linux為平臺，融合3G和WiFi無線網絡，設計一款無線視頻監控系統。利用攝像頭進行視頻圖像的采集，使用H.264進行圖像的編碼壓縮和RTP協議進行圖像傳輸，借助3G網絡實現遠程控制傳輸，同時利用WiFi實現局域網絡接入的補充。實驗結果表明，該設計可以實現PC、平板PC、手機同時多路連接監控，3G、WiFi網絡可任意切換，達到預期效果。

3G；WiFi；無線視頻監控；ARM；Linux；H.264；RTP

傳統的視頻監控系統無論在移動性、覆蓋面以及便利性上面都有很大的局限性，隨著通信技術的發展，無線網絡傳輸技術越來越成熟，3G蜂窩移動通信能提供完善的簽權和計費機制，具有廣覆蓋、高移動性、中低的傳輸速率特性。WiFi作為WLAN的一個標準，其傳輸速率高達11 Mbit/s。從而實現WiFi和3G的融合，可以彌補3G數據傳輸速率受限的不足[1]。因而利用3G網絡實現遠程視頻監控，輔助WiFi網絡方便用戶的接入，從而能實現二者的優勢互補。嵌入式系統具有開放性和可伸縮的體系結構，實時性強并能提供統一的驅動接口，支持網絡功能，對數據的遠程傳輸提供了可靠的支持。本文以此為出發點，以ARM為平臺搭載Linux操作系統，利用H.264和RTP分別實現圖像的編碼壓縮和傳輸，使用3G網絡聯入Internet實現遠程監控，借助WiFi無線網絡可以迅速構建無線局域網，節省網絡組建資源的消耗，并能實現3G網絡共享，Linux系統應用的易加載性，為后期功能的擴展提供了很好的支持，因而使用ARM和Linux平臺的無線視頻監控系統不失為一種良好的解決方案。

1 系統的整個架構

該系統采用分層、分離和模塊化的設計理念[2]，整個系統宏觀上由支撐性硬件平臺、系統軟件、客戶端三部分組成，而每一部分又由多個子模塊組成，這有助于功能的劃分和提高系統的穩定性，每個部分可以并行開發，最后集成測試，縮短系統開發的周期。

1.1 系統的硬件結構設計

系統的硬件平臺以三星的S3C2440為核心，此處理器采用RISC體系結構，具有低功耗、高主頻等特點，而且內部集成了多種總線接口和控制器資源，如I2C、SPI、IIS音頻接口，SDRAM控制器，LCD控制器，USB Slave等[3]。這種高集成度為硬件的設計帶來了方便，因此很容易加入攝像頭模塊、3G網絡模塊、WiFi模塊。該系統的硬件結構如圖1所示。

圖1 視頻監控系統硬件結構

1.2 系統的軟件結構設計

該系統的軟件結構分為硬件驅動層、Linux操作系統層、應用程序層。硬件驅動層主要實現底層硬件驅動的功能并為上層提供操作的接口，Linux操作系統層主要負責內存資源的管理以及進程間的通信的調度等，同時為應用層提供統一的接口實現對底層硬件的控制。而應用程序層則負責視頻圖像的采集、檢測、編碼、傳送、3G網絡的連接、WiFi無線局域網的組建、客戶端的連接請求，以及系統的整個邏輯結構的控制。系統的軟件層次結構如圖2所示。

圖2 視頻監控系統的軟件層次結構

2 系統的軟件設計

系統的軟件設計分為底層硬件驅動和監控系統應用程序兩部分。底層硬件驅動的設計分為兩個階段實現，第一個階段在硬件平臺上移植Linux操作系統時完成必要的硬件開發，這部分硬件是Linux操作系統運行的基礎，如SDRAM、Nand Flash和DM9000網卡等。這部分硬件驅動是以編譯進內核的形式存在。而第二個階段則是功能性硬件驅動的開發，如uda1341聲卡、攝像頭、3G模塊、WiFi網卡，這部分硬件的驅動采用模塊化的形式加載到了內核，從而節省了耗時的內核編譯過程。現從視頻監控應用層選取主要功能模塊進行描述。

2.1 視頻采集的實現

視頻采集設備的驅動是基于V4L2標準設計，視頻設備屬于字符設備類型，驅動中的分離分層模型使用v4l2-dev.c實現了字符設備的file_operation結構，使用v4l2-ioctl.c實現了視頻設備的屬性控制。視頻設備驅動層主要體現在對video_device，V4L2_file_operations，v4l2_ioctl_ops結構體的設置，video_device結構體用來描述設備是一個視頻采集設備，然后向核心層注冊，標識該設備驅動的存在[4-5]。應用層的讀寫操作最后都間接調用V4L2_file_operations來實現，v4l2_ioctl_ops結構體提供對視頻設備圖像的提取、參數的設置。應用層利用驅動提供的調用接口來時視頻圖像的采集，即驅動層提供機制，應用層實現策略。視頻采集的流程如圖3所示。

圖3 視頻圖像采集流程

2.2 H.264編碼壓縮

H.264是IEO/IEC和ITU-T兩大國際標準化組織聯手指定的高壓縮率視頻編碼標準，H.264采用的是預測編碼加變化編碼的混合編碼模式，融合了以往各個編碼標準的優點，獲得了更好的壓縮性能，在同等質量要求的前提下，H.264的壓縮比可以是MPEG-4的2倍。H.264擁有良好的結構和語法，能對速率、解析度進行靈活配置滿足不同的傳輸需求[6]。H.264的編碼架構如圖4所示。

圖4 H.264編碼架構

H.264同時也采用幀內和幀間預測的編碼方式，除了擁有預測、變換、量化、熵編碼功能模塊外，還增加了環內濾波功能，可以去掉馬賽克效應，增加圖像的編碼質量。從其編碼架構框圖可知，編碼器包含2個通路，分別是從左向右的編碼通路和從右向左的解碼通路。

利用H.264的開源編碼器x264實現視頻圖像的編碼壓縮，獲取x264的源碼包后，進行配置、編譯安裝，然后把生成的共享庫拷貝到系統的根文件目錄中的lib目錄中，以后調用的編碼模塊就能實現動態鏈接。當獲得采集的視頻圖像后，編碼壓縮步驟如圖5。

圖5 H.264編碼流程

2.3 視頻流的RTP傳輸

RTP(Real-time Transport Protocol)實時傳輸協議主要用于多媒體數據在網絡上傳輸，RTP協議位于UDP協議之上，它不能提供數據包的可靠傳輸，還必須借助RTCP協議輔助完成。

視頻圖像經過H.264進行編碼壓縮后，需要對視頻的碼流數據進行RTP打包傳輸，H264的功能分為視頻編碼層VCL(Video Coding Layer)和網絡提取層NAL(Network Abstraction Layer)，VCL數據要封裝到NAL單元后，才能用來傳輸和存儲。其NAL單元的數據格式如圖6所示。

圖6 NAL單元

其中NAL頭由1個字節組成，F為1時表示此幀錯誤，NRI表示NAL單元的重要等級，值越大重要性越高，TYPE表示NAL單元的類型，取值0到32，在對NAL單元進行RTP包封裝時會用到此類型參數。EBSP為擴展字節序列，是在RBSP的基礎上添加訪校驗字節0x03，主要是為了和起始碼相區別；RBSP為原始字節序列載荷，是在原始編碼數據SODB后面添加了結尾比特，1個比特1或若干個比特0用于字節對齊。RTP協議就是以NAL單元進行打包封裝，RTP包主要由RTP固定包頭和有效數據載荷構成。

H264碼流中每一個NAL單元都會添加一個起始碼0x000001，從而在碼流中可以分離出每一個NAL單元，在IP網絡中進行數據傳輸IP數據報文都會有限制，當數據超過最大傳輸單元MTU(Maximum Transmission Unit)時，數據就會進行分割分批傳輸，然而IP傳輸是不可靠，這導致RTP包被分割后丟失的可能性增大，以致影響接收端數據的恢復，因而一般采用對NAL單元進行分類處理，相應的組包策略如下[7]：

1)每個NAL單元單獨封裝成一個RTP包，針對NAL單元小于MTU，此為單一模式。

2)多個NAL單元組合成一個RTP包，而且RTB的大小不超過MTU，此為組合模式，這有利于提高傳輸效率。

3)對于NAL單元超過MTU時，對NAL單元進行分割，分別進行RTP封裝，此為分片模式。

對NAL單元進行組包，最終的目的都是使每一個RTP包都能完整傳輸，保證數據的可靠性。

2.4 3G網絡模塊

3G網絡具有高速的數據下載能力，相比2.5G(GPRS/CDMA1x)100 kbit/s的速度，3G在高速運動的情況下能達到144 kbit/s，低速時能達到384 kbit/s，靜止狀態能到達 2 Mbit/s， 在傳輸聲音和圖像的速度上相比2G/2.5G有明顯的提高，因而非常適合傳輸視頻數據。

2.4.1 3G撥號聯網

首先配置內核支持PPP(Point-to-Point Protocol)和支持USB串口模塊加載；下載安裝libusb庫和編譯usb_modeswitch；然后根據設備屬性編寫配置文件，使用usb_modeswitch進行模式切換[8]；對生成的驅動模塊進行加載安裝，根據不同的3G標準設置相應的撥號配置腳本；最后使用pppd call xx-dailer進行撥號連接，此時就可以訪問Internet。

2.4.2 DDNS技術的定向訪問

DDNS為動態域名服務，目的是將動態IP地址映射到一個固定的域名解析服務上，用戶每次接入Internet時，客戶端都會把主機的IP信息傳遞給服務商的服務器，服務器提供DNS和動態域名解析[9]，其工作模式如圖7。

圖7 DDNS工作模式

DDNS采用客戶端和服務器的模式，DDNS客戶端每次捕獲到動態變化的IP時，都會向DDNS服務器發送更新域名和IP對應的請求，DDNS服務器收到請求后，會向DNS服務器發送重新建立域名和IP映射的請求，DNS服務器則會對動態變化的IP實現更新。這樣用戶只需通過域名訪問，無需記住IP。系統使用3G模塊實現撥號聯網，但是每次連接時，所分配的IP地址不是固定的，因此首先申請獲得一個固定的域名，然后在系統中添加DDNS客戶端，每次進行3G撥號連接時，DDNS客戶端就會把IP發送給DDNS服務器實現域名綁定更新。

2.5 WiFi無線模塊

WiFi采用的是IEEE802.11b協議，具有頻帶寬、傳輸速率快、組網方便以及費用低等特性，已成為各種通信技術的補充。WiFi有兩種類型的拓撲結構，基于AP組建的基礎網和STA形成的自組網。支持多種安全認證機制，包括WEP/WPA-PSK/WPA2-PSK，能實現快速聯網和無線漫游。

2.5.1 WiFi無線網絡的組建

本系統使用WiFi模塊用于AP熱點模式，采用WPA2-PSK認證方式，通過移植hostapd來實現AP熱點的建立，具體參數配置如下：

interface=wlan0//WiFi網卡接口

driver=nl80211//對應的驅動

ssid=3G-WIFI//無線接入點名稱

channel=1//設定無線頻道

//認證加密方式，使用WPA2-PSK

macaddr_acl=0//mac地址過濾規則，0表示允許

auth_algs=1//認證算法，1表示開放性認證

ignore_broadcast_ssid=0//

wpa=2//wpa的類型，即啟用WPA2

wpa_passphrase=yourpassword//連接登入密碼

wpa_key_mgmt=WPA-PSK//加密認證方式

wpa_pairwise=TKIP//對應WPA

rsn_pairwise=CCMP//對應WPA2

建立AP熱點后，相當于建立了一個無線局域網，任何外部設備都可以連接進來，同時使用dhcpd來進行局域網內IP的自動分配。其配置參數設置如下：

subnet 192.168.1.0 netmask 255.255.255.0{

range 192.168.1.10 192.168.1.100； //IP分配區間

option domain-name-servers 192.168.1.1；//DNS

option routers 192.168.1.1；//路由

}

上面的配置參數主要設置WiFi局域網內IP地址的分配范圍以及數據流的IP路由端口。

2.5.2 3G網絡的共享

3G模塊實現Internet接入，WiFi模塊實現局域網的組建和外部終端的接入，3G和WiFi分別位于不同網段，為了實現WiFi局域網內的用戶共享3G網絡，必須實現數據轉發功能，實現內網到外網訪問通常使用位于網絡層的包過濾防火墻和位于應用層的代理服務型防火墻來實現，而實際中使用兩者的融合，先檢查網絡層數據然后再轉發到應用層進行二次檢查。

Linux內核中有一個netfilter組件，用于擴展各種網絡服務，它提供5個hook function并向用戶開放，從而用戶可以用iptables向netfilter傳遞規則，用于內核確定如何處理數據包。iptables使用地址轉換來實現網路共享[10]。現在添加iptables規則實現WiFi局域網內的用戶能訪問3G網絡。

往/proc/sys/net/ipv4/ip_forward文件寫入1開啟內核路由功能，然后清空表中所有鏈表，設置INPUT，OUTPUT，FORWARD 為ACCEPT，即允許接收、輸出、轉發，最后使用 iptables -t nat -A POSTROUTING -o ppp0 -j MASQUERADE實現內網地址到ppp0的轉換。

通過上面的設置就可以使用WiFi訪問3G網絡的資源了，在該系統中編寫各種模式的配置腳本，同時利用mdev機制，配置腳本自啟動，在系統初始化時就使WiFi無線網卡工作于指定的模式。

3 Web客戶端

該視頻監控系統采用B/S模型[11]，Web瀏覽器采用的是http協議，http協議是基于TCP協議之上的應用層協議。http協議主要分成請求協議和響應協議，服務器軟件主要負責解析http請求數據，并構造http響應數據包。對于Web的連接請求，通過在Web頁面中嵌入ActiveX控制來完成[12]， ActiveX使用MFC庫來實現，主要實現對接收的RTP包的去封裝，對H.264視頻流進行解碼播放，ActiveX最后要封裝成cab類型的文件，并嵌入到HTML頁面中，其格式如下：

其中id為控件的名稱；width，height指定視頻顯示區域；classid用于唯一對應該控件；codebase指定控件下載的路徑；param描述控件的屬性，如IP、端口。使用瀏覽器進行遠程監控時，會進行ActiveX的自動下載安裝，然后Web頁面開始實時顯示視頻圖像。

4 系統的測試運行

在ARM平臺上移植Linux操作系統后，并制作根文件系統。然后加載聲卡、攝像頭、3G、WiFi網卡的驅動模塊，編寫啟動腳本實現3G模塊的自動撥號連接、DDNS客戶端的自啟動和WiFi網卡工作模式的設置，并設置環境的變量，最后運行測試系統。使用手機先連接到新生成的AP熱點或直接利用3G網絡進行連接，然后通過瀏覽器輸入事先申請的固定域名訪問，立即出現預先設計好的頁面，頁面中視頻區域用于顯示圖像，控制區域可以實現視頻設備屬性的設置，同時可以設置拍照、預警、光控、電源管理等功能。測試結果表明達到預期效果。

5 總結

3G和WiFi網絡的結合，可以進一步擴展監控的區域，實現網絡的共享，網絡費用會進一步降低，同時用戶使用更加方便，在智能家居、安防監控以及不適合布線的地勢區域等都能得到有效應用，ARM和Linux的靈活性對系統擴展提供了有力的支持，可以完全按照個人要求來定制，系統設計中對各個模塊都進行功能的劃分和單獨設計，這有利于新功能的加入，而且給后期系統的維護和升級帶來很大的便利。

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張劍龍(1987— )，碩士生，主要研究方向為嵌入式應用開發；

王耀青(1961— )，教授，碩士生導師，主要研究方向為控制理論與應用、計算機控制；

楊 柳(1989— )，碩士生，主要研究方向為計算機控制。

責任編輯：時 雯

Design of Wireless Video Monitoring System Based on 3G and WiFi

ZHANG Jianlong，WANG Yaoqing，YANG Liu

(SchoolofInformationScienceandEngineering，WuhanUniversityofScience&Technology，Wuhan430081，China)

In order to achieve the wireless intelligent monitoring of the remote environment and improve the user’s control experience， the characteristics of 3G and WLAN wireless network are studied， an idea of developing a wireless monitoring system is proposed，using ARM and Linux as a platform， integrating contents of 3G and WiFi wireless network. The camera is used for video image collection， H.264 is used for image compression and RTP protocol is used for image transmission， to realize remote control transmission of 3G network， WiFi is used to realize the supplement of local area network access. Experimental results show that PC， tablet， mobile phone can connect the system at the same time， 3G and WiFi network can switch to each other， the outcome achieves the desired effect.

3G；WiFi；wireless video monitoring；ARM；Linux；H.264；RTP

TN929.5

B

10.16280/j.videoe.2015.16.016

2015-01-24

【本文獻信息】張劍龍，王耀青，楊柳.基于3G和WiFi的無線視頻監控系統的設計[J].電視技術,2015，39(16).