基于WiFi技術的地震現場無線音視頻監控系統終端

徐 年 章熙海 肖 飛 高 飛

（中國南京210014江蘇省地震局）

基于WiFi技術的地震現場無線音視頻監控系統終端

徐 年 章熙海 肖 飛 高 飛

（中國南京210014江蘇省地震局）

地震發生后，利用衛星通信向抗震救災指揮部回傳地震現場畫面，存在靈活性和全覆蓋性低的特點?；诖耍疚奶岢龌赪iFi技術的地震現場無線音視頻監控系統終端設計，能夠有效實現地震現場全覆蓋不間斷的實時遠程視頻監控，對于提高地震應急救援能力具有重要作用。

衛星通信；WiFi；地震現場；應急救援；視頻監控

0 引言

中國是個地震發生較多的國家。地震發生后，政府和公眾需要及時了解震區情況，以便開展抗震救災行動?，F階段主要利用衛星通信方式向抗震救災指揮部回傳地震現場畫面，但這種方式存在靈活性和全覆蓋性低的特點。本文就此提出一種基于WiFi技術的地震現場無線音視頻監控系統終端的設計。地震現場移動目標無線視頻監控系統通過建立地震現場和指揮部有線/無線混合網絡傳輸平臺，是現有視頻監控系統在功能上的擴展，借助于組網靈活方便的無線網絡和異構網之間融合的趨勢，監控終端將具有更加靈活的移動性，能夠實現地震現場全覆蓋不間斷實時遠程視頻監控、信息集成與綜合監控等功能，彌補現有視頻監控系統的不足，從而提高監控系統的實用性（徐年等，2015）。

1 系統設計

1.1 方案設計

本研究涉及的音視頻監控終端為便攜式設備，主要實現對語音、視頻數據的采集、壓縮編碼和傳輸，同時支持語音數據的回傳和解碼輸出。在WiFi環境下，數據的輸入輸出依靠裝置中的WiFi模塊和有線網絡中的AP之間的通信實現。如圖1所示，終端和節點AP之間建立傳輸層的無線連接，終端獲得節點IP信息并連接無線網絡連接，使用RTP協議傳輸數據。在WLAN中進行切換時，通過一定切換準則實現不同AP接入進行數據連接和傳輸（徐年等，2014）。

根據設計，選定國產海思多媒體處理芯片作核心處理設備，海思半導體公司推出的Hi3515是一款基于ARM9處理器內核的SOC處理器，ARM9處理頻率達400 MHz，帶有MPEG/H.264視頻硬件壓縮編碼，內有200 MHz的DDR2 SDRAM接口，有豐富的視頻輸入輸出接口及SATA/SDIO/SPI/UART/USB多種外圍接口，是目前智能家居、物聯網絡、安防監控、視頻通信及工業控制領域比較通用的嵌入式終端設備芯片。

圖1 終端與節點AP的數據交換Fig.1 The data exchange between terminal and node

1.2 硬件設計（盛家倫，2005）

遠程無線視頻監控系統終端組成見圖2，基于海思多媒體處理芯片Hi3515的視頻處理系統，接收CMOS攝像頭感應的數字視頻信號，經H.264編碼壓縮后由WiFi模塊發送，地震現場通過相應AP接收視頻信號，并上傳至指揮部后臺監控中心，后端監控服務器接收視頻數據，并進行H.264解碼顯示。

1.3 WiFi無線模塊連接

1.3.1 無線WiFi模塊。根據實際需求，選擇帶USB接口的WiFi模塊與Hi3515連接。為此，選擇的WiFi模塊無線模塊主要由發射器、接收器和控制器3部分組成，組成框圖見圖3，其中RalinkRT2070WMAC/BBP自帶USB接口和JTAG接口，數據通過無線收發芯片 RT2070 進行收發（夏振華等，2010）。

圖2 終端設計Fig.2 Terminal design diagram

圖3 Ralink無線WiFi模塊結構Fig.3 Structure diagram of Ralink wireless WiFi module

1.3.2 Hi3515處理器USB接口設計。USB 2.0 Host控制器控制器中包含一個Root Hub（USB系統的一部分，通過Hub可以擴展USB接口），支持High-speed（480 Mbit/s）、Full-speed（12 Mbit/s）和Low-speed（1.5 Mbit/s）3種數據傳輸，支持USB 2.0、OHCI Rev1.0a和EHCI Rev 1.0協議。USB 2.0 Host 控制器的大部分硬件邏輯可以完成：①對傳輸的控制和處理；②對數據包的解析和打包；③對USB傳輸信號的編碼和解碼；④為驅動程序提供中斷向量等接口。USB 2.0 Host控制器具有以下功能：①支持USB 2.0協議；②支持OHCI Rev 1.0a、EHCI Rev 1.0協議；③支持High-speed、Full-speed、Lowspeed數據傳輸模式；④支持低功耗的解決方案；⑤支持Control Transfer、Bulk Transfer、Isochronous Transfer、Interrupt Transfer 基本數據傳輸類型；⑥通過USB Hub，最多可連接127個設備。USB 模塊邏輯見圖4。

1.4 主軟件模塊框架

視頻監控系統的采集終端主要是有攝像頭、Hi3515視頻開發平臺、WiFi模塊以及嵌入式程序等組成。系統采集視頻和音頻信號，輸入Hi3515處理器。Hi3515收到音視頻數據，處理后進行編碼，同時把寫文件時的緩存數據封裝成IP流，通過WiFi無線模塊傳輸到網絡上。為保證多任務之間對資源的競爭和共享，采用多進程算法和互斥量進行進程控制，主進程主要負責管理、控制和協調所有硬件設備，并處理來自硬件的中斷請求。同時，控制各子進程的打開與關閉，對壓縮編碼之后的碼流數據進行存儲、解碼顯示以及RTP封包等。該部分主軟件模塊見圖5（趙慶林，2005）。

圖4 Hi3515處理器USB模塊邏輯Fig.4 Hi3515 USB module logic block diagram

圖5 主軟件模塊Fig.5 Block diagram of main software

2 系統測試

視頻監控終端將采集圖像以無線方式發送至與之關聯的AP，以便將地震現場視頻信號及時傳輸到指揮部。在此對該系統的本地覆蓋性能、圖像傳輸質量、語音傳輸質量進行測試。

（1）本地覆蓋性能。從應急指揮車算起，測試無線信號的覆蓋能力、能夠延伸的距離及傳輸效果最佳距離。測試發現：在300 m距離內，語音圖像效果比較好；300—350 m范圍內，圖像聲音有2—3 s的延時；到達400 m左右時信號丟失?？梢?，該系統的最佳傳輸距離應為260 m。

（2）圖像傳輸性能。觀察圖像傳輸的流暢性、圖像質量和圖像延時時間，發現圖像質量良好，傳輸比較流暢，偶爾有約1 s的延時。

（3）語言傳輸性能。觀察語音傳輸的流暢性、語音質量及語音延時時間，發現單兵向指揮部通話，有約1 s的延時；指揮部向單兵通話，有約3 s的延時；語音傳輸比較流暢，語音通話質量良好。

3 系統應用

2016年6月23日，江蘇省地震應急救援中心聯合南京、蘇州、無錫、常州和南通市地震局開展地震應急綜合演練。工作人員攜帶地震現場無線音視頻監控系統趕赴地震演練現場，并將現場圖像（圖6）和聲音回傳至后方指揮部，效果良好（徐年等，2016）。

圖6 地震現場無線音視頻監控系統回傳畫面Fig.6 The picture returned to terminal by the audio and video monitoring system from earthquake site

4 結束語

WiFi技術具有組網簡單、傳輸速率快、成本低等優勢，將WiFi技術應用到地震現場中，可以有效實現地震現場視頻圖像畫面全覆蓋，對于提高地震應急救援能力具有重要作用。

盛家倫，劉在濤.地震應急指揮系統關鍵技術和總體設計[J].地震地磁觀測與研究，2005，26（4）：107-116.

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，（3）：95-98.

徐年，陳飛，李偉.江蘇省地震應急物資庫管理系統設計[J].地震地磁觀測與研究，2016，37（2）：119-122.

徐年，章熙海，肖飛.江蘇省地震前方指揮車應急數據信息通信方式的實現[J].網絡安全技術與應用，2014，（9）：93-94.

徐年，章熙海，高飛.地震應急指揮車現場應急通信技術系統的設計與實現[J].智能計算機應用與研究，2015，（2）：5-8.

趙慶林.蜂窩重疊情況下移動IP切換延時分析[J].通信學報，2005，（01）：14-17.

About the seismic site wireless audio and video surveillance system terminal based on WiFi technology

Xu Nian，Zhang Xihai，Xiao Fei and Gao Fei
(Earthquake Administration of Jiangsu Province,Nanjing210014,China)

After the earthquake, the traditional way for transferring back the earthquake site pictures to the earthquake relief headquarters is satellite communication method.But this way has the feature of low fexibility and low full-coverage.Based on this, a design of seismic site wireless audio and video surveillance system terminal based on WiFi technology is presented in this paper.It can effectively achieve full coverage of the earthquake scene and uninterrupted real-time remote video surveillance.It will play an important role for improving the power of earthquake emergency rescue.

satellite communication，WiFi，earthquake site，emergency rescue，video surveillance

10.3969/j.issn.1003-3246.2016.06.029

徐年（1982—），男，碩士，江蘇省南京市人，工程師，主要從事地震現場應急通信技術研究工作。

E-mail： xunian0215@163.com

本文收到日期：2016-01-19