面向Android客戶端的無線視頻監控系統設計

摘 要： 為了滿足智能家居應用中隨時隨地進行視頻監控的要求，基于ARM嵌入式平臺，設計一種面向Android客戶端的無線視頻監控系統，該系統可實現無線中繼傳輸，具備端到端動態地址連接能力，并按需采集傳輸視頻數據。系統采用H.264視頻編碼技術，基于實時傳輸協議和IEEE 802.11g協議傳輸數據，可通過無線局域網或互聯網獲得監控視頻。通過構建實驗演示平臺進行了系統測試和分析，結果表明該系統部署靈活，獲取的監控畫面清晰穩定，可以滿足無線網絡環境下家庭視頻監控的要求。

關鍵詞： 視頻監控； 中繼傳輸； 無線網絡； 端到端連接

中圖分類號： TN948.64?34； TP399 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）12?0006?04

Abstract： Aiming at demand of getting video surveillance whenever and wherever possible in application process of smart home， a wireless video surveillance system for Android client was designed on the basis of ARM embedded platform. The system supports wireless relaying transmission， possesses an ability of peer?to?peer （P2P） connection with dynamic address， acquires and transmits video data as required. The H.264 video coding technology is adopted in the system. The real?time transport protocol （RTP） and IEEE802.11g protocol are used to transfer the encoded data. Surveillance video can be gotten with wireless local area network or Internet. An experimental demonstration platform was built to test and analyze the performance of the system. The results show that the system can be flexibly deployed， the accessed monitoring video is clear and stable， and the wireless video surveillance system can meet the requirements of video monitoring for smart home in the wireless network environment.

Keywords： video surveillance； repeating transmission； wireless network； peer?to?peer （P2P） connection

家庭視頻監控是智能家居的重要組成部分，人們希望能隨時隨地查看家中各個房間的監控視頻，以確保家庭成員和環境的安全。傳統的監控系統裝配體積較大的監控設備和服務器，采用有線傳輸監控畫面，具有布線復雜、可擴展性差、靈活性低的特點。隨著無線通信網絡技術的發展和網絡帶寬的提高，視頻監控可以通過更加方便靈活的無線網絡傳輸數據，而采用802.11單跳網絡傳輸視頻數據存在覆蓋范圍小，邊緣地帶信號質量差的問題，不能很好地滿足家庭視頻監控的要求[1?3]。同時，視頻點播以及視頻監控普遍采用服務器轉發模式，并持續進行視頻數據采集與傳輸，對采集端和服務器處理能力以及網絡傳輸帶寬要求較高。而在傳輸端和客戶端之間建立直連，按需采集傳輸視頻數據，能夠減小資源消耗，并可在一定程度保障家庭視頻監控信息的安全。近年來，Android智能手機和平板電腦已經得到普及，因而，面向Android客戶端的P2P無線視頻監控系統將具有廣泛的應用價值。

1 系統設計

視頻監控的目的是幫助人們利用網絡和終端實時訪問家庭監控視頻，掌握家中的安全狀態，采集家中的監控視頻信息，客戶端通過采集端IP地址請求訪問監控視頻。在家庭局域網中，采集傳輸端和客戶端可通過分配的靜態局域網絡IP地址建立端到端（Peer to Peer，P2P）連接。而當客戶端通過移動互聯網（或互聯網）進行遠程訪問時，由于采集傳輸端和客戶端多沒有全球惟一的IP地址，需要借助外部服務器進行地址轉發幫助建立連接。所以整個視頻監控系統由視頻采集傳輸端、客戶端和外部服務器組成。在一個無線接入點（Access Point，AP）不能覆蓋家庭范圍的情況下，可使用多個AP中繼傳輸擴大監控范圍。系統連接關系示意圖如圖1所示。

1.1 無線視頻采集傳輸模塊設計

為了適應安裝靈活、低成本、高性能的應用需求，系統采用ARM處理器作為視頻采集傳輸端的處理核心。在常規工作模式下，按需采集和傳輸數據，沒有查看請求時不啟動視頻采集傳輸流程，可極大地降低不必要的信息傳輸流量。為了有效保障家庭安全，系統通過紅外傳感器、接近傳感器、玻璃破碎傳感器檢測外部接近和意外闖入事件，通過事件驅動啟動視頻采集流程進入事件驅動監控模式，并實時推送告警消息。在事件驅動監控模式下，客戶端可遠程存儲監控視頻信息。也可通過圖像檢測的方法判斷是否有異常闖入事件。

無線視頻采集傳輸模塊硬件組成包括ARM處理器、紅外傳感器、接近傳感器、玻璃破碎傳感器、USB攝像頭、SD卡、無線局域網模塊。傳感器數據輸出口與處理器輸入口連接；USB攝像頭采集視頻數據可存儲于大容量SD卡；無線局域網模塊通過SDIO接口與處理器連接，接入家庭無線局域網。Android智能終端作為接收客戶端。傳輸模塊硬件組成如圖2所示。

1.2 無線視頻監控系統軟件設計

現行的家庭遠程視頻監控系統多通過第三方服務器進行視頻的轉發和存儲，家庭內部視頻信息存儲于外部服務器上，將帶來隱私保護的安全問題，同時也會浪費不必要的網絡資源和服務器資源。P2P點技術主要特點是整個網絡結構中不存在中心節點，每個節點能同時作為信息提供者和信息消費者，打破了傳統的服務器與客戶端的界限。無線視頻監控系統可能受到的隱私安全威脅主要來自存儲視頻泄露和視頻采集傳輸端非法訪問。采用P2P系統架構可避免家庭視頻監控數據通過外部服務器進行中轉和存儲，能有效保護家庭隱私。針對視頻采集端非法訪問，可通過身份驗證和視頻流加密相結合的方法，保證視頻會話連接的可靠和數據傳輸的安全，進一步提高無線視頻傳輸系統的保護隱私能力。

因此，本系統采用P2P架構。在無惟一IP地址的遠程客戶端互聯網訪問時，通過服務器與采集端交換地址和端口信息，以建立端到端連接。當多個客戶端同時訪問一個視頻采集傳輸終端時，在采集傳輸端和客戶端建立一個用戶數據報協議（User Datagram Protocol，UDP）多播組廣播監控視頻數據，實現同時訪問。系統軟件結構如圖3所示，系統分為采集傳輸端、客戶端和服務器端軟件。其中采集傳輸端由視頻采集、壓縮編碼、數據通信、報警推送和發送端控制邏輯5個模塊組成。發送端控制邏輯用于檢測環境異常和用戶傳輸請求，控制采集傳輸和消息推送模塊的狀態。客戶端軟件分為數據通信、解壓解碼、視頻播放、推送接收、接收端控制邏輯模塊。接收端控制邏輯管理視頻數據請求。

2 無線視頻傳輸系統主要功能模塊設計

傳輸系統主要功能模塊包括數據采集、視頻編解碼、數據傳輸和端到端連接模塊。

2.1 數據采集

因為無線視頻傳輸系統采用按需采集和按需傳輸的模式，需要采集系統在不啟動視頻采集傳輸流程的時候具有發現家庭異常情況的能力，所以使用傳感器輔助檢測異常情況。數據采集模塊通過采集視頻數據為客戶端提供監控畫面，通過采集傳感器數據感應意外狀況，從而及時推送報警信息。

一個家庭內無線視頻傳輸系統可能配置有多個采集傳輸端，家庭成員持有多個客戶端。一個傳感器采集到異常信息則給所有家庭成員客戶端推送報警信息。采集端傳感器在家庭成員外出或休息時可開啟，傳感器異常報警推送流程如圖4所示。玻璃破碎傳感器檢測狀態異常，表明窗戶玻璃突然破碎；紅外傳感器和接近傳感器狀況異常，則表明有生物靠近門窗邊并持續接近。兩種情況下均認為家庭安全受到外來人員威脅，發送報警推送請求。

2.2 視頻數據編解碼

視頻傳輸對網絡環境的要求非常高，要實現大容量視頻數據和視頻存儲，必須要先對采集到的視頻數據進行壓縮處理。視頻編碼領域視頻編碼標準有H.263，H.264，H.265，MPEG?1，MPEG?2，MPEG?4等標準，其中，H.264編碼平均比H.263節省50%的碼率，能在低碼率情況下提供高質量的視頻圖像[4]。并且市場上主流編解碼器對H.264的支持廣泛，而H.265由于硬件廠商支持不足的原因普及度不高，所以本視頻監控系統編碼技術采用H.264標準。H.264編解碼通過視頻編碼層（Network Abstraction Layer，VCL）進行視頻內容的高效壓縮，通過網絡提取層（Network Abstraction Layer，NAL）完成數據格式的封裝，封裝后視頻數據能在Internet上利用傳輸協議傳輸數據[5]。NAL層封裝后的數據為網絡抽象層單元（Network Abstraction Layer Unit，NALU），H.264 的基本數據流由一系列NALU組成。

H.264編解碼實現方式有硬件編解碼和軟件編解碼，硬件編解碼利用支持H.264標準的解碼集成電路或含專用解碼芯片和系統芯片編解碼數據；軟件編解碼實現主要利用支持H.264標準的解碼軟件。硬件編解碼處理速度比較快，延時小，占用CPU資源少，本系統視頻數據的壓縮選用硬件編碼。但由于目前大部分Android設備不支持硬解碼，所以采用軟件解碼視頻流。

2.3 視頻數據傳輸

家庭無線視頻監控系統中原始視頻數據經過H.264編碼后，需要通過傳輸層協議封裝傳輸。TCP/IP協議棧傳輸層基本協議包括傳輸控制協議（Transmission Control Protocol，TCP）和UDP。其中TCP保證數據可靠傳輸，但傳輸時延較大，直接采用TCP傳輸視頻監控數據不符合實時傳輸的要求；而UDP傳輸簡單、實時性強，但不保證傳輸數據可靠性和順序到達，客戶端收到的H.264視頻數據包可能無法正確按順序還原。實時傳輸協議（Real?time Transport Protocol，RTP）是建立在TCP，UDP上的傳輸層協議，為數據提供了具有實時特征的端對端傳送服務。RTP協議數據通過給數據包分配序列號的方法來確保視頻數據接收后按照順序恢復。在本系統中采用基于UDP的RTP傳輸實時視頻數據。

使用RTP傳輸H.264視頻流的方法是從H.264視頻中剝離出NALU。每個NALU 前用起始碼0x0001作為一個NALU的起始標識。RTP在NALU前添加RTP包頭，然后將包含RTP 包頭和NALU 的數據包發送出去。

2.4 網絡連接建立

在視頻監控系統中，傳輸端與客戶端建立連接時，需兩者處于同一局域網或者一方有合法公網地址。采集端和客戶端所處網絡和分配IP可能情況見表1。

表1 系統網絡分配情況

序號1所示情況可以直接通過局域網IP發起連接請求。序號2、序號3所示情況則不能直接請求建立連接，需通過網絡地址轉換（Network Address Translation，NAT）將采集端內部地址映射為一個合法公網地址；802.11單跳網絡無法覆蓋整個家庭范圍，家庭內部使用多AP部署無線網絡時，需要保證多AP所在網絡屬于同一局域網。網絡運營商給普通家庭用戶分配的IP一般是動態變化的，沒有固定的公網IP，所以不能通過端口映射到公網IP的方式直接建立網絡連接，局域網內的監控設備和局域網外的智能終端需要通信，必須要進行內網穿透即NAT穿透[6]。

在NAT穿透技術中，UDP打洞（Hole Punching）技術通過聚集服務器，轉發公有端點地址消息，使兩個客戶機建立P2P UDP對話，不需要服務器和客戶端支持專有協議。在視頻監控系統廣域網的應用場景下，如表1中序號2、序號3情況所示，外網訪問方案采用UDP打洞技術能最大程度減少服務器的開銷。UDP打洞技術原理如圖5所示，A表示采集傳輸端，B表示客戶端。A向服務器發送UDP消息告知其設備標識符和NAT地址，并在局域網地址上監聽UDP數據報。當B希望與A建立P2P連接時，通過A的標識符向服務器發送UDP請求查詢其NAT地址，服務器向B轉發A的NAT地址，用戶B向A的NAT地址發送UDP數據包，此時，用戶B的UDP數據包經過NAT A的端口映射，轉發給用戶A監聽的UDP端口，A與B完成P2P連接建立的工作。

為了擴大AP信號覆蓋范圍，無線網絡通過多個AP通過橋接或中繼器的方式連接形成分布式無線（Wireless Distribution System，WDS）網絡。中繼模式下從某一接入點接收的信息包通過分布式無線系統連接轉發到另一個接入點；橋接模式接收的信息包只能被轉發到有線網絡或無線主機。由于只有中繼模式可以進行WDS到WDS信息包的轉發，所以系統中AP在中繼模式下建立連接，實現信號中繼和無縫切換，從而使接入不同AP的采集端和客戶端處于同一局域網網段。

3 實驗及結果分析

為了檢驗所設計視頻監控系統的可行性以及性能，通過搭建實驗開發平臺進行實驗驗證，并對視頻傳輸系統的性能進行了分析。

3.1 系統實驗平臺

系統的測試實驗中硬件平臺的搭建處理器采用ARM11處理器，Linux 2.6.28系統內核版本，處理器自帶MFC（Multi Format Codec）編碼器，支持H.264格式的編解碼；USB攝像頭采集視頻幀大小為320×240；接收端Android手機屏幕大小為480×800。

3.2 測試結果

本系統客戶端監控畫面如圖6所示，屏幕顯示播放畫面大小為480×320，幀率為25 f/s。

為了測試數據傳輸的實時性，進行了數據包時延實驗。采集傳輸端與AP間距離小時，使用單個AP傳輸無線信號；間距離大、網絡信號弱時，采用兩個AP中繼傳輸。采集傳輸端和客戶端位于不同局域網，數據包發送時間和接收后還原時間差值為接收時延。測試的網絡帶寬為2 Mb/s，兩種情況下分別進行了50次實驗，每次發送100個數據包，數據包發送時間到完全接收的延時均小于0.5 s，說明網絡正常情況下，數據傳輸實時性強。

為了獲取視頻數據正常傳輸所需的最小帶寬，在單跳無線網絡和AP中繼無線網絡中分別進行了接收成功率實驗。限制采集端IP地址最大上行帶寬從0 Kb/s依次增加25 Kb/s直至300 Kb/s，記錄不同帶寬下成功收到的視頻幀數，計算平均接收成功率，結果如圖7所示。

從圖7中可以看出，在單跳網絡中，帶寬較小時有大量丟包，帶寬增加后成功接收率隨之增大，帶寬增大到200 Kb/s時視頻幀基本均能成功接收；兩個AP中繼傳輸時，視頻幀平均接收成功率與單跳傳輸接近，帶寬增大到250 Kb/s時視頻幀基本均能成功接收，傳輸的穩定性也只略有下降。說明兩種情況下監控視頻傳輸需要的帶寬均較小，在網絡帶寬正常情況下丟包率很小，傳輸穩定，家庭無線網絡帶寬能夠滿足監控要求。

4 結 語

本文設計了一種基于ARM處理器、存儲設備、USB攝像頭、傳感器、無線網絡模塊和Android客戶端的無線視頻傳輸系統，按需采集傳輸視頻數據。設計了系統的硬件組成架構和軟件功能模塊，實現了無線網絡下監控視頻遠程中繼傳輸，并通過實驗測試了系統數據傳輸性能。本文設計的系統部署靈活，能適應家庭視頻監控不同使用場景的需要，獲取的監控畫面清晰穩定，可以滿足無線網絡環境下家庭視頻監控的要求。下一步將重點解決身份驗證、視頻流加密和圖像異常檢測等技術問題，進一步提高視頻傳輸系統的保護隱私能力。

參考文獻

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