Design and Optimization of Building Security Video Surveillance System

孫鴻昌 / 張綠原 / 孫加紅 / 王升軍

1. 山東大衛國際建筑設計有限公司，山東 濟南 250101 2. 浪潮電子信息產業集團，山東 濟南 250101 3. 山東建筑大學信電學院，山東 濟南 250101

?

Design and Optimization of Building Security Video Surveillance System

樓宇安防視頻監控系統的設計與優化

孫鴻昌1/ 張綠原2/ 孫加紅3/ 王升軍1

1. 山東大衛國際建筑設計有限公司，山東 濟南 250101 2. 浪潮電子信息產業集團，山東 濟南 250101 3. 山東建筑大學信電學院，山東 濟南 250101

Through analyzing the traditional security video surveillance system, a new design with new internet technologies for the demand of intelligent security field is applied and a optimization scheme is proposed.So security systems, host computer and a variety of devices could connect seamlessly to network, all owing users could view security real-time status of building with the video surveillance system on the LAN anytime.

security， video surveillance， internet of things， VBR

0 引言

近年來，在建筑安防結合新型應用技術的發展過程中，安防系統的設計和優化水平得到了顯著提升，尤其以無線通信技術的成熟發展為代表，助推了物聯網技術的進步[1]。通過運用新的互聯網技術對傳統樓宇安防視頻監控系統進行重新規劃和設計(特別是對系統細節的優化)，使安防系統、主機和各種設備無縫連接到網絡中，用戶可通過視頻監控系統隨時隨地聯網查看樓宇安防實時狀態[2]。

1 樓宇安防視頻監控系統概述

樓宇安防視頻監控系統作為物業管理的重要組成部分，主要完成樓宇視頻數據的實時傳輸、同步播放以及視頻數據處理等功能，為建筑環境安全提供保障。而建筑的智能化發展方向使安防視頻監控系統不僅要完成傳統的鏡頭切換、俯角調節、變焦控制、回放查看等功能，更要實現智能化的轉變，使系統中的任何硬件設備都能被訪問和控制[3]。有時視頻監控影像資料可直接作為刑事案件的重要證據，這更加體現出一個可靠、穩定的樓宇安防視頻監控系統的重要性。

2 樓宇安防視頻監控系統問題分析

一方面，互聯網技術的日新月異，特別是手機等聯網設備的普及，加強了人們對樓宇安防領域的智能化需求；另一方面，住宅樓宇人員數量的增加，對傳統的物業管理系統提出了更高的要求，使得高效快捷的安防監控系統愈加重要[4]。

遠程聯網隨時查看物業狀態成為人們的需求，樓宇視頻監控系統與物聯網技術的結合成為行業發展趨勢，利用現有視頻監控資源可以有效降低改造成本。在新的系統中，每個攝像頭是一個地址唯一的終端監控設備，可以通過IP直接訪問和控制；另一方面，新系統還可以實現不同碼率的傳輸調控方式(VBR)，以充分節約存儲空間和帶寬資源；另外，為提高工作效率和生活樂趣，安防視頻監控需要接入互聯網中，并能通過聯網終端APP直接遠程查看和控制[5]。

3 樓宇安防視頻監控系統設計

3.1 系統總體網絡結構設計

本系統借鑒物聯網的聯網和控制思路，將視頻監控系統中的每個攝像頭連接到互聯網中，并通過終端設備APP隨時隨地遠程控制和查看樓宇實時狀態。

系統中的每個攝像頭都帶有自己的IP，且地址獨一無二，方便直接控制每個攝像頭的監控方向和角度。另外，每個攝像頭都是硬盤錄像機的一部分，其視頻流的傳輸分為并列兩路，一路流向自帶硬盤存儲；另一路跳過硬盤直接流向互聯網。在物業監控室的電視墻上可以查看每個攝像頭的采集信息，同時PC管理主機用來處理視頻數據，可實現快進、快退、不同時間點等多種查看方式。終端設備可以是平板電腦、手機等，安裝終端APP即實現聯網遠程查看[6]和控制。系統總體網絡結構設計如圖1所示。

圖1 系統總體網絡結構

3.2 視頻數據碼率設計

視頻的傳輸過程中，數據碼率控制是一個重要環節，首先數據源通過編碼器進行每一幀數據的編碼，之后數據被送入緩存器，經過網絡傳輸和解碼最終還原視頻數據，具體控制過程見圖2。

圖2 數據碼率控制框圖

碼率控制過程關系到數據的還原度，從而影響影像的失真率和清晰度，其控制的基本原則就是保證緩存器不會出現數據溢出。本系統選擇的是可變碼率控制(VBR)，通過調控碼率實現不同分辨率數據的傳輸，其不同幀率要求和分辨率下的碼率對應關系如表1所示。

表1 碼率對應表

可變碼率控制的優點在于靈活性較強，比如，夜間光線較弱的時間段可以調控為碼率最高的傳輸方式，以獲得更多的像素信息；根據樓宇監控點位的重要程度可選擇不同碼率的傳輸方式，這樣可以充分節約存儲空間。

3.3 硬盤容量設計與帶寬計算

3.3.1 視頻數據存儲空間設計

若規劃最大回放日期為d天，匹配硬盤容量的計算公式見式(1)：

(1)

式中，z是硬盤錄像機所匹配的存儲總容量；m是比特率，代表視頻數據傳輸的快慢，kbps；wi是指第i路視頻流在所選擇的比特率下60min所需要的硬盤存儲容量；h為系統一個工作日的小時數；d為硬盤錄像機所設定的最大回看日期。其中，wi的計算公式見式(2)：

wi=m÷8×3 600÷1 024

(2)

3.3.2 帶寬計算

帶寬的計算需要充分考慮數據打包封裝以及網路重連占用的帶寬資源，上行帶寬計算公式見式(3)：

(3)

當n=0.3、m=16、k=0.15、h=0.05時，可得視頻數據最低的上行帶寬為：0.3×16×(1+0.15)×(1+0.05)=5.80Mbps。

當n=0.5、m=16、k=0.15、h=0.05時，可得視頻數據最低的上行帶寬為：0.5×16×(1+0.15)×(1+0.05)=9.66Mbps。

由于下行數據內容主要為控制指令，可不用計算下行帶寬。

3.4 視頻數據控制接口設計

1)系統中視頻數據的解碼方式為硬件解碼，選擇硬件解碼矩陣板卡可實現相應碼率下的視頻數據轉換與解碼。硬件解碼卡直接設計到主服務器中，在視頻數據通過互聯網上傳到主服務器的同時就可實現同步解碼。解碼后的視頻數據既可以傳輸到電視墻的PC管理主機，也可以通過聯網終端APP實現遠程監控。

2)視頻監控系統中，用視頻流控制器實現影像同步播放功能時，一方面可以選擇開放SDK接口的視頻流控制器以簡化設計負責程度、縮短開發周期；另一方面，主服務器可將數據分段處理并存儲，并提供預覽查看、參數調整、加速回放等多種管理功能。

3.5 聯網終端APP軟件架構設計

隨著人們對現代樓宇智能安防需求的逐步提高，為提高工作效率和生活樂趣，可將安防視頻監控接入互聯網，并通過聯網終端和物聯網技術的應用，借助軟、硬件平臺的有效結合和多種視頻設備的遠程控制，為人們打造一個安全、智能的樓宇環境。

軟件的整體架構包含Linux Kernel、Application以及運行庫，需要編程的部分為Linux Kernel和Application。在Linux Kernel中添加新的Wi-Fi Driver和ZigBee Driver以適配和驅動新的硬件模塊，在Application中直接完成通信程序、數據處理和人機交互等部分。軟件架構設計方案如圖3所示。

圖3 聯網終端APP軟件架構設計

3.5.1 LwIP協議棧移植

LwIP是瑞士的AdamDunkels等開發的開源TCP/IP協議棧，此協議棧體積較小，易于移植。相對uIP、uC/IP、Linux TCP/IP協議棧，LwIP具有以下特點：

1)移植與有無系統無關。

2)內存使用量為40KB ROM和幾十KB RAM。

3)參考的資料較多，并且有多重方式與應用程序通信。

4)部分實現TCP/IP協議，且有套接字。

圖4 TCP/IP協議數據收發處理流程圖

由于LwIP對應用層的支持度方面應用較方便，在移植性方面優勢較明顯，且具有以上列舉的優勢。因此本系統通過移植LwIP協議棧到此平臺以實現TCP/IP協議棧。TCP/IP協議數據收發處理流程圖如圖4所示。

3.5.2 編寫TCP網絡數據交互文件

在房間控制器與下端各個節點間的Wi-Fi通信中，實現長久可靠的數據交換以及完成網絡文件的首發還需要編寫TCP/IP文件系統。其中，TCP_Connetction.c包含以下函數：客戶端回調函數ClientTcpConnected()、TCP/IP客戶端初始化函數TCP_Clinet_Connection_init()、TCP/IP服務器端初始化函數TCP_Connection_init()、LwIP工作函數vETH_SimpleStateMachine_Init()，下面給出一些TCP通信關鍵程序說明：

/*————————————————————————————————————————————

*函數名稱：TCP_Clinet_Connection_init()

*函數功能：客戶機建立TCP服務函數

*返回值： TCP_Connection_Error_TypeDef類型

—————————————————————————————————————————————*/

TCP_Connection_Error_TypeDef TCP_Clinet_Connection_init(void)

{

struct tcp_pcb *New_upcb; //定義一個pcb變量

struct ip_addr remote_ipaddr; //定義一個服務器地址

UINT32 udwRemoteIPPort; //定義一個服務器端口

udwRemoteIPPort=5000; //服務器端口5000

New_upcb=tcp_new(); //創建一個PCB

if (New_upcb==NULL) //PCB為空判斷

{

memp_free(MEMP_TCP_PCB, New_upcb);

return TCP_MemoryError;

}

tcp_setprio(New_upcb, TCP_PRIO_NORMAL); //設置PCB連接優先權

tcp_err(New_upcb, tcp_Error_callback); //設置PCB錯誤返回函數

if(tcp_connect(New_upcb,&remote_ipaddr,udwRemoteIPPort,ClientTcpConnected)!=ERR_OK)//PCB連接判斷

{

tcp_abandon(New_upcb,0);

memp_free(MEMP_TCP_PCB, New_upcb);

return TCP_ConnectionError;

}

Currentpcb=New_upcb;

return TCP_OK; //返回TCP連接返回值

}

/*—————————————————————————————————————————————

*函數名稱：TCP_Connection_init()

*函數功能：主機建立TCP服務函數

*返回值： TCP_Connection_Error_TypeDef類型

————————————————————————————————————————————*/

TCP_Connection_Error_TypeDef TCP_Connection_init(void)

{

struct tcp_pcb *New_upcb; //定義一個PCB變量

Demo_upcb=tcp_new(); //創建一個PCB

if (Demo_upcb==NULL) //PCB為空判斷

{

return TCP_MemoryError;

}

New_upcb=tcp_listen_with_backlog(Demo_upcb, Incoming_Queue_Limit);

udwListenTimes ++; //監聽事件累加

if (New_upcb==NULL) //監聽為空，釋放此PCB

{

memp_free(MEMP_TCP_PCB, Demo_upcb);

return TCP_MemoryError;

}

Else

{

Demo_upcb=New_upcb;

}

tcp_arg(Demo_upcb, NULL); //PCB參數設置清空

tcp_accept(Demo_upcb, tcp_Accept_callback); //設置PCB錯誤返回函數

return TCP_OK; //返回TCP連接返回值

}

4 系統優化方案

針對系統的結構設計特點及樓宇視頻監控系統的實際工作情況，在模塊化結構、聯動化控制以及智能化升級三個方面提出了優化方案，不僅提高了系統實用性，也方便了日后系統的硬件維護和軟件升級。

4.1 模塊化結構

硬件部分都采用統一的硬件標準，方便日后的硬件替換和維護，特別是鏡頭的選擇參數要保持一致，包括最大像素、焦距、光圈、安裝方式、景深等；綜合布線過程中，不同子系統的視頻電纜要統一；視頻壓縮格式要一致，控制卡之間相互可以替換。

4.2 聯動化控制

樓宇安防視頻監控系統是安防系統中的一部分，需要與其他子系統形成有效的聯動控制。終端APP要與監控室形成聯動，能在聯網終端設備直接提醒物業工作人員；在系統中預留連接消防廣播和數字對講的信號線，方便直接在廣播系統中發布信息。

4.3 智能化升級

系統長時間運行以后，可能會出現一些不合理甚至是不符合實際要求的設計，尤其是軟件設計。為此，在聯網終端APP中預留在線升級接口，只需將最新的版本發布到應用商店中，用戶即可一鍵升級。

5 結束語

隨著網絡通信技術的不斷進步，現代樓宇安防系統會更加智能化和集成化，功能也會更加穩定完善。安防視頻監控系統是建筑安防應用的重要組成部分，為整個樓宇提供了安全監視的重要保障，將會越來越多地融入到人們的日常生活中。

[1] 盛華軍.智能建筑安防監控系統中攝像系統優化設計[D].廣東工業大學,2013.

[2] 耿建軍.智能建筑中視頻監控系統的設計與應用[D].山東大學,2013.

[3] 戴曉婧,張寧.基于物聯網的北京體育場館預定及監測系統[J]. 物聯網技術,2012(7):69-71.

[4] 王可崇.智能建筑自動化系統[M]. 北京：中國電力出版社 2008,30-51.

[5] 韋波.IP技術助智能家居騰飛[J]. 數字社區&智能家居，2007(3):76-79.

[6] 葛川,賈智平.建筑能耗系統的采集與實現[D].山東大學,2010.

Sun Hongchang / Zhang Lvyuan / Sun Jiahong / Wang Shengjun

在分析了傳統安防視頻監控系統的基礎上，針對安防領域的智能化需求，運用新的互聯網技術重新對系統進行規劃和設計，并提出了優化方案，使安防系統、主機和各種設備能無縫連接到網絡中，使用戶通過視頻監控系統能隨時聯網查看樓宇安防實時狀態。

安防 視頻監控 物聯網 VBR