基于4G網(wǎng)絡(luò)的車輛防盜視頻傳輸系統(tǒng)設(shè)計

韓力，季志博，王磊，王軍

（蘇州科技大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，江蘇蘇州215009）

基于4G網(wǎng)絡(luò)的車輛防盜視頻傳輸系統(tǒng)設(shè)計

韓力，季志博，王磊，王軍

（蘇州科技大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，江蘇蘇州215009）

針對車輛監(jiān)控報警有效距離短、方式單一等問題，提出一種基于4G網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)控視頻實時傳輸系統(tǒng)設(shè)計方法。該系統(tǒng)以STM32為主控制器，檢測到車輛異常時，系統(tǒng)自動啟動高清攝像頭進(jìn)行視頻圖像采集，輸出的視頻經(jīng)過RJ45-USB轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換為USB數(shù)據(jù)類型，主控制器控制4G無線傳輸模塊將監(jiān)控視頻數(shù)據(jù)上傳至服務(wù)器，用戶利用移動終端訪問服務(wù)器可以自動獲得車輛的實時異常狀態(tài)信息。實驗證明：基于4G網(wǎng)絡(luò)的車輛防盜視頻傳輸系統(tǒng)具有實時性，傳輸視頻分辨率可達(dá)720 P，在車輛防盜系統(tǒng)領(lǐng)域應(yīng)用廣闊。

車輛防盜；高清視頻；實時傳輸；4G

隨著科技的不斷進(jìn)步以及經(jīng)濟的飛快發(fā)展，汽車的使用量急速增加，車輛被盜的威脅以及交通事故的現(xiàn)場取證等問題對車輛報警系統(tǒng)的要求不斷提高。現(xiàn)今車輛防盜系統(tǒng)一般分機械式、電子式、鑰匙芯片式。機械式報警系統(tǒng)廉價，但穩(wěn)定性低且不保險；電子式系統(tǒng)穩(wěn)定性和抗干擾能力不足；鑰匙芯片式系統(tǒng)要求距離短且極易誤報。為了解決現(xiàn)今防盜監(jiān)控系統(tǒng)[1]在各方面的不足，提出一種基于4G網(wǎng)的監(jiān)控視頻實時傳輸系統(tǒng)，實現(xiàn)了無線遠(yuǎn)程監(jiān)控和報警，不僅提高了車輛的防盜系數(shù)，而且原始的視頻圖像信息可以為后續(xù)制定安全措施提供依據(jù)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

實時視頻傳輸系統(tǒng)由主控制器、高清攝像頭、RJ45-USB轉(zhuǎn)換模塊、4G無線傳輸模塊組成。系統(tǒng)的主控制器通過繼電器控制其開關(guān)，接收到多傳感器模塊檢測的異常信號時，打開攝像頭，采集的視頻數(shù)據(jù)經(jīng)RJ45-USB轉(zhuǎn)換模塊變?yōu)閁SB2.0類型，然后利用串行通信命令4G無線傳輸模塊將數(shù)字視頻信號上傳至流媒體服務(wù)器[2]，用戶通過移動設(shè)備查看車輛的異常狀況[3]（見圖1）。

圖1 總體方案框圖

2 系統(tǒng)硬件介紹

主控器采用ST公司的STM32F103系列，32位Cortex-M3 ARM內(nèi)核，最高頻率可達(dá)72 MHz，內(nèi)部存儲最高可達(dá)512 K字節(jié)，用串行通信線和JTAG接口調(diào)試。攝像頭采用雄邁公司的IPG-50H10PE-S方案機芯，該方案高度集成化，集支持IR-CUT、DSP處理器、前端Sensor、網(wǎng)絡(luò)等于一體，獨有P2P穿透技術(shù)，連通率接近100%，高清720 P分辨率。4G無線傳輸模塊核心芯片選擇華為MC7710 4G/LTE型號芯片,支持多輸入/多輸出（MIMO）和GoBi API，具有高性能、尺寸小、質(zhì)量輕和天線多樣性等優(yōu)勢。多傳感器模塊由車內(nèi)紅外傳感器、車門尾箱狀態(tài)檢測器、車窗破裂感應(yīng)器、加速度感應(yīng)器、車輛震動感應(yīng)器共同組成，輸出信號線分別與STM32對應(yīng)引腳相連。

主控器STM32通過外部傳感器獲得車輛異常狀態(tài)信息，利用串行通信發(fā)送命令控制IPG-50H10PE-SL（32）機芯和MC7710 4G/LTE，攝像頭輸出的信號為網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)類型，經(jīng)過RJ45-USB轉(zhuǎn)換器后變?yōu)閁SB2.0數(shù)據(jù)類型，然后由MC7710 4G/ LTE發(fā)送至服務(wù)器。系統(tǒng)硬件連接見圖2。

圖2 硬件連接圖

3 監(jiān)控視頻實時傳輸軟件開發(fā)

3.1 攝像頭、4G/LTE芯片控制軟件流程

STM32通過I/O端口控制攝像頭的開關(guān)和接收多傳感器數(shù)據(jù)。STM32初始化時首先使能I/O引腳的時鐘，輸出端口設(shè)置為推挽式輸出，輸入端口設(shè)置為浮空輸入。然后初始化串行口，并將波特率設(shè)置為9 600 bps。

設(shè)置結(jié)束后，每隔1 ms檢測一次多傳感器模塊輸出的狀態(tài)數(shù)據(jù)，正常時端口置高電平，異常時被外部拉低，若檢測到低電平，則置位PA1口開啟攝像頭，同時利用串行口發(fā)送AT命令控制MC7710 4G/LTE將視頻數(shù)據(jù)發(fā)送出去。控制流程見圖3。

圖3 攝像頭、4G芯片控制軟件流程圖

3.24 G傳輸流程設(shè)計

利用無線網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)的過程中不可避免會出現(xiàn)丟包現(xiàn)象[4]，一般可達(dá)20%～30%。這使RTP傳輸協(xié)議[5]經(jīng)常產(chǎn)生丟幀問題。對于傳輸系統(tǒng)而言，關(guān)鍵是設(shè)計一套既具備實時性又有可靠性的視頻傳輸方法。所以在4G無線傳輸模塊傳輸數(shù)據(jù)時使用一種可靠回傳校驗機制，傳輸端包含發(fā)送部分和接收部分，兩部分結(jié)構(gòu)相同。每個傳輸端由發(fā)送隊、備份隊、校驗消息隊構(gòu)成，傳輸端會根據(jù)4G芯片啟動的通道數(shù)K，使用K個發(fā)送通道、K個接收通道，同時每個傳輸端都有一個數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)。

在收到發(fā)送數(shù)據(jù)命令后，STM32控制4G/LTE模塊依次對輸入的視頻數(shù)據(jù)完成三步工作：

第一步：將接收的視頻數(shù)據(jù)打包成幀并按順序放入發(fā)送隊和備份隊。發(fā)送通道每次取發(fā)送隊隊首數(shù)據(jù)幀發(fā)送出去，發(fā)送完畢后刪除發(fā)送隊中該數(shù)據(jù)。

第二步：接收到的確認(rèn)包進(jìn)入校驗消息隊，若收到某一數(shù)據(jù)幀的確認(rèn)包，則備份隊中確認(rèn)包對應(yīng)的備份數(shù)據(jù)幀刪除，如果某一數(shù)據(jù)幀的確認(rèn)包在一定時間內(nèi)未收到，就將該備份數(shù)據(jù)設(shè)置為丟失幀。

第三步：如果發(fā)現(xiàn)備份隊中存在丟失幀，則直接轉(zhuǎn)至發(fā)送通道優(yōu)先發(fā)送，如果不存在丟失幀，發(fā)送隊中數(shù)據(jù)幀則按順序進(jìn)入發(fā)送通道。

多個發(fā)送通道不斷從發(fā)送隊中取數(shù)據(jù)幀發(fā)送出去，發(fā)送完則刪除。多個接收通道不斷接收回傳的確認(rèn)包，并把確認(rèn)包統(tǒng)一放入校驗消息隊中。通過兩個傳輸隊的配合工作，底層網(wǎng)絡(luò)協(xié)議與頂層控制被隔離開來，眾多傳輸通道同時工作又實現(xiàn)了高帶寬傳輸，確保了系統(tǒng)的實時性。4G傳輸流程見圖4、圖5。

圖4 視頻發(fā)送流程圖

圖5 確認(rèn)包接收流程圖

4 實驗結(jié)果

高清攝像頭圖像輸出模式為1 028×720AVI格式，碼流為1 Mbps，視頻幀率為25 fps。系統(tǒng)使用1個TD-LTE通道進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，傳輸帶寬可以穩(wěn)定在1 Mbps左右，傳輸延時在2 s左右，在車輛異常時能即時記錄并發(fā)出警報。

5 結(jié)語

由本方案設(shè)計的4G視頻傳輸系統(tǒng)，傳輸視頻在質(zhì)量上有了顯著提升，分辨率可達(dá)720 P。相比其他車輛防盜系統(tǒng)，該方案在實時性上更勝一籌，且報警距離遠(yuǎn)，可同時用于交通事故的現(xiàn)場取證，便于車輛管理。由STM32單片機等芯片構(gòu)成的系統(tǒng)功耗低，可延長電源使用壽命。此系統(tǒng)亦支持GPS定位功能，能對被盜車輛進(jìn)行實時跟蹤，進(jìn)一步加強防盜系統(tǒng)。

[1]包啟明，陳益民，蘇保蘭.基于ZigBee和3G的遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計[J].計算機測量與控制，2014，22（10）：3171-3172.

[2]陳利,呂格莉，潘正清.流媒體視頻存儲服務(wù)器設(shè)計與研究[J].計算機工程與設(shè)計，2010，31（4）：26-29.

[3]屈寶鵬，張喜鳳，卜文銳.基于ATMEGA328的視頻監(jiān)控智能車的設(shè)計與實現(xiàn)[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2015，38（19）：161-162.

[4]鄭佳恩，彭瑞.無線視頻傳輸系統(tǒng)的發(fā)展動態(tài)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2013，36（15）：29-31.

[5]李宏科.4G技術(shù)在電力視頻監(jiān)控中的應(yīng)用探究[J].電氣時代，2014（5）：26-27.

Real-time video transmission system design of vehicle anti-theft based on 4G

HAN Li,JI Zhibo,WANG Lei,WANG Jun
（School of Electronic and Information Engineering,SUST,Suzhou 215009,China）

To solve the problems of the single mode and short transmission distance in the vehicle surveillance and anti-theft system,the paper proposes a design of the real-time video transmission system based on 4G network.Taking STM32 as the core processor,the system opens HD camera to capture video automatically when the vehicle is detected,and then the video data will be transformed into the USB data type by RJ45-USB conversion module.The digital signals are sent to the server by 4G module,so the abnormal state information of the vehicle can be shown by mobile terminal of users.Experiments show that the video transmission system of the vehicle anti-theft based on 4G networks has real-time and transmission video can reach 720P,which has wide application in the field of vehicle anti-theft.

vehicle anti-theft;video;real-time transmission;4G

TP277

A

1672-0679（2016）04-0075-03

（責(zé)任編輯：盧文君）

2015-12-15

江蘇省普通高校研究生科研創(chuàng)新計劃項目（KYZZ16_0480）；蘇州科技大學(xué)研究生創(chuàng)新項目（SKCX16_043）

韓力（1992），男，江蘇泰州人，碩士研究生。

王軍（1979-），副教授，博士，主要從事光電測控技術(shù)與儀器的研究，Email：281109685@qq.com。