基于云技術和SSH反向隧道技術的視頻監控機器人設計＊

李漭研，胡紅明，徐健平，潘錫斌，王昊

基于云技術和SSH反向隧道技術的視頻監控機器人設計＊

李漭研，胡紅明，徐健平，潘錫斌，王昊

（武漢理工大學 自動化學院，湖北 武漢 430070）

以樹莓派為控制和通訊核心，融合云技術和嵌入式技術，設計了一套基于互聯網的遠程實時監控機器人系統。系統使用云服務器作為中轉，通過SSH反向隧道技術，實現了移動端和監控機器人的跨局域網通訊。設計中控制指令和視頻數據分別采用TCP和UDP協議進行實時傳輸。經測試，此系統能夠滿足用戶隨時隨地遠程控制機器人，并觀看實時監控視頻的需求，有較廣泛的應用前景。

云服務器；SSH反向隧道；遠程視頻傳輸；監控機器人

1 引言

為此，本文設計了一套基于互聯網遠程視頻監控的機器人系統，實現了遠程控制、視頻傳輸同智能手機的結合，使用戶無論身在何處，只要能夠聯網，就可以通過手機實時獲取和觀看機器人采集的監控視頻，并可向監控機器人發送指令，自由操控其移動以隨心調節監控視角。

2 系統方案設計

為對監控機器人實現跨局域網的運動控制和實時視頻傳輸，本系統主要包括視頻采集模塊、運動控制模塊、數據通訊網絡、云服務器和移動終端幾部分。

安裝在機器人上的運動控制模塊以樹莓派為控制和通訊核心，攝像頭拍攝的視頻和傳感器采集的數據，均上傳至樹莓派，通過互聯網傳輸至移動終端；移動端發來的指令也經由樹莓派，下發至Arduino控制器，驅動機器人的電機以控制其移動。

移動端連接互聯網后，用戶通過APP可調取和查看監控機器人發送來的實時視頻和各類監測數據，同時也可通過操縱屏幕上的虛擬搖桿，向機器人遠程發送控制命令，使其向目標位置移動，進而調整監控范圍。系統總體設計如圖1所示。

圖1 系統總體設計示意圖

3 系統硬件設計

監控機器人硬件系統主要由樹莓派控制板、Arduino控制器、攝像頭、L298N電機驅動模塊和移動主體模塊（含底盤、車輪、電機和電池組等）構成。樹莓派控制板在其中起著核心作用，一方面通過配置的開源軟件motion控制視頻的采集和處理；另一方面主動建立與云服務器的遠程連接，是通訊的橋梁。Arduino控制器分別連接電機驅動模塊、傳感器和云臺的步進電機，同時通過USB轉串口與樹莓派相連，將樹莓派傳送來的控制指令發送給電機驅動模塊和步進電機，并將傳感器檢測的數據發回樹莓派。系統硬件結構組成如圖2所示。

圖2 監控機器人硬件系統組成

3.1 樹莓派控制板

本系統使用開源硬件Raspberry Pi 3B+作為數據處理和控制的核心平臺，其配備一枚Broadcom出產的ARM架構1.4 GHz BCM2837B0處理器，1 GB內存，使用SD卡作為存儲媒體，運行基于Linux的Debian系統，支持使用Python語言進行軟件開發，且擁有一個Ethernet、4個USB接口、HDMI（支持聲音輸出）和RCA端子輸出支持，具有運行速度快、開放性高、小巧輕便和價格低廉的優點。樹莓派控制板與其他硬件連接關系如圖3所示。

圖3 樹莓派與周圍硬件連接關系

3.2 Arduino微控制器

本系統使用Arduino mega2560微控制器，其核心是ATmega2560，同時具有54路數字輸入/輸出口（其中16路可作為PWM輸出），16路模擬輸入，4路UART接口，1個16 MHz晶體振蕩器，1個USB口，1個電源插座，1個ICSP header和1個復位按鈕。

Arduino還能通過各種傳感器來感知環境，板子上的微控制器可通過Arduino的編程語言來編寫程序，編譯成二進制文件，燒錄進微控制器。對Arduino的編程是通過Arduino編程語言（基于Wiring）和Arduino開發環境（基于Processing）實現的。

房產測繪工作的技術性較高，具有效率快、質量高等特點，并且房產測繪過程主要依賴于強大的計算機系統，并綜合其他科學技術，形成完整的房產動態管理系統，便于管理者對測繪數據進行分類管理。

3.3 視頻圖像采集模塊

本系統選用免驅動USB網絡攝像頭Logitech C670i作為視頻采集模塊的主體，其支持Linux操作系統，此外在攝像頭底部加裝由28BYJ-48減速步進電機和限位裝置構成的云臺，通過調節云臺可靈活改變拍攝視角。

3.4 電機驅動模塊

本系統采用L298N模塊對4個直流電機進行驅動，進而實現機器人的運動。L298N直流驅動器是一種雙H橋電路，采用15引腳封裝，供電電壓為5～35 V，可同時驅動多個直流電機。模塊上具有使能端EN和方向端IN1、IN2，通過改變使能端和方向端的邏輯電平，可以分別控制直流電機的轉速和轉向。

系統的總體硬件實物如圖4所示。

4 通訊方案設計

如何實現遠程移動端與機器人間的通訊是整個系統設計的難點。由于目前互聯網的IP地址劃分主要還是基于IPv4協議，IPv4中規定IP地址長度為32，但隨著互聯網的普及，IP地址已逐漸短缺。對于一般的局域網絡，運營商沒有足夠的公網IPv4地址分配，因此需使用NAT轉換技術，將一個公網IPv4映射為多個私網IPv4，內網設備分配到的并不是真正的公網IP地址，移動端也就無法通過IP地址直接與這些設備通訊。

圖4 系統的總體硬件實物

針對這種問題，本文提出一種以中繼服務器作為跳板，使雙方在沒有公網IP的條件下得以互聯通訊的方案。通訊方案如圖5所示。

圖5 系統通訊方案設計示意圖

4.1 連接的建立

由于監控機器人處在局域網環境下，沒有公網IP，位于外網的移動端無法直接建立與監控機器人的通訊連接。為此本系統配置了一臺位于公網的云服務器作為中轉，讓監控機器人主動連接云服務器，建立永久的SSH反向隧道以實現連接。搭建SSH反向隧道的關鍵技術是端口轉發，通過這種技術，云服務器可將外部移動端的請求轉發到局域網內部IP地址上的一個端口，并可以將監控機器人拍攝的視頻數據送回移動端。

樹莓派使用OpenSSH軟件登陸云服務器，之后將自身的PORT_2端口與云服務器的PORT_1端口綁定，用于監聽本地端口。該過程涉及的指令在樹莓派上寫成腳本，只要系統通電，就自動建立起SSH反向隧道。接著通過端口轉發，可將樹莓派上的某個端口A映射到云服務器上的端口B，此后發往端口B的所有數據能被云服務器轉發到端口A，這樣就實現了監控機器人和云服務器之間的連接。

4.2 指令傳輸

移動端發往樹莓派的控制指令由字符串形式組成，為確保指令頻繁傳送的可靠性，本系統采用TCP通信方式。而實現TCP通訊的前提是通過socket編程建立的客戶端和樹莓派之間的TCP連接。首先在樹莓派上部署TCP服務端，監聽之前與云端遠程綁定端口PORT_2；移動端加入socket客戶端，請求與云服務器的PORT_1端口建立連接；此后云服務器將全部流量轉發至樹莓派。這樣通過三次握手，移動端便與樹莓派建立了TCP連接。

連接一旦建立，移動端可直接向樹莓派發送指令，樹莓派接收到指令后通過echo命令將其寫入/dev/ttyUSB0或dev/ttyUSB1文件，運動指令經USB轉串口下發至Arduino控制器，驅動監控機器人的電機。

4.3 視頻傳輸

為保證用戶能實時獲取和觀看監控視頻，本系統采用基于無連接的UDP協議用于視頻傳輸，該方式優點為數據傳輸的效率高、時延小。

部署在機器人上的攝像頭采集視頻，視頻數據經USB傳輸給樹莓派，并以圖片形式暫存于系統的用戶目錄下。通過搭建本地服務器，將視頻以H264視頻流格式傳出，傳輸過程使用socat軟件，采用UDP協議將視頻流發送到云服務器的PORT_4端口；此外還需在移動端進行遠程端口轉發操作，將移動端的端口PORT_3和云服務器的端口PORT_4綁定。至此，移動端可隨時通過訪問相關網頁獲取監控視頻，對其進行解碼和播放。

5 系統測試

5.1 系統使用流程

給系統上電，待系統運行穩定后，啟動手機移動端APP進入啟動頁面，1 s后自動進入登錄界面，輸入用戶名密碼，系統進行信息匹配，密碼正確才能進入主界面。此后APP自動加載并顯示監控視頻，點擊開關按鈕連接到服務器，撥動虛擬搖桿即可給機器人發送相應的命令，遠程操控機器人移動。移動端APP運行主界面如圖6所示。

圖6 移動端APP運行主界面

5.2 視頻傳輸時延測試

為了驗證方案的可行性，分別在4G網絡和Wi-Fi環境下對視頻傳輸延遲進行了測試。使用同一臺Android手機安裝APP，將機器人的攝像頭對準秒表，監控視頻傳輸至手機，比對現實和視頻中的秒表讀數得出傳輸的延遲時間。

拍攝的視頻以320×240的分辨率存儲和傳輸，測得的數據如表1所示。

表1 監控視頻傳輸時延測試數據

網絡環境測試次數延遲時間/ms平均值/ms 4G1395438 2462 3457 Wi-Fi1364367.7 2392 3347

測試結果表明，設計方案切實有效，成功實現了不同局域網內設備間的互聯通訊，且監控視頻流暢清晰，延遲在可接受的范圍內。

6 結語

使用云服務器作為中轉，監控機器人通過SSH反向隧道與云服務器連接，移動端通過互聯網與云服務器綁定，實現了移動端和監控機器人的跨局域網遠程通訊。機器人搭載的樹莓派為核心硬件平臺，起到控制視頻圖像采集和傳輸指令的作用。本系統滿足了外網或異局域網用戶遠程控制機器人，觀看實時監控視頻的需求，具有傳輸速度快、可靠性高、實時性強、成本低的優點，且可進行二次開發，在各領域有廣泛的運用前景。

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TP242

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.01.016

2095－6835（2020）01－0054－03

國家級大學生創新創業訓練計劃資助（編號：201910497160）

李漭研（2000—），女，山西運城人，本科在讀，研究方向為物聯網。胡紅明（1978—），博士，副教授。

〔編輯：嚴麗琴〕