（控制科学与工程专业论文）民用爆炸物品视频监控系统的研究与设计.pdf

、 独创性声明 ； 声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 了谢意。 签名：互丝鸯日期：竺! l 李篁9 垫a 。 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的 全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息 服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生等鼽毳辑导师( 签名) 期驯年s 泗日 武汉理工大学硕士学位论文 ，摘要 矿产开采现场民用爆炸物品的视频监控管理逐渐成为视频监控行业应用的 一个重要分支。课题主要来源于作者参与开发的贵州省民用爆炸物品远程视频 监控的项目。矿产开采现场民用爆炸物品一般存放位置偏远，不易布线等问题。 所以采用3 g 无线网络传输音视频等数据。但无线视频监控存在带宽不足，数据 传输信号受干扰、衰减等因素导致丢包严重等问题。而且存在现场值勤人员无 法管理和客户端不能同时打开多路视频问题。为了解决以上问题，满足客户的 需求。主要做了如下工作： 首先介绍了视频监控系统整体框架和对一些关键技术进行比较选择。 其次对视频监控的相关通信协议进行选择和改进。并论述了平台对接的具 体实现。t c p 传输可靠性高，u d p 传输实时性好。针对3 g 无线网络远程传输带 宽窄，信号受到干扰和衰减等不利因素造成数据传输丢包率大，本文结合t c p 和u d p 各自的优点并根据网络质量的好坏来选择传输协议。 最后针对3 g 带宽窄不足以打开多路视频的问题，设计了轮询和互斥通道， 可以让四路视频流循环或者选择播放。针对民用爆炸品存放位置偏远，现场的 值勤人员不易管理等设计了巡更告警模块。 测试结果表明，网络传输协议改进后的音视频数据传输丢包率更小，视频 图像更为清晰、流畅。轮询和互斥通道方便客户点播多路视频。巡更告警功能 的实现能有效防止现场值勤人员脱岗、漏岗问题的发生。其中课题的远程视频 监控关键技术的选择和设备端对中心服务器平台对接的介绍为平台厂商、视频 监控设备商以及互联网服务商等相关产业的发展提供了理论依据。 关键词：3 g ，平台对接，轮询通道，互斥通道，巡更告警 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t 硼1 ev i d e os u r v e i l l a n c em o n i t o r i n ga n dm a n a g e m e ma b o u tt h ec i v i le x p l o s i v e s i nt h em i n e r a lh a sb e c o m ea l li m p o r t a n tb r a n c ho fv i d e os u r v e i l l a n c ea p p l i c a t i o n s t h es u b j e c ti nt h i sp a p e rc o m e sf r o mt h ep r o j e c to ft h er e m o t ev i d e os u r v e i l l a n c eo n c i v i le x p l o s i v e si nt h eg u i z h o up r o v i n c e c i v i le x p l o s i v eg e n e r a l l ys t o r ei nt h er e m o t em i n e r a le x t r a c t i o ns i t e n o te a s yt o 、) i ，i r ea n dt h ep e r s o no nd u t yc a nn o tb em a n a g e d t h e r e f o r e t h i sp r o j e c tu s e s3 g w i r e l e s sn e t w o r k st ot r a n s p o r ta u d i oa n dv i d e od a m s h o w e v e r , w i r e l e s sv i d e o s u r v e i l l a n c ee x i s t st h ep r o b l e m st h a tt h eb a n d w i d t hi sn a r r o w , t h es i g i n a li si n t e r f e r e d a n da t t e n u a t e d , w h i c hl e d st os e r i o u sd a t e sl o s s m o r e o v e r , t h ep e r s o no nd u t yo n l o c a t i o ni sn ow a yt ob em a n a g e da n dt h ec l i e n t sa r eu n a b l et o o p e nt h e m u l t i c h a n n e lv i d e o sa tt h es a m et i m e t 0s o l v et h ea b o v ep r o b l e m sa n dm e e t c u s t o m e rd e m a n d s t l l i sa r t i c l em a k et h ef o l l o w i n gw o r k ： f i r s t l y , i ti n t r o d u c e dt h eo v e r a l lf r a m e w o r ko fv i d e os u r v e i l l a n c es y s t e ma n d s e l e c t i o no fs o m ek e yt e c h n o l o g y s e c o n d l y , i nt h i sp a p e r , t h er e l a t e dc o m m u n i c a t i o np r o t o c o lo ft h ev i d e o s u r v e i l l a n c ea 托s e l e c t e da n di m p r o v e d a n di td i s c u s s e st h ec o n c r e t ei m p l e m e n t a t i o n o fp l a t f o r md o c k i n g t c pt r a n s p o r t i n gi sr e l i a b l e a n du d pi sg o o dr e a l - t i m e t r a n s m i s s i o n ，玎舱d a m sp a c k e tl o s sm t eo f3 gw i r e l e s sn e t w o r kf o rr e m o t e t r a n s m i s s i o ni sh i g hb e c a u s ei t sb a n d w i d t hi sn a r r o w , s i g n a li si n t e r f e r e da n d a t t e n u a t e d t h r o u g ha n a l y s i s i n gw h e t h e rt h en e t w o r kq u a l i t yi sg o o do rb a d , t h e p r o j e c tc o m b i n et h et c pa d v a n t a g e sw i t hu d p t os e l e c tt h eb e s tt r a n s p o r tp r o t o c 0 1 f i n a l l y , b e c a u s e3 gb a n d w i d t hi sn a r r o we n o u g hn o tt oo p e nt h em u l t i - c h a n n e l v i d e o s ，p o l l i n ga n dt h em u t e xc h a n n e la r ed e s i g n e dt oa l l o w sf o u r - w a yv i d e os t r e a m s t ob el o o p e d , o rs e l e c t e dt op l a y a tt h es a m et i m e b e c a u s et h el o c a t i o no fs t o r a g eo f e x p l o s i v e sf o rc i v i li sr e m o t e ，a n dt h ep e r s o no nd u t yi sn o te a s yt ob em a n a g e d 乃e p a t r o la l a r mm o d u l ei sd e s i g n e dt os o l v ei t 1 1 1 er e s u l ts h o w st h a ts i n c et h en e t w o r kt r a n s p o r tp r o t o c o li si m p r o v e dt h ed a m s l o s sr a t eo fa u d i oa n dv i d e of o rt r a n s p o r t i n gh a sb e c o m es m a l l e r , t h ev i d e oi m a g ei s m o r ec l e a ra n ds m o o t h ；r n l ep o l l i n ga n dm u t e xc h a n n e la l eu s e r - f r i e n d l yf o ru s e r s p l a y i n gm u l t i c h a n n e lv i d e o s ； t h ep a t r o la l a r mc a l le f f e c t i v e l yp r e v e n tt h ep e r s o n o nd u t yf r o mo f f - s i t ea n dp o s tl e a k a g e i na d d i t i o n , t h es e l e c t i o no ft h ek e y t e c h n o l o g yf o rr e m o t ev i d e om o n i t o r i n ga n dp l a t f o r md o c k i n gp r o v i d et h e o r e t i c a l b a s i s f o r t h ed e v e l o p m e n to fp l a t f o r mv e n d o r , v i d e os u r v e i l l a n c ee q m p m e m m a n u f a c t u r e r sa n di n t e r a c ts e r v i c e s k e yw o r d s ：3 gp l a t f o r md o c k i n g ，p o l l i n gc h a n n e l ，m u t e xc h a n n e l ，p a t r o la l a r m 武汉理工大学硕士学位论文 目录 第一章前言1 1 1 视频监控发展的趋势1 1 2 研究意义2 1 3 本设计问题的提出3 1 4 本文的研究内容及结构安排4 1 4 1 本文的研究内容4 1 4 2 论文各章内容安排5 第二章系统总体设计6 2 1 系统设计的基本原则6 2 2 系统的总体框架6 2 3 关键技术介绍。8 2 - 3 1 开发环境的搭建8 2 3 2 主控芯片的选型8 2 3 3 网络通信技术的介绍9 2 3 4 操作系统的选择1 2 2 3 5 编解码标准的选择。1 3 第三章设备端与平台的对接1 6 3 1 系统运行平台的构建1 6 3 2 线程池技术18 3 3 流媒体相关协议18 3 3 1t c p 协议1 9 3 3 2u d p 协议1 9 3 3 3h t t p 协议。2 0 3 3 4s i p 协议2 0 3 3 5r t s p 协议21 3 3 6r t p r t c p 协议2 2 3 4 传统网络协议选择2 2 3 5 流媒体传输协议的改进2 5 3 5 1 丢包分析2 5 3 5 2r t p u d p 传输模式2 5 3 5 3r t p t c p 传输模式。2 6 3 5 4 改进具体实现2 7 3 6 平台的配置2 7 3 7 设备端与中心服务器平台通信的实现2 9 3 7 1 设备的注册与心跳2 9 3 7 2 实时流媒体通信3 4 3 7 3 信令查询3 7 4 0 4 0 4 1 4 l 4 1 4 2 4 3 4 3 4 4 4 4 4 5 4 6 4 7 4 9 4 9 5 0 5 1 5 2 5 3 弱c j 射5 6 作者在攻读硕士学位期间发表的学术论文5 7 i v 武汉理工大学硕士学位论文 第一章前言 1 1 视频监控发展的趋势 随着当今社会治安和安全生产事故频发，视频监控在各个行业得到广泛应 用，它具有直观，实时，方便，内容丰富等特点。就其发展的阶段看，目前主 要经历了模拟视频监控，数字视频监控和网络视频监控三个阶段i l 。3 1 。 第一阶段：模拟视频监控系统 在2 0 世纪9 0 年代初及以前，在数字时代未到来时，视频监控主要处在模拟 设备对模拟信号的处理，我们称之为模拟视频监控系统。它主要由摄像机和监 视机用视频线直连的方式，前端用录像机存储。主要用于简单安保，生产现场 管理等场合。 模拟视频监控系统的音视频信号的采集、传输和存储均为模拟形式。其存 在很大的弊端，一是因为模拟信号在传输中抗干扰性差。二是点对点的直连的 方式虽然图像质量很高，但系统的扩展能力差。如果增加新的视频监控点，往 往牵一发而动全身，不利于多路视频监控的维护和管理。而且传输距离受限制， 无法实现远程视频监控的需要。三是录像资料随着时间的推移，可靠性和管理 性差。 第二阶段：数字视频监控系统 在2 0 世纪9 0 年代中期，随着计算机处理能力的提高和多媒体技术的发展， 视频图像的像素被用数字0 和1 表示。利用计算机的高速数据处理能力对视频进 行采集和处理，提高了视频采集的精准度，加快了视频采集和处理的速度。数 字视频监控系统主要以p c 机作为硬件平台，在操作系统上开发应用程序。相对 第一代模拟视频监控增加了录像回放，报警联动，远程控制等功能。同时硬盘 存储具有更大的存储空间。 当时以d v r 为典型的代表在视频监控市场受到广泛应用，d v r 是带硬盘的录 像机。它可以将模拟信号转化为数字信号，并存储在硬盘里。但是，数字监控 系统存在很大的不足。一是基于p c 的简单数字监控系统现场布线复杂且易死机。 二是功耗大，环境适应能力差。不适用环境恶劣地方的远程视频监控。 武汉理工大学硕士学位论文 第三阶段：网络视频监控系统 进入2 1 世纪后，随着数字图像处理及网络技术等技术的发展，视频监控行 业取得了飞跃的发展。现价段的视频监控设备采用嵌入式设备，控制指令用a r m 芯片控制，编解码采用d s p 芯片。软件部分采用在专门实时的嵌入式操作系统上 开发应用程序。如l i n u x ，w i n d o w sc e 等。并且还制定了通用的音视频编解码标 准。 网络视频监控系统一般基于t c p i p 架构，t c p i p 网络全球通用。这样带来 的好处是网络视频监控系统无需重新布线，可方便利用局域网、无线网、互联 网等传输。而且可以不受距离的限制。同时音视频数据经过压缩后可以实现远 程监控，到达网络能到达的地方。 虽然d v r 后来增加了网络功能，但更为强势的d v s ( 视频监控服务器) 成为 未来发展趋势。相比硬盘录像机应用的一个显著特点就是其系统基于网络架构。 其具有以下优点： ( 1 ) 用户访问不受地域限制，浏览方式可以是p c 客户端方式、w e b 方式和手 机客户端方式； ( 2 ) 网络化使得传统的本地录像功能可以转移到远程服务器上来实现海量 存储； ( 3 ) 网络化使得用户可以远程系统升级，节省了系统维护成本； ( 4 ) 网络化使得很多应用功能应运而生，例如语音对讲、电子地图和报警 联动等。 1 2 研究意义 矿产资源关系到国家的经济命脉，在推动我国经济发展中起着举足轻重的 作用。随着矿产开采的大规模进行，民用炸药用量不断增加。在国家西部大开 发战略的带动下，近5 年西部基建项目投资年增速和主要矿产产量年增速分别达 n 5 0 7 9 和1 3 5 3 。由于我国矿产资源具有分布广，地理位置偏等特点。所以 开采矿产一般都是在一些位置偏远，环境恶劣的地方。民用炸药是易燃易爆危 险品，如果犯罪分子伺机偷盗炸药去贩卖，一旦发生爆炸，会对人民的生命财 产安全构成重大的威胁。如何管理现场的民用药成为矿产开采行业亟待解决的 问题。 2 武汉理工大学硕士学位论文 随着计算机网络通信技术以及流媒体技术飞速发展，视频监控凭其形象、 直观、内容丰富等特点得到广泛应用。它在保障人民生活和生产的安全方面起 着越来越大的作用。为了保证矿产开采现场的炸药的安全，一般把矿产开采所 需炸药集中管理，存放在现场的炸药库里面。为了监视现场情况，采用技防和 人防相结合的办法。在技防方面，采用无线网络远程视频监控的策略。现场的 实时情况通过无线网络及时反馈到客户端，供管理人员、安全保卫部门及时了 解现场情况。这样可以在事件、险情发生之前获得报警信号，及时处理。在人 防方面，每天派人去查看现场，排除现场险情，防患未然。为了达到考勤的目 的，远程视频监控系统设计了巡更告警的功能，有效避免人工监控脱岗、漏警 等现象。 鉴于炸药一般存放位置偏远，地势陡峭。如果专门为其铺设网线、电缆。 不但技术复杂，而且耗资巨大。从技术性和经济性角度考虑，远程视频监控采 用3 g 无线网络进行音视频等数据的传输。并记录下巡更人值日情况，供远处客 户端随时随地查询。技防和人防相结合，确实起到保障现场的生产安全。 1 3 本设计问题的提出 1 ) 视频监控点分布广，不利于管理的问题。 矿产开采都是在很偏远地区，而且分布零散。如果采用传统的布线方式会 造成以下几个问题。 ( 1 ) 整个系统工程大，网络结构复杂，耗费非常高： ( 2 ) 系统智能化程度低，需多人值守，且后期维护成本很高； ( 3 ) 视频电缆信号传输有限，不能超过7 0 0 m ，且周围环境会干扰信号，引 起信号不同程度的衰减，如果在传输过程中增加信号放大器又会使信号失真。 因此对于分散视频监控的组网受到很大限制。 2 ) 3 g 网络带宽不足和丢包明显问题。 根据中华人民共和国通信行业标准y d t1 1 7 1 2 0 0 1 的要求，i p 网络服 务质量( q o sq u a l i t yo fs e r v i c e ) 需满足q o s 中1 级交互型网络标准。1 级 q o s 的性能指标为【4 】： ( 1 ) 平均i p t d ( i pp a c k e tt r a n s f e rd e l a yi p 包传输时延) 的上限值应 小于4 0 0 m s ； 3 武汉理工大学硕士学位论文 ( 2 ) i p d v ( i pp a c k e t d e l a yv a r i a t i o ni p 包时延变化) 应小于5 0 m s ： ( 3 ) i p l r ( i pp a c k e tl o s sr a t i o ni p 包丢失率) 丢包率的上限值应小于 l 1 0 - 3 。 网络视频监控数据流量很大而且实时性要求比较高。目前视频监控行业主 要使用c i f ( 3 5 2 x 2 8 8 ) 、h a l fd 1 ( 7 0 4 x 2 8 8 ) 、d 1 ( 7 2 0 x 5 7 6 ) 等几种分辨率【5 j 。 我们取c l f 格式作为参考，一般视频播放速率每秒2 5 - 3 0 帧，按照2 5 帧的播 放速率，每位象素取1 2 b i t ，一秒钟传输的视频数据量为 3 5 2 x 2 8 8 x1 2 x 2 5 = 3 0 4 m b i t 。即使在数据传输前进行编码压缩，一般单路2 5 帧 秒的c l f 格式图像码流的大小约为3 8 4 k b p s ；单路2 5 帧秒的d 1 格式图像码流 的大小约3 8 4 1 5 0 0 k b p s ，平均码流为9 0 0 k b p s 。按照客户端同时监看n 路c i f 格式，m 路d 1 格式的视频的计算，则客户端的带宽为( 3 8 4 * n + 9 0 0 * m ) k b p s 。由 于无线传输本身带宽相对于有线传输要低，而且无线网络本身的不稳定，丢包 问题明显。监控行业一般使用的都是上行带宽，以t d s c d m a 为例，目前3 g 实 际运行上行带宽一般小于3 0 0 k b p s 。 综上分析，3 g 无线网络视频监控存在丢包问题和带宽明显不足以满足客户 同时播放多路视频的问题。 3 ) 位置偏远，执勤人员漏岗的问题。 为了维护现场的安全，一般会派人值守。但由于位置偏远，环境恶劣，值 勤人员在现场无人管理，可能会出现漏岗，看顾不全的情况发生。 1 4 本文的研究内容及结构安排 1 4 1 本文的研究内容 针对偏远地区矿产开采现场炸药管理的需求，对民用爆炸物品远程视频监 控关键技术进行了研究。主要工作内容如下： ( 1 ) 针对矿产开采现场位置偏远，不易铺设电缆的实际情况。本文设计采 用远程无线视频监控的整体方案。在关键技术上采用上，充分考虑到技术改进 降低成本。为了降低成本，本文设计选择专门针对视频监控的一款芯片h i 3 5 1 2 和免费稳定的l i n u x 操作系统。高清化是视频监控发展的趋势。但硬盘存储容量 有限和网络传输上丢帧是是影响高清的重要因素。为了解决带宽不足，提高视 4 和对关于煤矿炸药库的远程视频监控的进一步展望。 1 4 2 论文各章内容安排 论文主要包含如下内容： 一 第1 章：前言。首先论述了视频监控的发展历程，并根据偏远地区开采矿 产现场炸药存放的特点提出了独特的视频监控设计方案。最后给出了本论文的 研究内容和结构安排。 第2 章：系统的总体设计。论述了远程视频监控系统的总体设计方案和关 键技术的选择。 第3 章：设备端与平台的对接。论述了中心服务平台的架构和原理。 最后论述了设备端和中心服务平台对接的通信协议以及其具体实现。 第4 章：系统的巡更告警。论述了针对3 g 网络带宽不够，设计轮询通道和 互斥通道。最后论述了巡更查询功能的具体实现。 第5 章：结论和展望。给出了调试结果，以及作者在调试过程中遇到的问 题和对本课题的展望。 最后一部分是论文的参考文献和致谢。 5 武汉理工大学硕士学位论文 第二章系统总体设计 2 1 系统设计的基本原则 1 ) 实用性。 系统建设考虑当地环境条件不易铺设网络电缆、监视对象为易燃易爆物品、 设备升级困难等因素。整体设计方案达到以下要求： ( 1 ) 3 g 无线网络进行远程传输； ( 2 ) 采用技防和人防相结合； ( 3 ) 通过中心服务器平台远程升级系统。 2 ) 可靠性与稳定性。 系统应采用成熟的技术和可靠的设备，主芯片采用占市场主导地位的海思 h i 3 5 1 2 芯片，其支持d s p 指令，具备高速数字信号处理功能。以保证系统稳定运 行的时间的要求。系统选择最为稳定的l i n u x 嵌入式操作系统。 3 ) 可扩展性。 为适应系统规模易扩展、功能扩充、远程软件升级的需求，采用监控点分 布控制，平台集中管理的方案。用户可随时根据需求增加新的监控点和功能。 4 ) 性能价格比。 为了降低成本，课题采用四路d v r 和l i n u x 嵌入式操作系统平台。四路d v r 可 以同时接入四路监控摄像头。l i n u x 系统的源代码完全开放。从而在关键设备档 次优良的前提下，保证系统的整体价格较低，从而使系统具有较高的性价比。 2 2 系统的总体框架 系统的整体设计方案要符合现场实际需求和不能超越现有技术的限制。本 文设计利用中心服务器平台达到分布控制，集中管理的功能。解决了以前点对 点直连时系统复杂、功能单一和不利于管理的缺点。同时利用3 g 无线网络传输， 解决了偏远地区不易铺设电缆问题。最后为满足现场巡更的需求设计了巡更告 警的功能。本设计方案具有针对性和实用性强等特点。整体设计框架如图2 - 1 所 示。 6 视频监控主要由三部分组成： 中心服务器平台：中心服务器平台主要由中心管理单元c s g ，流媒体服务器 m d u 和录像服务器m s u 等三个模块组成。其中的中心管理单元c s g 主要负责权 限的认证，信息管理，信令转发等功能；流媒体服务器m d u 主要负责视音频流 的多路转发，以达到视频监控的分布控制，集中管理的目的；录像服务器m s u 主要负责视音频流的存储，以解决前端设备和本地客户端存储容量小的问题。 存储的历史的音视频数据可供客户端下载查看。 客户端：客户端可供用户与设备交互，主要包括实时、历史音视频的播放 与控制，参数的查询和设置，云台的控制，巡更告警的管理，客户的权限认证 等功能。 前端设备：前端设备主要负责音视频的采集、编码和发送等功能。并接受 客户端发送的云台控制指令，提供告警通道等。 7 武汉理工大学硕士学位论文 2 3 关键技术介绍 开发环境的搭建、主控芯片的选型、网络通信技术、操作系统的选择和编 解码标准选择等是整体方案设计中的关键技术。下面对这些关键技术做介绍。 2 3 1 开发环境的搭建 w i n d o w s t 作台、l i n u x 服务器和目标板在同一个网络中。如图2 - 2 所示。开 发人员在l i n u x 服务器上搭建交叉编译环境，w i n d o w s i 作台通过串口和j a t g 与 目标板连接。开发人员可以通过w i n d o w s 工作台远程登录l i n u x 服务器或者直接 通过串口和j a t g 登录目标板进行程序开发网。 2 3 2 主控芯片的选型 图2 2 开发环境示意图 h i 3 5 1 2 是专门针对视频监控的一款a r m 芯片，广泛应用于硬盘录像机d v r 、 网络视频服务器d v s 、网络摄像机i pc a m e r a 。 c p u 内核是基于a r m 9 2 6 e j - s 处理器。此系列微处理器支持d s p 指令集，适合 于需要高速数字处理的场合。它采用5 级整数流水线，支持3 2 位a r m 指令集和1 6 位t h u m b 指令集，支持3 2 位的高速a m b a 总线接口，支持v f p 9 浮点处理协处理器， m m u 支持w i n d o w sc e 、l i n u x 、p a l mo s 等多种主流嵌入式操作系统；m p u 支持实 时操作系统，支持数据c a c h e ，主频最高可达2 6 4 m i p s t 刀。 在视频编解码方面，h i 3 5 1 2 的视频处理单元支持j p e g 、m p e g 、h 2 6 4 等多种 协议的实时编解码。并且h 2 6 4 和j p e g 可以同时编码，支持双码流编码。同时支 持3 0 0 万像素j p e g 抓拍。在图像处理方面，支持0 s d 叠加和视频、图形缩放。还 8 武汉理工大学硕士学位论文 具有灵活的运动监测功能。 由于h i 3 5 1 2 芯片功能针对性强，外围接口丰富。并提供基于l i n u x 的s d k 包 和h 2 6 4 的高性能p c 编解码库。所以系统设计选择海思的h i 3 5 1 2 作为主控芯片。 2 3 - 3 网络通信技术的介绍 2 3 3 13 g 无线网络 基于矿产开采偏远地区网络布线的复杂性和视频监控的可移动性方面考 虑，系统设计引进3 g 无线网络技术，3 g 是指第三代移动通信技术，是将无线通 信与互联网等多媒体通信结合的新一代移动通信系统。目前应用在中国的3 g 网 络主要分为三个标准：w c d m a ( 欧洲标准) 、c d m a 2 0 0 0 ( 美国标准) 和t d s c d m a ( 中国标准) 嗍。三个标准分属的网络运营商为：t d - s c d m a 中国标准是由中国移 动运营；w c d m a 欧洲标准是由中国联通运营；c d m a 2 0 0 0 美国标准是由中国电信运 营。目前3 大运营商的3 g 网络能达到的速度都差不多，下行带宽在2 8 m b p s 左右， 上行带宽可以达到3 0 0 k b 。 系统设计选择3 g 网络主要从以下几个方面考虑： ( 1 ) 网络布线方面：3 g 网络无需铺设线路，不受网络拓扑结构的限制，满 足了偏远地区网络布线复杂的问题。 ( 2 ) 前端设备的增减方面：3 g 网络可实现前端设备的随时增减，不会受制 于现有的网络环境。实现了分散视频点的远距离监控，从而用户享有更大的便 利性，节省大量人力物力。 ( 3 ) 可移动方面：用户可实现随时随地获取图像信息，实现更快速的视频 监控。 ( 4 ) 3 g 网络覆盖范围方面：3 g 网络覆盖范围广，不会因环境的限制而影响 视频监控的使用，实时性更强。 ( 5 ) 视频监控的个性化：基于手机的应用正步入人们视野，从而突破了传 统监控都是通过p c 机用b s 或c s 模式接入视频监控服务器。 ( 6 ) 视频监控的多样化：由于3 g 业务的多样化，可实现在原有的基础上进 行语音对讲，语音群聊等多样化的视频监控。 ( 7 ) 资费方面：随着3 g 牌照的发放，实现了三家运营商的有效竞争，从而 解决了行业垄断，更好的促进了3 g 资费进一步降低。随着3 g 网络技术的日趋完 9 武汉理工大学硕士学位论文 善，成本越低廉，价格也会越来越低。 2 3 3 2s o c k e t 通信 s o c k e t 是一种特殊的i o 接口，它也是一种文件描述符。s o c k e t 是一种常用 的进程之间的通信机制，通过它不仅能实现本地机器上的进程之间的通信，而 且通过网络能够在不同机器上的进程之间的通信。它通过i p 的源目的可以唯一 区分网络中两个设备的连接，通过i p + 端口号可以区别两个应用程序。通常我们 在应用程序里打开一个s o c k e t 来使用t c p 服务或u d p b 艮务。每一个s o c k e t 都用一 个半相关描述 协议、本地地址、本地端口) 来表示。数据结构如下 9 - 1 0 】： s t r u c ts o c k a d d r _ i n s h o r ti n t s i n _ f a m i l y ；序地址族木 u n s i g n e d s h o r ti n t s i n p o r t ；木端口号：l c s t r u c ti n _ a d d rs i n _ a d d r ； * i p 地址木 u n s i g n e dc h a rs i n _ z e r o 8 ；木填充o 以保持与s t r u c ts o c k a d d r 同样大 ) ；小木 s o c k e t 网络通信根据本地是客户端还是服务器端，或者根据使用t c p 协议还 是u d p 协议，函数调用流程不同。t c p 对话通过三从握手建立连接，它需要将本 地的i p 地址绑定到端口号。设备端和服务器端使用t c p 协议的流程如图2 - 3 所示。 服务器端客户端 图2 - 3t c p 协议s o c k e t 编程流程图 l o c p 更 n d ( ) 图2 - 4u d p 协议s o c k e t 编程流程图 s o c k e t 编程的基本函数s o c k e t ( ) 、b i n d ( ) 、l i s t e n0 、a c c e p t ( ) 、s e n d ( ) 、 s e n d t o ( ) 、r e c v ( ) 以及r e c v f r o m ( ) 等，根据本地是客户端还是服务器端，或者 根据使用的是t c p 协议还是u d p 协议，这些函数的调用有所区别。 ( 1 ) s o c k e t ( ) ：该函数是在应用程序中创建一个套接字，创建成功返回一 个非负的文件描述符。在创建的同时对函数参数进行初始化，选择协议类型和 套接字的类型。套接字的类型有流式套接字、数据报套接字和原始套接字。其 中流式套接字使用是面向连接、可靠的t c p 协议。数据报套接字使用无连接不可 靠的u d p 协议。 ( 2 ) b i n d ( ) ：该函数是用于t c p 的连接中套接字和与地址进行绑定，以至于 通过端口号找到对应的应用服务。在u d p 服务中则不需绑定。 ( 3 ) l i s t e n ( ) ：该函数用来对客户端多个未处理的请求创建等待队列，队 列里面放置未处理的请求。此时套接字为被动等待外来连接请求，但真正接受 外来请求的是a c c e p t ( ) 。 ( 4 ) a c c e p t ( ) ：该函数用来在等待队列里依次取出第一个未处理的客户端 武汉理工大学硕士学位论文 连接请求进行处理。 ( 5 ) c o n n e c t ( ) ：该函数主要是客户端用来连接服务器端。其中由于u d p 通 信是无连接协议，不需要b i n d ( ) 函数绑定，直接在客户端用此函数连接服务器。 所以一般u d p 通信中只有客户端先发送请求后，服务器端才能确定客户端的地址 进行通信。 ( 6 ) s e n d ( ) 和r e c y ( ) ：这两个函数可以用在t c p u d p 中发送和接收数据。函 数发送或接收成功，返回发送和接收的字节数。 ( 7 ) s e n d t o ( ) 和r e c v f r o m o ：这两个函数的功能同s e n d ( ) 和r e c v ( ) 。区别 是当用在u d p 时，函数的参数提供源主机的i p 地址和端口号信息，可以在 c o n n e c t ( ) 函数调用前使用。 2 3 4 操作系统的选择 开发平台操作系统的选择对开发产品的质量和成本起着很大的决定作用。 以下比较目前最流行的三种操作系统【l l 】。 1 ) w i n d o wc e w i n d o wc e 是微软公司在w i n d o w9 5 基础上开发的嵌入式操作系统，广泛应 用于手持设备和信息家电。w i n d o wc e 最大的优势是其g u i 继承了传统的w i n d o w s 9 5 9 8 的图形界面。w i n d o wc e 的接口函数是在w i n 3 2a p i 基础上重新开发的。 w i n d o w s9 5 9 8 上的编程工具可以在该平台上使用，使的很多应用软件可以很方 便的移植到该平台上继续使用。但它也有很明显两个缺点，一是其源代码不公 开，其板级支持包b s p 是收费的。二是对硬件要求高，资源消耗大。 2 ) v x w o r k s v x w o r k s 操作系统是1 9 8 3 年由美国w i n d r i v e r 公司开发的一种嵌入式实时操 作系统( r t o s ) 。可靠高和实时性强是它的两个最突出的优点，广泛地应用在武 器控制系统、卫星导航、宇宙飞船等对实时性要求比较高的场合。由于各功能 模块程序精炼而成，使得系统的开销很小，导致响应时间延迟短。同时它的调 度器采用基于优先级可抢占式的调度方式和轮转调度机制。这两方面充分保证 了它的高实时性。但最大的缺点是在其平台上开发收费，学习资料相对较少。 3 ) l i n u x l i n u x 最初起源于1 9 9 1 年芬兰的赫尔辛基大学计算机科学系的大二学生 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 l i n u st o r v a l d s 的l i n u x o 0 1 版本，一直到现在l i n u x2 6 内核的发布。始终遵 循着源代码开放的原则，源代码开放带来很多优势。其一，源代码的开放让开 发者不用付所谓软件授权费而使用源代码，降低开发成本。其二，技术透明性 有利于l i n u x 社区的志愿者发现各种安全漏洞，这样可以解决各种安全隐患，提 高了系统运行的稳定性和可靠性。l i n u x 操作系统应用在嵌入式方向因为它还有 以下几个方面的优势： ( 1 ) 系统可根据应用需要进行裁剪，最小可裁剪至u 1 5 0 k b 以下。解决了嵌入 式系统资源不足的问题。而且它还提供了界面配置内核，降低了开发者的工作 量： ( 2 ) 支持各种嵌入式硬件平台。包括x 8 6 、x s c a l e 、p o w e r p c 、a r m 、m i p s 等 多种体系结构； ( 3 ) l i n u x 操作系统支持a d s l 传输、无线网络传输甚至光纤传输。光纤带宽 最高可支持千兆网。良好的网络支持特性倍受开发者青睐。 w i n d o wc e 、v x w o r k s 和l i n u x 等嵌入式操作系统各有所长。但l i n u x 以其开 发成本低、功能强大和高稳定性等优点而受到广泛应用。系统设计方案采用了 基于l i n u x 的嵌入式平台的开发设计。 2 3 5 编解码标准的选择 2 3 5 1 压缩原理 视频监控行业中音视频数据占据很大存储容量，根据1 3 节计算分析，正常 浏览c i f 格式视频一秒钟传输的数据量约为3 0 4 m b i t 。如果直接在信道里传输需 要很大的带宽。以目前的网络通信技术是无法完成的。而且这么大的数据吞吐 量超过计算机的处理能力。因此必须采取有效的方法对数据进行压缩以达到处 在计算机处理能力和网络带宽范围之内。图像之所以能进行压缩是因为原始图 像数据之间的高度相性和冗余性。主要包括以下几个方面的冗余【1 2 以3 1 。 ( 1 ) 信息熵冗余：也被称为编码冗余。信息熵是对图像量化的单位。由于 图像像素的信息熵很难得到，采用脉冲编码处理一副图像时，每个像素点占用 的比特位数相同，而根据信息熵分配的每个像素占用比特位数是不相同的，这 样采用脉冲编码时存在很大的冗余。 ( 2 ) 空间冗余：同一空间下物体的同一点区域所有像素光强度、色彩以及 1 3 武汉理工大学硕士学位论文 饱和度相同。如果对每个像素点的物理特性用比特位表示，相邻像素之间存在 数据重复冗余。所以每帧图像的物体表面的物理特性具有相关性，在数字图 像处理中存在很大的空间冗余。 ( 3 ) 结构冗余：有些物体表面本身具有非常强的纹理结构，也就是不同区 域可能存在相似性或者某种关系。音视频数据解码时可以利用物体表面的相似 性或者某种关系恢复物体表面的本质。 ( 4 ) 时间冗余：流媒体技术特点是连续性和实时性。连续的音视频数据帧 随着时间变化，色度和亮度变化很小。而且在时间极短的情况下图像的位移量 和切换的概率极小。前后连续的视频帧的物理特性相似度很大导致存在很大