（信号与信息处理专业论文）车载移动监控系统终端设备软件的设计与实现.pdf

摘要 摘要 作为公共安全防范体系的重要组成部分，对公交车、校车、出租车等车辆的监 控引起了人们的广泛关注。然而，目前大多数的车辆监控设备仅含有本地的录像存 储功能，没有无线网络传输功能，无法进行联网和远程监控，不能满足城市级联网 视频监控的需要。随着无线网络技术的日趋成熟，编码压缩算法的进一步优化，建 立起基于移动网络的车载视频监控系统成为可能。 车载视频监控系统通常由监控中心和车载监控终端构成，本文研究的是监控终 端的软件设计及实现。本文首先介绍了终端系统的硬件组成，即采用“主板+ 网传 板”方案，主板负责录像，网传板负责无线网络传输，明确了本文的工作是针对网 传板的软件设计及实现。网传板采用的h i 3 5 1 0 芯片，其软件平台采用l i n u x 操作系 统。接下来对网传板软件进行了需求分析、结构化设计，并划分出了功能模块，然 后详细设计和实现了各个功能模块。功能模块包括配置参数模块、主机通信模块、 视频编码模块、串口通信模块、中心通信模块五个模块。其中，中心通讯模块负责 与监控中心通讯，是本文研究的重点。研究的内容包括：通讯协议的制定；设计一 个状态机来接收中心下发的消息；设计一个虚基类来封装回调接口；带宽自适应等 一系列关键技术。 最后，在c d m a 无线通信网络和i n t e m e t 平台上，对车载监控终端和监控中心 进行了功能与性能测试。测试表明，通过c d m a 无线模块向监控中心以c i f 格式 传输5 帧秒的图像，画质清晰，流畅性良好。 然而由于目前无线通信网络带宽的限制，车载视频监控系统与传统有线的视频 监控系统在性能上还有较大的差距，因此3 g 无线通讯网络和更高效率图像编码技 术是车载监控系统需要进一步研究的重点。 关键词：车载，视频监控，模块设计，带宽自适应 a b s t r a c t a b s t r a c t a so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tc o m p o n e n to fc o m m o ns e c u r i t yd e f e n c es y s t e m ， m o n i t o rt om o b i l ev i h i c l e sl i k eb u s ，s c h o o lb u sa n dt a x im a k e sp e o p l e se x t e n s i v e a t t e n t i o n h o w e v e r , m o s to ft h em o b i l em o n i t e rd e v i c eo n l yh a sl o c a lr e c o r df u n c t i o n ，b u t d o e sn o th a v et h ef u n c t i o no ft r a n s m i tv i d e of r o mw i r e l e s sn e t w o r k ，s oi tc a n tb eu s e di n t h er e m o t en e t w o r km o n i t e rs y s t e m ，t h a tm e a n s ，i ti sn o t s a t i s f yt h en e e do fn e t w o r k m o n i t o rl i k em o n i t o rt h ew h o l ec i t y a sl o n ga st h ed e v e l o p m e n to fw i r e l e s sn e t w o r k t e c h n o l o g ya n dt h em o r eo p t i m i z e do fe n c o d ea l g o r i t h m e t i co fv i d e o ，i tm a k e ss e t u pt h i s m o b i l ev i d e om o n i t o rs y s t e mb a s e do nw i r e l e s sn e t w o r kv e r yp o s s i b l i l t y t h em o b i l ev i d e om o n i t o rs y s t e mi sc o m p o s e do fm o n i t o rc e n t e ra n dm o n i t o r t e r m i n a l t h i sp a p e rw i l ls t u d yb o t ht h ed e s i g na n di m p l e m e n to ft h em o n i t o rt e r m i n a l s s o f t w a r e a tt h eb e g i n n i n g ，t h ep a p e ri n t r o d u c e st h eo v e r a l lh a r d w a r es t r u c t u r eo ft h e t e r m i n a ls y s t e m ，t h a ti sm a i nb o a r d ( m b ) a d dn e t t r a n s l a t i o nb o a r d ( n b ) ，m bh a n d l e sw i t h t h el o c a lr e c o r df u n c t i o n , n bh a n d l e s 、 ，i mt r a n s l a t i o nv i d e of r o mw i r e l e s sn e t w o r k ，a n d t h ep a p e r sw o r ki st od e s i g na n di m p l e m e n tt h es o f t w a r eo nn b n bu s e sh i 3 510c h i pa s i sh a r d w a r ep l a ta n dl i n u xo sa si ss o f t w a r ep l a t a f t e rt h a t ，w ea n a l y s et h en e e d ，d e s i g n t h ec o n s t r u c t u r e ，d i v i d et h ef u n c t i o nm o d u l e s ，a n dt h e nd e s i g na n di m p l e m e n te a c h m o d u l e s t h em o d u l e sc o n t a i nc o n f i gm o d u l e ，m bc o m m u n i c a t i o nm o d u l e ，v i d e oe n c o d e m o d u l e ，s e r i a lc o m m u n i c a t i o nm o d u l ea n dc e n t e rc o m m u n i c a t i o nm o d u l e t h e r e i n t o c e n t e rc o m m u n i c a t i o nm o d u l er e s p o a s e st h ec o m m u n i c a t i o nw i t hm o n i t o rc e n t e r , i ti st h e m o s ti m p o r t a n tr e s e a r c hp o i mo ft h ep a p e r r e s e a r c hc o n t e n tc o n t a i n se s t a b l i s h t h e t e l e c o m m u n i c a t i o np r o t o c o l ，d e s i g nas t a t em e c h a n i s mt or e c e i v em e s s e g ef r o mc e n t e r , d e f i n eav i r t u a lb a s e dc l a s st oe n c a p s u l a t ea l lt h ec a l l b a c ki n t e r f a c e s ，m a k eas e l f - a d a p t t e c h n o l o g ya b o u tt h eb a n k ，a n ds oo n a tl a s t ，w et a k eb o t ht h ef u n c t i o n a lt e s ta n dt h ec a p a b l et e s ta b o u tt h em o n i t o rc e n t e r a n dm o n i t o rt e m i m a lb a s eo nt h ec d m ac o m m u n i c a t i o nn e t w o r ka n di n t e m e t t h et e s t r e s u l ts h o w st h a tt os e n dv i d e ow h i c hi s5 审sw i t hc i ff o r m a tt om o n i t o tc e n t e rt h r o u g ha c d m am o d u l e ，h a sag o o dl o o ka n dg o o ds m o o t hi m a g e h o w e v e r , d u et ot h eb a n d w i d t hl i m i t a t i o no ft h ew i r e l e s sn e t w o r k , t h e r eh a ss o m e b i gd i f f e r e n c eb e t w e e nt h er e m o t ev i d e om o n i t o rs y s t e ma n dt h et r a d i t i o n a lv i d e om o n i t o r s y s t e mi n p e r f o r m a n c e s ot h er e s e a r c ho n3 gw i r e l e s sc o r n m u n i c a t i o nn e t w o r ka n dm o r e a b s t r a c t e f f i c i e n tv i d e oi m a g ee n c o d e ri st h en e x te m p h a s i so ft h ew i r e l e s sv i d e om o n i t o rs y s t e m k e yw o r d s ：m o b i l e ，v i d e om o n i t o r , m o d u l ed e s i g n ，b a n ds e l f - a d a p t 第一章绪论 1 1课题的研究背景 第一章绪论 在国家大力提倡平安城市建设的方针政策的指引下，同时随着北京奥运会等重 大社会人口聚集情况的日益增多，公共安全问题越来越得到广泛的关注。近些年来， 随着我国整体经济、科技实力显著增强，社会治安状况也日趋复杂，公共安全问题 不断凸现，城市犯罪日益突出，手段不断更新、升级。据公安部的最新统计数据， 全国公安机关2 0 0 7 年共立刑事案件4 7 4 6 万起【l 】，这些都迫切要求加快发展以主动 预防为主的视频监控系统。在这种情势下，急需大规模的联网、远程视频监控系统 对相对分散化的监控资源进行统一管理、统一调度，满足城市级的视频监控的需要。 这样的监控系统分布于城市的街道、银行、公共设施以及公交汽车、校车等移动的 车辆。 作为监控领域的一个重要的组成部分，对公交车、校车、出租车等移动车辆的 监控市场空间巨大，更是引起了人们的广泛关注。而目前大多数的车辆监控设备仅 含有本地的录像存储功能，没有无线网络传输功能，无法进行联网监控，不能满足 城市级联网视频监控的需要，我们需要在车辆上发生盗抢案件或者其他紧急事件的 时候，可以快速的向指挥中心报警，并且通过无线网络，定位车辆位置，监看车辆 上的视频图像和侦听语音数据。 随着无线网络技术的日趋成熟，移动网络视频监控系统也为这种大规模的联网 视频监控提供了解决方案。采用g s m c d m a e d g a 等无线接入方式，具有覆盖面 广，接入灵活，部署方便等优点。将这种移动网络视频监控系统应用车辆的监控上， 就称为车载移动网络视频监控系统，简称车载监控系统。 1 2视频监控技术发展现状 视频监控技术具有悠久的历史，在传统上广泛应用于安防领域，是协助公共安 全部门打击犯罪、维持社会安定的重要手段。近年来，随着宽带的普及、计算机技 术的发展、图像处理技术的提高，视频监控系统正越来越广泛地渗透到教育、政府、 娱乐、医疗、酒店、运动、交通等各种领域【2 】。 视频监控系统的类别按信号类型分为模拟监控和数字监控，按传输介质分为有 重庆邮电大学硕士论文 线监控和无线监控。其发展主要经历了三个阶段 3 1 1 4 1 ： 1 2 1模拟监控系统 第一代是模拟视频监控系统，已经有了几十年的发展历史【5 】o 主要由摄像机、 视频分割器、模拟监控器、录像机等组成( 图1 1 ) ，其设备品种多，图像效果好， 但也有很多局限性。首先，有线模拟视频信号的传输对距离十分敏感；其次，有线 模拟视频监控存在联网问题，在传统点对点的监视方式中，布线工程量大；另外， 监控系统不易扩展、录像资料不易保存和查找。 模拟摄像 机 1 2 2准数字监控系统 图1 1 模拟视频监控系统 第二代是准数字视频监控系统，有十年以上的历史。通常由摄像机、视频采集 卡、视频压缩卡、p c 机工控机、监控软件构成( 图1 2 ) 。其前端设备与模拟监控 系统相同，所不同的是通过视频卡将模拟信号数字化，经过编码压缩后，保存在硬 盘上，从而具有存储和查找方便。同时，在p c 上实现多画面显示、切换、控制、 录像、录像回放等功能。其特点是功能较强，灵活性高；缺点是功耗大，环境适应 能力差，可靠性差。同时，由于前端视频到中心采取模拟传输，距离和布点都有所 限制，所以在环境或空间不适宜的监控点，这种方式也不太理想。 第一章绪论 模拟摄像 机 1 2 3网络监控系统 图1 - 2 数字视频监控系统 第三代是网络视频监控系统，又称为全数字视频监控系统，是近几年发展的新 产品。它集中了嵌入式技术、多媒体技术、数字图像处理及远程网络传输等最新技 术。它是一种基于局域网互联网( i n t e m e t ) 的视频监控系统，通常由前端监控设备、 监控中心服务器、监控客户端构成( 图1 3 ) 。前端设备采集图像，压缩后通过网络 传输给监控中心服务器；监控中心服务器负责完成媒体数据的转发；监控客户端可 以实时接收和观看图像。由于网络传输带宽的限制，基于网络的监控系统通常十分 关注图像的压缩算法，m p e g 4 、h 2 6 4 等压缩算法在一定程度上满足和促进了网络 监控的发展。 模拟搬像 机 图1 3 网络视频监控系统 随着无线通讯技术的发展，基于无线局域网广域网的监控系统也开始出现【6 1 1 7 1 。 基于无线广域网的监控系统除了与基于无线局域网的监控系统有类似的优点外，突 破了空间的限制，只要有无线通讯信号的地方都能够使用，应用的范围将更广泛， 如应用在车辆上。但是目前无线通讯网络数据传输速率还比较低，无线网络监控系 统在性能上和传统的监控系统还有较大的差距。随着无线通讯技术的不断发展，无 重庆邮电大学硕士论文 线传输数据带宽将不断提高，特别是未来采用3 g 无线通讯网络后，数据传输带宽 将达到2 m b p s ，无线传输方案将逐渐成为监控传输组网的主要应用方案。 1 3相关技术 本小节介绍了新一代网络视频监控产品使用的相关技术，嵌入式技术和 m p e g 4 h 2 6 4 压缩编码技术。 1 3 1嵌入式技术及l i n u x 操作系统 由于采用p c 机板卡式的第二代准数字视频监控系统存在着诸多的不足之处， 当前新一代的网络视频监控产品都采用了嵌入式的设计。嵌入式系统，一般指非p c 系统，有计算机功能但又不称为计算机的设备或器材，它是以应用为中心，软硬件 可裁减的，对功能、可靠性、成本、体积、功耗等严格要求的专用处理系统。简单 地说，嵌入式系统集系统软件、应用软件与硬件于一体，类似于p c 中b i o s 的工 作方式，具有软件代码小、高度自动化、响应速度快等特点，特别适合于要求实时 和多任务的应用。 嵌入式系统由嵌入式硬件与嵌入式软件组成，硬件部分包括芯片、模板、组件 和控制器等，软件部分包括操作系统软件( 要求实时性和多任务操作) 和应用程序 软件吲【9 】o 目前的嵌入式操作系统有很多商用产品，如v x w o r k s ，p s o s ，q n x ，n e c u l e u s 和 w i n d o w sc e 等。这些商用的操作系统虽然功能强大，但是价格昂贵，而且网络协 议栈等开发资源都是由相应的公司提供的，使得开发者受制于提供操作系统的公司。 l i n u x 的出现打破了这一局面。l i n u x 是一种在网络上产生的操作系统，它的产 生来自于一名芬兰学生l i n u st o r v a l d s 的业余爱好。1 9 9 1 年8 月l i n u s 在互联网上公 布了他的开发成果，在此之后，世界各地的l i n u x 爱好者通过互联网陆续加入到 l i n u x 系统的开发中去，使l i n u x 不断得到完善和发展。而且，l i n u x 的开发都是在 g p l ( g n u p u b l i cl i c e n s e ) 的版本控制之下，因此l i n u x 内核的所有源代码都是采取 开放源代码的方式。 将l i n u x 作为一个嵌入式操作系统具有许多的优点【1 0 1 。 系统稳定 l i n u x 是借助于当代国际互联网发展起来的操作系统，它是全世界软件行业中 的高手辛勤劳动的结晶。虽然l i n u x 是自由软件，但从其问世开始，在十几年的开 发过程中，开发人员都十分重视软件的质量，使得l i n u x 不但具有许多优越得性能， 第一章绪论 而且性能稳定。 功能强大 l i n u x 是按照p o s i x l 0 0 3 1 标准开发的操作系统，所以它与u n i x 在功能上完 全兼容。它支持多种总线，接口及设备，支持几乎所有的文件系统，它还能提供多 种完善的图形界面解决方案。 支持多种硬件平台 l i n u x 可以非常稳定地运行在许多种体系结构的处理器上。最新的l i n u x 内核 支持i n t e lx 8 6 ，m o t o r o l a i b mp o w e r p c ，c o m p a q ( d e c ) a l p h a , i a6 4 s 3 9 0 ，s h 等微处 理器体系结构。 简单易用并且开发资源丰富 l i n u x 的系统界面和编程接口和传统的u n i x 类似，在u n i x 环境下工作的程 序员可以很方便地转移到l i n u x 环境下来。同时由于l i n u x 通过互联网进行推广和 传播，网络上有大量的针对l i n u x 的开发资源，这些资源绝大多数都是开放源代码 的，使得基于l i n u x 的开发非常方便。 使用成本低 l i n u x 是免费软件，只要遵守g p l ( g n ug e n e r a lp u b l i cl i c e n s e ) 的规定，就可以 免费获得拷贝。l i n u x 下有同样遵循g p l 规定的c 、c + + 和j a v a 等等一系列的软件 工具开发包，从功能角度上看并不亚于商用开发包，同时可以极大的降低开发成本。 文档完善 互联网上关于l i n u x 的文档非常多，从为初学者准备的各种教程到非常详细的 联机帮助文档，这些文档都可以在i n t e m e t 找到和下载。l i n u xd o c u m e n tp r o j e c t 是 为l i n u x 提供系统化的文档支持的项目，在世界上许多程序员和用户的帮助下，己 经收集了非常详细的系统文档和使用文档。 强大的网络功能 l i n u x 操作系统最突出的是网络部分，它不但继承了u n i x 全部的网络管理功 能，而且进一步予以加强和完善。基本上所有的网络协议和网络接口都可以在l i n u x 上找到。 模块化的结构 l i n u x 的内核模块可以根据需要加载和卸载。而内核本身的裁剪也是很容易的。 这使得开发者可以很方便的针对特定的应用来定制一个操作系统。 1 3 2m p e g 4 h 2 6 4 压缩编码技术 视频压缩编码的标准发展至今已经产生了许多的标准。目前，在新一代网络视 重庆邮电大学硕士论文 频监控产品中使用最多的压缩标准分别为：国际标准化组织运动图像专家组 ( m p e g ) 的m p e g - 4 、国际电信联盟( i t u t ) 和m p e g 联合研发的h 2 6 4 1 4 】【1 5 】。 m p e g 4 压缩编码技术 m p e g 4 的压缩编码技术，是一种面向对象的压缩标准，类似于虚拟现实的模 型化语言( v i r t u a lr e a l i t ym o d e l i n gl a n g u a g e ) 。通过独立跟踪一个场景中的单个对 象，最后压缩在一起形成一个m p e g - 4 文件，而且这个有效的的压缩结果的数据量 是可伸缩的，可以从很低的比特率到很高的比特率。 m p e g 4 标准的发展经历了m p e g 1 、m p e g 2 等多个阶段，与m p e g 1 、 m p e g 2 相比，m p e g - 4 不仅是针对一定比特率下的具体的视频数据，更注重的是 多媒体系统的交互性和灵活性，所以它不只是具体的压缩算法，而是针对数字电视、 交互式多媒体等整合及压缩技术的需求而制定的国际标准。m p e g 4 采用了新一代 的压缩理念，将众多的多媒体应用集成于一个完整的架构内，旨在为多媒体通信及 其应用环境提供标准的算法和工具，从而建立起一种能被多媒体传输、存贮、检索 等应用领域采取的统一数据格式。它压缩的实质以对象( o b j e c t b a s e d ) 为基础的方式 来压缩画面，根据使用需要调整数据量，从而达到最有效率的压缩方式。 m p e g - 4 利用很窄的带宽，通过帧重建技术，压缩和传输数据，以求得最少的 数据获得最佳的图像质量【l 引。 m p e g - 4 基于场景描述和面向带宽设计的特点，使得它非常适合用于流媒体应 用领域，主要体现在以下几个方面： 存储空间得到节省 图像质量高 通用的访问性 对网络传输带宽要求不高 h 2 6 4 压缩编码技术 h 2 6 4 在h 2 6 3 和h 2 6 3 + 的基础上发展而来，采用了很多全新的编码技术， h 2 6 4 不仅比h 2 6 3 和m p e g - 4 节约了5 0 的码率，而且对网络传输具有更好 的支持功能。 与以前的h2 6 3v 2 ( h 2 6 3 + ) 或m p e g 4s i m p l ep r o f i l e 等相比，h 2 6 4 引入一 些新的压缩方法，如增强的运动补偿性能，采用4 4 整型变换进行变换编码，采 用块间滤波器和高性能的熵编码，极大提高压缩效率，因此h 2 6 4 编码算法的优 势主要体现在以下两个方面： 1 ) 提高压缩编码效率 h 2 6 4 算法具有很高编码效率，在相同的重建图像质量下，能够比h 2 6 3 节约 5 0 左右的码率。测试结果表明，与m p e g - 4 相比，对于c i f - - q c w 格式的图像， 第一章绪论 低码率( 3 2 k b i t s 2 5 6 k b i t s ) 时，h 2 6 4 重建图像峰值信噪比高于m p e g 一4a s p 约 3 8 9 5 0 6 d b ，高码率( 2 5 6 k b i t s 1 0 2 4 k b i t s ) 时高出1 2 7 3 8 9 d b ；对于c c i r 格式图 像，当重建图像峰值信噪比在3 4 d b 至3 9 d b 范围内，h 。2 6 4 码率仅为m p e g 2 的 1 1 7 0 o - , 3 4 3 。由此看出，h 2 6 4 实现了极高的压缩效率，当然这是通过增加运算复 杂度为代价换来的。 2 1 增强网络适应能力 h 2 6 4 标准中引入了网络适配层，其码流的网络适应性强，增加了差错恢复能 力，能够很好地适应口和无线网络的应用；h 2 6 4 加强了对误码和丢包的处理，提 高了抗误码能力；h 2 6 4 支持不同网络资源下的分级编码传输，使视频终端获得平 稳的图像质量。 由于h 2 6 4 的压缩比和网络适应能力明显高于h 2 6 3 和m p e g 4 编码算法，故 h 2 6 4 具有更广阔的应用前景，例如实时视频通信、因特网视频传输、视频流媒体 服务、压缩视频存储等，已经成为低码率情况下视频图像压缩的发展方向，在相同 图像质量的情况下，可以优先选用基于h 2 6 4 的图像压缩标准17 】【1 8 】。 1 4课题来源及工作 课题来源 本课题源自本人实习公司的无线网传型车载视频监控终端设备( m d v r ，m o b i l e d i g i t a lv i d e or e c o r d e r ) 的研发项目，又称为公交监控系统开发项目，是一款基于公 交车辆运营环境的可以用于无线联网的m d v r 产品。 本人工作 该m d v r 产品硬件上由“主板+ 网传板组成，本人在此项目中主要负责了网 传板的软件设计及代码实现，主要的工作如下： 参与制定了m d v r 与监控中心软件之间的应用层通讯协议： 网传板软件框架的搭建，包括模块划分、接口定义等； 详细的功能模块实现，包括流程图设计、详细代码编写等： 基于无线网络的视频传输策略的设计与优化，含对c d m a 无线网络的带宽 测试。 1 5论文结构安排 第一章绪论。首先介绍了本课题研究的背景、视频监控技术的发展现状，随后 讲解了新一代的网络监控系统所涉及的相关技术嵌入式技术和m p e g - 4 h 2 6 4 重庆邮电大学硕士论文 编码编码技术，最后指出了本课题的来源及本人工作。 第二章系统的总体介绍。首先介绍了车载监控系统的系统框图、系统的工作过 程，随后对本课题中车载监控终端设备所选择的硬件平台、软件平台进行了详细的 描述。 第三章网传板软件总体设计。首先介绍了网传板的功能需求，随后根据需求设 计了网传板软件的总体结构，同时介绍了软件设计过程中所使用的设计方法，最后 设计并制定了m d v r 与监控中心通讯的应用层协议。 第四章网传板软件的实现。本章为本文的介绍重点，根据第三章中的模块划分， 详细设计与实现每一个功能模块，包括程序流程及所采用的关键技术。这些模块包 括：配置参数模块、主机通讯模块、视频编码模块、串口通讯模块、中心通讯模块。 其中，中心通讯模块又是本章介绍的重点。 第五章系统测试与分析。首先介绍了软件测试方法，随后先在局域网环境下对 系统进行了功能测试，功能测试通过后，再在无线网络下对系统进行了性能测试。 测试结果表明系统的功能稳定、性能良好。 第六章结论与展望。对本文的贡献进行了总结，并对本课题未来的研究方向进 行了展望。 第二章系统总体介绍 第二章系统总体介绍 2 1车载监控系统框图 系统组成 车载监控系统的组成如图2 1 所示。系统由车载监控终端和监控中心两部分组 成，两者通过无线接入网络以及i n t e m e t 相连接。 玉 谊妒娥 弋c 。落e 摄像机 影星l臼 i ： 趴菌一辅躺 锣, 卣8 由8 口 导 x 秣慧器 图2 1 车载监控系统框图 车载监控终端：由车载监控设备、若干个( 一般不多于4 个) 摄像头、l c d 显 示屏、g p s 终端、报警按钮、声光报警器、传感器、c d m a e d g e 无线模块等组成。 车载监控设备主要完成图像采集、压缩、存储和本地显示，传感器信号、报警按钮 信号及g p s 数据的采集，并将压缩后的图像数据及其他采集到的数据通过无线模块 重庆邮电大学硕士论文 拨号上网的方式经过i n t e m e t 传送到监控中心。 监控中心：由多台服务器、若干台监控客户端组成。服务器包括存储服务器、 媒体转发服务器、用户管理服务器、g i s 服务器、告警服务器等，其负责接收、保 存前端设备上传的图像、告警信息、g p s 信息等数据，同时将这些数据转发给监控 客户端。监控客户端负责接收以上服务器转发过来的数据，将图像数据解压缩后实 时显示出来供用户观看，将告警数据以联动方式通知中心管理人员，将g p s 数据在 g i s 地理信息系统上实时显示处理以达到跟踪车辆运行位置的目的等。 系统工作过程 车载监控终端从现场监控点的若干路视频信号中选取一路或合成为四分割图 像，将图像压缩后通过无线模块拨号上网的方式经过i n t e m e t 发送到监控中心，并 接收监控中心下发的控制命令，根据命令更改系统运行参数或者驱动连接到监控终 端上的外部设备。监控终端能够检测和处理告警信号，并将告警上传给监控中心。 监控中心的服务器一般通过宽带上网的方式连接到i n t e m e t ，并申请一个静态的 公网i p 地址，这样车载监控终端才能正确的接入到监控中心平台。监控中心的客户 端软件启动后，首先连接到监控服务器，从服务器上获取当前车载终端设备的接入 情况，这样用户就可以方便地选取其中一个或多个车辆进行实时跟踪车辆位置，同 时，也可以通过下发命令请求前端设备传送实时视频或完成其他功能。 2 2终端硬件组成 目前，常见的车载录像监控终端设备只具有本地录像功能，录像分辨率一般为 d 1 c i f 格式，帧率为2 5 帧秒( p a l ) 或3 0 帧秒( n t s c ) ，画质清晰，码流较大， 一般约为3 8 4 k p s 2 m p s 。而基于2 5 g 的无线网络带宽一般只有几十k p s ，显然要将 该录像码流直接用于无线网络传输是不现实的。为此，解决办法为专门针对无线网 络另外编码一路低带宽视频码流，约2 0 - - - 6 4 k p s ，用于无线网络传输。基于这一思 路，目前主要存在两种解决方案。 。 第一种方案为“主板+ 网传板 双板方案，其中主板负责录像功能，网传板负 责无线网络传输功能。该方案主要考虑到目前只含本地录像功能的监控设备技术比 较成熟，并且已大量使用，在最大限度利用现有资源的原则下，维持原有录像功能 板( 称为主板) 不变，另外设计一块单板，负责编码低码流视频，并负责将该码流 通过无线网络传送给监控中心，称为网传板，两个板之间采用网口或串口的方式通 讯。 第二种方案为单板方案，为在一块板上同时完成本地录像和无线网传功能。随 着双码流技术( 即在一块编码芯片上针对某一个通道可以同时编出两种类型视频码 第二章系统总体介绍 流，一种为高帧率、高画质，另一种为低帧率、低画质) 的出现，使得同时在一块 芯片上完成本地录像和无线网络传输功能成为可能。该方案正是基于这一技术，设 计出了这样一块单板，可以同时完成本地录像和无线网络传输功能。该方案的优点 是设备体积相对较小，成本相对较低。缺点为不能充分利用现有资源，开发周期长。 由于本人参与的项目中采取了第一种方案，故接下来将只对该方案进行介绍。 2 2 1主板+ 网传板 在本方案中，主板与网传板是完全独立的两块单板，分别有一个微处理器芯片， 其中主板采用e m 8 5 6 1 芯片，网传板采用h i 3 5 1 0 芯片。 由于在项目开发过程中，本人仅负责网传板的软件设计及实现，故在接下来的 硬件框图中将只介绍网传板的设计框图，主板部分不进行介绍，仅仅作为一个整体 给出。实际上，如果抛开了本地录像功能，网传板及网传板软件是可以完全独立的 应用在车载监控系统中，即实现了不含本地录像功能的车载网络监控终端。 基于上述考虑，简化后的硬件设计如图2 2 所示，网传板与主板之间通过内部 网口相连。 视频输 音频输 图2 2 硬件模块框图 详细模块介绍如下： h i 3 5 1 0 系统核心处理器，详细介绍见2 2 2 小节。 视频输入：本方案中本地录像支持四路录像，故有四个视频输入，经a d 重庆邮电大学硕士论文 转换芯片转换为数字信号后，选送一路或四分割画面信号作为h i 3 5 1 0 的视 频输入。 音频输入：与视频输入数目相同，本方案中音频数目同样为四个，由h i 3 5 1 0 的g p i o 控制，选送其中与视频对应的一路作为h i 3 5 1 0 的音频输入。 内部网口：用于与主机通讯，从主机获取相关信息，如中心配置参数、报 警信息、本机操作等。 外部网口：连接到外置无线模块上，通过无线模块拨号上网后与监控中心 通信。 r s 4 8 5 串口：连接到外置g p s 模块上，从该模块上获取g p s 信息。 s d r a m 存储器：用于程序运行。 f l a s h 存储器：用于程序固化和系统参数保存。 2 2 2硬件平台h i 3 5 1 0 h i 3 5 1 0 是一款基于a r m 9 、d s p 双处理器内核以及硬件加速引擎的高集成、 可编程、支持m p e g - 4a v c h 2 6 4 等多协议的高性能通信媒体处理器，可广泛应用 于实时视频通信、数字图像监控等领域。 视频处理单元能够支持m p e g - 4a v c h 2 6 4b a s e l i n e 、h 2 6 3 + 、h 2 6 1 、j p e g 等多种协议的实时编解码。m p e g 4a v c h 2 6 4 先进的运动估计、运动补偿、 d e b l o c 虹n g 技术极大提高了压缩效率及视频质量。加密、d r m 和数字水印技术为 数据和通信的安全提供了强有力的保障。 图形处理单元能够提供视频去噪、图像增强，以及运动检测功能；支持任意比 例的视频、图形缩放，以及d e i n t e r l a c e 处理；支持o s d 、2 d 图形加速，为应用 图形界面开发提供丰富的特性。 内部集成的3 端口以太网交换以及硬件n a t 提供了强大的网络通信功能；硬 件加密和数字水印，同时提供了丰富的安全特性。支持视音频接口、以太网接口、 u s b 、u a i 盯、i r d a 、1 2 c 、s p i 、g p i o 等多种丰富的外设接口。 h i 3 51 0 芯片在采用h 2 6 4 的编码格式下，在低带宽的情况下( 1 0 1 0 0 k b p s ) 具有 非常好的视频编码效果，其v b r 模式下的视频编码，可以有非常高效的编码能力。 在场景变化很小的情况下，p 帧可以达到几十字节每帧，在场景变化很大的条件下， 也不过几百字节。其音频编码格式可以采用领先的音频编码a m r 编码模式，码率 可以低至6 5 0 b y t e s 秒。 综上所述，h i 3 5 1 0 是一款具有较高音视频压缩效率和音视频质量的芯片，选用 该芯片为实现低码流传输提供了前提。 第二章系统总体介绍 2 3终端软件平台 嵌入式开发环境 由于嵌入式单板的资源有限，不可能在单板上运行开发、调试工具。通常需要 交叉编译调试的方式进行，即“宿主机+ 目标机( 评估板) ”的形式。目标机和宿 主机一般采用串口连接，亦可同时通过网口或者j t a g 连接，如图2 3 所示。 稽熏枫 目标机 e t l a e m e t 图2 3 开发平台构成 宿主机和目标机的处理器通常情况下不相同。宿主机需要建立适合于目标机的 交叉编译环境。程序在宿主机上“编译一连接一定位 ，得到可执行文件，通过一 定的方法烧写到目标机中，然后在目标机上运行。 目标机上的b o o t l o a d e r 启动后，输入重新定位到串口或者网口，输出到主机上： 在主机上的控制台中输入命令，可以控制目标机。 h i 3 5 1 0l i n u x 开发环境 第一章中介绍了嵌入式l i n u x 具有版权免费、源码开放、结构紧凑、模块化结 构等优点，其中，模块化结构通过去除嵌入式系统中不必要的实用程序、工具和其 它系统服务，可以很方便地实现结构精简。本项目总平台芯片h i 3 5 1 0 使用的操作系 统正是l i n u x ，其开发环境如图2 4 所示。 w i n d 王作 板 图2 4h i 3 5 1 0 开发环境 如图，h i 3 5 1 0l i n u x 开发环境通常包括l i n u x 服务器、w i n d o w s 工作台及h i 3 5 1 0 视频评估板，三者同处于一个网络中。在l i n u xj 艮务器上建立交叉编译环境，w i n d o w s 工作台通过串口和j t a g 与h i 3 5 1 0 单板连接( j t a g 用于a d s r e a l v i e wd e b u g g e r 1 3 重庆邮电大学硕士论文 等软件) ，开发人员可以在w i n d o w s 操作系统进行程序开发或者远程登陆到l i n u x 服务器进行开发。各部分具体软件介绍如表2 1 所示。 表2 1h i 3 510 开发环境的各部分软件描述 软件描述 w i n d o w s操作系统w i n d o w s9 8 m e 2 0 0 0 x p 。 工作台应用软件 p u t t y 、超级终端、t f t p 服务器、a d s r e a l v i e wd e b u g g e r 等 软件。 l i n u x 服务操作系统无特别要求，可为r e d h a t 、d e b i a n 等。内核版本支持2 6 x 器或者2 4 - x o 安装时建议选择完全安装。 应用软件n f s 、t e l n e t d 、s a m b a 、v i m 、a r m 交叉编译环境( b i n u t i l s 版本2 1 6 9 1 ，g c c 版本3 4 3 ) 等。其他应用软件根据具体 开发需要而定，通常系统都已默认安装，只要适当配置即可。 h i 3 5 1 0 视引导程序h i b o o t 。基于u b o o t1 1 2 开发而成。 频评估板操作系统h i s i l i c o nl i n u x ( 简称h i l i n u x ) 。h i l i n u x 内核基于l i n u x 标 准内核2 6 1 4 版本移植开发，根文件系统基于b u s y b o x1 0 0 版本制作而成。 应用软件包含t e l n e t d 、g d bs e r v e r 等l i n u x 常用命令。 程序开发库 g l i b c2 3 4 版本。 第三章网传板软件总体设计 第三章网传板软件总体设计 在上一章2 - 2 节中，已经介绍了本课题种采取的是“主板+ 网传板”方案，且本 人只参与了网传板的软件设计与实现，故在接下来的章节中介绍的软件设计及实现 方法均只针对网传板。 3 1网传板功能需求 实时预览。该功能是车载终端设备的主要功能，终端采集监控图像，压缩 后通过无线网络发送到监控中心服务器。多通道输入时，支持多通道之间 的切换。 语音对讲或监听。在传输实时预览画面的同时，支持1 路音频数据的双向 或单向传输，即监控中心在需要时可以开启与车载终端的双向对讲或语言 侦听功能。 报警上传。支持多个按钮报警，用户手动按下任一按钮即触发报警；支持 视频信号丢失报警，当任一摄像头未接或接触不良时，触发报警。 g p s 定位。支持g p s 定位信息的实时上报，用于监控中心定位车辆当前的 位置。 文件搜索。指定某一天的一个起始时间，指定录像搜索类型，返回该天自 起始时间后的所有指定录像类型的录像文件名称列表，同时包含每个文件 的长度信息。录像类型支持常规录像、报警录像等多种类型。 远程回放。配合文件搜索功能使用，可以从搜索到的文件列表中选中一个 文件进行回放。 远程下载。配合文件搜索功能使用，可以从搜索到的文件列表中选中一个 文件进行下载。由于无线网络容易中断，支持断点续传。 远程参数配置。监控中心能够设置或查询终端设备的各种参数，如图像压 缩编码参数、告警处理参数、监控模式、g p s 定位信息发送间隔参数、访 问密码、终端时钟、软硬件版本号等。 升级功能。同时支持本地升级和远程升级网传板软件。前者通过u s b 将升 级文件拷入主机硬盘或直接插入c f 卡，由主机通过内部网口将升级文件 发送给网传板，来升级网传板；后者由监控中心通过网络下发升级文件给 终端设备，首先存放在硬盘上后再升级。由于无线网络容易中断，支持断 1 s 重庆邮电大学硕士论文 点续传。 3 2网传板软件结构 在网传板的设计中，最核一i i , 的设计工作是与监控中心的网络通信模块的设计， 故在接下来的介绍中，将以网络通信模块的核心，弱化对其他模块的设计介绍，其 设计框图如图3 1 所示。 图3 1 网传板总体结构图 如图，网传板软件一共被划分为五个模块，分别为参数配置模块、主机通信模 块、编码模块、串口通信模块、中心通信模块。其中，中心通信模块，又可以划分 为三个层次，分别为网络接口层、消息处理层、设备接1 3 层。模块功能说明如下： 配置参数模块：负责参数的保存与获取，包括网传编码参数、中心服务器 地址参数、主板参数、版本信息等。 主机通讯模