基于无线传输的移动视频监控系统的设计_图文

1、产品设计与实现20102基于无线传输的移动视频监控系统的设计张伟男张溢华唐伦陈前斌庞浩重庆邮电大学移动通信技术重点实验室,重庆,400065【摘要】【关键词】介绍了一种基于3G无线网络传输的移动视频监控系统的设计和实现方法。首先分析了本视频监控系统的优点,并简单介绍了系统的总体设计,然后重点介绍了前端采集终端、传输部分和后端管理平台等部分的设计和实现方法,最后分析了测试效果和下一步研究重点。经3G网络测试,该监控系统工作稳定并已成功应用于视频监控领域。音视频编解码3G无线传输视频监控一、引言二、无线传输视频监控系统的优点无线监控以其覆盖范围广、部署位置灵活、与有线监控融合方便的优势,目前可以作

2、为有线监控的有力补充,并得到越来越多的应用。3G无线传输技术的快速发展和应用、流媒体技术的发展为无线视频监控的设计提供了更多有利条件。本文研究的正是基于3G无线网络传输的视频监控系统的设计与实现。与传统的监控系统相比,本文介绍的3G无线传输视频监控系统具有以下优势:(1引入嵌入式技术,系统小,指令精简,处理速度快,嵌入式Linux系统处理实时性好,性能稳定;引入AES加密技术,为系统传输数据的安全提供了保证。(2本系统利用后端管理平台对前端采集终端进行控制,后台利用TD-SCDMA可以和互联网相连的特点直接从互联网提取数据,用户可在任何一个有网络的地方用后台管理软件来对前端进行控制。 (3对前

3、端直接控制。前端设置有USB接口,用户可以直接将计算机和该接口相连,对前端进行控制。该USB接口还可作为前端电源供电。前端还可配备12SD存储卡,发送当前采集数据的同时可直接保存压缩加密后的数据。(4升级方便。本系统使用重邮信科公司生产的TDSCDMA基带芯片C3220设计的TDM230无线传输模块,可以随时更新版本。整个系统可分为3大功能主体:前端嵌入式采集终端、3G无线网络传输部分和后端监控管理平台(后台,如图1所示。前端由音视频采集设备和嵌入式软件构成,用于完成音视频数据捕获、MPEG-4压缩编码、AES加密、RTP/RTCP封包等。前端采集终端框架如图2所示。三、监控系统总体设计1、前

4、端采集终端2-3产品设计与实现20102前端视频数据由闭路电视(CCTV摄像头采集,音频数据由传声器来采集。系统采用上海杰得微电子有限公司生产的Z228应用处理器开发,由Z228处理器对音视频数据进行压缩编码。Z228处理器集成了一个支持MPEG-4格式的视频硬件编/解码器,支持最高达VGA(640×480分辨力的MPEG-4格式视频编/解码,最高帧率30f/s(帧/秒,最大比特率达到8Mbit/s,支持VBR和CBR两种速率控制。MPEG-4编码器从内存中读取YUV视频帧,压缩成MPEG-4码流,存入内存。音频编码由CAT编码器来完成。MPEG-4解码工作由后台来完成,MPEG-4

5、解码器可以分为2个模块:Decoder和VPD。Decoder从内存中读取MPEG-4码流,解码成YUV视频帧,然后通过VPD进行缩放、YUV转RGB等,处理后的RGB或者YUV视频帧存人内存,直接输出到FrameBuffer显示。在完成对音视频采集数据的压缩编码后,前端会对其进行AES加密。AES是适用文件信息分组密码算法,为使其直接使用于MPEG-4流媒体加解密,笔者加入了额外程序动态提供数据大小信息,具体方法为:首先动态获取RTP净荷数据的大小,并填充数据位使数据长度为128byte的整数倍,然后每128byte数据送入AES加密函数中,最后还需要在加密后的RTP数据净荷末尾打上标志识别

6、信息,这样让接收端知道填充位的位置及位数,从而解密后抛弃相应比特位,否则重组后的音视频码流信息错乱无法被正确识别和显示。在完成AES加密后,前端会对数据进行RTP封包,然后将其送往3G传输模块,来完成数据发送工作。RTP协议是为支持实时多媒体数据通信而设计的传输层协议。它本身并不提供任何传输可靠性的保证和流量的拥塞控制机制,需要RTCP实时监控数据传输和服务质量。前端在完成对采集的音视频数据进行音视频编码和AES加密后,数据将被进行RTP封包然后送往3G传输模块发送出去,与此同时该数据还可被保存在前端配备的SD卡上,数据经AES解密后即可播放。该功能由后台控制使用,主要实现程序如下:void

7、localplay:SDRecord(/SD卡录像函数if(hDevice=INVALID_HANDLE_VALUE45/判断是否找到设备,如果没有,就执行if语句,重新查找hDevice=OpenByInterface(&ClassGuid,0,&Error;if(hDevice=INVALID_HANDLE_VALUE/再次判断是否找到设备MessageBox(“ERROR opening device:(%0returned from Create-Filen”;/输出此语句,告知用户打开设备失败Exit(1;/退出SD录像功能界面else/找到设备MessageBox(

8、“Device found,handle open.n”;/提示找到设备,可以执行UpdateData(;/上传数据char*buf;/定义一个缓存ULONG nWritten;/定义一个变量int n=4096;/定义n大小为4096buf=(char*malloc(n;/定义缓存大小mc_data1.type=CMDTYPE_SEND;mc_mand=CMDID_MEDIACONTROL;mc_data1.length=EXTSIZE_SEND_MEDIACONTROL;mc_data1.extended.action=4;memcpy(buf,&mc_data1,12;/由mc_

9、data1所指内存区域复制12个字节到buf所指内存区域WriteFile(hDevice,buf,n,&nWritten,NUL L;/该函数实现将数据写到SD卡的功能free(buf;/释放缓存另外,用户可在无网络的条件下,利用后台通过USB接口直接对前端进行控制。3G模块为TDM230无线传输模块。TDM系列无线模块主要为语音、视频和数据业务提供无线传输功能;集成了完整的射频电路和TD-SCDMA的基带电路,适2、3G无线传输合于开发TD-SCDMA无线应用产品。TDM230模块高集成度精巧结构设计,支持TD-SCDMA 20102025MHz频段,支持最高384Kbit/s的P

10、S数据业务,采用AT命令接口,支持1.1Mbit/s HSDPA数据业务,支持TD-MBMS业务,支持AMR话音,在监控系统中具有很高的实用价值。本监控系统已实现了传统以太网的信息承载功能,网络功能由Socket实现,系统总体有2条数据通路,一是信令部分即视频监控系统的控制信息,它们通过TCP/IP方式封包传输,二是音视频流媒体部分,它们通过RTP/UDP/IP方式封包传输。本系统开发一个系统与TD-SCDMA通信的伪网络设备驱动,通过这个伪网络设备驱动,在有线网络下通过以太网口发送的数据不再走向以太网设备而走向连接ARM嵌入式开发设备和TD-SCDMA无线收发设备的串行数据收发接口,这样便实

11、现了在不破坏成熟的视频监控系统数据流程的前提下完成数据的转移工作前端与3G网络的通信。这个伪网络设备驱动是系统与TD-SCDMA通信功能模块中的关键部分。系统与TD-SCDMA通信原理框图如图3所示,其中竖虚线是划分系统软件与TD-SCDMA软件的分界线,左边是系统软件,右边为TD-SCDMA系统软件,这里TDSCDMA只提供信令和串口通信帧文档。系统与TD-SCDMA通信的应用程序有读和写两个字符设备:发送字符设备和接收字符设备。在内核空间,伪网络设备驱动程序可以直接读写发送字符设备和接收字符设备,在内核空间它们之间的通信是对共享缓存区的读写。伪网络设备驱动程序具有大部分普通网卡驱动程序提供

12、服务功能,只是没有硬件部分代码的实现。当用户空间Socket进程要发送数据的时候,其首先让数据经过ARM嵌入式Linux操作系统的67-8TCP/IP或者UDP/IP处理层进行数据打包,然后把打包后的数据直接写入发送字符设备,等待系统与TD-SCDMA通信的应用程序进程读取,最后通过串口发送到TD-SCDMA进程;而当系统与TD-SCDMA通信进程发现有数据从串口传送过来时就把数据写入接收字符设备中,伪网络驱动程序发现接收字符设备有新数据的时候,就会把数据传递到TCP/IP或者UDP/IP层处理,最终系统软件收到TD-SCDMA发来的数据。Z228处理器通过TDM230的UART2与其采用AT

13、命令方式进行通信。经过分析,Z228与TDM230的I/O电平均为3.3V兼容,因此,可以分配Z228的UART2口与TDM230的UART2口直接连接进行通信,这样便实现了前端和3G模块的物理连接。后端监控管理平台是本监控系统的人机交互的界面,如图4所示。它应用TD-SCDMA与Internet互联的特点,通过互联网接收数据,然后经AES解密、RTP解包和音视频解码等处理后即可进行实时播放等功能;后台还可进行存储设置、音视频配置、图像抓取与放大等,可对图像格式(VGA,CIF,QCIF等以及帧频等进行调整,且分级可调。后台还可以通过前端USB接口直接对其进行控制。设计了一种基于嵌入式Linu

14、x技术和TD-SCDMA无线网络传输技术的移动视频监控系统。下一步的研究重点是提高3G模块的串口传输速率,争取达到1Mbit/s,以更好地保证音视频传输效果。9103、后端监控管理平台四、小结 (下转第22页4、外围接口模块 三、系统硬件调试本设计支持RS-232C串口通信。但该串口通信需把3.3V逻辑电平转化成RS.232C标准电平。因此采用SP3232E 系列器件完成电平转换。SP3232E可从+3.0+5.5V的电源电压产生2Vee的RS-232C电压电平。该系列适用于+3.3V系统。SP3232E器件的驱动器满载时典型数据速率为235kb/s。图4为系统设计的接口电路图。需要注意的是,

15、由于采用SP3232E器件,其驱动能力有限,该接口电路只适用于近距离传输。如果要进行远距离传输。则必须加强信号传输能力。系统硬件调试应先调试电源模块。如果系统电源错误,器件将损坏;然后调试DSP模块。DSP上电后,空闲情况下一般不会发热。若有轻微的发热情况应立即断开电源以免损坏DSP器件,其主要原因是把DSP的工作电压接到DSP的非电压引脚。DSP的工作电压正常后。再检查复位电路、时钟电路是否正确。如果DSP的时钟引脚无信号,一般是电路虚焊。如果有信号,但6工作频率达不到系统工作的正常值,则通过调整外部可调电容。如果还达不到要求,则应考虑时钟信号是否受到低频信号干扰,就要认真检查电路板,必要时

16、应修改布线。FPGA模块的调试与上述方法相同。该系统设计已成功应用于数字视频展台项目。目前该产品已投入生产,但图像质量还有待提高,可能是模拟视频信号失真和白平衡的值设置不恰当。该设计方案具有较强的灵活性,还可应用于监控、安防等产品开发。四、结论【参考文献】1韦在军,夏汗青,郭伟.基于GPRS通信技术的船载远程视频监控系统J.数据通信,2004,15(1:43-45.2王国伟,宋铁成,陈正石.基于Web Sever的视频监控服务器J.计算机工程,2005,31(22:202-204.3Sony Corporation.Digital CCD camera head amplifierEB/OL.

17、2008.4Sony Corporation.Signal processor Lst for single-c h i p C C D c o l o r e a m e r a E B /O L .2008.h t t p :/.5XILINX.Spartan-3E FPGA family:complete data sheetEB/OL.2005.http:/www.xiI.6SIPEXSP3222/3232Data sheetEB/OL.2005.http:/www.all data-转自电子设计工程2009年第11期(上接第28页【参考文献】1曹贝贞,李志康,薛松.基于无线技术的数字视频监控系统J.计算机工程,2007(1:74-77.2刘露,王竹萍,刘炬.基于嵌入式Linux的视频网络实时监控系统的实现J.电测与仪表,2006(12:52-54.3王宝华,陈晓勤.基于嵌入式网络视频服务器的远程监控系统J.武汉理工大学学报,2006,28(5:9-11.4邓江华,胡志华,牛冀平.AES加密算法的研究与实现J.微型电脑应用,2005(7:10-12.5郑天华,王明义.基于RTP的视频监控系统的设计J.计算机应用,2007