【无线移动WiFi系统的设计与实现9400字（论文）】

iv无线移动WiFi系统的设计与实现目录TOC\o"1-3"\h\u15025第一章引言 116877第二章WIFI无线网络技术 119471第三章无线移动WIFI系统分析与设计 3217863.1应用需求分析 3283753.1.1支持4G和WIFI两种网络接入方式 3167603.1.2低延时视频传输 3283443.1.3高清画面显示 3106203.1.4程控移动部署 4235073.2系统总体设计 4241543.3硬件设计方案 514913.3.1主控制器选型 5202683.3.22.4G模组选型 733313.3.3单片机选型 7149183.3.4摄像头及其他传感器选型 884033.4软件设计方案 931260第四章无线移动WIFI系统实现 10326724.1音视频传输模块实现 10210964.1.1音频采集和传输 10106954.1.2视频采集和传输 1119054.2即时通讯模块实现 1226354.3云端服务器实现 1463104.3.1流媒体转发方案 14106374.3.2传感器数据转发方案 142294.4监控端控制软件实现 15253214.4.1界面设计方案 15128384.4.2解码方案 167234第五章结语 1628521参考文献 18第一章引言在迅速发展的信息社会中，各部门的安全意识都在提高，因此安全措施的重要性越来越明显，在人们的日常生活和生产中发挥着重要作用。目前，较为普遍的传统安防安全手段主要采用固定控制格式，往往在金融机构、交通运输和地铁等移动视频监控需求较低的场所使用。在这种情况下，监控系统采用有线网络进行传输，其优点是可以有效减少视频传输延迟，可以实现数据传输图像的高清晰度；但其缺点也很明显，不同地点的监控只能通过云层的旋转来进行，而对于工厂、电力、救灾现场等场景，如流动性视频监控急需的场景，传统安全难以实现有效控制。目前，市场上出现了移动控制系统，如移动钟表方舟，通过高速挂车和支持接入3G/4G/WiFi和LTN等网络的升降桅杆实现。为解决传统监控系统和移动监控系统如移动哨兵的不足，满足社会发展对更高反手段功能和性能的需求，本文设计并实现了一种基于4G/WiFi的移动远程监控系统。该系统采用履带式自动驾驶仪进行远程控制，其特点是可以实现高清晰度图像低延时的远程传输质量，还可以利用多路复用实时传感器监测小车运行进度，提高系统安全性。可以使用诸如电力系统监控、火灾和地震等自然灾害现场拍摄以及工厂或危险地区的视频监控等场景。第二章WIFI无线网络技术互联网接入方案采用移动通信网络、有线网络和无线网络（WirelessFidelity，WiFi）等方法。电缆网络以光缆或网络连接互联网，不利于移动防护设备的操作，所以我们选择移动通信网络和无线网络作为设备的连接方式。第五代移动网络通信技术（5TH-Generation，5G）目前正在引进，但4G移动通信技术在市场上仍占主导地位。在移动网络中，设备和互联网之间的数据传输分为“向上”和“向下”，如图2.1所示，移动设备通过4G模块实现设备和基站之间的上行和下行通信。图2.14G网络流程图图2.1（a）是4G网络的上行传输过程，如图2所示。2.1（b）是一种下行网络传输方案。具体而言，Enb指出基站、S-GW网关主要负责数据传输的切换，P-GW作为互联网连接网关，主要负责终端IP地址的分配，并提供IP路由及其转发。例如，当连接到Internet服务器时，终端将根据IP协议关闭IP数据包，该协议设计用于网络服务器地址、源UE地址和将IP数据包传输到基站（Enb）。基站在密封前将数据发送到S-GW网关，以便设置基站地址、基站源地址和隧道ULS1-TEID。打开S-GW网关将数据传输到P-GW网关时，外部消息地址更改为P-GW地址，其原始地址更改为S-GW地址，以便通过ULS5-TEID隧道传输。数据到达P-GW后，网关对象进行数据表示分析，分析数据表示目标的真实地址，即。E.教育网络服务器的IP地址和源地址（UE地址），在顶部执行整个数据传输过程。下行数据传输与上行数据传输相反。对于WiFi无线网络，互联网连接过程与光纤、路由等硬件的质量密切相关。D。目前，如图2.2所示，家庭WiFi无线网络连接到OLT为运营商提供通信网络管理工具的网络。以移动电话等终端设备为例，按照以太网帧格式，将数据通过路由器连接到非活动分光器后的数据封存到OLT上一个通道，然后OLT通过交换机将数据传输到网络。图2.2WIFI网络流程图如图2.1和图2.2所示，运营商提供4G互联网和WiFi无线网络连接。对于移动反设备，最重要的网络连接参数是带宽上下的带宽，包括用于音频视频数据流的移动终端，以及传感器数据的加载，包括用于云传输订阅的移动终端。第三章无线移动WIFI系统分析与设计3.1应用需求分析传统的安防仅限于其固定的控制位置和单一的控制功能等，无法满足未来社会新的安全需求。在一些工厂、供电设施和救灾现场，为了提供完整的画面和高质量的监控，必须建立移动、高质量、遥控的视频监控系统。因此，系统开发所需的功能和操作要求如下：3.1.1支持4G和WIFI两种网络接入方式在移动监控系统中，网络条件很容易改变，根据不同的网络条件选择不同的网络访问方式可以使系统更加灵活，适用于不同的场景。3.1.2低延时视频传输视频传输作为安全系统的核心技术，为了提高系统的控制效率，需要采用低延迟视频传输方案。本系统通过视频采集传输进行了优化，需要满足实时传输的要求，即传输延时小于1s。3.1.3高清画面显示目前，市场上真正的视频传输系统一般采用480P的画面质量，但对于无线移动DRW安全系统来说，480P的质量控制很低，显示屏容易造成模糊图像，为了提高监控质量，系统必须满足高质量（1080P）的传输和显示。3.1.4程控移动部署传统的安防系统瓶颈已经设置位置控制，只能调整摄像头位置，容易造成死角控制。为了实现完全控制，系统需要高机动性，也需要远程操作的支持，无论距离多远，都可以在网络环境中实现，从而实现对现场环境的控制。3.2系统总体设计目前，常规视频监控系统通过路由或互联网线路等物理手段接入网络，该程序对视频传输具有空间距离限制。为满足远程位移控制系统的需要，系统整体采用体系结构的“端对云—端”，即移动终端和控制端通过云南通信服务器，采用“端对云—端”体系结构，其优点是移动终端如果处于包围状态，可以正常工作，那里有一个运营商网络。终端、云端和控制端之间的数据传输基于RTP协议和MQTT协议，如图3.1所示。图3.1系统整体框架如图所示，整个系统由三个组成部分组成：1）移动终端：采用履带式手推车在远程移动控制系统上进行声音视频和传感器数据采集，以及外部单片机进行运动控制；2）云南服务器：采用阿里云ECS体系结构服务器进行数据传输；3）控制端：控制端通过计算机进行控制，开发软件接口，实现对传感器图像和数据的高实时清晰度，并接收操作命令和发送远程控制包。图3.2显示了移动终端的架构、云端、监视器端，以及设备通过4G或WiFi连接到Internet和数据通过基站传输到云的通信和数据类型。特别是移动终端使用OK6818板，通过串行通信传感器、单片机等外部设备进行软件开发、数据采集和数据运动控制。D。移动终端作为系统对象，分为音频和视频流模块和即时通信模块。具体来说，媒体流模块负责音频和视频数据的采集和传输，即时通信模块负责传感器数据的采集和传输，并接收从云端到控制团队的传输，并通过串口将其发送到单片机执行相关操作。传感器基本完成了手推车的位置和位置信息的确定，包括当前GPS坐标、当前能量量、方位信息等。图3.2远程移动监控系统架构云端服务器主要分为媒体程序音频视频流和即时通信模块，其中媒体程序音频视频流通过编写JavaScript脚本实现数据传输，即时通信模块通过创建MQTT终端实现数据传输。在显示器的末端可以使用PC或笔记本电脑，用QT软件开发控制端软件，包括媒体的音频和视频流以及即时通讯程序。负责监控媒体流数据端口的音频视频流程序发送到解码器进行解码和播放。即时通讯程序跟进有关的数据接收端口，分析疏散情况及显示界面，并收集密封杠杆的资料，以执行派递控制指令至流动终端机完成手推车控制。系统整体采用嵌入式ARM+Linux解决方案对C++编程语言的软件进行编码，包括移动终端软件、终端控制程序、硬件以ARM晶体为主要控制晶体，连接到外部配置以形成硬件。下面详细分析了系统硬件和软件的设计方案。3.3硬件设计方案该系统由移动终端、云服务器和控制端三部分组成。云源服务器是网络服务器，供应商负责服务器硬件，控制终端可以使用PC或笔记本电脑，因此硬件设计主要考虑了移动终端系统的需求。由于系统需要连接到各种传感器进行数据传输，考虑到系统的开发难度和扩展能力，系统采用嵌入式开发面板作为软件开发的主控制器。因此，系统硬件主要涉及主控制器、4G模块、单片机和所需传感器类型的选择。3.3.1主控制器选型WFI无线移动安全系统的核心技术是图像数据的采集和传输。因此，主控制器芯片必须具有强大的图像数据处理能力，尤其是高分辨率的图像数据处理能力。同时，由于主控制器芯片必须连接各种外围设备进行IO管理，因此主控制器的选择必须考虑控制器的可扩展性和操作系统的兼容性。由于图像数据量大，具有良好图像数据处理能力的芯片结构通常比较差或采用DSP。Hisilicon的hikey970和ok6818开发平台在操作系统兼容性和可扩展性方面提供了卓越的综合性能和优于其他两款处理器的性能。Hikey970采用4核armCortex-a73和4核armCortex-a53，独立的NPU单元，运算能力强。但由于系统的核心是实现安防应用产品的远程视频监控功能，无需NPU参与图像数据处理，因此hikey970与系统的需求不高，开发板的市场价格通常在2000元以上，成本较高。因此，考虑到产品、功耗和成本等因素，系统选择ok6818开发板作为开发的主控制器。图3.3OK6818示意图ok6818开发板的接口资源和开发板计划如图3.3所示。开发板采用8核armCortex-a53架构。在数据处理性能方面，主频达到1.4GHz，支持图形加速和硬件编解码，具有良好的图形数据处理能力，能够满足系统对图像数据采集和传输的要求。Ok6818开发板不仅提供系统所需的UART、USB、迷你PCIe、IIC、音频、千兆网络等接口，还可以通过外部摄像头、传感器等外围设备进行扩展和开发。同时支持HDMI、mipidsi、mipicsi等硬件扩展接口。此外，ok6818支持LVDS接口连接LCD显示屏，方便用户基于QT软件开发接口。在该系统中，它可以用于图像和传感器数据的本地显示。3.3.22.4G模组选型ok6818开发板集成了rtl8923WiFi芯片，提供WiFi服务。然而，为了提高其网络扩展能力，4G模块也用于网络扩展。由于不同地区运营商的网络质量不同，所有网通4G模块都能更好地适应不同地区的网络环境。由于该系统的软件设计必须通过Linux操作系统完成，因此必须考虑不同操作系统的驱动程序移植效果。因此，模块me909s-821和l860gl适合在Linux系统中移植。然而，l860gl模块的接口相对单一，适合工业控制。Ok6818开发板支持迷你PCIe接口和外部4G模块。因此，选择me909s-821模块不仅可以保证网络服务质量的稳定性，而且可以降低系统开发的难度。因此，本文在硬件上选择了me909s-821模块来提供4G网络服务。3.3.3单片机选型在该系统中，单片机负责履带车的能量系统以及避障和落线处理功能。目前常用的51单片机包括Arduino、覆盆子蛋糕、STM32和51duno。该系统对单片机的性能要求不高。可进行动作控制，操作简单。考虑到功耗和成本的问题，51duno单片机是一款专为机器人、无人机等应用而设计的具有高度开源性的单片机，可以移植到各种系统中进行二次开发。此外，51duinoMCU可以提供丰富的外围接口，方便避障传感器和MCU之间的串行通信。因此，本文采用51duino提供电源系统、避障、落线处理等功能。51duino的接口和开发板图如图3.4所示。图3.451duino示意图3.3.4摄像头及其他传感器选型市场上有许多类型的摄像头模块。由于系统采用H264编码格式进行视频编码以减少网络负载，因此选择具有H264硬编码功能的摄像头模块可以显著降低系统的开发难度，减少传输延迟。在选择摄像头模块时，主要考虑模块的编码格式、帧速率、分辨率和接口信息。最后，本系统采用瑞尔卫视提供的rer-usb3mp01h-ls29摄像机作为图像采集系统。摄像机不仅可以输出H264格式的硬件编码图像数据，方便用户处理和传输图像数据，还可以提供另一种可能的原始图像数据（RGB格式）输出，方便用户执行多种视频处理功能。例如，在这个系统中，我们可以使用来自原始图像输出路径的数据进行本地显示。除了主控制器、4G模块、MCU和摄像头之外，其他传感器也可以使用市场上常见的型号。移动终端系统中的硬件概览图以及每个传感器与主板s5p6818之间的接口关系如图3.5所示。图3.5移动终端硬件总览图3.4软件设计方案由于移动终端系统的软件实现涉及复杂的编码，如软硬件交互、网络通信、图像显示和多通道IO管理，因此有必要使用操作系统提供驱动程序、IO和其他管理，并提供网络协议支持。云服务器和监控端可以使用自己的Ubuntu和Windows操作系统，因此，有必要在移动终端中选择合理的操作系统来提供软件编码平台。系统需要在室外长期监控，因此有必要确保系统的稳定性。考虑到操作系统的开源效应和资源分配，最好使用Linux操作系统进行软件开发。Linux操作系统不仅是开源的、量身定制的，还可以提供相关的串口驱动、IO管理、TCPIP网络服务等功能，降低系统开发难度，方便用户多次开发，提高系统功能。而且资源消耗少，适合在嵌入式设备中长期运行。整个软件采用端云端架构，移动端使用Linux操作系统，云端使用Ubuntu操作系统，监控端使用Windows操作系统进行软件开发。移动终端与监控终端之间的数据通信通过云服务器的数据转发实现。移动终端、监控终端和云服务器的软件功能结构如下：1）移动设备：移动设备的主要功能是完成数据采集和传输。软件系统分为两个模块，音视频传输模块和即时通讯模块。音频和视频传输模块负责音频和视频数据的采集和传输，即时消息模块负责传感器和控制命令的采集和传输。主控制器接收到控制命令后，通过串行接口将其发送到电源系统模块，以执行相应的操作；2）云服务器：云服务器的主要功能是完成数据转发，所以主要分为两个模块：流媒体数据转发模块和即时通讯服务模块。系统在后台使用JavaScript脚本实时监控流媒体通信端口，执行单向数据转发（从移动终端到监控终端），并使用MOSQUITO服务器程序监控mqtt协议端口，完成信息的双向接收和发布（移动终端订阅控制命令，监控终端订阅传感器信息）；3）监控端：监控端主要通过监控端接口软件实现数据的接收、显示和控制命令的采集。其中，音频数据在接收后在声卡上播放，图像和传感器数据在接收后发送到显示器，图像和数据通过接口软件实时显示。同时，接口软件必须完成对键盘、鼠标、摇杆等外围设备的数据采集，将其打包成控制命令，并发送到移动终端的即时通讯模块进行汽车控制。图3.6远程移动监控系统软件架构图第四章无线移动WIFI系统实现4.1音视频传输模块实现为了满足系统对实时传输效果的要求，本文采用了常用的实时传输协议（RTP协议）对音频和图像数据进行封装和传输。4.1.1音频采集和传输考虑到音频数据量小于视频数据量，在低延迟传输的情况下，我们可以使用两个通道来传输音频和视频数据。在音频处理过程中，系统使用ffmpeg流媒体工具采集和传输音频数据。该系统的音频数据使用AAC编码格式和RTP协议进行实时流传输。广泛使用的RTP流媒体工具ffmpeg可以为音频传输系统提供完整的数据采集、编码和流媒体功能。本文使用ffmpeg工具处理音频数据，流程如图3.7所示。图3.7FFmpeg音频处理流程4.1.2视频采集和传输经以上分析，该系统是基于Linux操作系统进行软件开发的。Linux内核提供了名为v4l2（videoforLinux2）的图像捕获规范和视频处理框架。该框架可以为Linux应用层提供底层设备操作的API。因此，该框架可用于不同类型的相机设备的应用层开发，大大简化了开发过程，具有很强的系统标准化能力。视频传输使用RTP协议进行传输。由于RTP协议封装了基于UDP协议的应用层，因此必须使用第三方RTP协议的开源函数库进行开发。应用层软件是通过调用API编写的。视频捕获和传输的体系结构如图3.8所示。图3.8视频采集传输架构第三方RTP协议的开源库使用jrtplib函数库。与其他第三方函数库（如live555）相比，jrtplib函数库的优势如下：1）良好的面向对象设计，易于扩展；2）传输性能好。Jrtplib函数库可以提供多线程传输，特别是用于采集多通道摄像机数据，通过多线程建立不同的RTP会话，并使用轮询机制和选择模式处理多通道数据；3）全面支持rfc3550（RTP和RTCP）；4）支持UDP和IPv6协议；5）支持自定义扩展传输协议；6）方便支持28181协议的扩展；由于jrtplib函数库很好地支持RTP协议，因此它提供了RTCP等传输控制协议，并支持面向对象编程，便于系统开发应用层软件。但同时，函数库也有自己的缺点，如下所示：1）TCP传输不受支持，应由您扩展和实现；2）音频和视频的子顺序和帧编码由自身实现；3）RTSP和SIP等媒体会话协议必须由我们自己开发；由于jrtplib函数库的缺陷，我们不得不在软件代码中进行转包和框架重组。分包旨在限制UDP传输协议中的传输数据包大小，通常为1500b。如果包装尺寸大于1500b，则需要通过多次订购程序使每个包装尺寸小于1500b。重组包括根据RTP协议重新封装分包数据，并形成完整的数据框架。完整的RTP数据打包和装运流程如图3.9所示。图3.9RTP打包发送流程4.2即时通讯模块实现即时通讯模块负责打包、发送和接收传感器系统和控制命令，并且必须在有限的资源下可靠地执行。系统通信协议采用mqtt协议传输，数据封装和传输采用第三方开源函数库MOSQUITO。由于即时通讯模块包括多通道传感器数据处理，在Linux操作系统中，多个传感器的数据采集和处理由多个进程完成，使用套接字机制完成进程间通信（IPC），使用即时通讯控制程序发送和接收数据。模块化架构如图3.10所示。图3.10即时通讯模块架构如图所示，控制模块必须与多通道io通信。其中包括控制模块与传感器模块之间的单向数据传输，以及控制模块与小车动作模块之间的双向数据传输。由于IO量很大，操作系统必须支持IO管理。由于epoll在io管理中接管回调模式，即当监控的FD就绪时，系统自动将FD保存在epoll就绪列表的就绪列表中，因此io效率为O（1）。另外两种机制通过遍历查询所有IO，因此IO效率为O（n）。此外，在epoll的底层实现中，内核和用户可以访问FD列表，因此不需要复制FD，这可以显著减少程序的运行时间，提高系统的效率。因此，在本论文中，epoll用于IO管理，定时器模式用于传感器过程中的数据采集。当传感器IO就绪时，epoll监控相应的FD，并从控制模块程序发送到云服务器的串行端口缓冲区读取数据。流程图如图3.11所示。图3.11即时通讯模块数据处理流程由于单片机负责小车的动力模块，控制模块之间实现双向数据传输，当定时器结束时，单片机将手推车速度信息传输到控制模块；当网络服务器转发控制命令时，控制模块将控制指令传递给一台机器，该机器根据不同的控制命令执行相应的操作，包括转向机转向、发动机设置。4.3云端服务器实现云南服务器实例采用阿里文ECS服务器体系结构.这种体系结构可以根据用户的需要进行不同的配置，便于自己设计和开发，系统将服务器配置到Ubuntu操作系统上，易于管理命令行和托管开源软件。由于多媒体数据和传感器分别通过RTP协议和MQTT协议移动，因此在传输时应用不同的数据传输程序。4.3.1流媒体转发方案用于流媒体数据转发的JavaScript程序通常用于互联网软件的开发。因为原生JS脚本的执行取决于浏览器的运行环境，所以首先在Ubuntu中部署节点环境以支持JavaScript脚本的执行。上面分析过，在数据转发之前，需要通过UDP隧道来完成内网渗透。因此，在JavaScript转发数据之前，首先处理UDP数据包，存储接收端的公共IP，然后将数据转发到IP。流程图如图3.12所示。图3.12流媒体转发流程图4.3.2传感器数据转发方案传感器数据通过mqtt协议传输，这样官方的Mosquito服务器就可以部署在Ubuntu服务器上，以提供mqtt服务。mosquitto服务器部署完成后，可以更改mosquitto服务器。在conf文件中配置配置选项（例如公共IP）。配置完成后，在Ubuntu终端上运行“mosquitto”_Pub”或“MOSQUITO”\uSUB命令发布或订阅消息。MOSQUITO服务器转发图如图3.13所示。图3.13MOSQUITO服务器转发图如图3.13所示，MOSQUITO服务器、移动终端和监控终端的数据转发过程是一个双向数据传输过程。流媒体传输程序中的UDP钻取完成后，云服务器与内网监控终端之间的数据通信完成。根据UDP内网渗透原理，内网与云服务器之间的通信请求的IP与端口之间的映射关系存储在内网NAT转换中。因此，MOSQUITO服务器只需再次将数据转发到指定的IP，而无需穿透内部网。4.4监控端控制软件实现监控端控制软件的主要功能是通过窗口界面实时显示远程监控端的视频图像和传感器数据，采集摇杆和键盘数据，打包成各种控制命令，打包后发送到云端，通过云转发实现对汽车的动态控制。同时，性能必须满足视频传输系统的延迟小于1s，以及传感器数据和摇杆指令数据的实时显示和传输。此外，为了提高系统的功能，控制软件还提供了GPS坐标的地图显示，方便远程用户更好地定位汽车的位置。本地记录和存储功能，存储视频和传感器数据，方便用户查找和定位错误。由于控制软件包括音频和视频解码以及第三方库的使用，本节从接口设计、解码方案、控制命令采集、传感器数据接收和卡显示四个方面详细分析了控制软件的设计方案。4.4.1界面设计方案系统必须在Windows系统中完成界面显示功能，以便通过图形编程软件QT实现。由于QT是完全面向对象的编程，因此很容易扩展软件。同时，QT软件为用户开发界面程序提供了强大的图形界面和类。首先，使用QWidget创建窗口的新父类，并在父类窗口中设计其他接口。使用qlabel类完成视频图像的显示，使用qlineedit类显示传感器数据，使用QPushButton类设计“电子地图”按钮，单击按钮打开地图界面显示GPS坐标，使用qgridlayout类共享界面的整体框架，使整个界面更加规范化、标准化。4.4.2解码方案如上所述，在该系统中，移动设备的音频数据根据AAC编码发送，视频根据H264编码发送。因此，解码工作必须在接收机端部回放之前进行。有许多软件编码和解码方案。为了便于软件系统的开发，本文采用VLCQT第三方开源流媒体处理框架进行解码。VLCQT是一个开源函数库，基于QT中的对象和VLC视频播放器框架的二次开发。该函数库不仅支持QT接口软件设计，还支持VLC解码功能。函数库的解码过程如图3.14所示。图3.14vlc解码流程示意图以音频和视频数据解码为例，图3.14中每个过程的功能如下：1）access：数据收集。本模块的功能是通过AAC脚本文件指定的内容和格式获取相应端口的数据。系统从端口30002或30002接收音频和视频数据。30004的云服务器。保存流媒体数据的IP协议和传输协议；2）demux：解析流媒体数据的头信息。在传输流媒体数据时，通常同时发送语音和图像，但由于编码类型不同，音频和视频数据的标题也不同。解复用模块将语音和图像分为两个通道，并根据不同的数据头发送到不同的解码器；3）decode：解码器。对于解码操作，VLC解码库包含丰富的解码器，可以提供H264和AAC格式的解码服务；4）output：输出模块。根据不同的数据类型，数据被发送到相应的设备。本系统涉及的硬件输出设备主要是声卡和屏幕。解