车载双模无线视频监控系统的设计与实现

刘开梦，何 维，田增山

（重庆邮电大学无线定位与空间测量研究所，重庆 400065）

视频监控系统是一种新兴的自动化系统，它综合利用了视频技术、计算机技术、通信技术和网络技术，在多个行业得到了广泛应用［1］。基于有线视频监控系统的各方面不足，例如布线、施工、扩展性、移动性等，无线视频监控系统成为了必然的发展趋势。随着3G技术的发展与延伸，3G无线移动通信系统从概念到运作，从小范围的试点，再到目前的正式商用，网络覆盖范围逐渐扩大，传输带宽不断提高，这些都使得基于3G网络传输的视频监控系统成为现实。在森林防火、环保监测、公路全线监测等地域广、监控点稀疏的环境下，更需要移动地监测实施情况，基于车载式的3G无线视频监控终端能够较好完成这些任务。车载式视频监控终端，移动性好，便于调度、管理，能够尽可能弥补定点式监控终端存在的监控盲点，更好的进行实时监控。现有的3G网络TD-SCDMA，WCDMA和CDMA2000虽然已经基本实现了全国地区的广泛网络覆盖，但这3种3G网络在各个地区的网络覆盖有所不同，覆盖范围、覆盖地区的网络信号强弱等都有所差别，这些因素直接影响通过3G无线网络传输数据的效果。目前3G网络上传带宽能够达到384 kbit/s，能够传输1路CIF的实时图像，但这也只是在网络较好的情况下［2-4］。对于车载式视频监控终端的应用场景，考虑到汽车高速移动以及地域变化等情况造成的网络质量下降。

针对上述问题，本文设计并实现了一种基于WCDMA和CDMA2000 EVDO系统的车载式双模视频监控系统，该双模系统依托WCDMA和CDMA2000 EVDO移动通信公众网实现视频监控，便捷实用，系统中合理调度双模同时传输，和传统的单模系统相比，有多方面的优势。本文重点介绍该视频监控系统的整体设计，给出嵌入式设备车载监控终端的硬件设计，详细介绍了监控中心的软件设计，之后对整个系统进行了测试，并记录了测试结果。

1 车载视频监控系统结构

车载双模无线视频监控系统组成框图如图1所示。

系统包括车载式双模视频监控终端，CDMA2000和WCDMA系统基站和3G核心网络，Internet和后台监控中心。

车载双模监控终端利用模拟摄像头完成对所需监控视频的采集，将视频数据进行H.264编码压缩处理，通过CDMA2000和WCDMA 3G无线通信模块实现监控视频和其他信息例如GPS信息等向监控中心的上传，同时接收监控中心的信息和指令，实现对视频信息的分割、封装、调度和管理。

图1 系统组成结构图

WCDMA系统基站和核心网、CDMA2000系统基站和核心网都是借助于公众网络，接入Internet网络建立车载视频监控终端和视频监控中心的通信链路，完成两者之间的视频传输以及信令交互等。

视频监控中心完成对车载视频监控终端采集传输的视频信息进行组合、解码、视频恢复和实时显示，同时完成对车载视频终端的调度和管理。

2 车载双模视频监控终端设计

车载视频监控终端系统组成结构图如图2所示。

图2 车载视频监控终端系统组成结构图

1）核心处理模块。车载视频监控终端系统CPU选用具有ARM+DSP双内核的OMAP3530［5］，可兼顾设备的数据处理强度大、调度和控制功能要求高的需要。DSP内核对视频信号的压缩处理能力强，主要完成对H.264视频进行编码压缩，ARM内核完成系统的整体控制和对DSP运算结果的访问。

2）电源模块。电源管理选用与OMAP3530匹配的TPS65930芯片智能管理整体系统的电能供应。设备对外提供适配器电源接口，通过汽车车载逆变器供电。

3）多媒体数据采集模块。音频数据由MIC部分负责采集一路音频数据，将模拟信号用差分输入方式送入TPS65930中，然后用I2S数据总线把采样后的数字信号传输到OMAP3530中。视频数据由模拟摄像头采集，通过BNC数据线连接核心处理模块，传送数据到OMAP3530中。音频数据和视频数据，在OMAP3530中都以DMA方式进行数据的搬移，搬移到DDR中后。在DSP端以H.264标准对视频数据进行压缩，以G729标准对音频数据进行压缩。把压缩后的数据进行本地存储（用USB总线传送到移动硬盘）或者发送到控制中心。

4）GPS模块。用GPS模块的唤醒功能可以实现对终端的定时定位和不定时定位。通过无线信道将定位卫星采集到的当前终端的地理位置信息、时间信息等发送到GPS模块，然后通过UART芯片传送到核心处理模块中，解析后保存在内存当中。终端程序通过解包、判断并提取出GPS信息之后，然后将这些信息与图像信息一起封装在一个结构体中，最后通过无线网络发送模块将信息发送到监控中心。

5）数据发送模块。选用中兴通讯公司的MC8630 CDMA2000通信模块和华为技术有限公司的EM770W WCDMA通信模块作为系统无线网络数据发送模块。利用USB接口和MIC2551A芯片连接处理模块和发送模块，通过对发送模块操作AT指令实现网络数据传输。

3 视频监控中心设计

视频监控中心是整个监控系统的中枢神经，管理、调度整个监控系统的合理运行，指挥视频终端按要求实时进行监控。本监控中心系统采用Microsoft Visual C++6.0开发［6］，分功能进行模块化，最后按需求整合实现视频监控中心系统。

3.1 监控中心系统结构

如图3所示，视频监控中心主要分为7个功能模块。

1）监听、建立通信链路。该模块用于监听是否有视频监控终端请求链接，通过正确信息交互后，与相应视频监控终端建立通信链路，建立心跳包，实时监听终端是否处于连接状态。

2）监控数据接收。该模块用于通过UDP网络传输协议将监控终端上传的数据正确接收下来，然后保存在缓存队列中，以待后续处理。

图3 监控中心系统结构图

3）监控数据处理、显示。该模块用于将监控数据中的视频数据和GPS信息分别提取出来。对视频数据进行解码、恢复，然后和GPS信息组合，经过相应处理后实时显示在监控中心主页面中，并且按需求保存监控视频。

4）影像回放。该模块用于对保存的监控视频进行回放。

5）网络信息实时显示。该模块用于对整个视频传输系统的网络信息进行显示，包括监控中心接收每个终端对应的传输速率kbit/s、f/s（帧/秒）、收到的总字节等信息，可用作实时观察每个监控终端的传输情况。

6）双向语音通信。该模块用于与监控终端进行实时语音通信，以此可用作指挥，管理。

7）调度、管理指令下发。该模块用于通过TCP协议对监控终端下发控制命令，例如设想头的切换，数据传输方式改变等。

8）系统配置。该模块用于整个系统的相关参数修改、配置。

3.2 监控中心应用程序设计

根据双模视频监控系统监控中心实际需求，本文给出了主要部分监控中心系统流程图，如图4所示。

首先视频监控中心不断监听是否有视频监控终端请求连接。当监听到有终端请求连接后，为其进行资源配置，并且建立心跳包链接，时刻监测视频监控终端与监控中心连接是否正常，如果视频监控终端断开，监控中心释放为其配置的资源。

建立心跳链接后，监控中心正常接收视频监控终端传输的监控数据。通过CDMA2000和WCDMA双模传输的数据需要接收保存进缓存内，考虑通过双模传输，需要对到达数据顺序进行调整。

对数据进行提前并解析，根据系统自定义的数据包格式，根据数据包头信息，分别提前出GPS信息、时间和视频数据，然后将提前的数据进行三个方面的工作:

1）传递给程序主页面进行实时的监控显示;

图4 监控中心系统流程图

2）根据时间信息保存成文件，以待影像回放所用;3）统计计算监控数据信息，用于实时显示网络情况，包括kbit/s、f/s、丢包率等，同时利用调度算法，合理分配双模传输资源，下发反馈信息给视频监控终端，控制终端合理调度双模进行最大化数据传输。

3.3 关键技术实现

1）通信链路。本系统中监控中心对监控终端的监听管理、信令控制等信息的交互采用TCP网络协议传输。TCP网络控制协议是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的通信协议，能够保证信息的完成传输。监控数据采用UDP网络协议传输，UDP是面向数据报的传输层协议，建立在IP协议上，提供一种无连接的高效率的服务，时延短，但不保证数据的可靠性，系统中视频数据要求实时性高而不要求数据绝对可靠，所以采用UDP协议传输。

2）监听管理。监听终端请求，通过套接字TCP接口函数建立监听程序，首先通过socket函数创建TCP协议套接字，配置地址结构体SOCKADDR_IN，然后调用bind函数绑定相关信息，WSAAsyncSelect函数设置响应事件为FD_ACCEPT，最后调用listen函数实现监听，recv函数接收数据。主要代码如下:

建立心跳包链接也利用TCP套接字函数，同时通过SetTimer函数创建定时器，在响应函数OnTimer中定时发送TCP数据（心跳包）给终端，根据TCP套接字函数返回值判断链接是否正常，如果终端断开，则释放为其分配的系统资源。

3）监控显示。将监控显示功能封装成ActiveX控件［7］，监控中心通过调用该控件实现多终端监控信息的实时显示。利用VC++6.0建立MFC ActiveX工程实现显示控件，控件主要对外部程序提供3个接口。void Re-Set（）接口函数主要负责对占用资源的重置，释放;void ShowStream（byte* StreamBuf，long StreamLen）接口函数用于接收视频数据，第1个参数填写保存视频数据的内存地址，第2个参数填写地址长度，函数中调用H.264解码库，对视频数据进行解码，并保存进内存中;void SetGps-Mem（double lon，double lat）接口函数用于接收解析后的GPS经纬度信息。接着在控件内部调用Invalidate（）函数触发 OnDraw（CDC*pdc，const CRect&rcBounds，const CRect&rcInvalid）显示视频信息和滚动的GPS信息。On-Draw函数中具体代码如下:

主界面中调用现实空间效果图如图5所示。

4）双模调度。监控中心接收监控终端通过WCDMA和CDMA2000 EVDO（以下简称W和C）2个模块传输的数据，并进行统计计算，实时分析出2个模块的传输情况，确定个模块合理的传输比例，并将信息和命令反馈给监控终端。监控终端根据收到的监控中心的反馈信息进行发送模块的选择:根据反馈信息、进行视频数据包的序列分队，调整W模块和C模块的传输比例RW/RC进行数据传输。设监控终端传输数据集合为M= {D1，D2，…，DN}，2个模块传输速率比值为n=RW/RC，根据监控中心反馈信息，调整n值，将M按n∶1的比例进行分队，重新分配队列后W模块发送数据为 MW={（D1，D2，…，Dn），（Dn+2，Dn+3，…，D2n+1），…，（D（k－1）（n+1）+1，D（k－1）（n+1）+2，…，D（k－1）（n+1）+n）} ，C 模块发送数据为 MC= {Dn+1，D2（n+1），…，Dk（n+1）}。算法流程图如图6所示。

图5 显示功能控件

图6 算法流程图

4 应用测试

车载双模视频监控系统测试主要通过系统运行时由监控中心网络信息实时显示获得。监控中心配置如下:Windows XP操作系统，CPU AMD AthlonII X2 250 Processor 3.01 GHz，内存2 Gbyte。监控中心实时显示效果如图7所示。

外场测试参数，车速30～40 km/h，传输视频格式为CIF，每次行车时间15 min，行车地域为城市，车载终端视频采集帧数20 f/s，单模为WCDMA，双模为WCDMA+CDMA2000 EVDO，记录数据由监控中心实时显示网络数据获得，性能结果如表1所示。

图7 监控中心实时显示图

表1 单模和双模传输比较

由表1可以看出，在各方面参数设置相同情况下，基于双模传输的车载视频监控系统，通过调度算法充分利用两种3G网络进行数据传输，相比于单模视频传输有效地提高了视频传输质量。

5 结束语

结合国内3G应用的快速发展和视频监控的广泛应用，本文提出了一种基于3G网络WCDMA和CDMA2000 EVDO的车载式双模传输视频监控系统设计方案，在实践中经过测试分析，相比于传统单模视频监控系统，具有更大的发送速率，对单一网络依赖性小、稳定性高，传输质量好的特点，对安防、勘测、生产调度、抢险救灾等领域具有重要的现实意义，并能创造良好的社会效益和经济效益。

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［1］袁勇，蔡运富，常国柱.无线双模视频传输设备的硬件设计与实现［J］.电视技术，2010，34（2）:64-82.

［2］潘国良.简易视频会议系统的设计与实现［J］.微电子学于计算机，2008，21（2）:56-58.

［3］颜菲菲，高胜法，刘晓兰.远程视频监控系统的安全可靠性研究［J］.计算机工程与设计，2007，26（9）:2494-2496.

［4］夏振华，张正炳.基于3G移动通信的无线视频监控的设计［J］.电视技术，2010，34（9）:95-98.

［5］TI.OMAP35X applications processor［EB/OL］.［2010-03-01］.http://focus.ti.com.cn/cn/lit/ds/symlink/oamp3530.pdf.

［6］侯俊杰.深入浅出MFC［M］.2版.武汉:华中科技大学出版社，2001.

［7］黄培.基于Active X控件的远程客户端软件设计研究［J］.应用科学，2010（9）:18.