Design and Optimization of Building Security Video Surveillance System

孙鸿昌 / 张绿原 / 孙加红 / 王升军

1. 山东大卫国际建筑设计有限公司，山东 济南 250101 2. 浪潮电子信息产业集团，山东 济南 250101 3. 山东建筑大学信电学院，山东 济南 250101



Design and Optimization of Building Security Video Surveillance System

楼宇安防视频监控系统的设计与优化

孙鸿昌1/ 张绿原2/ 孙加红3/ 王升军1

1. 山东大卫国际建筑设计有限公司，山东 济南 250101 2. 浪潮电子信息产业集团，山东 济南 250101 3. 山东建筑大学信电学院，山东 济南 250101

Through analyzing the traditional security video surveillance system, a new design with new internet technologies for the demand of intelligent security field is applied and a optimization scheme is proposed.So security systems, host computer and a variety of devices could connect seamlessly to network, all owing users could view security real-time status of building with the video surveillance system on the LAN anytime.

security， video surveillance， internet of things， VBR

0 引言

近年来，在建筑安防结合新型应用技术的发展过程中，安防系统的设计和优化水平得到了显著提升，尤其以无线通信技术的成熟发展为代表，助推了物联网技术的进步[1]。通过运用新的互联网技术对传统楼宇安防视频监控系统进行重新规划和设计(特别是对系统细节的优化)，使安防系统、主机和各种设备无缝连接到网络中，用户可通过视频监控系统随时随地联网查看楼宇安防实时状态[2]。

1 楼宇安防视频监控系统概述

楼宇安防视频监控系统作为物业管理的重要组成部分，主要完成楼宇视频数据的实时传输、同步播放以及视频数据处理等功能，为建筑环境安全提供保障。而建筑的智能化发展方向使安防视频监控系统不仅要完成传统的镜头切换、俯角调节、变焦控制、回放查看等功能，更要实现智能化的转变，使系统中的任何硬件设备都能被访问和控制[3]。有时视频监控影像资料可直接作为刑事案件的重要证据，这更加体现出一个可靠、稳定的楼宇安防视频监控系统的重要性。

2 楼宇安防视频监控系统问题分析

一方面，互联网技术的日新月异，特别是手机等联网设备的普及，加强了人们对楼宇安防领域的智能化需求；另一方面，住宅楼宇人员数量的增加，对传统的物业管理系统提出了更高的要求，使得高效快捷的安防监控系统愈加重要[4]。

远程联网随时查看物业状态成为人们的需求，楼宇视频监控系统与物联网技术的结合成为行业发展趋势，利用现有视频监控资源可以有效降低改造成本。在新的系统中，每个摄像头是一个地址唯一的终端监控设备，可以通过IP直接访问和控制；另一方面，新系统还可以实现不同码率的传输调控方式(VBR)，以充分节约存储空间和带宽资源；另外，为提高工作效率和生活乐趣，安防视频监控需要接入互联网中，并能通过联网终端APP直接远程查看和控制[5]。

3 楼宇安防视频监控系统设计

3.1 系统总体网络结构设计

本系统借鉴物联网的联网和控制思路，将视频监控系统中的每个摄像头连接到互联网中，并通过终端设备APP随时随地远程控制和查看楼宇实时状态。

系统中的每个摄像头都带有自己的IP，且地址独一无二，方便直接控制每个摄像头的监控方向和角度。另外，每个摄像头都是硬盘录像机的一部分，其视频流的传输分为并列两路，一路流向自带硬盘存储；另一路跳过硬盘直接流向互联网。在物业监控室的电视墙上可以查看每个摄像头的采集信息，同时PC管理主机用来处理视频数据，可实现快进、快退、不同时间点等多种查看方式。终端设备可以是平板电脑、手机等，安装终端APP即实现联网远程查看[6]和控制。系统总体网络结构设计如图1所示。

图1 系统总体网络结构

3.2 视频数据码率设计

视频的传输过程中，数据码率控制是一个重要环节，首先数据源通过编码器进行每一帧数据的编码，之后数据被送入缓存器，经过网络传输和解码最终还原视频数据，具体控制过程见图2。

图2 数据码率控制框图

码率控制过程关系到数据的还原度，从而影响影像的失真率和清晰度，其控制的基本原则就是保证缓存器不会出现数据溢出。本系统选择的是可变码率控制(VBR)，通过调控码率实现不同分辨率数据的传输，其不同帧率要求和分辨率下的码率对应关系如表1所示。

表1 码率对应表

可变码率控制的优点在于灵活性较强，比如，夜间光线较弱的时间段可以调控为码率最高的传输方式，以获得更多的像素信息；根据楼宇监控点位的重要程度可选择不同码率的传输方式，这样可以充分节约存储空间。

3.3 硬盘容量设计与带宽计算

3.3.1 视频数据存储空间设计

若规划最大回放日期为d天，匹配硬盘容量的计算公式见式(1)：

(1)

式中，z是硬盘录像机所匹配的存储总容量；m是比特率，代表视频数据传输的快慢，kbps；wi是指第i路视频流在所选择的比特率下60min所需要的硬盘存储容量；h为系统一个工作日的小时数；d为硬盘录像机所设定的最大回看日期。其中，wi的计算公式见式(2)：

wi=m÷8×3 600÷1 024

(2)

3.3.2 带宽计算

带宽的计算需要充分考虑数据打包封装以及网路重连占用的带宽资源，上行带宽计算公式见式(3)：

(3)

当n=0.3、m=16、k=0.15、h=0.05时，可得视频数据最低的上行带宽为：0.3×16×(1+0.15)×(1+0.05)=5.80Mbps。

当n=0.5、m=16、k=0.15、h=0.05时，可得视频数据最低的上行带宽为：0.5×16×(1+0.15)×(1+0.05)=9.66Mbps。

由于下行数据内容主要为控制指令，可不用计算下行带宽。

3.4 视频数据控制接口设计

1)系统中视频数据的解码方式为硬件解码，选择硬件解码矩阵板卡可实现相应码率下的视频数据转换与解码。硬件解码卡直接设计到主服务器中，在视频数据通过互联网上传到主服务器的同时就可实现同步解码。解码后的视频数据既可以传输到电视墙的PC管理主机，也可以通过联网终端APP实现远程监控。

2)视频监控系统中，用视频流控制器实现影像同步播放功能时，一方面可以选择开放SDK接口的视频流控制器以简化设计负责程度、缩短开发周期；另一方面，主服务器可将数据分段处理并存储，并提供预览查看、参数调整、加速回放等多种管理功能。

3.5 联网终端APP软件架构设计

随着人们对现代楼宇智能安防需求的逐步提高，为提高工作效率和生活乐趣，可将安防视频监控接入互联网，并通过联网终端和物联网技术的应用，借助软、硬件平台的有效结合和多种视频设备的远程控制，为人们打造一个安全、智能的楼宇环境。

软件的整体架构包含Linux Kernel、Application以及运行库，需要编程的部分为Linux Kernel和Application。在Linux Kernel中添加新的Wi-Fi Driver和ZigBee Driver以适配和驱动新的硬件模块，在Application中直接完成通信程序、数据处理和人机交互等部分。软件架构设计方案如图3所示。

图3 联网终端APP软件架构设计

3.5.1 LwIP协议栈移植

LwIP是瑞士的AdamDunkels等开发的开源TCP/IP协议栈，此协议栈体积较小，易于移植。相对uIP、uC/IP、Linux TCP/IP协议栈，LwIP具有以下特点：

1)移植与有无系统无关。

2)内存使用量为40KB ROM和几十KB RAM。

3)参考的资料较多，并且有多重方式与应用程序通信。

4)部分实现TCP/IP协议，且有套接字。

图4 TCP/IP协议数据收发处理流程图

由于LwIP对应用层的支持度方面应用较方便，在移植性方面优势较明显，且具有以上列举的优势。因此本系统通过移植LwIP协议栈到此平台以实现TCP/IP协议栈。TCP/IP协议数据收发处理流程图如图4所示。

3.5.2 编写TCP网络数据交互文件

在房间控制器与下端各个节点间的Wi-Fi通信中，实现长久可靠的数据交换以及完成网络文件的首发还需要编写TCP/IP文件系统。其中，TCP_Connetction.c包含以下函数：客户端回调函数ClientTcpConnected()、TCP/IP客户端初始化函数TCP_Clinet_Connection_init()、TCP/IP服务器端初始化函数TCP_Connection_init()、LwIP工作函数vETH_SimpleStateMachine_Init()，下面给出一些TCP通信关键程序说明：

/*————————————————————————————————————————————

*函数名称：TCP_Clinet_Connection_init()

*函数功能：客户机建立TCP服务函数

*返回值： TCP_Connection_Error_TypeDef类型

—————————————————————————————————————————————*/

TCP_Connection_Error_TypeDef TCP_Clinet_Connection_init(void)

{

struct tcp_pcb *New_upcb; //定义一个pcb变量

struct ip_addr remote_ipaddr; //定义一个服务器地址

UINT32 udwRemoteIPPort; //定义一个服务器端口

udwRemoteIPPort=5000; //服务器端口5000

New_upcb=tcp_new(); //创建一个PCB

if (New_upcb==NULL) //PCB为空判断

{

memp_free(MEMP_TCP_PCB, New_upcb);

return TCP_MemoryError;

}

tcp_setprio(New_upcb, TCP_PRIO_NORMAL); //设置PCB连接优先权

tcp_err(New_upcb, tcp_Error_callback); //设置PCB错误返回函数

if(tcp_connect(New_upcb,&remote_ipaddr,udwRemoteIPPort,ClientTcpConnected)!=ERR_OK)//PCB连接判断

{

tcp_abandon(New_upcb,0);

memp_free(MEMP_TCP_PCB, New_upcb);

return TCP_ConnectionError;

}

Currentpcb=New_upcb;

return TCP_OK; //返回TCP连接返回值

}

/*—————————————————————————————————————————————

*函数名称：TCP_Connection_init()

*函数功能：主机建立TCP服务函数

*返回值： TCP_Connection_Error_TypeDef类型

————————————————————————————————————————————*/

TCP_Connection_Error_TypeDef TCP_Connection_init(void)

{

struct tcp_pcb *New_upcb; //定义一个PCB变量

Demo_upcb=tcp_new(); //创建一个PCB

if (Demo_upcb==NULL) //PCB为空判断

{

return TCP_MemoryError;

}

New_upcb=tcp_listen_with_backlog(Demo_upcb, Incoming_Queue_Limit);

udwListenTimes ++; //监听事件累加

if (New_upcb==NULL) //监听为空，释放此PCB

{

memp_free(MEMP_TCP_PCB, Demo_upcb);

return TCP_MemoryError;

}

Else

{

Demo_upcb=New_upcb;

}

tcp_arg(Demo_upcb, NULL); //PCB参数设置清空

tcp_accept(Demo_upcb, tcp_Accept_callback); //设置PCB错误返回函数

return TCP_OK; //返回TCP连接返回值

}

4 系统优化方案

针对系统的结构设计特点及楼宇视频监控系统的实际工作情况，在模块化结构、联动化控制以及智能化升级三个方面提出了优化方案，不仅提高了系统实用性，也方便了日后系统的硬件维护和软件升级。

4.1 模块化结构

硬件部分都采用统一的硬件标准，方便日后的硬件替换和维护，特别是镜头的选择参数要保持一致，包括最大像素、焦距、光圈、安装方式、景深等；综合布线过程中，不同子系统的视频电缆要统一；视频压缩格式要一致，控制卡之间相互可以替换。

4.2 联动化控制

楼宇安防视频监控系统是安防系统中的一部分，需要与其他子系统形成有效的联动控制。终端APP要与监控室形成联动，能在联网终端设备直接提醒物业工作人员；在系统中预留连接消防广播和数字对讲的信号线，方便直接在广播系统中发布信息。

4.3 智能化升级

系统长时间运行以后，可能会出现一些不合理甚至是不符合实际要求的设计，尤其是软件设计。为此，在联网终端APP中预留在线升级接口，只需将最新的版本发布到应用商店中，用户即可一键升级。

5 结束语

随着网络通信技术的不断进步，现代楼宇安防系统会更加智能化和集成化，功能也会更加稳定完善。安防视频监控系统是建筑安防应用的重要组成部分，为整个楼宇提供了安全监视的重要保障，将会越来越多地融入到人们的日常生活中。

[1] 盛华军.智能建筑安防监控系统中摄像系统优化设计[D].广东工业大学,2013.

[2] 耿建军.智能建筑中视频监控系统的设计与应用[D].山东大学,2013.

[3] 戴晓婧,张宁.基于物联网的北京体育场馆预定及监测系统[J]. 物联网技术,2012(7):69-71.

[4] 王可崇.智能建筑自动化系统[M]. 北京：中国电力出版社 2008,30-51.

[5] 韦波.IP技术助智能家居腾飞[J]. 数字社区&智能家居，2007(3):76-79.

[6] 葛川,贾智平.建筑能耗系统的采集与实现[D].山东大学,2010.

Sun Hongchang / Zhang Lvyuan / Sun Jiahong / Wang Shengjun

在分析了传统安防视频监控系统的基础上，针对安防领域的智能化需求，运用新的互联网技术重新对系统进行规划和设计，并提出了优化方案，使安防系统、主机和各种设备能无缝连接到网络中，使用户通过视频监控系统能随时联网查看楼宇安防实时状态。

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