远程无线视频监控系统的设计与实现

2021-01-25袁纯桢

通信电源技术 2020年18期

袁纯桢

（葛洲坝易普力四川爆破工程有限公司，四川成都 610045）

0 引言

随着5G网络的发展，远程无线视频监控系统的设计和发展也逐渐开始与高速网络技术相结合，成为了视频监控研究发展的主要方向。随着通信系统的高速发展，视频信号的无线传输使得监控信息能够快速传输到监控后台，然后采用流媒体技术将监控内容进行压缩，再将监控数据传输到监视终端，由监视终端进行解压后将视频影像和时间等监控信息良好的呈现出来[1]。远程无线视频监控系统促进了视频监控工作的有效进行，使得管理人员能够使用手机App和PC端等设备便捷且及时地观察，有效降低了网络监控网络的成本，提高了视频监控系统的灵活性。

1 远程无线监控系统发展趋势

当前，远程无线视频监控系统已经逐渐普及到各种监控场所，在室外无人值守的场所和存在一定危险性的监控场所得到了良好的应用。随着带宽瓶颈逐渐突破图像，数据得到了良好的传输[2]。随着无线传输技术不断发展，针对网络视频监控设备的实际需求，设计网络远程无线视频监控系统成为了视频监控系统研究人员的重要研究课题。通过有效结合计算机技术、控制技术以及网络通信技术促进监控视频的无损传输。

了解现代化远程无线监控系统的发展趋势是进行科学系统设计与实现的关键。当前的无线视频监控系统的发展基于电子技术[3]。不仅针对于安防监控，也逐渐与人们的日常监控需求相结合，形成了家用远程无线监控系统。其主要采用视频数字化、系统集成化以及后端一体化的综合性集成电子技术，将传输信号从模拟信号转变为数字信号，通过编码压缩的方式将视频流和信息流传输到监控终端，从而保障监控人员可以在终端操作平台上进行各种监控数据的查看和处理工作。

监控系统的网络化使得监控系统得以通过开放式的网络传输协议来连接摄像机与监控终端，为其提供无线通信。分布式的操作系统使得抢险任务调度算法能够有效应用于无线视频监控系统中，使得整个监控过程可以实现有效的软硬件资源共享，为监控视频管理人员提供更加人性化的服务[4]。因此，监控系统的网络化和数字化成为了远程无线监控系统未来的发展趋向。

2 远程无线视频监控系统的设计与实现

2.1 设计思路

在设计远程无线视频监控系统的过程中，选取了基于Linux开源和嵌入式设备，进行了远程无线视频监控系统的硬软件设计。以搭载S3C2440微处理器的开发板为主要硬件平台，使用USB免驱摄像头作为视频拍摄设备，通过Linux内核提供的统一接口V4l2实现视频图像的采集工作。在具体的解编码过程中采用MJPRG压缩技术，通过无线网络将视频传输给监控终端。此外，嵌入式设备终端接收数据的软件使用了基于Linux开源的MJPG-streamer软件，根据多线程技术和智能网络技术，将PC端的监控管理平台建设为用户友好型的图形软件，便于视频监控使用人员的终端操作和安装，最终使得监控使用人员能够通过终端便捷地获得清晰流畅的监控视频数据[5]。

2.2 系统设计要点

本系统主要基于ARM硬件平台的无线视频监控终端，建立PC端的监控终端软件，以Linux操作系统为主要建设平台，通过USB无线网卡发出的无线信号将视频数据传输给客户端。其设计要点可以分为硬件设计、软件设计以及无线视频传输模块设计等方面。

2.2.1 系统的硬件设计

根据系统整体的功能要求，远程视频监控系统应当选取适宜安装的系统硬件以提高传输效率。在选择核心处理器时可以选用雷凌科技（Ralink）公司的RT3052芯片，该芯片内置有5个10/100 MHz以太网交换/PHY设备，一个USB OTG接口和一个千兆以太网MAC，能提供300 Mb/s的物理传输速率，而且其运行所需的外围器件芯片和无线产品较少，因此具有良好的传输特性。其中，USB HOST接口可以方便接入外部存储器，系统中的接口为外部存储设备提供了可靠的保障，十分适合在有野外作业的监控系统中使用。通过无线微波设备传输信号，使得远程无线视频监控的网络部署更加方便、快捷且成本低。

2.2.2 系统软件设计与实现

基于嵌入式的远程无线视频监控系统软件由设备驱动模块、图像采集模块、图像压缩模块以及无线视频传输模块共同组成[6]。监控系统设计流程图如图1所示，监控终端模块结构如图2所示。

图2 监控终端模块结构图

（1）设备驱动模块嵌入式工作平台的搭建。设备驱动模块的嵌入式工作平台的搭建主要是对远程无线监控系统的Linux操作系统进行一定的修改和剪切工作。将必要的系统功能保留下来，建立交互编译环境，实现ARM－Linux移植，建立交叉编译环境，将可执行文件烧写到开发版NAND Flash中，确保设备驱动模块及监控系统功能正常实现。

（2）图像采集模块。图像采集模块主要负责视频数据的采集。其设计采用V4L提供的函数接口提高视频采集工作的完善性和高效性。V4L是Linux内核中关于视频设备的API接口，为视频设备的应用程序编程提供了一套接口规范[7]。开发完摄像头的驱动程序后，就可以通过V4L提供的系统API来控制摄像头，从而完成视频采集工作

（3）无线视频传输模块设计。无线视频传输模块实现视频图像的网络传输。通过驱动模块来带动摄像头的运行，在无线网卡和Linux操作系统的运行下为驱动程序和应用程序提供接口。图像采集模块能够将摄像头所摄取的影像视频进行暂存，避免使用SD卡。图像压缩模块能够将所拍摄的图像进行编码和压缩处理，最终通过无线视频传输模块将监控视频有效传输到监控终端。当前常用的网络传输协议主要有TCP和UDP两种[8]。通过TCP的三次握手建立连接不适合实时的数据传输，UDP协议尽管传输速度快，但却是一种不可靠的传输协议，在视频传输过程中有可能丢失重要监控画面。这时运行在UDP上的RTP协议呈现出了巨大优势。在无线视频传输模块的设计过程中，设计人员可以采用RTP协议为数据包进行有序编号，并加载时间管理等功能，实现最小的开销和最佳的传输效率。通过改善视频传输质量提高视频传输和监控的有效性。

2.2.3 无线视频监控客户端的设计

完成监控系统后端搭建工作后，还需要对无线视频监控终端进行人性化设计。通过视频数据的采集和TCP协议的使用，在PC机的操作系统下基于Qt和OpenCV设计移植性好且操作性强的监控终端是无线视频监控终端设计的要点。使得监控使用人员可以使用手机APP的远程操控完成实时监控和实时录像，能够进行有效的监控工作。在设计时，应当注重实现实时监控、截图拍照以及实时录像等具体功能。

2.2.4 设计效果

经过系统测试可知，在此研究的基于嵌入式的远程无线视频监控系统在实际投入使用中表现出了优良特性。每帧图像大小约为4 kB，而且在CDMA网络中可以连续不丢帧的传送，坏帧率在5%以下。实际图像画面质量较高，未出现失真情况，PC端实况监控结果如图3所示。