基于3G网络的无线视频监控终端设计

摘要：随着网络通信技术的发展，3G技术的高宽带和高可移动性，使视频监控从传统的有线传输进入到无线数字监控阶段。本文设计了一种基于3G网络的无线视频监控系统。经验证，该系统具有传输稳定，延时小，成本低和监控画面流畅等特点。

关键词：3G 视频监控 H.264 RTP/RTCP

中图分类号：TP277 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2013）01-0030-03

1 引言

传统的视频监控依赖有线环境，由于需要铺设电缆或者网线等传输媒质，导致在交通、电力线路、油田等特殊地况复杂或者临时布线的环境中[2]，有线网络变得无法适用，而且后期维护成本高，不能满足特殊场合视频监控的需求。而随着3G无线技术的快速发展和应用，基于无线网络的视频监控系统能够很好的解决这个问题。

3G无线网络利用其信号广泛覆盖性的特点[3]，可以使监控系统摆脱有线的束缚，一方面能够很容易的部署监控点，扩展监控区域，节约建设成本；另一方面可以应用到移动指挥和家庭看护等方面，提高监控人员的灵活性。因此，3G无线视频监控系统具有高性价比、部署灵活、低维护成本等应用优势。另外，国家对3G相关政策的扶持和3G网络基础设施建设的大力投入，为3G视频监控的全面发展提供了良好的可能性，使其能够被广泛应用在交通、安全、工业、家庭监控等特定领域。

2 硬件设计

本文设计的硬件电路架构如图1所示，主要由最小系统板模块、视频采集模块和视频传输模块等组成。最小系统模块是由ARM嵌入式微处理芯片、电源电路、复位电路、时钟电路、FLASH存储电路等单元组成；视频采集模块采用的是现有的USB摄像头；视频传输模块采用基于WCDMA制式的3G无线传输网络，它能够实现视频数据的无线网络传输。整个监控系统的工作流程为：系统通过USB摄像头采集监控现场的原始视频数据，经由H.264编码算法进行压缩编码并进行RTP封装，最后通过基于WCDMA的3G无线网络将压缩和封装后的视频数据传送到后台监控终端进行解码显示处理（见图1）。

本监控系统采用的微处理器芯片是以ARM920T为内核的S3C2440A，它是由三星公司推出的16/32位RISC结构处理器。由于采用了新的总线结构Advanced Micro controller Bus Architecture（AMBA），S3C2440A具有独立并且由8字长组成的16KB指令Cache和16KB数据Cache，从而提高了系统的运行处理能力。S3C2440A处理器还通过提供一套完整的通用设备来降低应用系统的成本和保证系统的可靠性，例如，系统可以从NAND FLASH存储器上启动，不仅增强了系统的存储容量，而且降低了存储成本。因此，本设计采用S3C2440A芯片作为3G视频监控系统的微处理器，能够使系统同时具有性能高、成本低和功耗低等特点。

3 软件设计

视频监控终端软件方面设计主要包括应用软件和平台软件层两部分，其总体架构如图2所示。应用软件的设计，它具体实现系统的功能需求，由视频采集、视频压缩和视频无线传输等功能模块组成；平台软件层，它为应用程序的开发提供软件环境，主要包括Linux操作系统的移植、Bootloader的移植和驱动程序移植等（见图2）。

3.1 开发环境的搭建

本系统的开发采用交叉编译技术，其硬件环境需要由一个宿主机和一个目标机组成。宿主机是程序开发、编译和调试的平台，目标机则是运行从宿主机编译后的可执行文件的特定终端系统。本设计的平台搭建包括bootloader移植、linux内核系统移植和根文件系统制作等流程，主要步骤如下：

（1）下载Linux内核源代码并进行解压。内核版本选用Linux-2.6.32.tar.hz，通过虚拟机在指定目录下进行解压。

（2）修改Makefile文件。Makefile记录了文件之间编译的依赖关系，因此文件进行编译必须遵守相应的规则。

（3）编译和修改驱动程序。本设计主要包括摄像头驱动和3G模块驱动的移植，并将其编译成模块在内核中进行加载。

（4）在内核目录中，进行make编译。

3.1 开发环境的搭建

本系统的开发采用交叉编译技术，其硬件环境需要由一个宿主机和一个目标机组成。宿主机是程序开发、编译和调试的平台，目标机则是运行从宿主机编译后的可执行文件的特定终端系统。本设计的平台搭建包括bootloader移植、linux内核系统移植和根文件系统制作等流程，主要步骤如下：

（1）下载Linux内核源代码并进行解压。内核版本选用Linux-2.6.32.tar.hz，通过虚拟机在指定目录下进行解压。

（2）修改Makefile文件。Makefile记录了文件之间编译的依赖关系，因此文件进行编译必须遵守相应的规则。

（3）编译和修改驱动程序。本设计主要包括摄像头驱动和3G模块驱动的移植，并将其编译成模块在内核中进行加载。

（4）在内核目录中，进行make编译。

3.2 V4L2视频采集

Linux驱动程序，在内核中是介于应用程序和硬件设备之间的，它屏蔽了所有设备的具体细节，只是提供给用户设备文件的标准接口。通过调用一系列统一定义的标准编程接口，能够对硬件设备以打开文件的方式进行操作。

本文的视频采集程序采用V4L2架构，V4L2是Linux内核中为视频设备提供的统一的接口规范。本文的视频设备存放在目录：/dev下，设备节点为/dev/dev0。应用程序使用ioctl控制命令来操作，每一种命令都有相对应的ioctl命令和参数。本系统的视频采集流程如图3所示，具体描述为：

（1）使用非阻塞方式打开系统相应的设备文件，其相应的代码为：

int fd=open（“/dev/video0”，O_RDWR|O_NONBLOCK）；

（2）设备打开后，开始获取设备信息，并设置视频的像素大小和格式。本文输出的格式为YUV420，图像大小设置为320*240，调用的函数为：

struct v4l2_format fmt；

fmt.type=V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_OUTPUT；

fmt.fmt.pix.pixelformat=V4L2_PIX_FMT_UYVY；

fmt.fmt.pix.height=320；

fmt.fmt.pix.width=240；

fmt.fmt.pix.field=V4L2_FIELD_INTERLACED；

（3）申请帧缓冲内存，并映射到用户空间。通过struct v4l2_requestbuffers req申请帧缓冲内存，调用mmap函数将申请到的帧缓冲映射到用户空间，映射后能够使数据交互时间大大减少。

（4）开始采集视频数据。使用ioctl命令调用VIDIOC_STREAMON获取数据，每次成功后则采集一帧图像的数据。

（5）结束采集，关闭视频设备。使用ioctl命令调用VIDIOC_STRE AMOFF停止数据的采集，调用close（fd）函数关闭视频设备。

3.3 视频数据的压缩和传输

H.264是由ITU-T的视频编码专家组（VCEG）和ISO/IEC运动图像专家组（MPEG）联合指定的新一代视频压缩标准[1]，具有较高的压缩效率和较强的网络传输特性。据评测，在同等图像质量条件下，H.264的压缩比是MPEG-2的2～3倍，是MPEG-4的1.5～2倍，因此在网络中传输同等数据量的视频图像所需要的带宽相对较低。H.264的这些特性使得它在高质量视频压缩传输的应用中得到青睐。本系统中从USB摄像头输出的视频数据需经H.264标准压缩后才进行传输。

为了满足监控系统非常高的实时性要求，本系统必须具有低延时和低丢包率的特性。TCP/IP协议虽然可以提供可靠地传输服务，但是由于其重传和拥塞机制，使其实时性很难保证；UDP协议采用无连接传输协议，可以提供实时传输，但存在丢包的情况，不能满足可靠的要求。因此为了实现实时传输要求，RTP/RTCP是解决流媒体实时传输的最好办法。在RTP/RTCP协议中，RTP协议负责实时性传输，提供端到端的服务[4]。RTCP协议则主要负责监测数据传输并管理控制信息，周期性地发送数据包和通知发送端。

本系统采用开源的JRTPLIB库来实现传输，它是用C++语言实现的RTP库，应用程序可以调用该库的接口函数，将数据封装成RTP包后，再通过3G无线网络传输出去。软件的控制流程如图4所示，主要包括参数的初始化、数据的发送与接收和信息控制等过程。

3.4 3G技术的应用

本系统中3G技术的一种功能应用方式是无线发送和无线接收。首先，视频采集终端完成图像信息的采集，通过与其连接的3G无线网卡经3G网络发出，并由同样配备了3G网卡的后端监控台接收。图中所示的3G网络可以是联通制式的WCDMA、电信制式的CDMA2000或者移动制式的TD-SCDMA，根据所使用的3G无线网卡，采用相应的网络制式进行传输[5]。

3G技术应用的另一种情况是无线发送和有线接收，即在发送端使用3G无线网卡发送视频数据，在接收终端利用有线网络对相应数据进行接收。这样在接收端使用有线网络结构，可以降低一些特定视频监控系统的经济成本。本文根据这个方案提出了一种基于服务器转发的数据传输方式，其转发流程如图5所示。在图5中，视频采集终端的3G无线网卡在设置好所要连接的IP地址，接入到3G网络后，查找到IP对应的服务器端口进行网络连接。连接成功后，视频采集终端将数据传送到服务器，服务器接收并向后台监控终端转发相应数据。

4 结语

本文设计的3G视频监控系统是在以ARM9处理器为核心，并采用新一代视频压缩编码标准H.264及传输控制协议RTP/RTCP的基础上，实现视频流在3G无线网络中稳定实时的传输。经测试，该方案处理后的视频质量效果好，能够充分满足应急突发事故的需要，在公安、交通、安防、森林防火等特殊领域具有很大的市场价值和应用前景。

参考文献

[1]沈海军，顾豪，朱春颖.H.264标准在实时监控系统中的应用研究[J].青春岁月，2011，6

[2]陈防震.3G技术在水利视频监控中的应用[J].科技资讯，2011，21

[3]张智江，朱士钧，严斌峰等.3G业务技术及应用[M].北京：人民邮电出版社，2007.

[4]任志考，魏志强.实时视频传输系统的设计与实现[J].计算机工程与设计，2007（11）.

[5]焦铭，易小波，李仁发.基于嵌入式Internet的远程视频监控系统设计[J].计算机技术与发展，2009，19（5）：176-179.