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摘 要 ：针对校园安全方面,该文提出了嵌入式的校园无线视频监控系统,测试结果表明,该系统稳定性高,实时性好,运行可靠.
关 键 词 ：校园安全；无线视频监控系统；实时控制
中图分类号：TP393文献标识码：A文章编号：1009-3044(2012)06-1282-04
Design and Implementation of the Embedded Wireless Video Monitoring System on Campus
PENG Ling, HUANG Song-fa
(Department of Computer, Guangdong University of Science & Technology, Dongguan 523083, Chain )
Abstract: According to campus security, the paper proposes the embedded wireless video monitoring system on campus.Testing result indi cates that the system of high stability, real time, and reliable operation.
Key words: campus security, wireless video monitoring system, rate control
我国正处在一个高速发展的历史时期,教育兴国是我国的一项基本国策,全社会都对教育事业投入了极大关注和巨大的人力物力.为保证校园内教职人员及学员的人身财产安全、公共财物设施安全,校园监控得到了各类学校以及各级教育主管机构越来越多的重视[1].本文以广东科技学院为例,构建了嵌入式校园无线视频监控系统,帮助管理人员对院区内重要出入口,教学行政区,体育运动区,教师生活区,学生生活区间主要道路,各办公大楼及宿舍楼间通道等盲点区域进行监控.
1系统总体结构
根据学院的具体情况,系统将整个校园划分为多个分区,每分区自成系统,可以独立操作；同时又集中控制,即以教学行政区所在分区为中心,该分区控制室为本系统的中心控制室,其他各分区与其相联,整个系统呈星型分布,如图1所示.现场摄像机采集监测的模拟视频信号及控制信号,在现场即被转换为数字信号,经过压缩处理,结合无线网络技术把数据发送到各监控中心,同时中心控制室能对各监控中心做到集中控制分级管理,各监控中心对接收到的视频数据解码显示,实现无线视频监控.
2监控终端硬件设计
监控终端硬件电路结构如图2所示,监控终端核心采用海思半导体公司的Hi3510芯片,该芯片基于ARM926EJ-S、DSP双处理器内核,具有高集成和可编程的硬件加速引擎,能自适应各种网络环境,低码率的H.264编码技术极大减少网络存储空间,并通过集
3系统软件设计
3.1视频采集模块
摄像头采集视频模拟信号,再把这些模拟信号通过CSBS信息格式输入视频采集芯片TW2834.TW2834提供了独立的4路模拟视频输入移动侦测模块,算法处理流程如图3所示.为了能够更加准确的根据环境变化进行移动侦测,TW2834提供了多个灵敏度和检测速度控制参数[3].值班人员在各值班室内就可以同时对各个监控点的情况进行监视,若有异常,可以马上采取必要的措施,从而防止意外情况的发生. 3.2视频压缩模块
TW2834把采集到的视频模拟信号转换成数字信号,通过BT656接口输入到Hi3510开发板.Hi3510开发板是具有H.264硬件编码SOC芯片,采用ARM9+DSP+硬件引擎方式,可以方便地提供H.264压缩视频流,还可以获得很好的压缩比.
在目前基于分块的预测/变换混合编码框架下,如果H.264编码过程中编码参数保持不变,那么每一帧图像产生的比特数将有较大波动,不利于传输和存储,因此需要通过码率控制技术对编码码流进行约束[4].本文在H.264码率控制方面,根据影响码率的编码参数,选择影响码率较大的参数,以量化步长、帧率及I帧间隔作为研究对象,再通过Hi3510的编码API来动态设置编码器的属性,根据对码率的调整力度的不同而采取相应措施调整编码参数.具体思想是：通过函数HI_VENC_SetSingleAttr()来动态调整码率,通过函数GetNextBitRate()来动态获得预测码率,根据预测码率的变化力度,设置两个阀值Threshold1,Threshold2（Threshold1＜Threshold2）,这两个阀值可根据当前的应用环境动态设置,通过选取不同的调整措施,来动态调整码率,如图4所示.
3.3视频传输模块
为了保证可靠的视频传输质量,网络传输部分采用了实时传输协议RTP/RTCP,该协议建立在传统的TCP/IP协议之上,能够提供流媒体数据高效率传输.为了避免视频数据在网络层被分割,需要将一帧H.264视频数据分割成一定大小的RTP数据包.按照RTP数据包的格式,配置时间戳以及序列号等参数,形成IP数据包,然后封装上UDP报头和IP报头,最后形成IP数据包,通过无线模块发送[5].目前对视频发送速率最常用的算法是加增长乘减少算法AIMD (Additive Increase and Multiplicative Decrease).为了达到自适应性,保证实时传输的服务质量,本文在AIMD算法的基础上,综合考虑了整个网络环境及当前网络状态反馈信息,提出了一种新的RTP自适应传输控制算法,该算法采用变常数增长和变常数减少的方法来动态调整发送速率,如公式（1）所示.
其中,v(0)表示初始时刻的RTP流发送速率；v(t+1)、v(t)分别表示t+1、t时刻RTP流发送速率；L为丢包率；J为抖动量；Lmax表示在不影响视频传输质量下的最大丢包率；Jmax表示在不影响视频传输质量下的最大抖动量；w1,w2为常数,且w1+w2等于1；c为常数,且0.1≤c≤0.2,它是进行流量调整的阈值；5和1/2为修正值,可以使传输速率更加平稳[6].
利用无线网络传输H.264视频流,不可避免会出现丢包现象.控制中心解码时仅用I帧的数据就可重构完整图像,I帧是P帧和B帧的参考帧,其质量直接影响到同组中以后各帧的质量.为了保证I帧的可靠传输,本文对丢包进行了处理.如果I帧已经丢失,则在发送端请求产生新的I帧,并主动放弃发送在新产生的I帧到来前的所有帧,处理流程如图5所示.
3.4无线模块设计
鉴于无线模块包含射频电路,设计时难度大,风险大.所以本文选用USB接口的无线网卡TP-LINK TL-WN322G+作为无线通信模板,使用RT73芯片.USB无线网卡驱动模块的加载,首先使用make menuconfig命令进入内核编译选项配置界面,根据无线网卡类型选择网卡驱动,接着选择带USB功能的网卡,然后编译生成rt73.ko无线网卡驱动模块,并将rt73.ko驱动模块通过inod命令动态加载进内核.当模块加载成功后,还要对网卡进行配置,需要使用Linux下的配置工具wireless-tools.插入无线网卡,执行ifconfig wlan0 up,启动无线网卡；接着执行iwlist scanning,搜索可用的无线网络接入点；最后通过一系列命令设置无线网络接入点、ESSID、无线网卡IP地址.
4视频监控系统测试与性能分析
搭建系统测试环境,控制中心就可以直接执行应用程序,对视频监控现场及无线网络通信进行整体测试,并对运行结果进行观察和分析.控制中心的应用软件使用VC++6.0 MFC开发,实现接收、解码并显示监控现场发送的H.264视频流,H.264视频流解码及视频格式转换采用开源软件FFMPEG库来进行实现.监控图像显示界面如图6所示.
5总结
结合当前的各地学校建设的校园视频监控系统管理方使用的现状,笔者认为存在某些不足之处：现在各校的监控系统均是独立系统已经不能满足多方面的保卫管理工作的需求,任何人如需查看监控系统,必须去监控室,对于各级管理者不够灵活；无法与校园其他视频综合管理,如制作课件、教学评估、考场监控等,因此建立综合的监控系统,资源共享、统一管理已经成为平安校园的新趋势.