基于WiFi無線視頻傳輸技術(shù)的研究

摘要：隨著電力系統(tǒng)自動化水平的日益提高，人們對變電站監(jiān)控系統(tǒng)提出了越來越高的要求。結(jié)合變電站現(xiàn)場的實際需求，以及對嵌入式系統(tǒng)Wince和WiFi技術(shù)研究的基礎(chǔ)上，文章提出了一套無線視頻傳輸系統(tǒng)。包括論述了系統(tǒng)各組成部分、涉及到的關(guān)鍵性技術(shù)問題，并驗證了系統(tǒng)設(shè)計的正確性。研究的成果為WiFi無線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于電力系統(tǒng)遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控奠定了基礎(chǔ)。
關(guān)鍵詞：WiFi；DirectShow；Wince；移動終端；監(jiān)控系統(tǒng)

0 引言
    隨著電力體制改革的深入發(fā)展，國家電網(wǎng)為了提高經(jīng)濟(jì)效益，提高勞動生產(chǎn)率，都準(zhǔn)備在各變電站實行無人值守。而如今計算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、以及多媒體技術(shù)的高速發(fā)展使得這種通過網(wǎng)絡(luò)實遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)的搭建成為可能。
    傳統(tǒng)的監(jiān)控系統(tǒng)大部分都需要接入有線網(wǎng)絡(luò)才能實現(xiàn)監(jiān)控的功能，在空間和傳輸方式上有一點局限性，監(jiān)控設(shè)備不可能面面俱到。一旦由于自然災(zāi)害、操作不當(dāng)、設(shè)備老化等問題造成電力事故，而發(fā)生故障的地點是不確定的，搶修人員到達(dá)現(xiàn)場后，經(jīng)常由于沒有適合的監(jiān)控管理設(shè)備，致使搶修指揮中心無法及時、準(zhǔn)確地采集、存儲和監(jiān)管操作現(xiàn)場的實時信息。
    隨著WiFi等無線技術(shù)的發(fā)展及普及，使得無線傳輸視頻數(shù)據(jù)成為可能。利用無線網(wǎng)絡(luò)的便捷性，現(xiàn)場可以隨時隨地將視頻傳輸?shù)街笓]中心，從而更好地與現(xiàn)場進(jìn)行交互?；谀壳半娏ΡO(jiān)控系統(tǒng)對這一領(lǐng)域市場的強(qiáng)烈需求，提出設(shè)計和開發(fā)出一套便攜式視頻傳輸系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)架構(gòu)介紹
1．1 系統(tǒng)組成
    本系統(tǒng)大致可分為三個部分：無線移動終端、WiFi無線傳輸網(wǎng)絡(luò)和監(jiān)控平臺，采用C／S架構(gòu)。如圖1所示。

    (1)無線移動終端。無線移動終端是一部類似于PDA的手持設(shè)備，使用靈活、方便。設(shè)備自帶攝像頭、WiFi通信模塊等。終端客戶端軟件主要功能包括：視頻信號的采集、預(yù)覽、傳輸、拍照；系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)置(如時間、背光等)；攝像頭參數(shù)設(shè)置(如亮度、飽和度等)。移動終端軟件涉及的功能比較多，實現(xiàn)難度比較大，是本文討論的重點。
    (2)WiFi無線網(wǎng)絡(luò)。視頻信號采集后，經(jīng)過相應(yīng)的視頻編碼技術(shù)處理，將數(shù)據(jù)通過WiFi無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)奖O(jiān)控平臺，實時顯示和播放。
    (3)監(jiān)控平臺。該監(jiān)控平臺是一臺PC服務(wù)器。
    通過安裝監(jiān)控軟件可以實時監(jiān)視移動終端傳過來的視頻畫面并保存。
1．2 系統(tǒng)研究的技術(shù)基礎(chǔ)
    (1)DirectShow技術(shù)。DirectShow是DircctX中的一員，它為Windows平臺上處理各種格式的媒體文件播放、音視頻采集等高性能要求的多媒體應(yīng)用提供了完整的解決方案。
    在DirectShow的開發(fā)技術(shù)中，比較重要的一個概念就是過濾器(Filter)，過濾器處于DirectShow技術(shù)的核心地位，一個基于DirectShow的程序的核心功能都是由若干個過濾器實現(xiàn)的，過濾器大致分三種，分別是源過濾器(Source filter)、變換過濾器(Transform filter)、表現(xiàn)過濾器(Render filter)，在一個具體的應(yīng)用中，這三種過濾器構(gòu)成了一個過濾器圖(Filter graph)，由一個過濾器圖管理器(Filtcr grap hmanager)來管理這個圖表中的所有過濾器，應(yīng)用程序則通過事件和命令來和過濾器圖管理器打交道，從而控制所有的功能。DirectShow的體系框架如圖2所示。

    (2)WiFi通信技術(shù)。WiFi全稱Wireless Fidelity，又稱802．11b標(biāo)準(zhǔn)，是1EEE定義的一個無線網(wǎng)絡(luò)通信的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(IEE 802．11)。WiFi無線傳輸技術(shù)優(yōu)勢體現(xiàn)在：
    ·架設(shè)方便，免去了現(xiàn)場長工期的布線安裝工程。
    ·覆蓋范圍廣，WiFi的半徑可達(dá)300feet左右，約合100m。一般只需安裝一個或多個AP設(shè)備，就可以解決現(xiàn)場的網(wǎng)絡(luò)通信問題，根據(jù)實際測得的經(jīng)驗，現(xiàn)場一般間隔30m安裝一個AP。
    ·投資經(jīng)濟(jì)。有線網(wǎng)絡(luò)的固有缺點就是缺乏靈活性，在有線接入網(wǎng)規(guī)劃中，考慮到未來的發(fā)展，大量的超前投資往往會出現(xiàn)線路利用率低的情況。而WiFi的規(guī)劃就可以隨著用戶的增加而逐步擴(kuò)展，而不需要重新布線，具有較強(qiáng)的經(jīng)濟(jì)性。
    ·傳輸速度快，最高可達(dá)到54Mbit／s，完全滿足視頻數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊蟆?br />     (3)視頻編解碼技術(shù)。通過移動終端攝像頭采集的視頻圖像數(shù)據(jù)是相當(dāng)龐大的，如不經(jīng)過壓縮處理，要想對一幀原始視頻圖像進(jìn)行數(shù)字化傳輸?shù)脑?如本系統(tǒng)攝像頭輸出視頻像素格式為320×240，每個像素占用16bit，速度為每秒30幀)則要求傳輸能力要達(dá)到320×240×16×30= 35．16Mbit／s。所以未壓縮的視頻在一般的通信網(wǎng)絡(luò)上傳輸?shù)氖菬o法想象的。
    所謂視頻編碼技術(shù)就是指通過特定的壓縮技術(shù)，將原始的視頻流轉(zhuǎn)換成另一種視頻流的方式。目前視頻流傳輸中最為重要的編解碼標(biāo)準(zhǔn)有ITU的H．263、H．264，ISO運動圖像專家組的MPEG系列標(biāo)準(zhǔn)，此外在互聯(lián)網(wǎng)上被廣泛應(yīng)用的還有Real-Networks的Real Video、微軟公司的WMV以及Apple公司的QuickTime等。

2 系統(tǒng)實現(xiàn)
2．1 無線移動終端
2．1．1 硬件設(shè)計
    移動終端采用Wince操作系統(tǒng)，硬件平臺基于TI的OMAP3530嵌入式高端CPU，主頻可達(dá)600MHz。系統(tǒng)硬件架構(gòu)如圖3所示。

2. 1．2 客戶端軟件設(shè)計
    客戶端軟件設(shè)計是無線視頻系統(tǒng)最重要的部分，也是實現(xiàn)的難點。軟件采用MFC編寫工具，基于DirectShow框架的實現(xiàn)方式，主要包括以下幾個功能：
    (1)系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置模塊實現(xiàn)方法。
    ·系統(tǒng)背光調(diào)節(jié)。系統(tǒng)的背光調(diào)節(jié)功能主要由Wince系統(tǒng)的電源管理模塊以及背光驅(qū)動程序相互作用實現(xiàn)的。提供如設(shè)置背光的亮度、無人機(jī)交互情況下何時自動關(guān)閉背光等。
    ·視頻文件存放路徑?？紤]到實際工作環(huán)境下，視頻實時保存的路徑可能是flash路徑或者是SD卡路徑，這就涉及到文件路徑的設(shè)置。實現(xiàn)方式為：默認(rèn)情況下為flash的存儲路徑(＼ResidentFlash)，如果flash的空間很小且有SD卡的情況下，建議設(shè)置為SD卡路徑(＼Storage Card)。下次開機(jī)后顯示為上次保存的路徑。
    ·系統(tǒng)時間設(shè)置。系統(tǒng)時間的顯示和設(shè)置是通過調(diào)用wince系統(tǒng)自帶的時間設(shè)置程序。
    (2)視頻控制模塊實現(xiàn)方法。
    構(gòu)建正確的Filter Graph是基于DirectShow軟件開發(fā)成功的關(guān)鍵。構(gòu)建好Graph之后，接下來就利用DirectShow組件提供的相關(guān)接口函數(shù)把圖中所有的Filter都加入進(jìn)去，連接相連Filter的Pin(Pin是DirectShow中多媒體信息藉以流經(jīng)的單元，數(shù)據(jù)在Graph中流動是通過各個Fil ter導(dǎo)出的Pin來支持的)，最后啟動Graph。
    ·視頻數(shù)據(jù)實時傳輸。移動終端攝像頭采集的原始視頻數(shù)據(jù)經(jīng)過H264編碼壓縮后，通過TCP／IP網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)竭h(yuǎn)方監(jiān)控平臺。構(gòu)建如下Fil ter Graph：

    ·視頻數(shù)據(jù)本地實時預(yù)覽。工作人員不僅要將現(xiàn)場捕獲的視頻圖像實時傳送到指揮中心，還需要本地可以實時顯示當(dāng)前的畫面，從而保證圖像的一致性。建構(gòu)如下Filter Graph：

    ·即時拍照功能?，F(xiàn)場的情況錯綜復(fù)雜，環(huán)境也千差萬別，可能由于在夜間施工，光線太暗，導(dǎo)致視頻質(zhì)量不佳；或者需要對現(xiàn)場某一故障設(shè)備進(jìn)行詳細(xì)觀察，這時就需要拍照功能。移動終端采用高分辨率攝像頭(OV3640，像素300萬，帶有閃光燈)，拍下來的畫面非常清晰，完全滿足使用要求。Filter Graph構(gòu)建如下：

    軟件開發(fā)過程當(dāng)中，會涉及到許多的Filter，它們分別對應(yīng)唯一的GUID標(biāo)識，表1列出了主要的Filter名稱以及功能簡要說明：

2．2 監(jiān)控平臺
    PC服務(wù)器端監(jiān)控軟件的實現(xiàn)相對容易，實現(xiàn)功能比較簡單。主要包括視頻數(shù)據(jù)的解壓等。相關(guān)Filter Graph的建立參考無線移動終端部分，這里不再贅述。

3 測試與驗證
    為測試系統(tǒng)的可行性及正確性，搭建如下測試平臺：手持移動終端一臺、無線路由器(也就是AP)一臺、PC機(jī)一臺(服務(wù)器)。無線路由器和PC服務(wù)器在局域網(wǎng)內(nèi)。測試平臺實物圖如下：

3．1 視頻無線實時傳輸顯示
    測試過程如下：
    ·首先分別運行無線終端客戶端軟件(如圖8)，以及PC端服務(wù)器監(jiān)控軟件，這時監(jiān)控軟件處于等待客戶端連接狀態(tài)。

    ·設(shè)置移動終端WiFi連接；開啟DHCP功能，連接AP(如圖9)。

    ·AP連接成功之后，會自動分配一個IP地址(如圖10)。
    ·建立TCP／IP連接，成功之后，傳輸視頻數(shù)據(jù)。
    測試效果如圖11所示。

    實際測試過程中，以AP為中心，在有效的范圍內(nèi)(大約50m)隨意走動，視頻都能夠流暢地傳輸顯示，達(dá)到了現(xiàn)場的使用范圍要求。

4 結(jié)論
    當(dāng)前，隨著嵌入式技術(shù)、數(shù)字視頻以及無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，視頻監(jiān)控技術(shù)也日趨成熟，并成功運用于電力系統(tǒng)自動化領(lǐng)域。本文設(shè)計和開發(fā)了基于嵌入式系統(tǒng)Wince和WiFi無線技術(shù)的便攜式視頻傳輸系統(tǒng)，有如下特點：依靠手持終端，隨時隨地采集和傳輸現(xiàn)場圖像，突出便攜性；采用WiFi無線技術(shù)，方便快捷；使用TCP／IP協(xié)議傳輸視頻數(shù)據(jù)，保證了傳輸?shù)目煽啃浴?br />     隨著無線傳輸技術(shù)在視頻監(jiān)控系統(tǒng)中的成熟應(yīng)用，必將增強(qiáng)電力運行的安全和可靠性，對社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展起重要的作用。