基于CDMA2000-VPDN的視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：設(shè)計(jì)了一種點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的實(shí)時(shí)移動(dòng)視頻監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于嵌入式硬件平臺(tái)，以TI公司的TMS320DM365多媒體處理器為核心處理器，采用嵌入式Linux技術(shù)，通過(guò)電信CDMA2000-VPDN(Virtual Private Dia-Network)進(jìn)行視頻數(shù)據(jù)傳輸。由于VPDN具有可靠性高、保密性強(qiáng)等特點(diǎn)，該系統(tǒng)在家庭室內(nèi)和車(chē)載監(jiān)控等保密性要求高的場(chǎng)合有較高的應(yīng)用價(jià)值。
關(guān)鍵詞：TMS320DM365；3G-VPDN；視頻監(jiān)控；嵌入式Linux

引言
    隨著3G技術(shù)在國(guó)內(nèi)的逐步推廣，3G技術(shù)在視頻監(jiān)控行業(yè)的應(yīng)用已經(jīng)成為熱點(diǎn)。CDMA2000作為三種主流3G技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)之一，在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用發(fā)展迅速。中國(guó)電信CDMA2000系統(tǒng)主要應(yīng)用在語(yǔ)音和低速數(shù)據(jù)的CDMA2000 1x以及視頻和高速率數(shù)據(jù)的CDMA20001xEV-DO(Evolution-Data Only)上。CDMA20001xEV-DO在一個(gè)無(wú)線信道傳送高速數(shù)據(jù)報(bào)文的情況下，理論上支持下行數(shù)據(jù)速率最高可達(dá)3．1Mbps，上行速率最高到1．8Mbps。中國(guó)電信數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)費(fèi)用按流量或時(shí)間計(jì)算，隨著中國(guó)電信大力推廣3G業(yè)務(wù)，費(fèi)用也在逐步降低，為CDMA2000網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用普及提供有利的條件。3G網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控也越來(lái)越受人們關(guān)注。本文正是在此背景下提出了基于CDMA2000-VPDN的視頻監(jiān)控系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)功能及特點(diǎn)
1．1 功能描述
    本文所提出的系統(tǒng)具有以下功能：
    ①支持前端設(shè)備3G無(wú)線方式接入，實(shí)現(xiàn)免布線，提高安裝速度。
    ②有權(quán)限用戶可以瀏覽實(shí)時(shí)圖像，并可控制監(jiān)控點(diǎn)的云臺(tái)、鏡頭。
    ③用戶可通過(guò)3G手機(jī)客戶端實(shí)時(shí)瀏覽監(jiān)控點(diǎn)。
    ④平臺(tái)告警包括運(yùn)動(dòng)檢測(cè)告警、紅外檢測(cè)告警，并可通過(guò)撥號(hào)方式通知用戶。
    ⑤錄像和圖片資源集中存儲(chǔ)在前段編碼器，視頻流由設(shè)備直接傳給用戶3G手機(jī)客戶端。
1．2 系統(tǒng)特點(diǎn)
    ①處理器采用TI公司基于達(dá)芬奇技術(shù)的新型TMS320DM365數(shù)字媒體處理器。TMS320DM365高度集成了眾多組件，如H264、MPEG4、MPEG2編解碼器，可滿足智能視頻處理功能的集成影像信號(hào)處理(ISP)解決方案，集成組件使開(kāi)發(fā)周期大大減少，并降低開(kāi)發(fā)成本。本文采用TMS320D-M365中高性能的H264編碼器組件，大大壓縮了視頻數(shù)據(jù)，為3G網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸減輕了負(fù)擔(dān)。
    ②采用嵌入式Linux操作系統(tǒng)。本系統(tǒng)采用了開(kāi)源的嵌入式Linux操作系統(tǒng)。其良好的可裁減性與可移植性、卓越的效率和穩(wěn)定性，以及支持多種處理器體系架構(gòu)的特點(diǎn)，使得Linux越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于嵌入式領(lǐng)域。
    ③以電信CDMA2000的3G-VPDN平臺(tái)為支撐。    本系統(tǒng)是基于電信CDMA2000的3G-VPDN平臺(tái)，3G-VPDN(Virtual Private Network)采用安全專(zhuān)用隧道技術(shù)，對(duì)目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)提供了高安全的防護(hù)，防止了用戶的隱私、信息等泄漏。而且采用3G手機(jī)客戶端可以隨時(shí)隨地接入，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)移動(dòng)式監(jiān)控。
    ④系統(tǒng)監(jiān)控采用運(yùn)動(dòng)檢測(cè)技術(shù)。本系統(tǒng)采用了運(yùn)動(dòng)檢測(cè)技術(shù)、視頻運(yùn)動(dòng)檢測(cè)結(jié)合紅外檢測(cè)，大大加強(qiáng)了系統(tǒng)告警的可靠性。隨著視頻監(jiān)控的智能化，運(yùn)動(dòng)檢測(cè)、模式識(shí)別等新技術(shù)被引入視頻監(jiān)控系統(tǒng)。智能化是視頻監(jiān)控在今后發(fā)展的必然趨勢(shì)。

2 實(shí)現(xiàn)原理及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
2．1 系統(tǒng)總體框架
    系統(tǒng)的總體框架如圖1所示。系統(tǒng)包括前端嵌入式智能視頻監(jiān)控器、3G-VPDN認(rèn)證平臺(tái)、手機(jī)監(jiān)控客戶端。整個(gè)系統(tǒng)以嵌入式智能視頻監(jiān)控器為核心，以電信CDMA2000-VPDN為網(wǎng)絡(luò)支撐，以3G智能手機(jī)為遠(yuǎn)程監(jiān)控客戶端。

    嵌入式智能視頻監(jiān)控器采集現(xiàn)場(chǎng)的視頻數(shù)據(jù)，通過(guò)運(yùn)動(dòng)檢測(cè)技術(shù)，結(jié)合監(jiān)控器的紅外告警模塊，判斷是否有人在監(jiān)控區(qū)域活動(dòng)。若檢測(cè)到有人在監(jiān)控區(qū)活動(dòng)時(shí)，立即撥打系統(tǒng)預(yù)先設(shè)定的3G手機(jī)號(hào)碼進(jìn)行告警。3G手機(jī)接收到呼叫后，用戶選擇啟動(dòng)手機(jī)視頻監(jiān)控客戶端，發(fā)起VPDN連接，通過(guò)3G-VPDN認(rèn)證平臺(tái)認(rèn)證后，嵌入式視頻監(jiān)控器同時(shí)也建立VPDN連接，建立視頻監(jiān)控器和手機(jī)客戶端點(diǎn)對(duì)點(diǎn)VPDN連接。利用UDP和TCP協(xié)議，與嵌入式智能控制器進(jìn)行交互，如用戶是否請(qǐng)求嵌入式智能控制器發(fā)送現(xiàn)場(chǎng)視頻數(shù)據(jù)到手機(jī)客戶端、是否請(qǐng)求云臺(tái)控制、解除告警等。同時(shí)3G手機(jī)客戶端在未告警時(shí)，也可以主動(dòng)呼叫嵌入式視頻監(jiān)控器，申請(qǐng)建立VPDN連接進(jìn)行主動(dòng)訪問(wèn)，經(jīng)授權(quán)可以實(shí)時(shí)瀏覽本地監(jiān)控畫(huà)面。[!--empirenews.page--]
2．2 嵌入式智能監(jiān)控器的硬件結(jié)構(gòu)
    系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。系統(tǒng)主控制器采用TI公司的DaVinci處理器TMS320DM365。系統(tǒng)主要模塊包括：CCD視頻信號(hào)采集攝像機(jī)、A／D轉(zhuǎn)換模塊、云臺(tái)控制器、紅外探測(cè)模塊、SD卡存儲(chǔ)模塊、EVDO 3G模塊。圖中的有線網(wǎng)絡(luò)接口模塊主要用于調(diào)試系統(tǒng)軟件。

2．2．1 CCD視頻A／D轉(zhuǎn)換模塊電路
    A／D轉(zhuǎn)換芯片采用TI公司的高性能視頻解碼芯片TVP5146，完成從模擬到數(shù)字視頻的轉(zhuǎn)換。TVP5146不僅支持RGB和YPbPr信號(hào)分量的A／D轉(zhuǎn)換，也支持A／D轉(zhuǎn)換并解碼NTSC、PAL、SECAM、S-Video為YCbCr信號(hào)分量。它允許10路模擬視頻輸入，具有4路10位A／D轉(zhuǎn)換器；場(chǎng)同步信號(hào)VS、行同步信號(hào)HS、奇偶場(chǎng)信號(hào)FID、時(shí)鐘輸出信號(hào)DAIACLK等都由引腳直接引出，省去同步時(shí)鐘電路的設(shè)置。

    圖3為T(mén)VP5146與TMS320DM365的接口電路，CCD輸出的PAL模擬信號(hào)連接到VIDEO_IN，經(jīng)引腳VI_2_B進(jìn)入TVP5146的第二路A／D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換得到數(shù)字視頻信號(hào)(4：2：2YCbCr)，TVP5146輸出為10位的數(shù)字視頻信號(hào)，而TMS320DM365支持8位的數(shù)字視頻信號(hào)，因此TVP5146采用8位模式輸出，即視頻Y分量和C分量的最低2位不連接，TVP5146的引腳Y_2～Y_9和GPIO／C_2～GPIO／C_9分別與TMS320DM365的引腳YIN0～YIN7和CIN0～CIN7相連。TVP5146的SCL、SDA引腳分別與TMS320DM365的I2C接口的I2C_SCL、I2C_SDA引腳連接，TMS320DM365通過(guò)I2C總線對(duì)TVP5146的寄存器進(jìn)行配置。[!--empirenews.page--]
2．2．2 3G-EVDO上網(wǎng)模塊電路
    本模塊設(shè)計(jì)基于華為的MC703-CDMA-EVDO無(wú)線模塊。該模塊支持CDMA 800／1900頻段，提供豐富的用戶信號(hào)接口：電源接口、1路9線全串口、2路模擬音頻接口、1路RUIM卡接口、1路USB2．0全速接口、多達(dá)8路GPIO接口、2路DC接口。支持標(biāo)準(zhǔn)的AT指令集和華為擴(kuò)展AT指令集。EVDO上網(wǎng)模塊接口電路如圖4所示。

    EVDO上網(wǎng)模塊接口電路包括MC703的USB接口電路、UIM卡的接口電路以及電源接口電路。MC703的USB接口與驅(qū)動(dòng)程序配合可映射串口，通過(guò)串口AT指令控制該。EVDO模塊完成3G數(shù)據(jù)連接、短信、撥號(hào)等任務(wù)。由于模塊天線接口對(duì)ESD(Electro-Static Discharge，靜電放電)敏感，天線電路設(shè)計(jì)上增加一個(gè)68 nH的電感作為ESD防護(hù)。在電源接口電路上采用LDO(Low-Dropout)電源穩(wěn)壓電路，采用高電流LDO電源芯片MIC29302。在MIC29302電源的輸出端VBAT加了一個(gè)2 200μF的電解電容，以保證EVDO模塊在低信號(hào)下的功率上升導(dǎo)致的電壓跌落。
    MC703模塊RUIM卡接口對(duì)ESD敏感，同樣需要設(shè)計(jì)防護(hù)電路。圖5為RUIM卡接口ESD防護(hù)電路。圖中使用的TVS(瞬態(tài)電壓二極管)，選用低電容 TVS 陣列芯片MSMF05LCC。該芯片可以組成4路雙向的TVS，關(guān)斷電壓為5 V，極間電容可降至4．5 pF，可滿足ESD(Air-15 kV，Contact-8kV)防護(hù)要求。設(shè)計(jì)時(shí)使MSMF05LCC盡量靠近RUIM卡座放置。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)是基于嵌入式Linux平臺(tái)，在進(jìn)行系統(tǒng)應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)之前首先要完成搭建嵌入式Linux開(kāi)發(fā)環(huán)境，建立引導(dǎo)裝載程序Boo-tloader，移植Linux內(nèi)核，移植根文件系統(tǒng)，編寫(xiě)、修改和移植Linux驅(qū)動(dòng)程序等工作。然后對(duì)系統(tǒng)的應(yīng)用程序進(jìn)行開(kāi)發(fā)。

    系統(tǒng)軟件流程如圖6所示。軟件設(shè)計(jì)包括視頻采集檢測(cè)、視頻編碼、打包傳輸、與客戶端交互等主要線程。視頻采集檢測(cè)線程包括采集從ISIF接口接入的數(shù)字(4：2：2YCbCr)視頻信號(hào)，根據(jù)視頻運(yùn)動(dòng)檢測(cè)技術(shù)判斷是否有人闖入，結(jié)合紅外報(bào)警判斷是否需要告警，并對(duì)告警進(jìn)行計(jì)數(shù)，以便對(duì)告警進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。視頻編碼線程調(diào)用TMS320DM365的H264編碼引擎實(shí)施硬件編碼，編碼采用4CIF和CIF格式的雙碼流，分別用于本地保存和3G網(wǎng)絡(luò)傳輸。視頻數(shù)據(jù)打包發(fā)送線程對(duì)編碼完成得到的視頻數(shù)據(jù)流以RTP(Real-time Transport Protoc01)協(xié)議打包，并等待用戶的視頻連接請(qǐng)求，當(dāng)用戶手機(jī)端與智能監(jiān)控端建立了基于VPDN的UDP／TCP連接時(shí)，根據(jù)用戶的請(qǐng)求可及時(shí)發(fā)送視頻流數(shù)據(jù)到客戶端。與客戶端用戶交互線程處理告警和接收用戶的來(lái)電，以及響應(yīng)客戶的云臺(tái)控制請(qǐng)求。如果系統(tǒng)出現(xiàn)告警信息，則撥打預(yù)先設(shè)定用戶的手機(jī)即時(shí)告警，然后建立3G-VPDN連接，等待手機(jī)客戶端連接3G-VPDN，并與手機(jī)端在VPDN網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行交互(包括云臺(tái)控制、是否清除報(bào)警等)。

結(jié)語(yǔ)
    本文對(duì)基于CMDA2000-VPDN的網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的硬件進(jìn)行了模塊化的設(shè)計(jì)，并著重介紹了系統(tǒng)的主要模塊CDMA2000上網(wǎng)模塊和視頻A／D轉(zhuǎn)換模塊的硬件接口電路。軟件采用了嵌入式Linux的設(shè)計(jì)，并給出了主要的軟件流程。目前系統(tǒng)正在初步調(diào)試中，實(shí)驗(yàn)中得到了良好的效果，基本實(shí)現(xiàn)了各個(gè)模塊的功能，視頻顯示清晰，3G網(wǎng)絡(luò)傳輸流暢，檢測(cè)報(bào)警可靠性較高。