产品设计与实现２０１０２基于无线传输的移动视频监控系统的设计张伟男张溢华唐伦陈前斌庞浩重庆邮电大学移动通信技术重点实验室，重庆，４０００６５【摘要】【关键词】介绍了一种基于３Ｇ无线网络传输的移动视频监控系统的设计和实现方法。

首先分析了本视频监控系统的优点，并简单介绍了系统的总体设计，然后重点介绍了前端采集终端、传输部分和后端管理平台等部分的设计和实现方法，最后分析了测试效果和下一步研究重点。

经３Ｇ网络测试，该监控系统工作稳定并已成功应用于视频监控领域。

音视频编解码３Ｇ无线传输视频监控一、引言二、无线传输视频监控系统的优点无线监控以其覆盖范围广、部署位置灵活、与有线监控融合方便的优势，目前可以作为有线监控的有力补充，并得到越来越多的应用。

３Ｇ无线传输技术的快速发展和应用、流媒体技术的发展为无线视频监控的设计提供了更多有利条件。

本文研究的正是基于３Ｇ无线网络传输的视频监控系统的设计与实现。

与传统的监控系统相比，本文介绍的３Ｇ无线传输视频监控系统具有以下优势：（１）引入嵌入式技术，系统小，指令精简，处理速度快，嵌入式Ｌｉｎｕｘ系统处理实时性好，性能稳定；引入ＡＥＳ加密技术，为系统传输数据的安全提供了保证。

（２）本系统利用后端管理平台对前端采集终端进行控制，后台利用ＴＤ－ＳＣＤＭＡ可以和互联网相连的特点直接从互联网提取数据，用户可在任何一个有网络的地方用后台管理软件来对前端进行控制。

（３）对前端直接控制。

前端设置有ＵＳＢ接口，用户可以直接将计算机和该接口相连，对前端进行控制。

该ＵＳＢ接口还可作为前端电源供电。

前端还可配备［１］［２］ＳＤ存储卡，发送当前采集数据的同时可直接保存压缩加密后的数据。

（４）升级方便。

本系统使用重邮信科公司生产的ＴＤＳＣＤＭＡ基带芯片Ｃ３２２０设计的ＴＤＭ２３０无线传输模块，可以随时更新版本。

整个系统可分为３大功能主体：前端嵌入式采集终端、３Ｇ无线网络传输部分和后端监控管理平台（后台），如图１所示。

前端由音视频采集设备和嵌入式软件构成，用于完成音视频数据捕获、ＭＰＥＧ－４压缩编码、ＡＥＳ加密、ＲＴＰ／ＲＴＣＰ封包等。

前端采集终端框架如图２所示。

三、监控系统总体设计１、前端采集终端［２－３］产品设计与实现２０１０２前端视频数据由闭路电视（ＣＣＴＶ）摄像头采集，音频数据由传声器来采集。

系统采用上海杰得微电子有限公司生产的Ｚ２２８应用处理器开发，由Ｚ２２８处理器对音视频数据进行压缩编码。

Ｚ２２８处理器集成了一个支持ＭＰＥＧ－４格式的视频硬件编／解码器，支持最高达ＶＧＡ（６４０×４８０）分辨力的ＭＰＥＧ－４格式视频编／解码，最高帧率３０ｆ／ｓ（帧／秒），最大比特率达到８Ｍｂｉｔ／ｓ，支持ＶＢＲ和ＣＢＲ两种速率控制。

ＭＰＥＧ－４编码器从内存中读取ＹＵＶ视频帧，压缩成ＭＰＥＧ－４码流，存入内存。

音频编码由ＣＡＴ编码器来完成。

ＭＰＥＧ－４解码工作由后台来完成，ＭＰＥＧ－４解码器可以分为２个模块：Ｄｅｃｏｄｅｒ和ＶＰＤ。

Ｄｅｃｏｄｅｒ从内存中读取ＭＰＥＧ－４码流，解码成ＹＵＶ视频帧，然后通过ＶＰＤ进行缩放、ＹＵＶ转ＲＧＢ等，处理后的ＲＧＢ或者ＹＵＶ视频帧存人内存，直接输出到ＦｒａｍｅＢｕｆｆｅｒ显示。

在完成对音视频采集数据的压缩编码后，前端会对其进行ＡＥＳ加密。

ＡＥＳ是适用文件信息分组密码算法，为使其直接使用于ＭＰＥＧ－４流媒体加解密，笔者加入了额外程序动态提供数据大小信息，具体方法为：首先动态获取ＲＴＰ净荷数据的大小，并填充数据位使数据长度为１２８ｂｙｔｅ的整数倍，然后每１２８ｂｙｔｅ数据送入ＡＥＳ加密函数中，最后还需要在加密后的ＲＴＰ数据净荷末尾打上标志识别信息，这样让接收端知道填充位的位置及位数，从而解密后抛弃相应比特位，否则重组后的音视频码流信息错乱无法被正确识别和显示。

在完成ＡＥＳ加密后，前端会对数据进行ＲＴＰ封包，然后将其送往３Ｇ传输模块，来完成数据发送工作。

ＲＴＰ协议是为支持实时多媒体数据通信而设计的传输层协议。

它本身并不提供任何传输可靠性的保证和流量的拥塞控制机制，需要ＲＴＣＰ实时监控数据传输和服务质量。

前端在完成对采集的音视频数据进行音视频编码和ＡＥＳ加密后，数据将被进行ＲＴＰ封包然后送往３Ｇ传输模块发送出去，与此同时该数据还可被保存在前端配备的ＳＤ卡上，数据经ＡＥＳ解密后即可播放。

该功能由后台控制使用，主要实现程序如下：ｖｏｉｄｌｏｃａｌｐｌａｙ：：ＳＤＲｅｃｏｒｄ（）／／ＳＤ卡录像函数｛ｉｆ（ｈＤｅｖｉｃｅ＝＝ＩＮＶＡＬＩＤ＿ＨＡＮＤＬＥ＿ＶＡＬＵＥ）［４］［５］／／判断是否找到设备，如果没有，就执行ｉｆ语句，重新查找｛ｈＤｅｖｉｃｅ＝ＯｐｅｎＢｙＩｎｔｅｒｆａｃｅ（＆ＣｌａｓｓＧｕｉｄ，０，＆Ｅｒｒｏｒ）；｛ｉｆ（ｈＤｅｖｉｃｅ＝＝ＩＮＶＡＬＩＤ＿ＨＡＮＤＬＥ＿ＶＡＬＵＥ）／／再次判断是否找到设备｛ＭｅｓｓａｇｅＢｏｘ（“ＥＲＲＯＲｏｐｅｎｉｎｇｄｅｖｉｃｅ：（％０）ｒｅｔｕｒｎｅｄｆｒｏｍＣｒｅａｔｅ－Ｆｉｌｅ＼ｎ”）；／／输出此语句，告知用户打开设备失败Ｅｘｉｔ（１）；／／退出ＳＤ录像功能界面｝ｅｌｓｅ／／找到设备｛ＭｅｓｓａｇｅＢｏｘ（“Ｄｅｖｉｃｅｆｏｕｎｄ，ｈａｎｄｌｅｏｐｅｎ．＼ｎ”）；｝／／提示找到设备，可以执行ＵｐｄａｔｅＤａｔａ（）；／／上传数据ｃｈａｒ＊ｂｕｆ；／／定义一个缓存ＵＬＯＮＧｎＷｒｉｔｔｅｎ；／／定义一个变量ｉｎｔｎ＝４０９６；／／定义ｎ大小为４０９６ｂｕｆ＝（ｃｈａｒ＊）ｍａｌｌｏｃ（ｎ）；／／定义缓存大小ｍｃ＿ｄａｔａ１．ｔｙｐｅ＝ＣＭＤＴＹＰＥ＿ＳＥＮＤ；ｍｃ＿ｄａｔａ１．ｃｏｍｍａｎｄ＝ＣＭＤＩＤ＿ＭＥＤＩＡＣＯＮＴＲＯＬ；ｍｃ＿ｄａｔａ１．ｌｅｎｇｔｈ＝ＥＸＴＳＩＺＥ＿ＳＥＮＤ＿ＭＥＤＩＡＣＯＮＴＲＯＬ；ｍｃ＿ｄａｔａ１．ｅｘｔｅｎｄｅｄ．ａｃｔｉｏｎ＝４；ｍｅｍｃｐｙ（ｂｕｆ，＆ｍｃ＿ｄａｔａ１，１２）；／／由ｍｃ＿ｄａｔａ１所指内存区域复制１２个字节到ｂｕｆ所指内存区域ＷｒｉｔｅＦｉｌｅ（ｈＤｅｖｉｃｅ，ｂｕｆ，ｎ，＆ｎＷｒｉｔｔｅｎ，ＮＵＬＬ）；／／该函数实现将数据写到ＳＤ卡的功能ｆｒｅｅ（ｂｕｆ）；／／释放缓存……另外，用户可在无网络的条件下，利用后台通过ＵＳＢ接口直接对前端进行控制。

３Ｇ模块为ＴＤＭ２３０无线传输模块。

ＴＤＭ系列无线模块主要为语音、视频和数据业务提供无线传输功能；集成了完整的射频电路和ＴＤ－ＳＣＤＭＡ的基带电路，适２、３Ｇ无线传输合于开发ＴＤ－ＳＣＤＭＡ无线应用产品。

ＴＤＭ２３０模块高集成度精巧结构设计，支持ＴＤ－ＳＣＤＭＡ２０１０￣２０２５ＭＨｚ频段，支持最高３８４Ｋｂｉｔ／ｓ的ＰＳ数据业务，采用ＡＴ命令接口，支持１．１Ｍｂｉｔ／ｓＨＳＤＰＡ数据业务，支持ＴＤ－ＭＢＭＳ业务，支持ＡＭＲ话音，在监控系统中具有很高的实用价值。

本监控系统已实现了传统以太网的信息承载功能，网络功能由Ｓｏｃｋｅｔ实现，系统总体有２条数据通路，一是信令部分即视频监控系统的控制信息，它们通过ＴＣＰ／ＩＰ方式封包传输，二是音视频流媒体部分，它们通过ＲＴＰ／ＵＤＰ／ＩＰ方式封包传输。

本系统开发一个系统与ＴＤ－ＳＣＤＭＡ通信的伪网络设备驱动，通过这个伪网络设备驱动，在有线网络下通过以太网口发送的数据不再走向以太网设备而走向连接ＡＲＭ嵌入式开发设备和ＴＤ－ＳＣＤＭＡ无线收发设备的串行数据收发接口，这样便实现了在不破坏成熟的视频监控系统数据流程的前提下完成数据的转移工作前端与３Ｇ网络的通信。

这个伪网络设备驱动是系统与ＴＤ－ＳＣＤＭＡ通信功能模块中的关键部分。

系统与ＴＤ－ＳＣＤＭＡ通信原理框图如图３所示，其中竖虚线是划分系统软件与ＴＤ－ＳＣＤＭＡ软件的分界线，左边是系统软件，右边为ＴＤ－ＳＣＤＭＡ系统软件，这里ＴＤＳＣＤＭＡ只提供信令和串口通信帧文档。

系统与ＴＤ－ＳＣＤＭＡ通信的应用程序有读和写两个字符设备：发送字符设备和接收字符设备。

在内核空间，伪网络设备驱动程序可以直接读写发送字符设备和接收字符设备，在内核空间它们之间的通信是对共享缓存区的读写。

伪网络设备驱动程序具有大部分普通网卡驱动程序提供服务功能，只是没有硬件部分代码的实现。

当用户空间Ｓｏｃｋｅｔ进程要发送数据的时候，其首先让数据经过ＡＲＭ嵌入式Ｌｉｎｕｘ操作系统的［６］［７－８］ＴＣＰ／ＩＰ或者ＵＤＰ／ＩＰ处理层进行数据打包，然后把打包后的数据直接写入发送字符设备，等待系统与ＴＤ－ＳＣＤＭＡ通信的应用程序进程读取，最后通过串口发送到ＴＤ－ＳＣＤＭＡ进程；而当系统与ＴＤ－ＳＣＤＭＡ通信进程发现有数据从串口传送过来时就把数据写入接收字符设备中，伪网络驱动程序发现接收字符设备有新数据的时候，就会把数据传递到ＴＣＰ／ＩＰ或者ＵＤＰ／ＩＰ层处理，最终系统软件收到ＴＤ－ＳＣＤＭＡ发来的数据。

Ｚ２２８处理器通过ＴＤＭ２３０的ＵＡＲＴ２与其采用ＡＴ命令方式进行通信。

经过分析，Ｚ２２８与ＴＤＭ２３０的Ｉ／Ｏ电平均为３．３Ｖ兼容，因此，可以分配Ｚ２２８的ＵＡＲＴ２口与ＴＤＭ２３０的ＵＡＲＴ２口直接连接进行通信，这样便实现了前端和３Ｇ模块的物理连接。

后端监控管理平台是本监控系统的人机交互的界面，如图４所示。

它应用ＴＤ－ＳＣＤＭＡ与Ｉｎｔｅｒｎｅｔ互联的特点，通过互联网接收数据，然后经ＡＥＳ解密、ＲＴＰ解包和音视频解码等处理后即可进行实时播放等功能；后台还可进行存储设置、音视频配置、图像抓取与放大等，可对图像格式（ＶＧＡ，ＣＩＦ，ＱＣＩＦ等）以及帧频等进行调整，且分级可调。

后台还可以通过前端ＵＳＢ接口直接对其进行控制。

设计了一种基于嵌入式Ｌｉｎｕｘ技术和ＴＤ－ＳＣＤＭＡ无线网络传输技术的移动视频监控系统。

下一步的研究重点是提高３Ｇ模块的串口传输速率，争取达到１Ｍｂｉｔ／ｓ，以更好地保证音视频传输效果。

［９］［１０］３、后端监控管理平台四、小结（下转第２２页）４、外围接口模块三、系统硬件调试本设计支持ＲＳ－２３２Ｃ串口通信。

但该串口通信需把３．３Ｖ逻辑电平转化成ＲＳ．２３２Ｃ标准电平。

因此采用ＳＰ３２３２Ｅ系列器件完成电平转换。

ＳＰ３２３２Ｅ可从＋３．０￣＋５．５Ｖ的电源电压产生２Ｖｅｅ的ＲＳ－２３２Ｃ电压电平。

该系列适用于＋３．３Ｖ系统。

ＳＰ３２３２Ｅ器件的驱动器满载时典型数据速率为２３５ｋｂ／ｓ。

图４为系统设计的接口电路图。

需要注意的是，由于采用ＳＰ３２３２Ｅ器件，其驱动能力有限，该接口电路只适用于近距离传输。

如果要进行远距离传输。

则必须加强信号传输能力。

系统硬件调试应先调试电源模块。

如果系统电源错误，器件将损坏；然后调试ＤＳＰ模块。

ＤＳＰ上电后，空闲情况下一般不会发热。

若有轻微的发热情况应立即断开电源以免损坏ＤＳＰ器件，其主要原因是把ＤＳＰ的工作电压接到ＤＳＰ的非电压引脚。