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

摘要：設(shè)計了一種點對點的實時移動視頻監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于嵌入式硬件平臺，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，該系統(tǒng)在家庭室內(nèi)和車載監(jiān)控等保密性要求高的場合有較高的應(yīng)用價值。
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。CDMA2000作為三種主流3G技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)之一，在國內(nèi)的應(yīng)用發(fā)展迅速。中國電信CDMA2000系統(tǒng)主要應(yīng)用在語音和低速數(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在一個無線信道傳送高速數(shù)據(jù)報文的情況下，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。中國電信數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)費用按流量或時間計算，隨著中國電信大力推廣3G業(yè)務(wù)，費用也在逐步降低，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
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無線方式接入，實現(xiàn)免布線，提高安裝速度。
    ②有權(quán)限用戶可以瀏覽實時圖像，并可控制監(jiān)控點的云臺、鏡頭。
    ③用戶可通過3G手機(jī)客戶端實時瀏覽監(jiān)控點。
    ④平臺告警包括運(yùn)動檢測告警、紅外檢測告警，并可通過撥號方式通知用戶。
    ⑤錄像和圖片資源集中存儲在前段編碼器，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
    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處理(ISP)解決方案，集成組件使開發(fā)周期大大減少，并降低開發(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，使得Linux越來越廣泛地應(yīng)用于嵌入式領(lǐng)域。
    ③以電信CDMA2000的3G-VPDN平臺為支撐。    本系統(tǒng)是基于電信CDMA2000的3G-VPDN平臺，3G-VPDN(Virtual Private Network)采用安全專用隧道技術(shù)，對目標(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)客戶端可以隨時隨地接入，實現(xiàn)實時移動式監(jiān)控。
    ④系統(tǒng)監(jiān)控采用運(yùn)動檢測技術(shù)。本系統(tǒng)采用了運(yùn)動檢測技術(shù)、視頻運(yùn)動檢測結(jié)合紅外檢測，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)動檢測、模式識別等新技術(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。

2 實現(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、手機(jī)監(jiān)控客戶端。整個系統(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)場的視頻數(shù)據(jù)，通過運(yùn)動檢測技術(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。若檢測到有人在監(jiān)控區(qū)活動時，立即撥打系統(tǒng)預(yù)先設(shè)定的3G手機(jī)號碼進(jìn)行告警。3G手機(jī)接收到呼叫后，用戶選擇啟動手機(jī)視頻監(jiān)控客戶端，發(fā)起VPDN連接，通過3G-VPDN認(rèn)證平臺認(rèn)證后，嵌入式視頻監(jiān)控器同時也建立VPDN連接，建立視頻監(jiān)控器和手機(jī)客戶端點對點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，如用戶是否請求嵌入式智能控制器發(fā)送現(xiàn)場視頻數(shù)據(jù)到手機(jī)客戶端、是否請求云臺控制、解除告警等。同時3G手機(jī)客戶端在未告警時，也可以主動呼叫嵌入式視頻監(jiān)控器，申請建立VPDN連接進(jìn)行主動訪問，經(jīng)授權(quán)可以實時瀏覽本地監(jiān)控畫面。
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視頻信號采集攝像機(jī)、A／D轉(zhuǎn)換模塊、云臺控制器、紅外探測模塊、SD卡存儲模塊、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；場同步信號VS、行同步信號HS、奇偶場信號FID、時鐘輸出信號DAIACLK等都由引腳直接引出，省去同步時鐘電路的設(shè)置。

    圖3為TVP5146與TMS320DM365的接口電路，CCD輸出的PAL模擬信號連接到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(4：2：2YCbCr)，TVP5146輸出為10位的數(shù)字視頻信號，而TMS320DM365支持8位的數(shù)字視頻信號，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I2C總線對TVP5146的寄存器進(jìn)行配置。
2．2．2 3G-EVDO上網(wǎng)模塊電路
    本模塊設(shè)計基于華為的MC703-CDMA-EVDO無線模塊。該模塊支持CDMA 800／1900頻段，提供豐富的用戶信號接口：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)動程序配合可映射串口，通過串口AT指令控制該。EVDO模塊完成3G數(shù)據(jù)連接、短信、撥號等任務(wù)。由于模塊天線接口對ESD(Electro-Static Discharge，靜電放電)敏感，天線電路設(shè)計上增加一個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2 200μF的電解電容，以保證EVDO模塊在低信號下的功率上升導(dǎo)致的電壓跌落。
    MC703模塊RUIM卡接口對ESD敏感，同樣需要設(shè)計防護(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)計時使MSMF05LCC盡量靠近RUIM卡座放置。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計
    系統(tǒng)的軟件設(shè)計是基于嵌入式Linux平臺，在進(jìn)行系統(tǒng)應(yīng)用軟件設(shè)計之前首先要完成搭建嵌入式Linux開發(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、修改和移植Linux驅(qū)動程序等工作。然后對系統(tǒng)的應(yīng)用程序進(jìn)行開發(fā)。

    系統(tǒng)軟件流程如圖6所示。軟件設(shè)計包括視頻采集檢測、視頻編碼、打包傳輸、與客戶端交互等主要線程。視頻采集檢測線程包括采集從ISIF接口接入的數(shù)字(4：2：2YCbCr)視頻信號，根據(jù)視頻運(yùn)動檢測技術(shù)判斷是否有人闖入，結(jié)合紅外報警判斷是否需要告警，并對告警進(jìn)行計數(shù)，以便對告警進(jìn)行統(tǒng)計。視頻編碼線程調(diào)用TMS320DM365的H264編碼引擎實施硬件編碼，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，根據(jù)用戶的請求可及時發(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電，以及響應(yīng)客戶的云臺控制請求。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(包括云臺控制、是否清除報警等)。

結(jié)語
    本文對基于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，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，并給出了主要的軟件流程。目前系統(tǒng)正在初步調(diào)試中，實驗中得到了良好的效果，基本實現(xiàn)了各個模塊的功能，視頻顯示清晰，3G網(wǎng)絡(luò)傳輸流暢，檢測報警可靠性較高。