基于GPRS的無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)-設(shè)計應(yīng)用

精品文檔-下載后可編輯基于GPRS的無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)-設(shè)計應(yīng)用1引言目前，遠程視頻監(jiān)控系統(tǒng)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于工礦企業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場監(jiān)控、電信機房監(jiān)控、城市交通管理等領(lǐng)域。常見的遠程視頻監(jiān)控系統(tǒng)大多是通過架設(shè)專用的有線媒介，或者租用電信運營商的通信線路傳輸視頻信號。前者工程工期長，前期投入比較大，傳輸距離有限；后者受周邊環(huán)境影響較大，可擴展性較差，這就造成在礦山等偏遠地區(qū)和地形復(fù)雜地區(qū)的應(yīng)用受到限制。

隨著移動通信技術(shù)的發(fā)展，無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣扔辛撕艽筇岣?。為了能夠向GSM用戶提供分組形式的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，移動公司利用現(xiàn)有的GSM網(wǎng)絡(luò)的絕大部分基礎(chǔ)設(shè)施，進行軟件的升級，形成了一種新的網(wǎng)絡(luò)邏輯實體——通用分組無線業(yè)務(wù)(GeneralPacketRadioService,GPRS)。中國移動GPRS網(wǎng)絡(luò)覆蓋率廣，具有基于IP、實時在線、按流量計費、方便、性價比高等優(yōu)點。通過GPRS網(wǎng)絡(luò)傳送用H.263等低比特圖像壓縮標準壓縮的視頻數(shù)據(jù)已成為遠程視頻實時監(jiān)控系統(tǒng)的新選擇。本文介紹一種基于GPRS網(wǎng)絡(luò)的無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以在不適合架設(shè)有線網(wǎng)絡(luò)的特殊地理環(huán)境下，利用現(xiàn)有的中國移動GPRS網(wǎng)絡(luò)和Internet代替?zhèn)鹘y(tǒng)的有線視頻監(jiān)控系統(tǒng)對遠程目標進行視頻監(jiān)控。系統(tǒng)中采用嵌入式控制模塊I-7188作為監(jiān)控終端的主控制器。

2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

GPRS是一種新型的GSM數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，可在用戶和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)之間提供一種連接，給移動用戶提供高速無線IP和X.25分組數(shù)據(jù)接入服務(wù)。GPRS采用分組交換技術(shù)，多個用戶可共享某些固定的信道資源，免受上網(wǎng)斷線之苦。GPRS數(shù)據(jù)傳送速率理論上可達164kb／s。雖然目前只支持53.3kb／s的峰值傳輸速率，但是由于H.263等低比特圖像壓縮標準能以低于28.8kb／s的碼率對單幀或者活動幀視頻進行壓縮解壓縮，因此，通過GPRS網(wǎng)絡(luò)傳送已壓縮的視頻信號是完全可行的。

整個無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)分為現(xiàn)場視頻采集站點、GPRS網(wǎng)絡(luò)及遠程視頻服務(wù)器3部分，如圖1所示?，F(xiàn)場視頻采集站點與遠程視頻服務(wù)器之間通過GPRS網(wǎng)絡(luò)建立TCP連接，傳送視頻編碼和控制指令?，F(xiàn)場視頻采集站點作為TCP連接的客戶端，遠程視頻服務(wù)器作為TCP連接的服務(wù)端。現(xiàn)場視頻采集站點在上電后自動尋找遠程視頻服務(wù)器。而遠程視頻服務(wù)器在與現(xiàn)場視頻采集站點建立TCP連接后，通過發(fā)送指令遠程控制視頻采集的開始、結(jié)束以及是采用單幀采集還是連續(xù)幀采集。

2.1現(xiàn)場視頻采集站點

現(xiàn)場視頻采集站點包括攝像頭、云臺、視頻采集卡、I-7188嵌入式控制模塊、GPRSModem5個模塊，如圖1所示。其中，攝像頭可根據(jù)客戶要求的清晰度、彩色／黑白、可控性等選擇合適的型號，還可以增加云臺來控制攝像頭的動作。攝像頭輸出視頻的制式要符合視頻采集卡的要求。視頻采集卡可以選擇市面上符合H.263協(xié)議的視頻采集卡成品，也可以根據(jù)需求，采用FPGA、DSP以及專用視頻采集器件來實現(xiàn)。本系統(tǒng)設(shè)計選用北京百目公司生產(chǎn)的視頻編碼板-極目719EC。

2.2.2GPRS遠程傳輸方式

系統(tǒng)通過GPRS網(wǎng)絡(luò)建立TCP連接有兩種方式：一種是監(jiān)控終端通過GPRSModem與GSM基站通信，GPRS分組數(shù)據(jù)包通過內(nèi)部網(wǎng)關(guān)節(jié)點后，轉(zhuǎn)換為可在Internet中傳送的格式，傳送給視頻服務(wù)器。另一種是現(xiàn)場視頻采集站點GPRSModem通過GPRS網(wǎng)絡(luò)直接與監(jiān)控服務(wù)器端的GPRSModem進行點對點通訊，然后通過串口將數(shù)據(jù)發(fā)送至視頻服務(wù)器。

相比較而言，第二種方法是在GPRS網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部進行數(shù)據(jù)傳輸，所以傳輸速率和可靠性比種方法要好，但通信和設(shè)備費要高一些。視頻服務(wù)器端同一時刻只接受一個現(xiàn)場視頻采集站點的連接請求，適用于移動辦公視頻監(jiān)控。

推薦采用種方法。遠程視頻服務(wù)器端接人Internet，并擁有一個固定的實IP地址，現(xiàn)場視頻采集站點設(shè)定在上電后自動請求與這一IP地址建立連接。視頻服務(wù)器端作為TCPServer，可以有選擇地接受現(xiàn)場視頻采集站點的連接請求，并給每一個已連接的現(xiàn)場視頻采集站點分配一個接收視頻編碼和解碼的線程，可以同時監(jiān)控多個站點。這種方法適用于大范圍、多站點的視頻監(jiān)控。

3I-7188在無線監(jiān)控中的嵌入式應(yīng)用

嵌入式控制模塊在現(xiàn)場視頻采集站點中的作用非常關(guān)鍵?，F(xiàn)場系統(tǒng)的初始化、系統(tǒng)當前狀態(tài)的檢測、編碼數(shù)據(jù)打包發(fā)送、解釋服務(wù)器發(fā)布的控制指令、向GPRSModem發(fā)送AT指令、與遠程服務(wù)器建立TCP連接等操作都是由嵌入式控制模塊完成。本系統(tǒng)設(shè)計采用I-7188作為監(jiān)控終端的主控制器。

3.1I-7188的結(jié)構(gòu)與性能

I-7188系列控制器是由臺灣泓格公司生產(chǎn)的嵌入式控制器，適用于高可靠性、PC兼容、緊湊而價格合理的嵌入式系統(tǒng)，常用于數(shù)據(jù)采集與控制領(lǐng)域。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

I-7188系列控制器采用美國AMD公司80188內(nèi)核，主頻為40MHz。I-7188模塊含有256KB／512KB靜態(tài)RAM以及256KB(可擴充至512KB)的Flash-ROM，這種ROM體積小、功耗低、訪問速度快、抗震和抗沖擊能力強，具有非易失性，可廣泛應(yīng)用于嵌入式設(shè)備。I-7188不僅含有Flash-ROM，而且還含有2KB的E2PROM。因為考慮到現(xiàn)場的要求不同，F(xiàn)lash-ROM是整塊刪除數(shù)據(jù)的，性可刪除64KB，對于不足1KB的小文件，I-7188增加2KB的E2PROM。然而E2PROM和Flash-ROM的擦除次數(shù)是有限的(如E2PROM不超過1000000次)。而現(xiàn)場系統(tǒng)需經(jīng)常讀寫數(shù)據(jù)，F(xiàn)lash-ROM、E2PROM就不能滿足這一要求，所以此模塊提供了31bit的NVRAM，可反復(fù)擦除、讀寫。設(shè)計者考慮到不同數(shù)據(jù)的應(yīng)用需求提供了不同功能的存儲器，大應(yīng)用文件、操作系統(tǒng)、BIOS等存儲在Flash-ROM中，而小文件則存儲在E2PROM中，更改比較方便，對于頻繁擦除、讀寫的數(shù)據(jù)可用NVRAM。

I-7188不僅有強大的運算和存儲功能，而且還具有強大的通信功能，它可提供4個串口：COM1(RS-232或RS-485)，可做普通9線或3線RS-232串行接口，如與普通PC通信或其他RS-232設(shè)備通信，還可以接MODEM實現(xiàn)遠程通信；也可以做2線的RS-485串行接口，通過RS-485網(wǎng)絡(luò)與其他RS-485設(shè)備通信。COM2(帶3000V隔離RS-485)。COM3(RS-232)；COM4(RS-232)，I-7188的程序通過COM4載人Flash-ROM或E2PROM，程序調(diào)試也通過COM4。

I-7188的每個COM口都能達到115.2kbit／s的高速。且每個COM口都有1KB的緩沖。對于高速傳來的數(shù)據(jù)，緩沖區(qū)可使I-7188來得及對數(shù)據(jù)進行處理而不造成數(shù)據(jù)丟失。

I-7188的操作系統(tǒng)采用泓格自己開發(fā)的嵌入操作系統(tǒng)MiniOS7。MiniOS7與DOS操作系統(tǒng)相兼容，與常規(guī)的DOS相比，MiniOS7更適合嵌入式應(yīng)用，如：更短的上電啟動時間(小于0.1s)、內(nèi)置硬件診斷功能、直接支持內(nèi)置或活動的存儲設(shè)備等。

I-7188含有實時時鐘，能設(shè)定時間，支持1980～2079年，沒有2000年問題。I-7188含有看門狗電路，接通電源，看門狗工作且每隔1.6s偵測，如I-7188無應(yīng)答，I-7188復(fù)位，適用于無人值守及關(guān)鍵應(yīng)用場合。

I-7188可以工作在-25℃至75℃的極限溫度范圍內(nèi)，功耗為2W～3W，工作電源為工業(yè)現(xiàn)場常見的+10VDC～+30VDC直流電源，它支持電源反接保護，非常適合工業(yè)現(xiàn)場惡劣的環(huán)境。

軟件則用標準C語言，即用戶只需要使用標準C語言編寫程序，然后利用泓格公司提供的工具至I-7188中運行即可。除了可以使用C語言標準函數(shù)庫以外，泓格公司還提供豐富的C函數(shù)庫，包括：串口操作相關(guān)函數(shù)、Flash文件系統(tǒng)讀寫函數(shù)、Flash讀寫擦除有關(guān)的函數(shù)、E2PROM讀寫相關(guān)函數(shù)、定時器和看門狗相關(guān)函數(shù)等。用戶可以很方便地開發(fā)出一個具有串口通訊的嵌入式控制系統(tǒng)。

3.2I-7188的軟件設(shè)計

嵌入式控制器I-7188內(nèi)部流程如圖4所示。在建立TCP連接的情況下，I-7188將不停地查詢是否接收到數(shù)據(jù)，是否有數(shù)據(jù)發(fā)送，然后再進行相應(yīng)的操作。

在系統(tǒng)中，監(jiān)控終端作為TCP連接的客戶端，監(jiān)控服務(wù)器作為TCP連接的服務(wù)端。監(jiān)控終端在上電后，由I-7188控制器控制GPRSModem尋找監(jiān)控服務(wù)器。而監(jiān)控服務(wù)器在接受監(jiān)控終端的連接請求，建立TCP連接后，發(fā)送控制指令給I-7188，由I-7188控制監(jiān)控終端的視頻采集和視頻編碼傳送。

由I-7188內(nèi)部流程圖可以看出：現(xiàn)場系統(tǒng)的初始化、系統(tǒng)當前狀態(tài)的檢測、編碼數(shù)據(jù)打包發(fā)送、解釋服務(wù)器發(fā)布的控制指令、向GPRSModem發(fā)送AT指令、與遠程服務(wù)器建立TCP連接等操作都是由I-7188控制完成的。

3.3I-7188的可擴展性

I-7188的COM2為RS-485串行接口，是一種平衡差分驅(qū)動、半雙工的串行通信接口標準。RS-485通常應(yīng)用于一對多點的主從應(yīng)答式通信系統(tǒng)，即一個主機可以對應(yīng)多臺從設(shè)備。在此，I-7188作為主設(shè)備，攝像頭和云臺作為從設(shè)備，通訊波特率設(shè)為4800b／s。

在一個無人值守機房的無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)實例中，RS-485除了連接攝像頭和云臺兩個從設(shè)備之外，還接入了另外兩個電力參數(shù)采集模塊，對機房中的幾種特種電源的參數(shù)進行定時監(jiān)測。一般情況下，電源參數(shù)保存在I-7188的FlashROM中。當參數(shù)超過警戒值時，I-7188將向監(jiān)控服務(wù)器發(fā)出報警信號，并把出錯參數(shù)傳輸至監(jiān)控服務(wù)器，有助于工作人員盡快分析出故障原因。

4結(jié)束語

系統(tǒng)利用現(xiàn)有的移動GPRS網(wǎng)絡(luò)和Internet，不需鋪設(shè)專門的線路，就可以對遠程目標進行視頻實時監(jiān)控；現(xiàn)場視頻采集站點充分體現(xiàn)出了嵌入式系統(tǒng)的優(yōu)勢：功耗低、安裝維護簡單、性價比較高、強調(diào)“量身定做”的原則。I-7188嵌入式控制器為用戶提供了豐富的資源，用戶可以在短時間內(nèi)開發(fā)出符合要求的系統(tǒng)。內(nèi)置MiniOS7操作系統(tǒng)非常穩(wěn)定，再加上看門狗電路，可以大幅度提高系統(tǒng)的可靠性，更加適合無人值守場合，從而減少了系統(tǒng)的維護成本。

實驗證明，系統(tǒng)在穩(wěn)定的GPRS網(wǎng)絡(luò)中，每秒傳送10幀QCIF格式的黑白圖像，可滿足對實時性要求不是十分