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基于3G網絡的遠程無線綜合監(jiān)控系統(tǒng)
來源:電子技術應用2011年第1期
王 銘, 倪 平, 王 冬, 李道德
(四川大學 電氣信息學院, 四川 成都 610064)
摘要: 利用3G網絡實現(xiàn)了同時對多個分散的遠程地點的綜合監(jiān)控。系統(tǒng)通過3G網絡建立客戶端與服務端之間的通信連接,利用Microsoft的關于數(shù)字視頻的軟件開發(fā)包VFW提供的視頻采集、回放等API接口實現(xiàn)視頻的采集,經H.264編碼壓縮后進行傳輸。服務端PC通過COMM控件收集監(jiān)控終端數(shù)據,控制數(shù)據由TCP協(xié)議傳輸,視頻數(shù)據由RTP協(xié)議傳輸??蛻魴C端接收到圖像后通過雙線性內插算法對圖像進行呈現(xiàn),并實時顯示被監(jiān)測環(huán)境數(shù)據,達到遠程無線監(jiān)控的目的。
中圖分類號: TP393.02
文獻標識碼: A
文章編號: 0258-7998(2011)01-0114-03
Remote wireless integrated monitoring system based on 3G
Wang Ming, Ni Ping, Wang Dong, Li Daode
School of Electrical Engineering and Information, Sichuan University, Chengdu 610064, China
Abstract: Using 3G to realize the connection of client PC and server PC, the system can monitor multiple scattered remote locations simultaneously. It uses Microsoft launched on digital video software development kit VFW, available through the VFW video capture, playback and other API interface to collect image information that then compressed by H.264. The server PC collects monitoring terminal’s data by COMM control. Controlled data transmit by the TCP protocol, video data transmitted by the RTP protocol. After receiving the image, the client PC presents the image by bilinear interpolation algorithm, and real-time display the environmental data to be detected, to the remote wireless smart monitor purposes.
Key words : 3G; VFW; H.264; remote monitoring; wireless video transmission


    現(xiàn)有的遠程監(jiān)控系統(tǒng)在實現(xiàn)原理上大致分為兩類,一類為基于傳統(tǒng)Internet的有線式遠程監(jiān)控系統(tǒng),另一類為基于GSM等無線移動網絡的監(jiān)控系統(tǒng)[1],后者在工程造價、產品維護和市場前景上有絕對的優(yōu)勢。但現(xiàn)有的無線監(jiān)控設備功能相對單一。隨著3G" title="3G" target="_blank">3G等高速無線網絡的普及,基于無線網絡的綜合監(jiān)控系統(tǒng)將成為新的研究熱點。“遠程無線綜合監(jiān)控系統(tǒng)”正是利用了無線網絡,實現(xiàn)對多個分散的遠程地點的綜合監(jiān)控,如視頻、溫度、電氣設備使用情況等。還可以根據需要增加如濕度監(jiān)測等其他監(jiān)測。由于其具有良好的適應性以及相對低廉的價格,易于進行推廣,有廣闊的市場前景。
1 系統(tǒng)整體設計
    本系統(tǒng)采用兩臺計算機分別作為客戶機和服務機,服務端由服務機及以單片機為中心的各個控制模塊組成,包括攝像頭采集圖像模塊、云臺控制模塊、無線發(fā)送和接收模塊及現(xiàn)場監(jiān)控模塊?,F(xiàn)場監(jiān)控模塊具有溫度采集、人體紅外檢測、電氣設備通斷控制和聲光報警功能。現(xiàn)場監(jiān)控模塊與服務機之間通過無線傳輸模塊進行數(shù)據傳輸,使現(xiàn)場監(jiān)控模塊不受服務機位置的限制,而且可為多個,分別監(jiān)控不同地點的數(shù)據。服務機接收到圖像信息、溫度和紅外等數(shù)據后,將其壓縮打包,通過3G網絡發(fā)送給客戶機??蛻魴C接收到圖像后通過雙線性內插算法對圖像進行呈現(xiàn),并實時顯示被檢測環(huán)境數(shù)據,如繪制現(xiàn)場溫度曲線、電氣通斷狀態(tài)、有人進入時報警等,而且能遠程控制現(xiàn)場電氣的狀態(tài)。系統(tǒng)整體框圖如圖1所示。

2 服務機編程實現(xiàn)
2.1 MFC程序構架

    遠程控制端MFC程序框架如圖2所示。

2.2現(xiàn)場采集端程序構架的實現(xiàn)
    圖像采集使用數(shù)字視頻軟件開發(fā)包VFW(Video for Windows)提供的圖像采集接口函數(shù):
    m_capwnd=capCreateCaptureWindow("Capture",WS_CHILD|
S_VISIBLE,x,y,WIDTH,HEIGHT,pDlg->GetSafeHwnd(  ), 0);
    為了實現(xiàn)圖像的實時傳輸,必須減少發(fā)送圖像的冗余信息,本系統(tǒng)的圖像編碼和壓縮使用H.264編碼圖像[2],遠程監(jiān)控端通過注冊回調函數(shù),在采集到一幀圖像后調用回調函數(shù),在回調函數(shù)中調用圖像壓縮函數(shù)進行圖像的編碼壓縮。
3 客戶機編程實現(xiàn)
3.1 MFC程序構架

    客戶機端MFC程序構架如圖3所示。

3.2 客戶機程序構架的實現(xiàn)
 客戶機端接收到的圖像數(shù)據必須經過解碼才能進行預覽,系統(tǒng)的解碼器實現(xiàn)函數(shù)如下:
    bool VideoCodec::EncodeVideoData(char* pin, int inlen, char*pout,long*outlen,BOOL*pKey)   //配置解碼器參數(shù)
    系統(tǒng)采集的圖像分辨率為176×144,圖像的尺寸很小。為了能更好地預覽圖像,系統(tǒng)采用了雙線性內插值算法[3]來放大圖像。算法描述如下:
    對于一個目的像素,設置通過反向變換得到的浮點坐標為(i+u,j+v)。其中,i、j均為浮點坐標的整數(shù)部分,u、v為浮點坐標的小數(shù)部分,為取值[0,1)區(qū)間的浮點數(shù)。則這個像素值f(i+u,j+v)可由原圖像中坐標為(i,j)、(i+1,j)、(i,j+1)、(i+1,j+1)所對應的周圍4個像素的值決定,即:
    f(i+u,j+v)=(1-u)(1-v)f(i,j)+(1-u)vf(i,j+1)+u(1-v)f(i+1,j)+uvf(i+1,j+1)
其中,f(i,j)表示源圖像(i,j)處的像素值,以此類推。雙線性內插值算法的計算量大,但是比最鄰近插值法[4]放大的圖像好,不會出現(xiàn)像素不連續(xù)的情況。
4 傳輸協(xié)議的選擇
4.1視頻數(shù)據傳輸協(xié)議

    視頻監(jiān)控系統(tǒng)處理后的圖像需要通過網絡進行傳輸。由于數(shù)字視頻傳輸?shù)男畔⒘看蠖鴤鬏攷捰邢?,使得網絡協(xié)議的選擇成為視頻在網絡傳輸中的關鍵技術,它將直接影響到數(shù)字視頻傳輸?shù)膶崟r性能和通過網絡傳輸以后客戶端接收的視頻圖像質量。由于TCP協(xié)議具有錯誤重傳機制、擁塞控制機制、報文頭比較大以及啟動需要建立連接等特性,因此無法保證實時性,很難適應視頻通信[5]。而實時傳輸協(xié)議RTP由底層協(xié)議UDP承載[6],由二者共同完成傳輸層協(xié)議功能。而UDP協(xié)議只是傳輸數(shù)據包,不管數(shù)據包傳輸?shù)臅r間順序,RTP協(xié)議則提供時間標簽、序列號以及用于控制適時數(shù)據的流放的其他結構。UDP的多路復用可使RTP協(xié)議利用支持顯式的多點投遞,可以滿足多媒體會話的需求。
    RTP相關設置函數(shù):
     m_sessparams.SetOwnTimestampUnit(1.0/10.0);
//設置時間同步
    m_sessparams.SetUsePollThread(1);         
                                     //開啟Poll線程
    m_sessparams.SetMaximumPacketSize(64*1024-1);
                                    //設置最大包大小
     m_transparams.SetPortbase(REMOT_PORT_VIDEO);
   //本地端口
     var=m_sess.Create(m_sessparams,&m_transparams);
//創(chuàng)建會話
4.2環(huán)境監(jiān)測數(shù)據及客戶控制數(shù)據傳輸協(xié)議
    TCP協(xié)議提供了可靠的傳輸服務,包括報文序列、流控制、差錯檢驗、優(yōu)先級等。因無線采集端送到服務器端的數(shù)據量很小(大約12 B/s),在傳輸過程中監(jiān)控數(shù)據不容許有丟包、誤碼等錯誤的發(fā)生,因此采用TCP作為監(jiān)測數(shù)據及控制命令數(shù)據的傳輸協(xié)議,以保證傳輸過程中數(shù)據的可靠性。
    TCP相關設置函數(shù):
    m_CtrlSocket.TcpSocketInit(LOCAL_PORT_CONTROL,0,0,
    s_add);    //TCP初始化
    m_CtrlSocket.SetTimeOut(5); //設置連接超時時間
    LRESULT CClientDlg::OnComSocket(WPARAM wParam,
    LPARAM lParam);   //事件通知函數(shù)
5 實驗結果及分析
    當監(jiān)控系統(tǒng)獨占網絡運行時,通過網絡數(shù)據抓包,根據數(shù)據包端口分析的視頻數(shù)據每秒可達到30幀(每6幀一個關鍵幀),接收端圖像大小為640×480,網絡流量約為30 KB/s,如圖4所示,而如圖5所示的有線傳輸時流量約為35 KB/s。其原因是服務端上行速率遠遠小于下行速率,表現(xiàn)在宏觀上,當用3G傳輸時較有線傳輸有約3 s的延遲。通過分析VC++輸出,可知現(xiàn)場環(huán)境數(shù)據大約為每秒接收6個數(shù)據包(采集端1和采集端2各3個數(shù)據包),流量約為12 B/s。

    通過分析以上實驗數(shù)據可知,系統(tǒng)數(shù)據流量基本能適應3G網絡的帶寬,系統(tǒng)也基本實現(xiàn)了視頻傳輸?shù)目焖傩?、實時性,而控制數(shù)據和監(jiān)控端采集的數(shù)據包均無丟失,從而實現(xiàn)了監(jiān)測與控制的可靠性,系統(tǒng)運行效果良好。
    遠程無線綜合監(jiān)控系統(tǒng)將會在眾多領域中得到應用,例如無人車間、電站以及需要測量實時數(shù)據但不便于鋪設線纜的場所。本系統(tǒng)采用的是采集端與服務器分離的結構,通過無線模塊實現(xiàn)數(shù)據的傳輸,在空間上打破了利用電纜傳輸數(shù)據的局限性,所有的數(shù)據均經過特定的編碼,編碼范圍為0~255。用戶可以根據自己的需要配上合適的編碼即可實現(xiàn)多點監(jiān)控,具有良好的可擴展性。如果應用于工業(yè)生產,系統(tǒng)中的客戶機和服務機均可由工控機代替,數(shù)據采集端為簡單的單片機系統(tǒng),用戶在具備客戶機與服務器的情況下若要增加監(jiān)控端,僅需要增加數(shù)據采集端即可,價格非常低。另外,伴隨著無線網絡技術的發(fā)展,網絡帶寬會有更大的提高,而基于3G網絡的無線智能綜合監(jiān)控系統(tǒng)可以利用網絡的快速性,更好地滿足人們的需求,實現(xiàn)實時、快速、準確。因此,在未來幾年里,無線綜合監(jiān)控系統(tǒng)將會有極大的推廣價值。

參考文獻
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