基于3G的家庭远程视频监控系统的研究与设计.docx

1、基于3G的家庭远程视频监控系统的研究与设计 毕业论文基于3G的家庭远程视频监控系统的研究与设计基于3G的家庭远程视频监控系统的研究与设计摘 要随着科技的发展和人们安全意识的提高，远程监控系统得到越来越广泛的应用，但是以往的远程监控由于硬件结构、网络结构的复杂性及传输速率的限制，使之在技术上和成本上形成瓶颈，不适合用于家庭远程监控。近年来发展迅速的3G移动通信技术和3G网络建设以及智能监控技术提供了解决这一问题的有效途径。本文主要介绍基于TMS320DM642和3G无线数据模块的家庭远程视频监控系统的设计与实现。该系统以高性能DSP芯片TMS320DM642为核心，包括视频采集模块、和无线传输模

2、块以及备份模块，可以同时采集三路视频和多路现场设备工作信息，并对实时情形进行运动检测，然后对视频进行MPEG-4编码，由DTM6211无线收发模块通过3G网络发送给远端3G终端手机，实现实时监控。本文还给出了一些视频驱动方法并探究了运动检测的算法问题。还对TMS320DM642与DTM6211之间的通信问题进行了详细阐述。另外，因为本文的目的是探讨一种家庭监控系统的设计方案，最终目的是为了推向实用端，故在具体设计中始终注意了整个系统的成本问题，力求在系统的设计中就能够为以后的实际应用打下坚实基础。 本文最后对全文做了总结，讨论了一些需要继续深化和改进的地方，并提出了相应的改进办法。 关键词：家

3、庭监控，远程视频监控，3G，运动检测， DSP3G-based family of Remote Video Surveillance SystemResearch and Design Author：Lei LuTutor：Fengwen WangAbstractWith the development of science and technology and peoples safety awareness, remote monitoring surveillance system has been increasingly widely used, but the past is b

4、ecause the hardware structure of remote monitoring as well as more complex network structure, the cost is often caused by a bottleneck, not suitable for RMON family. In recent years the rapid development of 3G networks and intelligent monitoring technology to solve this problem provided the technica

5、l support.In this paper, based on the TMS320DM642 and 3G wireless data modules comprehensive monitoring system of the family of the Design and Implementation. Monitoring System Design and Implementation. The system TMS320DM642 chip for high-performance DSP core, including the video capture module, R

6、S485 bus modules, and wireless transmission module and backup module. Can be collected at the same time three-way video and multi-channel information on the work of field devices, and motion detection for real-time situation, and then on the MPEG-4 video encoding, through the wireless transceiver mo

7、dule DTM6211 sent to the remote end 3G mobile phones, real-time monitoring. In this paper, then given a number-driven approach and explores the issue of motion detection algorithms. TMS320DM642 and DTM6211 also communication between the issues in detail.Finally, the full text of this article summari

8、zed and discussed some of the need to continue to deepen and improve the place, and the corresponding measures for improvement.Key words: Home monitoring, Motion Detection,DSP, 3G， Remote Video Monitoring 1 绪论现代信息社会的发展步伐正在加快，在线即时监控与控制成为现实生产生活中的一种重要手段。而随着3G网络在国内的逐步建设，通用3G网络对事物实时状况的及时了解与监控将会有极大的发展空间，而

9、家庭监控作为现代社会监控体系的重要组成方面将会随着3G技术的成熟有突破性的发展。这是本文的技术以及社会背景，而现在社会上已经有多类家庭监控系统问世，但既能满足普通市民需要又在价格上有竞争力的产品并不多见，这成了本文研究的一个关键切入点既能满足普通市民家庭的需要，又能尽量的控制成本，同时尽可能的加强外延性与扩展性。而通过一系列的组合与改进，能够达到方便于现代公民通过3G终端有效监控其家庭各种实时状况即为本文研究之目的。在研究过程中，因为有明确目标即最大限度偏向于实用，故文中所采用设计之选择坚持小型化、集约化、利用现有资源的方针，以便能够更好的进行实际应用。1.1 监控系统的发展过程 最初，由于通

10、信技术的制约和信号处理能力的限制，大部分监控系统采用的是模拟的方式，从信号的采集，传输到显示，都是以模拟方式进行。系统通过不同的传感器将监控信号收集起来，然后通过专门线路及中继设备将信号传送到监控中心。监控中心将从四方汇总来的监控信号显示出来，有的还要进行监控信号的实时存储。目前，一些商场、超市和楼宇还在使用这类的监控系统。 但是，模拟信号本身的缺陷限制了这类监控系统的应用及发展前景。首先，需要为系统铺设专门的传输线路，成本高昂，而且线路的利用率偏低；其次，模拟信号传输易受干扰，工作不稳定，而且难以恢复，尤其是对于远距离传输更是如此。因此，只适用于监控点比较密集的区域；最后，模拟系统的开放性较

11、低，且扩展性较差，难以满足用户不断提出的新要求。相对模拟技术来说，数字技术可以较好地克服这些缺陷。而且随着微电子技术的不断进步，以及数字信号处理技术的发展和广泛应用，使得数字设备功能越来越强，速度越来越快，体积越来越小，且价格越来越低，因而各行各业都掀起了数字化热潮。随着计算机以及自动化技术的大量应用，特别是处理芯片的高速发展以及嵌入式系统的广泛应用，使得传统的监控系统模式发生了巨大的改变。回顾20多年的发展史，其发展大体经历了3个阶段。即上面提到过的九十年代初以摄像机、分割器、录像机、电视机为中心，辅以其它传感器组成的闭路电视监控系统，称为第一代模拟监控系统。随着图像的数字化处理以及高效压缩

12、算法和网络技术的大量应用，九十年代中期和后期分别出现了第二代本地数字视频监控系统和第三代远程数字视频监控系统。随着社会的不断发展，人们对监控系统提出了越来越高的要求，期望能够提供个性化，智能化的服务。比如在政府、银行、停车场等重要部门一些无人监控地区，现有的监控摄像机等已普遍存在，但并没有发挥其主动监控性，往往都是要求监控人员长时间的监视屏幕，通过获得的视频信息来做相应的决策。由于监控场景出现异常概率较小，监控人员往往面对大量无效的视频数据，因而这种监控系统监控人员工作量大，人力浪费现象严重，而且容易出现因监控人员放松而导致的“漏警”现象，这在许多重要的场合是不能容忍的。针对现有监控系统的这些

13、缺陷，设计一种兼具智能化、小型化、易扩展的家庭远程视频监控系统具有巨大的使用价值和研究意义。而近年来无线通讯技术的迅猛发展为实现这一构想提供了现实基础。目前我国公用无线数据网GPRS、CDMA等已全面投入使用，而3G正处于初步进入市场领域的关键时刻，因此利用3G无线网络同时结合智能监控技术开发出无线远程实时监控系统具有很大的使用价值和商业价值。1.2 无线传输技术的发展移动数据通讯技术是无线视频监控系统难以满足市场需求的瓶颈之一。它的发展经历了以下几个阶段： （1）第一代移动通信网(1G网)。这是模拟移动通信网，它提供和固定电话网相似的端到端模拟通道，各类数据终端所收、发的数据信息需通过频带M

14、odem进行模/数或数/模转换才能连接模拟手机经模拟通道进行传输。其话路数据传送速率最高为2.4kbit/s 。（2）第二代移动通信网(2G网)。这是指早期GSM和CDMA- 95AB数字移动通信网。它提供端到端的数字信道。各种数据终端所收、发的同步或异步数据信息可直接或通过手机中的适配器送给数字通道进行传输。其话路数据传送速率最高为9.6kbit/s 。（3）二代半移动通信网(2.5G网)。这是指提高了数据传送速率，增加了分组数据功能的GSM网和CDMA 1 x网。GSM网采用通用分组无线业务(GPRS)技术，可提供最高速率为171.2kbit/s的分组数据业务，具有永远在线、实时性好、按流

15、量计费等优点;而CDMA 1 x网采用分组数据交换网(PDSN)技术，可提供最高速率为307.2kbitls的分组数据业务，该网已具备了3G移动通信系统的特点，但目前其速率达不到3G移动通信系统的要求。相比较而言，GPRS采用语音和数据共享信道，如果网络用户数量或语音用户数量增加到一定程度，将导致频率资源的问题更加突出，那么每个GPRS用户可以使用的带宽将进一步降低。CDMA 1的数据和语音采用不同的信道传输，在同一基站下语音用户数量增加，也不会影响数据通信。 （4）第三代移动通信网(3G网)。包括WCDMA和CDMA2000以及我国提出的TD-SCDMA技术方案。3G网的数据通信速率为：静止

16、2Mbit/s，慢速移动384kbit/s，高速移动144kbit/s，它除了提供高速上网业务外，还提供宽带多媒体、流媒体等业务。采用3G通信数据传输的优点有：高速传输、快速登录、费用低廉、永远在线等。3G模块有效解决了现有产品普遍采用GSM/GPRS (2G/2.5G)所带来的信息传输瓶颈问题。使得大量数据实时传输成为可能。从而使得系统终端的功能更加强大。1.3 国内外相关研究的现状及分析1.3.1 监控系统的发展现状目前，监控系统的主要应用范围为距离在数百米到数千米的局域网。如工厂车间、无人机房、仓库、超市商场和小区楼宇等的监控方面，监控系统都得到了越来越广泛的应用。另外，随着移动电话的普

17、及，各地移动基站的数目迅猛增加，对远程监控系统的需求也越来越大。 如今，社会上普遍使用的监控系统主要有以下几种。（1）开关面板控制的监控系统 这种监控系统是全模拟式的，在监控现场分别安装各种传感器，以及摄像机和拾音器等信息采集设备。监控信号经电缆传到监控中心后，通过工作人员将信号接到相应的显示仪器和扬声器，进行现场情况的显示和输出。 这种监控系统的控制核心为监控中心的控制面板，系统每一个动作对应于操作面板的一个按钮。当监控点比较少时，这种方式比较适合，但是，当监控点较多时，系统任务剧增，控制面板庞大，操作麻烦。（2）以微处理器为控制核心的监控系统 这种监控系统部分采用了数字技术。系统采用单片机

18、等微处理器将控制监控现场的指令传送给解码器，由解码器解码，并控制现场监控设备进行数据采集等动作。（3）以PC机为控制核心的监控系统 随着计算机技术的发展和PC机的普及，大部分新开发的监控系统都采用了PC机作为控制核心或监控终端。系统通过PC机将控制指令送给现场监控设备，指示现场监控设备完成数据采集等任务，现场监控设备则将现场的监控信息转换为数字信号，并传给监控中心的计算机完成数据的显示和处理。（4）基于计算机网络的监控系统 这种监控系统是在前一种监控系统的基础上发展而来的，由于监控系统的通信采用了计算机网络，使得系统的开放性和组网灵活性得到了大大的增强。（5）以现有通信网络为主的监控系统这种监

19、控系统主要是以现有通信网络服务商提供的公用通信网络为媒介，所以其建网成本较低，较适宜数据相对较小但针对性较强的个人用户。其最大的优势便是可以利用已有资源尽可能的节约成本。1.3.2 国内外家庭监控的发展状况从国外运营商发展情况看，家庭综合通信、娱乐及综合信息服务、家庭安防、智能家居及远程控制是家庭信息化产品的四个主要方向，家庭视频监控则是家庭安防的核心产品。 国外运营商在家庭视频监控方面发展较快，以at&t、英国电信、法国电信、西班牙电信、NTT、KT、SK电讯为代表的运营商已经基于手机、PC和摄像头，通过移动和无线网络，提供了家庭视频监控业务，有的还提供了附加的IPTV、VoIP等服务。但总

20、体来说他们都更侧重于网络摄像机的应用。 英国电信(BT)将数字家庭网关称作Home Hub，BT通过该网关为用户提供信息、通信、娱乐的服务，强调易用性，也就是即插即用和丰富的连接，还强调完整性，通过多样化的家庭终端提供多样化的服务，支持各种智能监控设备的数据接口和物理接口，在视频监控上更侧重于网络摄像机的方案。 法国电信也有相应的动作，它以Live为统一品牌，推出了LivePhone、LiveMusic等设备，将Live BOX通过ADSL接入到互联网，然后通过数字家庭内的无线接入方式接入各种监控设备和智能家电。法国电信将视频监控称为LiveZoom，采用的是AXIS 206W无线网络摄像机，

21、内嵌Web服务器，功能非常丰富，被誉为世界上最小的无线网络摄像机。 西班牙电信的家庭网络业务遵循“通信多媒体安全、本地和远程管理自动控制”的路线 ，在业务提供上具有带宽充足、可支持多个家庭子网的特点。西班牙电信采用OSGI的基于Web Service的方案对家庭内各个设备实现基于Web形式的监控，比较侧重于无线网络摄像机监控方案。它的视频监控业务对任何业务都有充足的带宽提供，支持多个家庭子网，满足家庭中不同业务之间QS的需要；通过Wi-Fi网关实现家庭网络与接口网络的互联，尽量使用无线，在屋内的任何地方都可以接入各种服务，对室内设备可以远程管理和维护，远程监控的设备也多采用无线的Wi-Fi协议

22、接入网关。西班牙电信的视频监控方案被业界称为充满艺术气息的无线智能化数字家庭解决方案。 当然，不仅仅是视频监控，很多国家也通过各种组合进行了更多业务的拓展。 美国at&t结合它在固定电话网、移动电话网、有线电视网、互联网等网络基础设施上的优势，与杰尔系统的TrueONE解决方案相结合，为用户提供电信级的手机或PC上的视频监控应用，以及IPTV、VoIP等大数据量应用，将数字家庭的智能监控服务送达到远端的PC或手机上，支持无线和有线的视频监控方案。 日本电信的NTT docomo利用自身在移动服务上的优势，推出了i-mode模式运营模式，可以直接通过手机或PDA远程控制家中的智能家电，在远程监控

23、上采用了“M2M远程控制”的理念，实现人和机器、机器和机器之间的远程控制。NTT推出了可通过因特网或FOMA手机控制的HC-1000监视摄像头，该设备采用300万像素CMOS感光器，2倍数码变焦，以太网接口，支持802.11a/b/g，可拍摄QVGA画质的视频；内建“主动防御”系统，可发出刺耳的警报声吓跑盗贼，甚至还有麦克风/扬声器双向通信系统，方便用户与盗贼谈判。NTT-Neomeit(NTT 西日本的子公司)还推出了通PDA或手机远程控制家电和接收监控报警信息的服务，使用起来非常方便。除此以外，还实现了生物认证，通过生物认证研发了自动门识别系统，人们站在安装于入口处的摄像机前，只需约1秒钟

24、的时间，如果确认来人为公寓居民，大门就会打开，非常方便。 韩国电信KT和SK电讯公司在数字家庭的远程监控和报警上大量采用了无线传感器网络中的普适计算技术(Ubiquitous Computing)，采用Zigbee的无线传输协议对家中的智能监控设备进行管理和监控，并支持通过PC或手机对数字家庭设备远程监控信息的获取和基于IP的视频监控点播，用户点播时直接由数字家庭网关提供视频的处理。KT将数字家庭监控及联动报警系统称为Nespot系统，该系统立足于“控制与防止”，将有线与无线网络结合于一体。采用Nespot系统，不论用户在家还是在外，都可通过微型监视摄像头、安装在门上的传感器、煤气泄漏传感器等

25、，将家庭状况实时传到用户的电脑、手机或PDA上。用户也可以远程遥控开灯，使家里看上去有人在。紧急情况下，用户还可以呼叫急救中心对家中的病人进行救助。 结合国外经验来看，视频监控将成发展趋势。那么，再看看国内的相关情况。中国电信(全球眼)和原中国网通已经在有条件的家庭发展远程视频监控，如宽视界视频监控业务前期已在中国网通的山西、山东、吉林、浙江、河南等省公司已推出，受到了客户的普遍欢迎，目前宽视界业务发展迅速，2008年上半年，仅湖北网通“宽视界神眼”业务就发展了500多户用户。随着家庭信息化的迅猛发展，用户对家庭安防的需求表现得越来越强烈，宽视界将会保持迅速的发展。 中国移动也在发展以“手眼通

26、”为代表的手机彩信监控，基于3G视频监控也在测试和试商用。由于数据和信号流庞大，对网络依赖性强，需要家庭部署家庭网关和摄像头等，因此家庭视频监控研发和推广难度还比较大，目前视频监控主要应用在行业领域和家庭紧密联系的小区，家庭监控应用得还比较少。在平安城市、平安家庭的政策引导下，伴随着家庭网络环境不断改善，用户消费能力提升，安防意识增长，独立式居住家庭增多，国内家庭监控将开始兴起。 在我国全业务运营已经到来，运营商必然会给用户提供包括有线和无线在内的多样化技术监控手段，通过业务融合，给用户带来无所不在的监控服务。监控实现了对家庭安全的发现和预防，也是对家庭关爱体现。从国外运营情况看，集有线、无线

27、接入、联动报警为一体的综合视频监控将成为发展趋势，运营商还需要从如何解决安全方面去努力，因此，家庭监控需要逐步增加联动报警及安全服务等一些新的功能和应用，例如紧急求助，与公安互动，以及与医疗、家政连接等。综合以上论述来看，家庭监控已经是一个越来越明显的趋势，且其拥有的巨大的商业价值也为大多数国家的通信巨头所青睐，然而，如何既做到家庭监控的综合化又能够很好的控制成本以便能够在个人用户端进行快速推广，这是现在大多数研究者遇到的难题。现在大多数研究机构在传输时都想到了利用互联网，但这就需要一台PC全天候的工作，其相关费用便是一笔不小的开支，所以，在整个系统的策划中就排除了计算机在系统中使用的可能性，

28、而相对于计算机，目前芯片技术也比较成熟，且其耗电量可以忽略不计，又可以直接利用3G通信网络与3G手机作为传输媒介与传输终端，这样便大大的降低了系统研发成本，极大地有利于系统在个人用户中的推广。1.4 项目提出和论文的结构安排现代家庭安全意识的提升对家庭财产和生命安全的要求日益提高，再加上支撑技术（如3G通信技术，智能监控技术）的成熟完善，就有了本项目的需求。从市场需求角度看，家庭远程监控系统是一个值得深入研究的课题；从技术研究角度看，3G通信网技术更将是在相当长一个时期内的热门话题。本文正是出于这样的社会需要，研究了基于3G的家庭远程视频监控系统。本文将按照以下几个章节对此系统进行介绍：第一章

29、介绍了本文研究的背景以及监控系统发展状况；第二章主要是系统介绍，包括系统总体设计和无线通讯的方案以及系统特点及创新点三个部分；第三章详细介绍了监控前端平台设计，把系统分模块的予以阐述,分别对DM642,RS485模块,McBSP模块,视频采集模块，3G无线通讯模块进行了介绍和初步设计；第四章给出了系统一些简单视频驱动程序，对DM642与RTM6211之间的通讯进行了细致的论述，最后还对系统中的算法核心运动检测算法进行了探究；最后对全文进行了总结，对文中有待改进的地方进行了讨论并提出了改进的方法。2 系统总体介绍 视频数字化、前端一体化和嵌入化、监控网络化、系统集成化和智能化是视频监控系统的发展

30、方向，本论文研究的目的就是要充分利用现有资源，结合科技发展趋势，设计一个具有小型化、智能化以及一体化的监控系统，以满足不同场合的要求。随着Internet的发展和使用，系统能否与Internet无缝连接己成为下一代网络监控的评判标准。常见的接入方式主要有两种：基于固定IP的定点接入方式和基于移动IP的无线接入方式。其中无线接入具有移动性好、建网灵活方便以及网络覆盖面广等特点，很大程度上弥补了以往定点监控的缺点。但是无线监控一次性投入大，而且后期使用成本高，在有线网络铺设成熟的地区有浪费之嫌。因此基于上述两种通讯方式的特点，本系统采用模块化结构，同时采用有线和无线两种方式，使系统具有多模态拓扑结

31、构。系统可根据需求自行选择通讯方式，适用范围广、性价比高。本章首先介绍系统的整体设计，之后介绍以此系统相适应的无线通讯系统实施方案，最后给出系统的主要特点及创新点。2.1 系统总体设计家庭安防视频监控系统涉及三个关键问题：低成本，一般城市家庭能够接受；运动检测准确，系统可靠，虚假报警和漏报率低；异常发生时的快速报警机制。本文正是从这三点出发来设计的。2.1.1 现有监控系统结构的分析比较常见的监控系统结构有C/S结构和B/S结构，其中基于C/S模式的体系结构出现在80年代，通过将任务合理分配到Client端和Server端，降低了系统的通讯开销。C/S体系结构分为两层结构和三层结构两种。两层C

32、/S结构是最典型、也是最普遍的一种形式，其第一层在客户机系统上结合了用户界面与业务逻辑（在客户端程序里）；第二层则通过网络结合了数据服务器。这种结构有两个突出的问题：系统的可伸缩性较差和安装维护困难。为了解决两层结构应用软件中存在的问题，人们又提出了三层结构。与两层C/S结构相比三层C/S结构的程序可维护性高、硬件系统构成灵活、利于变更和维护应用技术规范。但是无论何种结构，在实际系统中都需要特定的客户端软件，也就锁定了系统的应用范围。而B/S结构，即Browser/Server(浏览器/服务器)结构，是随着Internet技术的兴起，对C/S结构的一种变化或者改进的结构。在这种结构中，客户端通过通用浏览器对系统Web服务器进行访问来实现数据交互。该结构下，任何操作都是在客户端由副本完成，当客户端向服务器申请数据更新或服务器因数据更新对整个网络的客户端进行更新时，系统只需将更新的部分由Web服务器与客户端进行交流，因此网络只传递更新的信息，从而减少通信总量。同时在对数据的操作过程中，客户端与服务器始终是由Web服务器隔离的，这样不会因某个客户端的系统崩溃或错误操作而影响整个应