基于3G网络的消防视频监控系统

周 勇

海南省公安消防总队,海南海口 571100

基于3G网络的消防视频监控系统

周 勇

海南省公安消防总队,海南海口 571100

目前3G网络已广泛应用于社会生产、生活的各个领域。3G技术的发展使传输各种多媒体信息成为可能，3G移动通信技术以其高速率、高度灵活性的特点，被广泛用于多媒体通信中。本文阐述了3G网络下的消防视频监控，将3G网络的图像通信与卫星通信相比较，并说明了系统所涉及的关键技术。

3G；视频监控；卫星通信；关键技术

0 引言

当今信息社会的发展对通信提出了更高的要求，人们希望集话音、数据、图像于一体的多媒体通信。而3G通信技术的发展使这种多媒体通信成为可能，并且已广泛应用到社会生产、生活的各个领域。本文中的消防视频监控系统，主要是指将火灾现场的图像、语音信息通过3G网络发送到指挥中心。对于在办公室的领导及指挥员，可以通过移动终端获取火场图像信息，从而实现对火场实时、跨区域指挥调度。

1 视频监控技术的发展概况

随着计算机网络技术、无线技术、数字视频技术、嵌入式技术的发展，推动了视频监控技术的迅速发展[1]。

视频监控系统的发展大致可分为4个阶段：

第一，本地模拟视频监控。系统一般采用模拟方式传输，即采用视频电缆，少数采用光纤传输，它主要应用于小范围的监控，而且监控图像一般只能在控制中心查看，地理位置受限而且还存在成本高、管理复杂、监控质量不高等特点。

第二，基于PC的视频监控系统。先将摄像头采集的模拟视频信号转化为数字信号，再利用压缩卡对信号进行压缩处理，最后通过网络传输给监控终端的PC机，终端PC机再对数据进行解压，重现远端的图像。与模拟视频监控相比，基于PC的视频监控具有传送距离远、图像质量好、成本低等特点，但还是存在很多问题，如体积大、功耗高、实时性不强、可扩展性差等特点。

第三，基于嵌入式技术的视频监控系统。在监控现场采用嵌入式技术，摄像机传送来的视频信号和麦克风的音频信号数字化由高效压缩芯片压缩，通过组播方式传送到网络上。网络上的用户可直接用监控终端软件收看监控现场的图像。它最大的特点是把视频压缩和网络传输功能集成到一个体积很小的设备内，可以直接接入以太网，做到即插即用，安装方便。

第四，无线视频监控系统。在有线的互联网传输系统几乎趋近于完美的时候，对于很多地方不方便布线，这时我们就需要移动监控设备，则无线视频监控系统则以其移动灵活性而倍受关注。无线网络监控的优点包括：布控区域广阔、系统扩展能力强；没有线缆长度和信号衰减的限制，系统无缝扩展能力强；组网方式灵活、多样；安全性高，采用信道及网络加密等技术。

随着无线网络技术的不断发展，无论从视频监控角度还是从视频传输角度，都与人们的生产生活息息相关，无论是移动终端到Internet的视频监控还是Internet到移动终端的视频服务，其应用领域将相当广泛。

这4个阶段，每一阶段的传输方式都存在不足，要因地制宜，选择不同方式系统，满足不同的需求。在消防视频监控系统中，本文主要研究基于3G无线网络的图像传输，这是消防信息化建设的要求，也是信息社会发展的必然趋势。

2 移动通信的发展历程

2.1 移动通信技术的发展

移动通信的发展经历了模拟移动通信（1G）、数字移动通信（2G）、第三代移动通信（3G）。第一代模拟移动通信主要实现语音业务，是基于电路交换方式实现语音数据的传送。它具有频谱利用率低、终端笨重昂贵、漫游范围小、安全性低等缺点；第二代数字移动通信主要实现语音和低速率数据业务，具有容量小、制式不兼容、数据传输速率低等缺点；在第三代移动通信出现之前，发展成为了2.5G，即使用分组交换概念，它比2G在传输数据速率方面有了明显提高，但是对于大容量的数据，视频等就无法顺利传输。

随着通信技术的不断发展，第三代移动通信（3G）满足了人们的需求，它的出现使传输各种多媒体信息成为可能，它提供了语音，多类型、高质量的多媒体业务。它的优点是：具有更大的系统容量、更高的传输速率、丰富的业务各类、更好的语音质量及更绿色的使用环境，给人们的生产、生活和娱乐提供一个全新的平台。国际电信联盟（ITU）在2005年5月确定WCDMA、CDMA2000和TDSCDMA三大主流无线接口标准作用3G的三大技术标准。

2.2 第三代移动通信系统的网络演进[2]

ITU最初在构思第三代移动通信系统时，曾希望制订出一套全球统一的移动通信网络体系结构。但由于第三代移动通信标准化时，第二代移动通信的规模已经极为庞大，在这样的情况下，如何使未来的第三代移动通信网能够兼容现有不同体制的网络自然成为不可避免的问题。由于北美和欧洲第二代移动通信核心网络差别较大，难以用统一的方法兼容现有的各种系统.因此，ITU被迫提出了IMT-2000核心网络“家族”这一概念，这实际上意味着北美移动通信网络和基于GSM MAP标准的欧洲移动通信网络将采用不同的方式演进到未来的第三代移动通信系统。

未来的移动通信网络将向IP化方向演进，未来的移动通信网络将是一个全IP的分组网络。对此，两个主要的第三代移动通信标准化组织3GPP和3GPP2,都将第三代移动发展的目标高定为全IP网。未来的移动通信核心网络将采用宽带IP网络，在此IP网上，承载从实时话音、视频到Web浏览、电子商务等多种业务，它将是一个电信级的多业务统一网络，在无线部分使用宽带无线接入技术。未来的移动通信网络将真正实现移动和IP的融合。

3 系统的实现功能

3.1 无线视频监控系统

图1 无线视频监控系统

将视频监控和无线网络相互结合，将难于布线的被监控点与控制中心连接起来，达到无线监控的目的[3]。对于不在指挥中心的指挥员或领导来说，可以实时了解火场情况，能够及时对现场进行指挥调度，提出救援方案。图1为无线视频监控系统的基本框图。

基于无线网络的消防视频监控系统由车载（手持）终端、数据传输网络及监控中心3部分组成。

基于无线网络的消防视频监控系统，通过车载音视频摄录装置，将灾害现场、消防车内部监控信息摄录并存储于车载存储设备中，同时可以通过无线网络实时上传到指挥中心，对于不在指挥中心的领导想实时了解灾害现场情况，就可以通过手持终端通过内部网络访问指挥中心，实时获取现场图片，从而实现对消防车辆进行监控和现场指挥调度。同时，监控中心也可以根据需要，利用无线网络对特定车辆进行音视频、图片抓取或点播。

3.2 卫星通信系统

卫星通信是指利用人造地球卫星作为中继站转发无线电信号，在两个或多个地面站之间进行的通信过程或方式。卫星通信属于宇宙无线电通信的一种形式，工作在微波频段。与其它通信系统相比较，卫星通信有覆盖区域大、通信距离远、频带宽、可靠性高、通信机动灵活等特点。消防卫星通信系统的业务速率能满足低速、中速、高速业务需求。并具有动态的按需分配带宽功能。卫星通信系统框图如图2所示。

图2 卫星通信系统

在卫星视频监控系统中，火场消防移动指挥车所拍摄的视频图像数据通过通信卫星被地面站接收，再传到各级监控指挥中心，从而了解火场情况，实现了部局、总队及支队的互通，完成上级对下级的调度和下级对上级的反馈工作。但是利用卫星通信来传送图像无疑会使系统成本增高，难于运行维护，而且卫星通信的传输距离远，导致系统时延增大，影响图像传输的实时性。

3.3 3G视频监控系统

在消防视频监控系统中，利用3G手机对火灾现场的情况实时监控，可以实现任意时间、任意地点对火场的监控。利用3G网络的高速率传输火场图像信息，能够使指挥人员在任意地点获取实时获取现场图像，只要基站所能覆盖的区域都可以通过3G网络进行信息传递，极大地方便了各领导对火场的指挥调度。而且3G网络的建设要比卫星通信网建设投资少、易于管理、方便维护，图3为3G视频监控系统框图。

图3 3G手机视频监控系统

基于3G网络的视频监控系统，可真正实现任意时间、任意地点的监控。移动指挥车在火灾现场所拍摄的火场图像可通过3G网络发送到指挥中心，由指挥中心的指挥员对现场情况及时调度指挥。而对于不在指挥中心的指挥员或其他领导可利用手机或PDA通过3G网络去访问火场指挥车服务器，实时获到话音、图像信息，从而对救援工作做出重要决策。而在火灾现场的作战员也可配置带3G手机或PDA，在一般灾情以及卫星指挥车未到达现场时，可以将现场音视频第一时间发送给各级指挥中心，使指挥员对火势有一定了解，从而实施快速、高效的救援工作。

在这里，重点对卫星指挥车与3G手机、PDA用户作出特殊要求。卫星指挥车，需要配备专业卫星编解码器和会议终端方式，编解码器简单耐用，在移动中有良好的视频效果和快速恢复能力，在现场指挥时能够快速实现多方互动以及数据协作等功能。

4 关键技术

4.1 视频压缩编码

对于视频监控系统，视频传输是关键。为了保证监控现场的图像实时、准确地传送到监控中心，对视频传输有特定的要求，如最低传输速率、小的时延、平稳性及小的丢包率等要求。对于视频传输最关键的是视频压缩，没有压缩过的图像体积庞大，难以存储，无法实现实时传输。视频压缩就是将视频信号中主观和客观的冗余信息去除，在尽量不影响视频图像效果的前提下，达到减少视频图像文件的大小，其核心是利用人的视觉心理特性以及信息论的理论，去除视频图像中的信息冗余部分，达到数据压缩的目的[4]。

目前，广泛应用的视频压缩标准为MJPEG、MPEG4、H.264。MJPEG的主要特点是基本不考虑视频流中不同帧之间的变化，只单独对某一帧进行压缩。MJPEG功能很强大，能发送高质图片，生成完全动画视频等。相应地MJPEG对带宽的要求也很高，相当于T-1。MJPEG信息需要大量的存储空间以满足如今多数用户的需求。MPEG4是一种适用在低带宽下进行信息交换的音视频处理技术，它的特点是可以动态的侦测图像各个区域变化，压缩码流更低，特点是压缩比高、成像清晰。H.264是继MPEG4之后的新一代数字视频压缩格式，在较低带宽上提供高质量的图像传输是H.264的应用亮点。具有低码流、高质量图像、容错力强、网络适应性强的特点。

4.2 视频传输协议

视频传输协议对图像质量及监控系统的性能也起着决定性作用。在网络层上上使用的视频传输协议有TCP和UDP。虽然TCP传输提供了可靠的数据传输数据。但它不适合实时视频传输。TCP协议结构复杂，对于有错误的数据信息有重传机制，这样在实时视频传输系统中会大大加大系统延时，影响监控质量。而UDP则没有重传机制。所以在实时性要求高的监控系统中，适合使用UDP协议传输视频图像。RTP/RTCP是一种应用型的传输层协议，它并没有提供任何传输可靠性的保证和流量拥塞控制机制。RTP协议位于UDP协议之上，在功能上独立于下面的传输层（UDP）和网络层，但不能单独作为一个层次存在，通常是利用低层的UDP协议对实时视频数据进行组播或单播，从而实现多点或单点视频数据的传输。

5 结论

随着3G网络的不断完善，3G视频监控的应用也越来越广泛。3G与固网的融合实现了视频监控终端的无线布放。在视频监控系统迅速发展过程中，基于TCP/IP网络，只要IP可达，即可方便灵活地布放前端摄像头，实现手机监控。将3G网络应用到消防视频监控系统中，能够实现任意时间、任意地点对灾害现场的指挥调度。3G视频监控系统将会在消防通信指挥中发挥其巨大作用，满足消防业务需求。

[1]王军选.未来移动通信系统及其关键技术[J].通信技术，2009，42(9)：142-147.

[2]本书编委会.移动通信技术分册[M].北京：北京邮电大学 出版社，2002.

[3]李秀.坤无线信道图像传输系统设计[J].现代电子技术， 2009 (23)：95-97.

[4]季虹.视频图像处理与传输技术研究及应用.西安：西安电 子科技大学，2007.

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1674-6708（2010）24-0213-03