基于3G的无线智能视频监控系统的设计

张起贵，陈 瑜

(太原理工大学信息工程学院，山西太原030024)

随着3G移动网络的快速发展，越来越多的无线监控方案已经应用其中。虽然3G视频监控方案凭借3G网络高带宽的优势，提高了监控视频信息的传输质量，增强了监控的实时性，但是由于没有选择性地传输实时视频［1－2］，会消耗非常大的数据流量，相应地产生高额的数据流量费用，不利于应用与推广。基于以上问题，提出了一个集智能视频分析与控制功能的3G视频监控系统。系统的监控前端可以根据已嵌入的智能视频分析算法，对采集的视频数据进行分析，对于有用信息进行本地存储，并通过3G网络，将存储的有用信息发送给提前设定好的接收方。监控前端可以接收用户发送的控制信息，根据信息内容确定发送方式，比如发送图片或者视频片段等。从而在提高系统灵活性的同时，大幅度降低了使用过程中产生的3G流量费用。另外，PC监控端建立了监控场景的信息数据库，能够根据接收到的监控视频数据，获取相应的电子地图和周边信息，并可实现多路监控。

Hi3515作为海思半导体公司推出的一款视频监控应用芯片，其搭载了高性能的ARM9处理器内核，并且集成了视频硬件加速引擎，从而大幅度提高了芯片的视频处理能力。同时Hi3515支持H.264和M－JPEG等多种编解码标准，满足了无线监控系统对视频格式的要求。本文提出了一种基于Hi3515和3G网络的视频监控方案，实现了整个系统的软硬件设计，并在视频监控的前端，特别增加了智能视频处理和智能控制的功能。

1 监控系统总体方案

该监控系统主要由视频监控前端、手机终端、PC用户终端和FTP服务器终端等部分构成，系统的总体结构如图1所示。实现了视频监控数据的采集、分析、压缩、传输以及控制的基本功能;结合3G无线网络，只有当异常发生时，监控前端才会主动向手机终端发送彩信报警信息，同时异常视频数据也会传输到PC终端;用户可以通过PC终端登录邮箱和FTP服务器，对前端采集到的视频数据进行查看，并且可以根据需要，通过手机向前端发送控制短信，请求发送视频数据;利用具有特定监控系统的PC终端，能够获取监控前端的电子地图和周边信息，通过可视化的操控界面，可以对监控前端进行实时控制。

1.1 视频监控前端

视频监控前端主要由数字摄像头、视频服务器以及3G模块构成。视频服务器主要是基于海思半导体公司的Hi3515芯片设计的嵌入式系统，采用配套的Hilinux操作系统进行开发。3G模块采用的是SIM5216E，这是一款支持WCDMA在内的多频段3G模块，并且集成了MMS，TCP，IP，SMTP，FTP等网络应用协议。视频监控前端的主要功能有:1)前端上电后，插入USIM卡的3G模块首先寻找移动网络进行注册，注册成功后就顺利接入3G移动网络;2)摄像头将前端采集的视频数据送入Hi3515，并通过智能算法进行实时分析，若有异常事件发生，便会触及编码程序，将相应的视频数据进行JPEG和H.264编码，并分别存储到本地;3)Hi3515将本地存储的视频数据传输给3G模块，经由3G模块进行网络协议打包封装后发送到移动网络;4)视频监控前端通过智能控制程序，实现了定时向用户发送视频数据和接收用户请求发送视频数据的功能，提高了系统应用的方便性和灵活性。

图1 系统总体结构图

1.2 手机终端

手机终端主要针对具有彩信功能的用户手机。当异常事件发生时，手机终端会收到由视频监控前端发送的报警彩信［4］，用户可以根据彩信的内容对事件进行初步判断，选择是否登录PC终端进行进一步查看。

1.3 PC 用户终端

PC用户终端指的是具有操作系并且能够连接互联网的个人计算机。PC用户终端根据浏览器/服务器通信模式，实现了Web网页登录邮箱和特定的FTP服务器，通过用户身份验证机制，实现了查看异常事件视频数据，并选择性地进行删除和本地存储;在特定PC端集成了监控应用系统，该系统建立了监控场景的信息数据库，可以根据接收到的监控视频数据，调取监控场景的电子地图和监控终端周围的信息，配合多路窗口化显示，实现多路监控。

1.4 FTP 服务器终端

FTP服务器终端利用PC机的操作系统，实现FTP服务器的搭建和路由器的设置。在FTP服务器下建立对应不同监控前端的文件夹，可以实现多路视频监控。如果FTP服务器使用的是内部网络，通过以下设定，可以实现外网对内网FTP服务器的访问:进入路由器设置界面，选定NAT或者转发规则的选项，其子菜单下会有设置DMZ主机IP地址的选项，将IP地址设定为FTP服务器主机IP，然后启用即可。

2 视频监控前端硬件设计

视频监控前端硬件电路采用海思公司研发的Hi3515－H.264编解码处理器作为主控芯片，采用SIMCOM公司的SIM5216E无线通信模块作为3G模块。DC－Camera使用CMOS摄像头组模，其中的CMOS传感器芯片采用由美光公司生产的MT9D111。硬件电路主要由Hi3515主控电路、3G通信模块接口电路、视频接口电路、稳压电源电路、实时时钟电路、系统复位电路、系统调试电路等组成［5］，硬件电路的总体结构如图2所示。

图2 硬件电路总体结构图

Hi3515是一款集成了ARM926EJ内核、视频编解码器、视频硬件加速和图形处理模块的多核高性能高集成的通信媒体SOC处理器。其工作频率可达400 MHz，16 kbyte的指令和数据双Cache，以及内置的MMU，保证了视频监控系统的执行速度与稳定性。同时Hi3515具备丰富的外围接口，包括UART，GPIO，SPI等，为监控系统的硬件设计提供了方便。Hi3515主控电路作为视频监控前端的核心，担负整个系统正常运行、对外围电路进行正确控制的任务。本系统的NAND Flash存储设备选取的容量为1 Gbyte，分别存储uboot、Linux内核、视频分析和智能控制的应用程序，以及经压缩编码后的异常视频数据。DDR SDRAM选取2片256 Mbyte的16 bit DDR2合成32 bit的运存，足以保证大量数据同时运行的可靠性。预留JTAG接口，负责硬件调试。

本系统的3G模块SIM5216E支持HSDPA/WCDMA/GSM/GPRS/EDGE的网络模式，HSDPA的下行数据传输速率达3.6 Mbit/s［6］。可广泛适用于各种3G网络应用解决方案。该模块的特点有:

1)它有2种工作模式可供选择:双频UMTS/HSDPA PC监控中心安装有特定的可视化监控软件，可以通过操作软件实现对监控前端的控制，比如选择传输视频数据或者控制监控前端的视频采集参数;在没有异常事件发生，并且也没有接收到控制命令的情况下，监控前端也会根据提前设定好的时间参数，定时将监控场景的图片以彩信形式发送到用户手机。系统控制软件程序流程见图8。

图8 系统控制软件

5 系统功能测试

在WCDMA网络环境下，对手机、邮箱和FTP服务器三方的视频数据接收功能进行了测试。经测试，手机接收彩信、邮箱接收图片和FTP服务器接收视频片段均满足预期设计。测试结果如图9～图11所示。

图9 彩信接收测试(截图)

图10 邮件接收测试(截图)

图11 FTP服务器接收测试(截图)

6 小结

本文设计了一个基于3G移动网络和嵌入式的智能视频监控系统，对视频的智能分析和控制，以及利用3G网络传输数据进行了研究。该系统能够提供较好的远程视频监控服务，使用方便，构建成本低，配合智能视频分析与控制功能，解决了传统3G视频传输中的流量资费问题，提高了系统应用的灵活性。同时，实践证明Hi3515+SIM5216E的组合降低了监控系统开发的难度，缩短了研发周期，是一种较为理想且稳定性高的监控方案。随着3G网络的大幅度普及，本系统配合相应的智能视频分析算法和控制程序，可广泛地应用于仓库监控、森林火灾防护、银行柜台监控以及铁路公交客运等场所，使用手机便可查看监控终端的场景，应用十分方便。

［1］朱海华，陈自刚.基于3G的无线视频家居安防系统设计［J］.计算机测量与控制，2011，19(12):2982－2984.

［2］李飞鹏.3G移动通信技术及其应用［J］.信息通信，2011(4):70－71.

［3］王东，穆武第，张广政.基于3G网络的远程无线监控系统设计［J］.电视技术，2012，36(5):106－109.

［4］李未姝.基于3G网络的无线视频监控系统设计［D］.天津:天津大学，2011.

［5］娄猛朝.基于ARM9和WCDMA的车载视频监测系统的研究与设计［D］.秦皇岛:燕山大学，2012.

［6］ ANDERSSON C.GPRSand 3G wireless applications［M］.［S.l.］:John Wiley ＆ Sons，Inc，2001:30－60.

［7］ Shanghai SIMCom Wireless Solutions Ltd.SIM5215E ＆ SIM5216E_HD_V1.01［R］.Shanghai:SIMCom Wire－less Solutions Ltd.，2010.

［8］温尚书，陈刚，冯利美.从实践中学嵌入式Linux应用程序开发［M］.北京:电子工业出版社，2012.

［9］Shenzhen HiSilicon Ltd.Hi3520/Hi3515媒体处理软件开发参考［R］.Shenzhen:Shenzhen HiSilicon Ltd.，2010.