基于CDMA2000-VPDN的视频监控系统设计

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摘要：设计了一种点对点的实时移动视频监控系统。该系统基于嵌入式硬件平台，以TI公司的TMS320DM365多媒体处理器为核心处理器，采用嵌入式Linux技术，通过电信CDMA2000-VPDN(Virtual Private Dia-Network)进行视频数据传输。由于VPDN具有可靠性高、保密性强等特点，该系统在家庭室内和车载监控等保密性要求高的场合有较高的应用价值。
关键词：TMS320DM365；3G-VPDN；视频监控；嵌入式Linux

引言
    随着3G技术在国内的逐步推广，3G技术在视频监控行业的应用已经成为热点。CDMA2000作为三种主流3G技术标准之一，在国内的应用发展迅速。中国电信CDMA2000系统主要应用在语音和低速数据的CDMA2000 1x以及视频和高速率数据的CDMA20001xEV-DO(Evolution-Data Only)上。CDMA20001xEV-DO在一个无线信道传送高速数据报文的情况下，理论上支持下行数据速率最高可达3．1Mbps，上行速率最高到1．8Mbps。中国电信数据业务费用按流量或时间计算，随着中国电信大力推广3G业务，费用也在逐步降低，为CDMA2000网络的应用普及提供有利的条件。3G网络视频监控也越来越受人们关注。本文正是在此背景下提出了基于CDMA2000-VPDN的视频监控系统。

1 系统功能及特点
1．1 功能描述
    本文所提出的系统具有以下功能：
    ①支持前端设备3G无线方式接入，实现免布线，提高安装速度。
    ②有权限用户可以浏览实时图像，并可控制监控点的云台、镜头。
    ③用户可通过3G手机客户端实时浏览监控点。
    ④平台告警包括运动检测告警、红外检测告警，并可通过拨号方式通知用户。
    ⑤录像和图片资源集中存储在前段编码器，视频流由设备直接传给用户3G手机客户端。
1．2 系统特点
    ①处理器采用TI公司基于达芬奇技术的新型TMS320DM365数字媒体处理器。TMS320DM365高度集成了众多组件，如H264、MPEG4、MPEG2编解码器，可满足智能视频处理功能的集成影像信号处理(ISP)解决方案，集成组件使开发周期大大减少，并降低开发成本。本文采用TMS320D-M365中高性能的H264编码器组件，大大压缩了视频数据，为3G网络数据传输减轻了负担。
    ②采用嵌入式Linux操作系统。本系统采用了开源的嵌入式Linux操作系统。其良好的可裁减性与可移植性、卓越的效率和稳定性，以及支持多种处理器体系架构的特点，使得Linux越来越广泛地应用于嵌入式领域。
    ③以电信CDMA2000的3G-VPDN平台为支撑。    本系统是基于电信CDMA2000的3G-VPDN平台，3G-VPDN(Virtual Private Network)采用安全专用隧道技术，对目标网络提供了高安全的防护，防止了用户的隐私、信息等泄漏。而且采用3G手机客户端可以随时随地接入，实现实时移动式监控。
    ④系统监控采用运动检测技术。本系统采用了运动检测技术、视频运动检测结合红外检测，大大加强了系统告警的可靠性。随着视频监控的智能化，运动检测、模式识别等新技术被引入视频监控系统。智能化是视频监控在今后发展的必然趋势。

2 实现原理及系统结构
2．1 系统总体框架
    系统的总体框架如图1所示。系统包括前端嵌入式智能视频监控器、3G-VPDN认证平台、手机监控客户端。整个系统以嵌入式智能视频监控器为核心，以电信CDMA2000-VPDN为网络支撑，以3G智能手机为远程监控客户端。




    嵌入式智能视频监控器采集现场的视频数据，通过运动检测技术，结合监控器的红外告警模块，判断是否有人在监控区域活动。若检测到有人在监控区活动时，立即拨打系统预先设定的3G手机号码进行告警。3G手机接收到呼叫后，用户选择启动手机视频监控客户端，发起VPDN连接，通过3G-VPDN认证平台认证后，嵌入式视频监控器同时也建立VPDN连接，建立视频监控器和手机客户端点对点VPDN连接。利用UDP和TCP协议，与嵌入式智能控制器进行交互，如用户是否请求嵌入式智能控制器发送现场视频数据到手机客户端、是否请求云台控制、解除告警等。同时3G手机客户端在未告警时，也可以主动呼叫嵌入式视频监控器，申请建立VPDN连接进行主动访问，经授权可以实时浏览本地监控画面。
                          
                       
                          
                               
2．2 嵌入式智能监控器的硬件结构
    系统硬件结构如图2所示。系统主控制器采用TI公司的DaVinci处理器TMS320DM365。系统主要模块包括：CCD视频信号采集摄像机、A／D转换模块、云台控制器、红外探测模块、SD卡存储模块、EVDO 3G模块。图中的有线网络接口模块主要用于调试系统软件。




2．2．1 CCD视频A／D转换模块电路
    A／D转换芯片采用TI公司的高性能视频解码芯片TVP5146，完成从模拟到数字视频的转换。TVP5146不仅支持RGB和YPbPr信号分量的A／D转换，也支持A／D转换并解码NTSC、PAL、SECAM、S-Video为YCbCr信号分量。它允许10路模拟视频输入，具有4路10位A／D转换器；场同步信号VS、行同步信号HS、奇偶场信号FID、时钟输出信号DAIACLK等都由引脚直接引出，省去同步时钟电路的设置。




    图3为TVP5146与TMS320DM365的接口电路，CCD输出的PAL模拟信号连接到VIDEO_IN，经引脚VI_2_B进入TVP5146的第二路A／D转换器，转换得到数字视频信号(4：2：2YCbCr)，TVP5146输出为10位的数字视频信号，而TMS320DM365支持8位的数字视频信号，因此TVP5146采用8位模式输出，即视频Y分量和C分量的最低2位不连接，TVP5146的引脚Y_2～Y_9和GPIO／C_2～GPIO／C_9分别与TMS320DM365的引脚YIN0～YIN7和CIN0～CIN7相连。TVP5146的SCL、SDA引脚分别与TMS320DM365的I2C接口的I2C_SCL、I2C_SDA引脚连接，TMS320DM365通过I2C总线对TVP5146的寄存器进行配置。
                          
                       
                          
                               
2．2．2 3G-EVDO上网模块电路
    本模块设计基于华为的MC703-CDMA-EVDO无线模块。该模块支持CDMA 800／1900频段，提供丰富的用户信号接口：电源接口、1路9线全串口、2路模拟音频接口、1路RUIM卡接口、1路USB2．0全速接口、多达8路GPIO接口、2路DC接口。支持标准的AT指令集和华为扩展AT指令集。EVDO上网模块接口电路如图4所示。




    EVDO上网模块接口电路包括MC703的USB接口电路、UIM卡的接口电路以及电源接口电路。MC703的USB接口与驱动程序配合可映射串口，通过串口AT指令控制该。EVDO模块完成3G数据连接、短信、拨号等任务。由于模块天线接口对ESD(Electro-Static Discharge，静电放电)敏感，天线电路设计上增加一个68 nH的电感作为ESD防护。在电源接口电路上采用LDO(Low-Dropout)电源稳压电路，采用高电流LDO电源芯片MIC29302。在MIC29302电源的输出端VBAT加了一个2 200μF的电解电容，以保证EVDO模块在低信号下的功率上升导致的电压跌落。
    MC703模块RUIM卡接口对ESD敏感，同样需要设计防护电路。图5为RUIM卡接口ESD防护电路。图中使用的TVS(瞬态电压二极管)，选用低电容 TVS 阵列芯片MSMF05LCC。该芯片可以组成4路双向的TVS，关断电压为5 V，极间电容可降至4．5 pF，可满足ESD(Air-15 kV，Contact-8kV)防护要求。设计时使MSMF05LCC尽量靠近RUIM卡座放置。





3 系统软件设计
    系统的软件设计是基于嵌入式Linux平台，在进行系统应用软件设计之前首先要完成搭建嵌入式Linux开发环境，建立引导装载程序Boo-tloader，移植Linux内核，移植根文件系统，编写、修改和移植Linux驱动程序等工作。然后对系统的应用程序进行开发。




    系统软件流程如图6所示。软件设计包括视频采集检测、视频编码、打包传输、与客户端交互等主要线程。视频采集检测线程包括采集从ISIF接口接入的数字(4：2：2YCbCr)视频信号，根据视频运动检测技术判断是否有人闯入，结合红外报警判断是否需要告警，并对告警进行计数，以便对告警进行统计。视频编码线程调用TMS320DM365的H264编码引擎实施硬件编码，编码采用4CIF和CIF格式的双码流，分别用于本地保存和3G网络传输。视频数据打包发送线程对编码完成得到的视频数据流以RTP(Real-time Transport Protoc01)协议打包，并等待用户的视频连接请求，当用户手机端与智能监控端建立了基于VPDN的UDP／TCP连接时，根据用户的请求可及时发送视频流数据到客户端。与客户端用户交互线程处理告警和接收用户的来电，以及响应客户的云台控制请求。如果系统出现告警信息，则拨打预先设定用户的手机即时告警，然后建立3G-VPDN连接，等待手机客户端连接3G-VPDN，并与手机端在VPDN网络上进行交互(包括云台控制、是否清除报警等)。

结语
    本文对基于CMDA2000-VPDN的网络视频监控系统的硬件进行了模块化的设计，并着重介绍了系统的主要模块CDMA2000上网模块和视频A／D转换模块的硬件接口电路。软件采用了嵌入式Linux的设计，并给出了主要的软件流程。目前系统正在初步调试中，实验中得到了良好的效果，基本实现了各个模块的功能，视频显示清晰，3G网络传输流畅，检测报警可靠性较高。