基于CDMA2000-VPDN的视频监控系统设计

 

　　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。