孫鴻昌 / 張綠原 / 孫加紅 / 王升軍

1. 山東大衛(wèi)國際建筑設(shè)計(jì)有限公司，山東 濟(jì)南 250101 2. 浪潮電子信息產(chǎn)業(yè)集團(tuán)，山東 濟(jì)南 250101 3. 山東建筑大學(xué)信電學(xué)院，山東 濟(jì)南 250101

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Design and Optimization of Building Security Video Surveillance System

樓宇安防視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化

孫鴻昌1/ 張綠原2/ 孫加紅3/ 王升軍1

1. 山東大衛(wèi)國際建筑設(shè)計(jì)有限公司，山東 濟(jì)南 250101 2. 浪潮電子信息產(chǎn)業(yè)集團(tuán)，山東 濟(jì)南 250101 3. 山東建筑大學(xué)信電學(xué)院，山東 濟(jì)南 250101

Through analyzing the traditional security video surveillance system, a new design with new internet technologies for the demand of intelligent security field is applied and a optimization scheme is proposed.So security systems, host computer and a variety of devices could connect seamlessly to network, all owing users could view security real-time status of building with the video surveillance system on the LAN anytime.

security， video surveillance， internet of things， VBR

0 引言

近年來，在建筑安防結(jié)合新型應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展過程中，安防系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化水平得到了顯著提升，尤其以無線通信技術(shù)的成熟發(fā)展為代表，助推了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的進(jìn)步[1]。通過運(yùn)用新的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)樓宇安防視頻監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行重新規(guī)劃和設(shè)計(jì)(特別是對(duì)系統(tǒng)細(xì)節(jié)的優(yōu)化)，使安防系統(tǒng)、主機(jī)和各種設(shè)備無縫連接到網(wǎng)絡(luò)中，用戶可通過視頻監(jiān)控系統(tǒng)隨時(shí)隨地聯(lián)網(wǎng)查看樓宇安防實(shí)時(shí)狀態(tài)[2]。

1 樓宇安防視頻監(jiān)控系統(tǒng)概述

樓宇安防視頻監(jiān)控系統(tǒng)作為物業(yè)管理的重要組成部分，主要完成樓宇視頻數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸、同步播放以及視頻數(shù)據(jù)處理等功能，為建筑環(huán)境安全提供保障。而建筑的智能化發(fā)展方向使安防視頻監(jiān)控系統(tǒng)不僅要完成傳統(tǒng)的鏡頭切換、俯角調(diào)節(jié)、變焦控制、回放查看等功能，更要實(shí)現(xiàn)智能化的轉(zhuǎn)變，使系統(tǒng)中的任何硬件設(shè)備都能被訪問和控制[3]。有時(shí)視頻監(jiān)控影像資料可直接作為刑事案件的重要證據(jù)，這更加體現(xiàn)出一個(gè)可靠、穩(wěn)定的樓宇安防視頻監(jiān)控系統(tǒng)的重要性。

2 樓宇安防視頻監(jiān)控系統(tǒng)問題分析

一方面，互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的日新月異，特別是手機(jī)等聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的普及，加強(qiáng)了人們對(duì)樓宇安防領(lǐng)域的智能化需求；另一方面，住宅樓宇人員數(shù)量的增加，對(duì)傳統(tǒng)的物業(yè)管理系統(tǒng)提出了更高的要求，使得高效快捷的安防監(jiān)控系統(tǒng)愈加重要[4]。

遠(yuǎn)程聯(lián)網(wǎng)隨時(shí)查看物業(yè)狀態(tài)成為人們的需求，樓宇視頻監(jiān)控系統(tǒng)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的結(jié)合成為行業(yè)發(fā)展趨勢(shì)，利用現(xiàn)有視頻監(jiān)控資源可以有效降低改造成本。在新的系統(tǒng)中，每個(gè)攝像頭是一個(gè)地址唯一的終端監(jiān)控設(shè)備，可以通過IP直接訪問和控制；另一方面，新系統(tǒng)還可以實(shí)現(xiàn)不同碼率的傳輸調(diào)控方式(VBR)，以充分節(jié)約存儲(chǔ)空間和帶寬資源；另外，為提高工作效率和生活樂趣，安防視頻監(jiān)控需要接入互聯(lián)網(wǎng)中，并能通過聯(lián)網(wǎng)終端APP直接遠(yuǎn)程查看和控制[5]。

3 樓宇安防視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)總體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)借鑒物聯(lián)網(wǎng)的聯(lián)網(wǎng)和控制思路，將視頻監(jiān)控系統(tǒng)中的每個(gè)攝像頭連接到互聯(lián)網(wǎng)中，并通過終端設(shè)備APP隨時(shí)隨地遠(yuǎn)程控制和查看樓宇實(shí)時(shí)狀態(tài)。

系統(tǒng)中的每個(gè)攝像頭都帶有自己的IP，且地址獨(dú)一無二，方便直接控制每個(gè)攝像頭的監(jiān)控方向和角度。另外，每個(gè)攝像頭都是硬盤錄像機(jī)的一部分，其視頻流的傳輸分為并列兩路，一路流向自帶硬盤存儲(chǔ)；另一路跳過硬盤直接流向互聯(lián)網(wǎng)。在物業(yè)監(jiān)控室的電視墻上可以查看每個(gè)攝像頭的采集信息，同時(shí)PC管理主機(jī)用來處理視頻數(shù)據(jù)，可實(shí)現(xiàn)快進(jìn)、快退、不同時(shí)間點(diǎn)等多種查看方式。終端設(shè)備可以是平板電腦、手機(jī)等，安裝終端APP即實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程查看[6]和控制。系統(tǒng)總體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

3.2 視頻數(shù)據(jù)碼率設(shè)計(jì)

視頻的傳輸過程中，數(shù)據(jù)碼率控制是一個(gè)重要環(huán)節(jié)，首先數(shù)據(jù)源通過編碼器進(jìn)行每一幀數(shù)據(jù)的編碼，之后數(shù)據(jù)被送入緩存器，經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)傳輸和解碼最終還原視頻數(shù)據(jù)，具體控制過程見圖2。

圖2 數(shù)據(jù)碼率控制框圖

碼率控制過程關(guān)系到數(shù)據(jù)的還原度，從而影響影像的失真率和清晰度，其控制的基本原則就是保證緩存器不會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)溢出。本系統(tǒng)選擇的是可變碼率控制(VBR)，通過調(diào)控碼率實(shí)現(xiàn)不同分辨率數(shù)據(jù)的傳輸，其不同幀率要求和分辨率下的碼率對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1所示。

表1 碼率對(duì)應(yīng)表

可變碼率控制的優(yōu)點(diǎn)在于靈活性較強(qiáng)，比如，夜間光線較弱的時(shí)間段可以調(diào)控為碼率最高的傳輸方式，以獲得更多的像素信息；根據(jù)樓宇監(jiān)控點(diǎn)位的重要程度可選擇不同碼率的傳輸方式，這樣可以充分節(jié)約存儲(chǔ)空間。

3.3 硬盤容量設(shè)計(jì)與帶寬計(jì)算

3.3.1 視頻數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間設(shè)計(jì)

若規(guī)劃最大回放日期為d天，匹配硬盤容量的計(jì)算公式見式(1)：

(1)

式中，z是硬盤錄像機(jī)所匹配的存儲(chǔ)總?cè)萘?；m是比特率，代表視頻數(shù)據(jù)傳輸?shù)目炻?，kbps；wi是指第i路視頻流在所選擇的比特率下60min所需要的硬盤存儲(chǔ)容量；h為系統(tǒng)一個(gè)工作日的小時(shí)數(shù)；d為硬盤錄像機(jī)所設(shè)定的最大回看日期。其中，wi的計(jì)算公式見式(2)：

wi=m÷8×3 600÷1 024

(2)

3.3.2 帶寬計(jì)算

帶寬的計(jì)算需要充分考慮數(shù)據(jù)打包封裝以及網(wǎng)路重連占用的帶寬資源，上行帶寬計(jì)算公式見式(3)：

(3)

當(dāng)n=0.3、m=16、k=0.15、h=0.05時(shí)，可得視頻數(shù)據(jù)最低的上行帶寬為：0.3×16×(1+0.15)×(1+0.05)=5.80Mbps。

當(dāng)n=0.5、m=16、k=0.15、h=0.05時(shí)，可得視頻數(shù)據(jù)最低的上行帶寬為：0.5×16×(1+0.15)×(1+0.05)=9.66Mbps。

由于下行數(shù)據(jù)內(nèi)容主要為控制指令，可不用計(jì)算下行帶寬。

3.4 視頻數(shù)據(jù)控制接口設(shè)計(jì)

1)系統(tǒng)中視頻數(shù)據(jù)的解碼方式為硬件解碼，選擇硬件解碼矩陣板卡可實(shí)現(xiàn)相應(yīng)碼率下的視頻數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換與解碼。硬件解碼卡直接設(shè)計(jì)到主服務(wù)器中，在視頻數(shù)據(jù)通過互聯(lián)網(wǎng)上傳到主服務(wù)器的同時(shí)就可實(shí)現(xiàn)同步解碼。解碼后的視頻數(shù)據(jù)既可以傳輸?shù)诫娨晧Φ腜C管理主機(jī)，也可以通過聯(lián)網(wǎng)終端APP實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。

2)視頻監(jiān)控系統(tǒng)中，用視頻流控制器實(shí)現(xiàn)影像同步播放功能時(shí)，一方面可以選擇開放SDK接口的視頻流控制器以簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)負(fù)責(zé)程度、縮短開發(fā)周期；另一方面，主服務(wù)器可將數(shù)據(jù)分段處理并存儲(chǔ)，并提供預(yù)覽查看、參數(shù)調(diào)整、加速回放等多種管理功能。

3.5 聯(lián)網(wǎng)終端APP軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)

隨著人們對(duì)現(xiàn)代樓宇智能安防需求的逐步提高，為提高工作效率和生活樂趣，可將安防視頻監(jiān)控接入互聯(lián)網(wǎng)，并通過聯(lián)網(wǎng)終端和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用，借助軟、硬件平臺(tái)的有效結(jié)合和多種視頻設(shè)備的遠(yuǎn)程控制，為人們打造一個(gè)安全、智能的樓宇環(huán)境。

軟件的整體架構(gòu)包含Linux Kernel、Application以及運(yùn)行庫，需要編程的部分為Linux Kernel和Application。在Linux Kernel中添加新的Wi-Fi Driver和ZigBee Driver以適配和驅(qū)動(dòng)新的硬件模塊，在Application中直接完成通信程序、數(shù)據(jù)處理和人機(jī)交互等部分。軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)方案如圖3所示。

圖3 聯(lián)網(wǎng)終端APP軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)

3.5.1 LwIP協(xié)議棧移植

LwIP是瑞士的AdamDunkels等開發(fā)的開源TCP/IP協(xié)議棧，此協(xié)議棧體積較小，易于移植。相對(duì)uIP、uC/IP、Linux TCP/IP協(xié)議棧，LwIP具有以下特點(diǎn)：

1)移植與有無系統(tǒng)無關(guān)。

2)內(nèi)存使用量為40KB ROM和幾十KB RAM。

3)參考的資料較多，并且有多重方式與應(yīng)用程序通信。

4)部分實(shí)現(xiàn)TCP/IP協(xié)議，且有套接字。

圖4 TCP/IP協(xié)議數(shù)據(jù)收發(fā)處理流程圖

由于LwIP對(duì)應(yīng)用層的支持度方面應(yīng)用較方便，在移植性方面優(yōu)勢(shì)較明顯，且具有以上列舉的優(yōu)勢(shì)。因此本系統(tǒng)通過移植LwIP協(xié)議棧到此平臺(tái)以實(shí)現(xiàn)TCP/IP協(xié)議棧。TCP/IP協(xié)議數(shù)據(jù)收發(fā)處理流程圖如圖4所示。

3.5.2 編寫TCP網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)交互文件

在房間控制器與下端各個(gè)節(jié)點(diǎn)間的Wi-Fi通信中，實(shí)現(xiàn)長久可靠的數(shù)據(jù)交換以及完成網(wǎng)絡(luò)文件的首發(fā)還需要編寫TCP/IP文件系統(tǒng)。其中，TCP_Connetction.c包含以下函數(shù)：客戶端回調(diào)函數(shù)ClientTcpConnected()、TCP/IP客戶端初始化函數(shù)TCP_Clinet_Connection_init()、TCP/IP服務(wù)器端初始化函數(shù)TCP_Connection_init()、LwIP工作函數(shù)vETH_SimpleStateMachine_Init()，下面給出一些TCP通信關(guān)鍵程序說明：

/*————————————————————————————————————————————

*函數(shù)名稱：TCP_Clinet_Connection_init()

*函數(shù)功能：客戶機(jī)建立TCP服務(wù)函數(shù)

*返回值： TCP_Connection_Error_TypeDef類型

—————————————————————————————————————————————*/

TCP_Connection_Error_TypeDef TCP_Clinet_Connection_init(void)

{

struct tcp_pcb *New_upcb; //定義一個(gè)pcb變量

struct ip_addr remote_ipaddr; //定義一個(gè)服務(wù)器地址

UINT32 udwRemoteIPPort; //定義一個(gè)服務(wù)器端口

udwRemoteIPPort=5000; //服務(wù)器端口5000

New_upcb=tcp_new(); //創(chuàng)建一個(gè)PCB

if (New_upcb==NULL) //PCB為空判斷

{

memp_free(MEMP_TCP_PCB, New_upcb);

return TCP_MemoryError;

}

tcp_setprio(New_upcb, TCP_PRIO_NORMAL); //設(shè)置PCB連接優(yōu)先權(quán)

tcp_err(New_upcb, tcp_Error_callback); //設(shè)置PCB錯(cuò)誤返回函數(shù)

if(tcp_connect(New_upcb,&remote_ipaddr,udwRemoteIPPort,ClientTcpConnected)!=ERR_OK)//PCB連接判斷

{

tcp_abandon(New_upcb,0);

memp_free(MEMP_TCP_PCB, New_upcb);

return TCP_ConnectionError;

}

Currentpcb=New_upcb;

return TCP_OK; //返回TCP連接返回值

}

/*—————————————————————————————————————————————

*函數(shù)名稱：TCP_Connection_init()

*函數(shù)功能：主機(jī)建立TCP服務(wù)函數(shù)

*返回值： TCP_Connection_Error_TypeDef類型

————————————————————————————————————————————*/

TCP_Connection_Error_TypeDef TCP_Connection_init(void)

{

struct tcp_pcb *New_upcb; //定義一個(gè)PCB變量

Demo_upcb=tcp_new(); //創(chuàng)建一個(gè)PCB

if (Demo_upcb==NULL) //PCB為空判斷

{

return TCP_MemoryError;

}

New_upcb=tcp_listen_with_backlog(Demo_upcb, Incoming_Queue_Limit);

udwListenTimes ++; //監(jiān)聽事件累加

if (New_upcb==NULL) //監(jiān)聽為空，釋放此PCB

{

memp_free(MEMP_TCP_PCB, Demo_upcb);

return TCP_MemoryError;

}

Else

{

Demo_upcb=New_upcb;

}

tcp_arg(Demo_upcb, NULL); //PCB參數(shù)設(shè)置清空

tcp_accept(Demo_upcb, tcp_Accept_callback); //設(shè)置PCB錯(cuò)誤返回函數(shù)

return TCP_OK; //返回TCP連接返回值

}

4 系統(tǒng)優(yōu)化方案

針對(duì)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)及樓宇視頻監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)際工作情況，在模塊化結(jié)構(gòu)、聯(lián)動(dòng)化控制以及智能化升級(jí)三個(gè)方面提出了優(yōu)化方案，不僅提高了系統(tǒng)實(shí)用性，也方便了日后系統(tǒng)的硬件維護(hù)和軟件升級(jí)。

4.1 模塊化結(jié)構(gòu)

硬件部分都采用統(tǒng)一的硬件標(biāo)準(zhǔn)，方便日后的硬件替換和維護(hù)，特別是鏡頭的選擇參數(shù)要保持一致，包括最大像素、焦距、光圈、安裝方式、景深等；綜合布線過程中，不同子系統(tǒng)的視頻電纜要統(tǒng)一；視頻壓縮格式要一致，控制卡之間相互可以替換。

4.2 聯(lián)動(dòng)化控制

樓宇安防視頻監(jiān)控系統(tǒng)是安防系統(tǒng)中的一部分，需要與其他子系統(tǒng)形成有效的聯(lián)動(dòng)控制。終端APP要與監(jiān)控室形成聯(lián)動(dòng)，能在聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備直接提醒物業(yè)工作人員；在系統(tǒng)中預(yù)留連接消防廣播和數(shù)字對(duì)講的信號(hào)線，方便直接在廣播系統(tǒng)中發(fā)布信息。

4.3 智能化升級(jí)

系統(tǒng)長時(shí)間運(yùn)行以后，可能會(huì)出現(xiàn)一些不合理甚至是不符合實(shí)際要求的設(shè)計(jì)，尤其是軟件設(shè)計(jì)。為此，在聯(lián)網(wǎng)終端APP中預(yù)留在線升級(jí)接口，只需將最新的版本發(fā)布到應(yīng)用商店中，用戶即可一鍵升級(jí)。

5 結(jié)束語

隨著網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的不斷進(jìn)步，現(xiàn)代樓宇安防系統(tǒng)會(huì)更加智能化和集成化，功能也會(huì)更加穩(wěn)定完善。安防視頻監(jiān)控系統(tǒng)是建筑安防應(yīng)用的重要組成部分，為整個(gè)樓宇提供了安全監(jiān)視的重要保障，將會(huì)越來越多地融入到人們的日常生活中。

[1] 盛華軍.智能建筑安防監(jiān)控系統(tǒng)中攝像系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)[D].廣東工業(yè)大學(xué),2013.

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[5] 韋波.IP技術(shù)助智能家居騰飛[J]. 數(shù)字社區(qū)&智能家居，2007(3):76-79.

[6] 葛川,賈智平.建筑能耗系統(tǒng)的采集與實(shí)現(xiàn)[D].山東大學(xué),2010.

Sun Hongchang / Zhang Lvyuan / Sun Jiahong / Wang Shengjun

在分析了傳統(tǒng)安防視頻監(jiān)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，針對(duì)安防領(lǐng)域的智能化需求，運(yùn)用新的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)重新對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行規(guī)劃和設(shè)計(jì)，并提出了優(yōu)化方案，使安防系統(tǒng)、主機(jī)和各種設(shè)備能無縫連接到網(wǎng)絡(luò)中，使用戶通過視頻監(jiān)控系統(tǒng)能隨時(shí)聯(lián)網(wǎng)查看樓宇安防實(shí)時(shí)狀態(tài)。

安防 視頻監(jiān)控 物聯(lián)網(wǎng) VBR