基于CDMA網絡技術實現(xiàn)遠程圖像監(jiān)控系統(tǒng)的設計

引言

近年來，圖像監(jiān)控以其直觀、方便、信息內容豐富而被廣泛應用于許多重要場合，成為安全監(jiān)控的主要手段。隨著計算機通信技術和網絡技術的快速發(fā)展，無線網絡技術已成為計算機網絡中一個至關重要的組成部分，它的應用領域也在飛速的擴大。由于遠程圖像監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)了對遠程目標的監(jiān)視、遙控等功能，從而為無人值守場合提供了新手段。CDMA技術的出現(xiàn)使成本合理、相對較低技術門檻無線數(shù)據(jù)傳輸技術在監(jiān)控系統(tǒng)中實現(xiàn)現(xiàn)場到遠程監(jiān)控中心的實時數(shù)據(jù)傳輸成為可能。

一、CDMA技術簡介

CDMA是（Code Division Multiple Access）即碼分多址技術，是近年來用于數(shù)字蜂窩移動通信的一種先進的無線擴頻通信技術。

CDMA允許用戶在端到端分組轉移模式下發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，而不需要利用電路交換模式的網絡資源。從而提供了一種高效、低成本的無線分組數(shù)據(jù)業(yè)務。

CDMA數(shù)據(jù)傳輸?shù)膬?yōu)點在于：

（1）傳輸速率高，最高理論帶寬可達到230.4kb/s；

（2）永遠在線，可以實時傳輸數(shù)據(jù)；

（3）按流量收費，價格合理；

（4）基于IP協(xié)議可以訪問整個Internet。

CDMA 網絡的遠程圖像監(jiān)控系統(tǒng)采用無線傳播媒質，擺脫了線纜的約束，在一定范圍內可以任意變換位置。不受活動區(qū)域的限制，通過CDMA移動通信網絡，可以很方便的實現(xiàn)遠程移動監(jiān)控。

二、系統(tǒng)組網方案

終端收集到圖像數(shù)據(jù)信息后，要把數(shù)據(jù)發(fā)送到監(jiān)控中心，而終端部分無線數(shù)據(jù)傳輸功能由CDMA RUTER來完成。CDMA RUTER與監(jiān)控中心的連接總體上有兩種方案：CDMA + Internet連接；CDMA內網連接。其系統(tǒng)拓撲結構如圖1和圖2所示。

（一）系統(tǒng)拓撲結構1

監(jiān)控中心采用Internet接入，其接入方式有多種方式，只要具有公網IP地址（動態(tài)或靜態(tài)）即可。電信、網通等電訊公司提供的專線接入獲得固定IP一般是公網IP地址，也就是Internet上可以訪問的IP地址，RUTER與監(jiān)控中心服務器的連接通過CDMA + Internet，安全級別稍低，但是可以通過由移動運營商經VPN隧道連接至監(jiān)控中心服務器，這樣可以大大提高安全級別并且可以減小時延。

圖1 系統(tǒng)拓撲結構1： 通過CDMA + Internet連接

（二）系統(tǒng)拓撲結構2

CDMA 內網連接可采用專線接入或CDMA終端連接。專線接入由移動運營商的PDSN（CDMA 路由器）經數(shù)據(jù)專線連接至監(jiān)控中心，監(jiān)控中心獲得內網固定IP地址。獲得的內網IP地址與RUTER同在一個網段，其數(shù)據(jù)安全性好；時延??；成本高。

CDMA終端連接需要移動運營商分配給監(jiān)控中心CDMA內網固定IP地址；開放CDMA用戶端對端數(shù)據(jù)通訊。RUTER根據(jù)配置的監(jiān)控中心內網IP地址與監(jiān)控中心建立數(shù)據(jù)通道。CDMA終端連接技術上還有待更好地的去支持，目前實際應用中很少采用這種方法。

圖2 系統(tǒng)拓撲結構2：CDMA 內網連接

如何決定使用何種方案，關鍵由應用的性質決定。本文從最經濟的方式來考慮，監(jiān)控中心采用了“ADSL（動態(tài)IP） + 動態(tài)域名”解決方案。終端與監(jiān)控中心的連接是基于Socket通訊的。

三、系統(tǒng)的實現(xiàn)

1、終端部分

圖像采集終端部分由攝像頭 DTU、微處理器和CDMA RUTER組成。攝像頭 DTU負責采集圖像數(shù)據(jù)并由微處理器進行收集，微處理器通過CDMA RUTER把數(shù)據(jù)發(fā)送到遠程監(jiān)控中心。

1.1攝像頭DTU及接口

攝像頭 DTU是一個具備視頻捕捉和壓縮功能的攝像機，它的功能與數(shù)碼像機也十分相似。攝像頭 DTU采用標準壓縮算法將原始圖像壓縮為JPG格式，其壓縮功能提高了遠程圖像監(jiān)控系統(tǒng)的實用性。

攝像頭 DTU的數(shù)據(jù)接口是RJ45接口，采用+5V電源輸入。引腳功能如下：

◆ CAPEN：用于允許或禁止攝像頭 DTU輸出圖像。CAPEN=1，則允許輸出圖像，CAPEN=0，則禁止輸出圖像。

◆ JPEGD7..JPEGD0： 并行數(shù)據(jù)輸出。在這組引腳上輸出8位的圖像數(shù)據(jù)。

◆ JPEGINT： 從攝像頭 DTU到外部微控制器的中斷信號是一個寬度約10us 的正脈沖，微控制器可在此信號的下降沿時觸發(fā)中斷。此中斷信號指出已在JPEGD7..JPEGD0 引腳上輸出一個新的圖像數(shù)據(jù)。

攝像頭 DTU上電后內部有一個復位和初始化過程，初始化完成后進入預備狀態(tài)。在預備狀態(tài)下，攝像頭 DTU循環(huán)檢查CAPEN引腳，如果CAPEN＝1，就在JPEGD7..JPEGD0 引腳上連續(xù)輸出數(shù)據(jù)，每輸出一個數(shù)據(jù)，就在JPEGINT引腳上產生一個中斷信號，以通知微控制器讀取數(shù)據(jù)。攝像頭 DTU輸出的是一個完整的JPG文件，JPG 文件總是以“0XFF”、“0XD8” 開始，并以“0XFF”、“0XD9”結束。微控制器對接收的數(shù)據(jù)進行檢查，當收到“0XFF” 、“0XD9”時，表明文件結束，本次采集過程完成。隨后攝像頭 DTU將重新回到預備狀態(tài)。

微控制器為TMS320LF2407A，主頻40M，IOPC口用來讀取攝像頭 DTU的數(shù)據(jù)，攝像頭 DTU的中斷輸出（CAPINT）連接到TMS320LF2407的XINT1，下降沿觸發(fā)；輸出允許（CAPEN）接IOPE0。TMS320LF2407擴展了64K字節(jié)的SRAM用作圖像的緩存。由于攝像頭 DTU采用的是＋5電源供電，TM320LF2407采用的是＋3.3V電源供電，因此其接口必須解決電平轉換。本文采用SN74LVC245A芯片來實現(xiàn)＋5V電源系統(tǒng)和＋3.3V電源

系統(tǒng)之間的電平轉換。

圖3 圖像采集終端基本構成

1.2 CDMA 傳輸部分

微控制器收集到圖像數(shù)據(jù)信息后，要通過Internet把數(shù)據(jù)發(fā)送到監(jiān)控中心。而系統(tǒng)中完成微控制器與Internet網通訊工作的就是CDMA RUTER和CDMA網。由于CDMA是基于IP協(xié)議的，但普通的CDMA RUTER沒有內嵌TCP/IP協(xié)議棧，需要用戶提供TCP/IP的支持。就是說，需要在使用CDMA RUTER的上位機系統(tǒng)中嵌入TCP/IP，這是一個復雜而繁瑣的工作。為了減小應用本身的工作量和增加系統(tǒng)的實用性，本系統(tǒng)采用了廈門桑榮科技工業(yè)級CDMA RUTER，型號為Saro 6230R，它內嵌了TCP/IP協(xié)議棧，具有Socket通訊功能，并提供透明數(shù)據(jù)傳輸通道，用戶只需設置一些參數(shù)就可實現(xiàn)將嵌入式系統(tǒng)直接與Internet相連，實現(xiàn)網絡的互連互通。

CDMA RUTER的主要特點：

◆ 使用方便、靈活、可靠；

◆ 內嵌了完整的TCP/IP協(xié)議棧，包括PPP、TCP、UDP、Socket、STMP等；

◆ 支持RS-232和Rj45接口；

◆ 上電后自動撥號上網，一直在線，斷線自動連接；

◆ 透明數(shù)據(jù)傳輸模式，可對參數(shù)自由設置；

◆ 支持動態(tài)數(shù)據(jù)中心域名和IP地址；

◆ 支持音頻接口，方便維護操作；

◆ 系統(tǒng)配置和維護接口 ；

◆ 電源抗干擾性和散熱設計，適應惡劣工作環(huán)境；

在使用CDMA RUTER前必須先進行參數(shù)設置，以決定進入透明數(shù)據(jù)傳輸模式后的工作方式。需要設置的參數(shù)有：監(jiān)控中心IP地址（或動態(tài)域名服務器能夠解析的域名）及端口號設置；Socket通訊類型（TCP或UDP）；通訊接口參數(shù)；觸發(fā)方式設置等。

CDMA RUTER在每次開機后會自動撥號，接入CDMA并動態(tài)獲得一個IP地址，此IP地址為CDMA骨干內網地址，在未進入連接狀態(tài)時，服務器（監(jiān)控中心）是無法直接與CDMA RUTER通訊的。CDMA RUTER主動向服務器發(fā)送數(shù)據(jù)進行連接。當連接的路由建立以后，服務器和終端才可以雙工地進行數(shù)據(jù)傳輸。該路由具有時間限制，一般僅有幾十秒，為了確保鏈路一直暢通，CDMA RUTER 具有鏈路?；罟δ埽ㄟ^定時發(fā)送：“心跳”數(shù)據(jù)包，維持終端和服務器間的路由（動態(tài)IP由ISP服務商的服務器動態(tài)分配，如果長時間不通信，ISP服務器會回收IP，以利于IP資源的有效利用），確保服務器與終端間可以及時互相通訊，所以監(jiān)控中心可以主動向圖像采集終端發(fā)出數(shù)據(jù)采集命令等參數(shù)。另外，“心跳”數(shù)據(jù)包中包含了終端的ID信息，使得服務器可以很容易判別路由和數(shù)據(jù)包的業(yè)源。

2、監(jiān)控中心的構建

本文監(jiān)控中心采用ADSL連接，由于每次接入所獲得的IP地址不是固定的，CDMA RUTER無法直接指向遠程監(jiān)控中心。為了解決服務器每次接入IP地址的不固定，本文采用了動態(tài)域名解決辦法。動態(tài)域名的功能，就是實現(xiàn)固定域名到動態(tài)IP地址之間的解析。監(jiān)控中心每次上網得到新的IP地址之后，安裝在監(jiān)控中心計算機里的動態(tài)域名軟件就會把這個IP地址發(fā)送到動態(tài)域名解析服務器，更新域名解析數(shù)據(jù)庫。CDMA RUTER 通過這個域名發(fā)起Socket連接時，動態(tài)域名解析服務器會返回正確的IP地址給它。

監(jiān)控中心和Internet之間的防火墻要屏蔽掉不使用的所有端口，這樣保證監(jiān)控中心的安全性，防火墻機可以是軟件防火墻，也可以是硬件防火墻。

圖4 監(jiān)控中心軟件基本流程圖

本文監(jiān)控中心的軟件可采用VC/VB/Delphi編寫，內部調用桑榮科技的動態(tài)鏈接庫，用來完成Socket程序的編寫。監(jiān)控中心的基本軟件流程圖如圖4所示。監(jiān)控中心的Socket端口監(jiān)聽程序負責監(jiān)聽圖像采集終端的連接請求，當監(jiān)聽到連接請求后，建立通信鏈路，原來負責監(jiān)聽Socket仍進行監(jiān)聽，通信鏈路建立后就可任意交換數(shù)據(jù)了。監(jiān)控中心軟件應具有在監(jiān)視器屏幕上顯示終端的ID及顯示多路不同終端的圖像，并將圖像存儲在硬盤上。通過對圖像進行分析處理，如出現(xiàn)異常給出報警信號并將報警信息傳到遠程終端以啟動報警裝置，以防止人為破壞、偷竊等。相關管理人員可直接觀看被監(jiān)視場所，并隨時調看每個終端的當前狀況。

四、結束語

隨著生產管理水平的不斷提高，遠程圖像監(jiān)控系統(tǒng)得到了廣泛的應用，也越來越成熟，而且正朝著網絡化、智能化的方向發(fā)展。采用CDMA無線傳輸數(shù)據(jù)通訊方法解決了遠程監(jiān)控系統(tǒng)的通訊問題，比起其它有線通訊方式有著不可比擬的優(yōu)越性。由于傳送的是圖像數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)量大且較為頻繁，可選擇不限量使用的商務套餐較為經濟。我們在實驗室構建了該無線圖像監(jiān)控系統(tǒng)，獲得了理想的效果。而且，隨著CDMA網絡的逐漸完善和應用技術的不斷成熟，CDMA的應用領域也會越來越廣闊。本文介紹的CDMA無線傳輸系統(tǒng)可推廣至各種需要檢測、監(jiān)控與安防的環(huán)境之中。

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