基于WEB的无线视频监控系统设计

0

基于WEB的无线视频监控系统设计

罗海龙 毛征 王春华 尹志新
北京工业大学，电子信息与控制工程学院，北京，100022
Emails：lhl@emails.bjut.edu.cn
摘 要：本文采用具有Web服务器功能的无线网络视频监控设备，设计了一种基于Web的无线视频监控系统；详细介绍了该系统的结构、组成和基本功能，并描述了所用到的关键技术。
关键词：Web；视频监控；IEEE802.11b；MPEG-4；TCP/IP
1 引言：
在现代的企业管理中，由于安全防护要求的提高，监控系统扮演了越来越重要的角色。特别对一些大、中型工矿企业而言，由于其厂区范围大，生产环境复杂，存在一定的安全隐患，做好安防工作更显得尤为重要。但是，传统的安全监视系统都是采用有线电视的方式，这样不但会由于所监视区域大而需要铺设大量网线，从而提高成本，而且一旦遇到障碍物或者周围环境恶劣时，将更不利于有线网络的采用；同时，有线网络还存在可扩充性、灵活性差等缺点，一旦要增加或者减少被监测点，将会带来新的施工周期。在这种情况下，采用无线网络视频监控将具有无可比拟的优势，利用无线网桥技术，可以将多个监测点与中央控制中心连接起来，且搭建迅速，可以在最短的时间内迅速建立起无线网络链路。表1是三种视频监控系统的优劣点比较。
另外，视频监控系统通常将监视图像集中到一个监控中心，要求监控人员在中央监控室内不断的观察所监控的环境，这将带来许多不便。如今，很多企业都建立了自己的有线局域网，如果能将无线视频监视点的视频监控信息传输到任何一台连入有线局域网的PC机上，使具有权限的工作人员能够随时察看，这将会给整个企业的安防工作带来很大的便利，从而提高其工作效率。
本文提出了一种基于Web的无线视频监控系统的方案，正是基于上述考虑进行设计的。该系统采用最新的基于嵌入式技术的无线网络摄像机，实现在无线监控点处对视频信号的采集、编码以及视频数据的无线网络传输；另外无线网络摄像机还将作为Web服务器发布实时监控信息；为便于监控人员查询视频监控的历史数据，无线网络摄像机还将通过无线接入点（Access Point）将视频及监测数据传至服务器端并存储于视频监控数据库，再通过服务器端的Web服务器发布这些历史视频监控数据。这样通过任何一台连入企业局域网的计算机上的Web浏览器，具有访问权限的工作人员将既能够察看任何一台现场摄像头所摄实时画面和监测数据，并对现场监控设备进行控制，而且还能够查询视频监控的历史数据。可见，与传统监控方式相比，本系统在性能、技术和实用性上具有很大的优势。
表1 三种视频监控系统的比较

2、系统总体结构及功能
2.1 系统总体结构
本系统大体可以分两个部分：采用IEEE802.11b标准的无线局域网部分和10-100Mbit/s有线以太网部分。系统的总体结构如图1所示。

图1 系统结构示意图
本系统主要包括的设备有：无线网络摄像机、高增益天线、无线接入点、服务器和客户机。
2.1.1无线网络摄像机
无线网络摄像机是最新一种集视频压缩技术、计算机技术、网络技术、嵌入式技术等多种先进技术于一体的数字摄像设备。相当于集成了镜头、光学过滤器、影像感应器、视频压缩卡、Web服务器、无线网卡等设备，能实现视频采集、视频压缩以及无线网络传输等诸多功能。这样无需计算机的协助便可独立完成很多以往不可能在监控点处完成的工作。无线网络摄像机有自己独立的IP地址，根据该IP地址可以通过Web浏览器对其进行系统配置。该设备支持多种网络通信协议，如TCP/IP、UDP、HTTP、DHCP和DDNS等，局域网上的用户以及Internet上的用户使用标准的网络浏览器就可以根据IP地址对网络摄像机进行访问、观看通过网络传输的实时图像和监测数据；授权用户还可以控制摄像机云台镜头的动作或对系统进行配置，从而可以对目标进行全方位的监控。再通过TCP/IP网络传输协议编写网络传输程序，可将视频监控数据存储到网络中的服务器上，以便于以后随时查询。2.1.2无线局域网（WLAN）及其构成
无线局域网利用射频（RF）技术，取代由双绞线连接的有线网络，从而具备高度的灵活性和弹性。本系统无线局域网采用IEEE802.11b协议标准；该协议工作在2.4GHz的频段，采用DSSS（直接序列扩频）再配合CCK（补码键控）的调频方式，传输速率最高可以达到11Mbit/s，成为事实意义上的高速无线局域网，能保证用于局域网范围内视频传输所需的带宽要求。
IEEE802.11b无线局域网存在两种工作模式：不存在任何接入点的特别（AD Hoc）网络工作模式以及可通过接入点连接其他网络的基础（Infrastructure）网络工作模式。本系统将要通过无线接入点连接有线局域网，故采用基础网络工作模式。
本系统将由多个无线网络摄像机和单个或多个无线接入点AP组成无线局域网。其中，无线接入点AP是WLAN的核心，本系统将选用多频段室外无线网桥。通过无线网桥，将能够实现无线局域网和有线局域网的连接。通过多个网桥还可以建立起覆盖更大地理范围的多个视频链接。由于基于IEEE802.11b的无线网络传输有效距离一般比较短，只有100~200m的有效传输距离，要实现远距离无线监控，必须采用高增益天线；比如采用8.5dBi的高增益天线将可使无线网络的有效传输距离达到2公里以上，能满足大范围无线监控的要求。
2.1.3服务器及客户机
视频图像及监测数据通过无线接入点传至服务器，由服务器接收并存储于视频监控数据库；同时服务器还将建立Web服务器，在局域网内发布历史视频监控数据。服务器端的Web服务器还应能够链接到各无线网络摄像机上的Web服务器，以方便监控人员察看实时监控信息。
客户机应安装Web浏览器，Web浏览器嵌入Media player视频播放插件，以播放视频监控图像。
2.2 系统主要功能
本系统中信息交换主要分为两类：历史视频监控信息和实时视频监控信息。主要功能包括实时视频监控数据的Web浏览和历史视频监控数据的Web查询。数据流程如图2所示。

3 关键技术
3.1视频压缩标准的选择
由于未经压缩的视频数据量十分庞大，而传输信道带宽常常很有限，所以压缩标准的正确选择对视频的网络传输至关重要。目前对视频流进行数字压缩的标准很多，市场上无线网络摄像机采用的视频压缩标准主要有：MPEG-1、MPEG-2、MPEG-4以及H.263。
H.263是国际电信联盟为64K窄带信道制定的极低码率编码标准，对带宽要求低、图像质量较低。MPEG-1、2、4标准是MPEG组织制定的移动图像编码标准，其中MPEG-1能达到VCD图像效果，在352*288的分辨率下的位速率一般要1.5Mb/s；MPEG-2是MPEG-1的超集，能达到DVD图像质量，在720*576的分辨率下，位速率需3.5Mb/s以上。
MPEG-4是超低码率运动图像和语言的压缩标准，它不仅是针对一定比特率下的视频、音频编码，更加注重多媒体系统的交互性和灵活性。MPEG-4标准传输速率要求较低，在4800-64Kbits/sec之间，分辨率为176X144。MPEG-4利用很窄的带宽，通过帧重建技术，压缩和传输数据，以求以最少的数据获得最佳的图像质量。与MPEG-1和MPEG-2相比，MPEG-4为多媒体数据压缩提供了一个更为广阔的平台。它更多定义的是一种格式、一种架构，而不是具体的算法。它可以将各种各样的多媒体技术充分用进来，包括压缩本身的一些工具、算法，也包括图像合成、语音合成等技术。而且MPEG4标准的占用带宽可调，占用带宽与图像的清晰度成正比。以目前的技术，一般视频传输占用带宽大致在几百K左右。采用了MPEG-4视频压缩技术，可以从根本上很好地解决了图像数字化和带宽之间的突出矛盾，算法的特点在于它实现了高质量视频图像的极高压缩比。
由于MPEG-4视频压缩标准具有压缩比高、图像质量好的优点，本系统将采用这一标准对原始视频图像进行压缩，可以大大的减小在WLAN中需传送的数据量；完全可以达到实际应用的要求。3.2 TCP/IP网络传输
无线网络摄像机将采用TCP/IP网络传输协议，将视频监控信息存储于服务器端的视频监控数据库中，以便于监控人员以后查询。在TCP/IP四层分层模型中，Host-to-host层（主机到主机层）存在两种传输协议，即传输控制协议TCP和用户数据报协议UDP。其中面向连接的TCP能够提供可靠但效率较低的流传输服务，而面向无连接的UDP能够提供不可靠但效率高的数据报传输服务。根据对不同数据传输的不同要求，本系统将综合采用了TCP协议与UDP协议。对于监测数据，为保证其可靠性，将采用TCP协议；而对于MPEG-4压缩后的视频数据，由于数据量较大，实时性要求较高，将采用传输效率高的UDP协议。所以采用基于支持TCP和UDP协议的Winsock进行网络编程，将能够实现视频数据和监测数据的有效传输。
同时还将采用多线程编程技术。在Windows操作系统中，一个进程可以包含多个线程；线程也就是进程的一条执行路线，它包含独立的堆栈和CPU寄存器状态，而且每个线程共享所有的进程资源。本系统可以在服务器端程序中采用多线程编程，以应对来自多个无线网络摄像机的数据流。一旦服务器程序侦听到来自无线网络摄像机的数据传送请求，就自动创建一个线程以完成相应的数据处理工作。
3.3 基于ASP的Web数据库技术
ASP（Active Server Pages）是一种在主机端执行的描述语言环境，也是一种建立Windows NT动态站点最好的工具，利用它可以开发和运行动态的、交互的、高性能的Web服务器应用程序；ASP与ADO（ActiveX Data Object）的完美结合，使其具有强大的数据库访问功能。ASP的工作原理是：客户端发送网址请求时，Web服务器将所请求的包含ASP程序代码的网页在服务器端解释并执行（包括对数据库的访问及查询），最后将结果自动生成符合HTML语言的主页，以响应用户的请求。ASP访问Web数据库的工作原理如图3所示。
本系统中，历史视频监控数据将通过TCP/IP网络通信协议存储于历史Web服务器端的视频监控数据库。而服务器端将采用基于ASP技术的Web数据库技术，以实现局域网内用户对历史视频监控数据的查询。

4 结束语
本文设计的基于Web的无线局域网视频监控系统，将使监控人员通过连入企业局域网的任何一台PC机上的浏览器，可以随时随地的对监控点进行监视。基于Web的无线局域网视频监控系统具有监控范围大、安装方便、灵活性强、性价比高等特性，特别适合一些大中型工矿企业。另外，该系统还适用于现代化小区、交通、运输、水利、航运、治安、消防等安防领域。
主要参考文献：
[1] [1] D.P. Wu, Y. T. Hou and Y.-Q. Zhang, Scalable video coding and transport over broadband wireless networks, Proceedings of the IEEE, 2001，89(1) 6 - 20
[2] [2] 802.11b讲解.来自http://www.wirelessethernet.org
[3] [3] 蒋东兴，林鄂华等编著.Windows Sockets网络程序设计大全[M].清华大学出版社，1999-04
[4] [4] 陈峰棋等编著.深入浅出ASP.NET程序设计[M].中国水利水电出版社，2004-01
[5] [5] 郭峰等编著.无线局域网[M].电子工业出版社，1997-05
Design of Web based Wireless video supervising system
Luo Hailong Mao Zheng Wang Chunhua
Beijing University of Technology, College of Electronic and Control Engineering, Beijing, 100022;
Abstract
In this paper, it is presented that a design scheme of wireless LAN video surveillance system based on Web by using the wireless network video surveillance equipment, which has the function of Web server. The basic functions and system structure are also introduced in detail, and the key technologies used in this system are described also.
Keywords: Web, Video Supervising, IEEE802.11b, MPEG-4, TCP/IP
作者简介：罗海龙，男，1979年10月生，北京工业大学在读研究生，主要研究方向：通信与信息系统及通信软件工程。Email：lhl@emails.bjut.edu.cn.

0