基于WiFi技術(shù)的地震現(xiàn)場(chǎng)無線音視頻監(jiān)控系統(tǒng)終端

徐 年 章熙海 肖 飛 高 飛

（中國(guó)南京210014江蘇省地震局）

基于WiFi技術(shù)的地震現(xiàn)場(chǎng)無線音視頻監(jiān)控系統(tǒng)終端

徐 年 章熙海 肖 飛 高 飛

（中國(guó)南京210014江蘇省地震局）

地震發(fā)生后，利用衛(wèi)星通信向抗震救災(zāi)指揮部回傳地震現(xiàn)場(chǎng)畫面，存在靈活性和全覆蓋性低的特點(diǎn)。基于此，本文提出基于WiFi技術(shù)的地震現(xiàn)場(chǎng)無線音視頻監(jiān)控系統(tǒng)終端設(shè)計(jì)，能夠有效實(shí)現(xiàn)地震現(xiàn)場(chǎng)全覆蓋不間斷的實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控，對(duì)于提高地震應(yīng)急救援能力具有重要作用。

衛(wèi)星通信；WiFi；地震現(xiàn)場(chǎng)；應(yīng)急救援；視頻監(jiān)控

0 引言

中國(guó)是個(gè)地震發(fā)生較多的國(guó)家。地震發(fā)生后，政府和公眾需要及時(shí)了解震區(qū)情況，以便開展抗震救災(zāi)行動(dòng)?，F(xiàn)階段主要利用衛(wèi)星通信方式向抗震救災(zāi)指揮部回傳地震現(xiàn)場(chǎng)畫面，但這種方式存在靈活性和全覆蓋性低的特點(diǎn)。本文就此提出一種基于WiFi技術(shù)的地震現(xiàn)場(chǎng)無線音視頻監(jiān)控系統(tǒng)終端的設(shè)計(jì)。地震現(xiàn)場(chǎng)移動(dòng)目標(biāo)無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)通過建立地震現(xiàn)場(chǎng)和指揮部有線/無線混合網(wǎng)絡(luò)傳輸平臺(tái)，是現(xiàn)有視頻監(jiān)控系統(tǒng)在功能上的擴(kuò)展，借助于組網(wǎng)靈活方便的無線網(wǎng)絡(luò)和異構(gòu)網(wǎng)之間融合的趨勢(shì)，監(jiān)控終端將具有更加靈活的移動(dòng)性，能夠?qū)崿F(xiàn)地震現(xiàn)場(chǎng)全覆蓋不間斷實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控、信息集成與綜合監(jiān)控等功能，彌補(bǔ)現(xiàn)有視頻監(jiān)控系統(tǒng)的不足，從而提高監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)用性（徐年等，2015）。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 方案設(shè)計(jì)

本研究涉及的音視頻監(jiān)控終端為便攜式設(shè)備，主要實(shí)現(xiàn)對(duì)語(yǔ)音、視頻數(shù)據(jù)的采集、壓縮編碼和傳輸，同時(shí)支持語(yǔ)音數(shù)據(jù)的回傳和解碼輸出。在WiFi環(huán)境下，數(shù)據(jù)的輸入輸出依靠裝置中的WiFi模塊和有線網(wǎng)絡(luò)中的AP之間的通信實(shí)現(xiàn)。如圖1所示，終端和節(jié)點(diǎn)AP之間建立傳輸層的無線連接，終端獲得節(jié)點(diǎn)IP信息并連接無線網(wǎng)絡(luò)連接，使用RTP協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)。在WLAN中進(jìn)行切換時(shí)，通過一定切換準(zhǔn)則實(shí)現(xiàn)不同AP接入進(jìn)行數(shù)據(jù)連接和傳輸（徐年等，2014）。

根據(jù)設(shè)計(jì)，選定國(guó)產(chǎn)海思多媒體處理芯片作核心處理設(shè)備，海思半導(dǎo)體公司推出的Hi3515是一款基于ARM9處理器內(nèi)核的SOC處理器，ARM9處理頻率達(dá)400 MHz，帶有MPEG/H.264視頻硬件壓縮編碼，內(nèi)有200 MHz的DDR2 SDRAM接口，有豐富的視頻輸入輸出接口及SATA/SDIO/SPI/UART/USB多種外圍接口，是目前智能家居、物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)、安防監(jiān)控、視頻通信及工業(yè)控制領(lǐng)域比較通用的嵌入式終端設(shè)備芯片。

圖1 終端與節(jié)點(diǎn)AP的數(shù)據(jù)交換Fig.1 The data exchange between terminal and node

1.2 硬件設(shè)計(jì)（盛家倫，2005）

遠(yuǎn)程無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)終端組成見圖2，基于海思多媒體處理芯片Hi3515的視頻處理系統(tǒng)，接收CMOS攝像頭感應(yīng)的數(shù)字視頻信號(hào)，經(jīng)H.264編碼壓縮后由WiFi模塊發(fā)送，地震現(xiàn)場(chǎng)通過相應(yīng)AP接收視頻信號(hào)，并上傳至指揮部后臺(tái)監(jiān)控中心，后端監(jiān)控服務(wù)器接收視頻數(shù)據(jù)，并進(jìn)行H.264解碼顯示。

1.3 WiFi無線模塊連接

1.3.1 無線WiFi模塊。根據(jù)實(shí)際需求，選擇帶USB接口的WiFi模塊與Hi3515連接。為此，選擇的WiFi模塊無線模塊主要由發(fā)射器、接收器和控制器3部分組成，組成框圖見圖3，其中RalinkRT2070WMAC/BBP自帶USB接口和JTAG接口，數(shù)據(jù)通過無線收發(fā)芯片 RT2070 進(jìn)行收發(fā)（夏振華等，2010）。

圖2 終端設(shè)計(jì)Fig.2 Terminal design diagram

圖3 Ralink無線WiFi模塊結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure diagram of Ralink wireless WiFi module

1.3.2 Hi3515處理器USB接口設(shè)計(jì)。USB 2.0 Host控制器控制器中包含一個(gè)Root Hub（USB系統(tǒng)的一部分，通過Hub可以擴(kuò)展USB接口），支持High-speed（480 Mbit/s）、Full-speed（12 Mbit/s）和Low-speed（1.5 Mbit/s）3種數(shù)據(jù)傳輸，支持USB 2.0、OHCI Rev1.0a和EHCI Rev 1.0協(xié)議。USB 2.0 Host 控制器的大部分硬件邏輯可以完成：①對(duì)傳輸?shù)目刂坪吞幚恚虎趯?duì)數(shù)據(jù)包的解析和打包；③對(duì)USB傳輸信號(hào)的編碼和解碼；④為驅(qū)動(dòng)程序提供中斷向量等接口。USB 2.0 Host控制器具有以下功能：①支持USB 2.0協(xié)議；②支持OHCI Rev 1.0a、EHCI Rev 1.0協(xié)議；③支持High-speed、Full-speed、Lowspeed數(shù)據(jù)傳輸模式；④支持低功耗的解決方案；⑤支持Control Transfer、Bulk Transfer、Isochronous Transfer、Interrupt Transfer 基本數(shù)據(jù)傳輸類型；⑥通過USB Hub，最多可連接127個(gè)設(shè)備。USB 模塊邏輯見圖4。

1.4 主軟件模塊框架

視頻監(jiān)控系統(tǒng)的采集終端主要是有攝像頭、Hi3515視頻開發(fā)平臺(tái)、WiFi模塊以及嵌入式程序等組成。系統(tǒng)采集視頻和音頻信號(hào)，輸入Hi3515處理器。Hi3515收到音視頻數(shù)據(jù)，處理后進(jìn)行編碼，同時(shí)把寫文件時(shí)的緩存數(shù)據(jù)封裝成IP流，通過WiFi無線模塊傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)上。為保證多任務(wù)之間對(duì)資源的競(jìng)爭(zhēng)和共享，采用多進(jìn)程算法和互斥量進(jìn)行進(jìn)程控制，主進(jìn)程主要負(fù)責(zé)管理、控制和協(xié)調(diào)所有硬件設(shè)備，并處理來自硬件的中斷請(qǐng)求。同時(shí)，控制各子進(jìn)程的打開與關(guān)閉，對(duì)壓縮編碼之后的碼流數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、解碼顯示以及RTP封包等。該部分主軟件模塊見圖5（趙慶林，2005）。

圖4 Hi3515處理器USB模塊邏輯Fig.4 Hi3515 USB module logic block diagram

圖5 主軟件模塊Fig.5 Block diagram of main software

2 系統(tǒng)測(cè)試

視頻監(jiān)控終端將采集圖像以無線方式發(fā)送至與之關(guān)聯(lián)的AP，以便將地震現(xiàn)場(chǎng)視頻信號(hào)及時(shí)傳輸?shù)街笓]部。在此對(duì)該系統(tǒng)的本地覆蓋性能、圖像傳輸質(zhì)量、語(yǔ)音傳輸質(zhì)量進(jìn)行測(cè)試。

（1）本地覆蓋性能。從應(yīng)急指揮車算起，測(cè)試無線信號(hào)的覆蓋能力、能夠延伸的距離及傳輸效果最佳距離。測(cè)試發(fā)現(xiàn)：在300 m距離內(nèi)，語(yǔ)音圖像效果比較好；300—350 m范圍內(nèi)，圖像聲音有2—3 s的延時(shí)；到達(dá)400 m左右時(shí)信號(hào)丟失?？梢?，該系統(tǒng)的最佳傳輸距離應(yīng)為260 m。

（2）圖像傳輸性能。觀察圖像傳輸?shù)牧鲿承浴D像質(zhì)量和圖像延時(shí)時(shí)間，發(fā)現(xiàn)圖像質(zhì)量良好，傳輸比較流暢，偶爾有約1 s的延時(shí)。

（3）語(yǔ)言傳輸性能。觀察語(yǔ)音傳輸?shù)牧鲿承?、語(yǔ)音質(zhì)量及語(yǔ)音延時(shí)時(shí)間，發(fā)現(xiàn)單兵向指揮部通話，有約1 s的延時(shí)；指揮部向單兵通話，有約3 s的延時(shí)；語(yǔ)音傳輸比較流暢，語(yǔ)音通話質(zhì)量良好。

3 系統(tǒng)應(yīng)用

2016年6月23日，江蘇省地震應(yīng)急救援中心聯(lián)合南京、蘇州、無錫、常州和南通市地震局開展地震應(yīng)急綜合演練。工作人員攜帶地震現(xiàn)場(chǎng)無線音視頻監(jiān)控系統(tǒng)趕赴地震演練現(xiàn)場(chǎng)，并將現(xiàn)場(chǎng)圖像（圖6）和聲音回傳至后方指揮部，效果良好（徐年等，2016）。

圖6 地震現(xiàn)場(chǎng)無線音視頻監(jiān)控系統(tǒng)回傳畫面Fig.6 The picture returned to terminal by the audio and video monitoring system from earthquake site

4 結(jié)束語(yǔ)

WiFi技術(shù)具有組網(wǎng)簡(jiǎn)單、傳輸速率快、成本低等優(yōu)勢(shì)，將WiFi技術(shù)應(yīng)用到地震現(xiàn)場(chǎng)中，可以有效實(shí)現(xiàn)地震現(xiàn)場(chǎng)視頻圖像畫面全覆蓋，對(duì)于提高地震應(yīng)急救援能力具有重要作用。

盛家倫，劉在濤.地震應(yīng)急指揮系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)和總體設(shè)計(jì)[J].地震地磁觀測(cè)與研究，2005，26（4）：107-116.

夏振華，張正炳.基于3G移動(dòng)通信的無線視頻監(jiān)控的設(shè)計(jì)[J].電視技術(shù)，2010，（3）：95-98.

徐年，陳飛，李偉.江蘇省地震應(yīng)急物資庫(kù)管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].地震地磁觀測(cè)與研究，2016，37（2）：119-122.

徐年，章熙海，肖飛.江蘇省地震前方指揮車應(yīng)急數(shù)據(jù)信息通信方式的實(shí)現(xiàn)[J].網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)與應(yīng)用，2014，（9）：93-94.

徐年，章熙海，高飛.地震應(yīng)急指揮車現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)急通信技術(shù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].智能計(jì)算機(jī)應(yīng)用與研究，2015，（2）：5-8.

趙慶林.蜂窩重疊情況下移動(dòng)IP切換延時(shí)分析[J].通信學(xué)報(bào)，2005，（01）：14-17.

About the seismic site wireless audio and video surveillance system terminal based on WiFi technology

Xu Nian，Zhang Xihai，Xiao Fei and Gao Fei
(Earthquake Administration of Jiangsu Province,Nanjing210014,China)

After the earthquake, the traditional way for transferring back the earthquake site pictures to the earthquake relief headquarters is satellite communication method.But this way has the feature of low fexibility and low full-coverage.Based on this, a design of seismic site wireless audio and video surveillance system terminal based on WiFi technology is presented in this paper.It can effectively achieve full coverage of the earthquake scene and uninterrupted real-time remote video surveillance.It will play an important role for improving the power of earthquake emergency rescue.

satellite communication，WiFi，earthquake site，emergency rescue，video surveillance

10.3969/j.issn.1003-3246.2016.06.029

徐年（1982—），男，碩士，江蘇省南京市人，工程師，主要從事地震現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)急通信技術(shù)研究工作。

E-mail： xunian0215@163.com

本文收到日期：2016-01-19