CDMA无线传输在远程图像监控系统中的应用

摘要：本文提出了一种基于CDMA的无线图像传输系统设计原理和实现方案，简要介绍了CDMA技术的基本知识，描述了CDMA无线传输应用于远程图像监控的实现方法。通过在实验室构建了该无线图像监控系统，获得了理想的效果.

关键词： CDMA；CDMA Ruter；Internet；图像监控；监控系统

引言

近年来，图像监控以其直观、方便、信息内容丰富而被广泛应用于许多重要场合，成为安全监控的主要手段。随着计算机通信技术和网络技术的快速发展，无线网络技术已成为计算机网络中一个至关重要的组成部分，它的应用领域也在飞速的扩大。由于远程图像监控系统实现了对远程目标的监视、遥控等功能，从而为无人值守场合提供了新手段。CDMA技术的出现使成本合理、相对较低技术门槛无线数据传输技术在监控系统中实现现场到远程监控中心的实时数据传输成为可能。

一 CDMA技术简介 CDMA是(Code Division Multiple Access)即码分多址技术,是近年来用于数字蜂窝移动通信的一种先进的无线扩频通信技术。 CDMA允许用户在端到端分组转移模式下发送和接收数据，而不需要利用电路交换模式的网络资源。从而提供了一种高效、低成本的无线分组数据业务。

CDMA数据传输的优点在于:

 (1)传输速率高，最高理论带宽可达到230.4kb/s；

(2)永远在线，可以实时传输数据；

(3)按流量收费，价格合理；

(4)基于IP协议可以访问整个Internet。

CDMA 网络的远程图像监控系统采用无线传播媒质，摆脱了线缆的约束，在一定范围内可以任意变换位置。不受活动区域的限制，通过CDMA移动通信网络，可以很方便的实现远程移动监控。

二 系统组网方案终端收集到图像数据信息后，要把数据发送到监控中心，而终端部分无线数据传输功能由CDMA RUTER来完成。CDMA RUTER与监控中心的连接总体上有两种方案：CDMA + Internet连接；CDMA内网连接。

其系统拓扑结构如图1和图2所示。

（一）系统拓扑结构1 监控中心采用Internet接入,其接入方式有多种方式，只要具有公网IP地址（动态或静态）即可。电信、网通等电讯公司提供的专线接入获得固定IP一般是公网IP地址，也就是Internet上可以访问的IP地址，RUTER与监控中心服务器的连接通过CDMA + Internet，安全级别稍低，但是可以通过由移动运营商经VPN隧道连接至监控中心服务器，这样可以大大提高安全级别并且可以减小时延。

图1 系统拓扑结构

1: 通过CDMA + Internet连接 （二）系统拓扑结构2 CDMA 内网连接可采用专线接入或CDMA终端连接。专线接入由移动运营商的PDSN（CDMA 路由器）经数据专线连接至监控中心，监控中心获得内网固定IP地址。获得的内网IP地址与RUTER同在一个网段，其数据安全性好；时延小；成本高。 CDMA终端连接需要移动运营商分配给监控中心CDMA内网固定IP地址；开放CDMA用户端对端数据通讯。RUTER根据配置的监控中心内网IP地址与监控中心建立数据通道。CDMA终端连接技术上还有待更好地的去支持，目前实际应用中很少采用这种方法。

图2 系统拓扑结构

2：CDMA 内网连接如何决定使用何种方案，关键由应用的性质决定。本文从最经济的方式来考虑，监控中心采用了“ADSL(动态IP) + 动态域名”解决方案。终端与监控中心的连接是基于Socket通讯的。

三 系统的实现

1 终端部分图像采集终端部分由摄像头 DTU、微处理器和CDMA RUTER组成。

摄像头 DTU负责采集图像数据并由微处理器进行收集，微处理器通过CDMA RUTER把数据发送到远程监控中心。

1.1摄像头DTU及接口摄像头 DTU是一个具备视频捕捉和压缩功能的摄像机，它的功能与数码像机也十分相似。摄像头 DTU采用标准压缩算法将原始图像压缩为JPG格式，其压缩功能提高了远程图像监控系统的实用性。 摄像头 DTU的数据接口是RJ45接口，采用+5V电源输入。

引脚功能如下：

◆ CAPEN：用于允许或禁止摄像头 DTU输出图像。CAPEN=1，则允许输出图像，CAPEN=0，则禁止输出图像。

◆ JPEGD7..JPEGD0: 并行数据输出。在这组引脚上输出8位的图像数据。

◆ JPEGINT: 从摄像头 DTU到外部微控制器的中断信号是一个宽度约10us 的正脉冲，微控制器可在此信号的下降沿时触发中断。此中断信号指出已在JPEGD7..JPEGD0 引脚上输出一个新的图像数据。

摄像头 DTU上电后内部有一个复位和初始化过程，初始化完成后进入预备状态。在预备状态下，摄像头 DTU循环检查CAPEN引脚，如果CAPEN＝1，就在JPEGD7..JPEGD0 引脚上连续输出数据，每输出一个数据，就在JPEGINT引脚上产生一个中断信号，以通知微控制器读取数据。摄像头 DTU输出的是一个完整的JPG文件，JPG 文件总是以“0XFF”、“0XD8” 开始，并以“0XFF”、“0XD9”结束。微控制器对接收的数据进行检查，当收到“0XFF” 、“0XD9”时，表明文件结束，本次采集过程完成。随后摄像头 DTU将重新回到预备状态。 微控制器为TMS320LF2407A,主频40M,IOPC口用来读取摄像头 DTU的数据，摄像头 DTU的中断输出（CAPINT）连接到TMS320LF2407的XINT1，下降沿触发；输出允许（CAPEN）接IOPE0。TMS320LF2407扩展了64K字节的SRAM用作图像的缓存。由于摄像头 DTU采用的是＋5电源供电，TM320LF2407采用的是＋3.3V电源供电，因此其接口必须解决电平转换。本文采用SN74LVC245A芯片来实现＋5V电源系统和＋3.3V电源系统之间的电平转换。

图3 图像采集终端基本构成

1.2 CDMA 传输部分微控制器收集到图像数据信息后，要通过Internet把数据发送到监控中心。

而系统中完成微控制器与Internet网通讯工作的就是CDMA RUTER和CDMA网。由于CDMA是基于IP协议的，但普通的CDMA RUTER没有内嵌TCP/IP协议栈，需要用户提供TCP/IP的支持。就是说，需要在使用CDMA RUTER的上位机系统中嵌入TCP/IP,这是一个复杂而繁琐的工作。为了减小应用本身的工作量和增加系统的实用性，本系统采用了厦门桑荣科技工业级CDMA RUTER，型号为Saro 6230R，它内嵌了TCP/IP协议栈，具有Socket通讯功能，并提供透明数据传输通道，用户只需设置一些参数就可实现将嵌入式系统直接与Internet相连，实现网络的互连互通。

CDMA RUTER的主要特点：

◆ 使用方便、灵活、可靠；

◆ 内嵌了完整的TCP/IP协议栈，包括PPP、TCP、UDP、Socket、STMP等；

◆ 支持RS-232和Rj45接口；

◆ 上电后自动拨号上网，一直在线，断线自动连接；

◆ 透明数据传输模式，可对参数自由设置；

◆ 支持动态数据中心域名和IP地址；

◆ 支持音频接口，方便维护操作；

◆ 系统配置和维护接口 ；

◆ 电源抗干扰性和散热设计，适应恶劣工作环境；

在使用CDMA RUTER前必须先进行参数设置，以决定进入透明数据传输模式后的工作方式。需要设置的参数有：监控中心IP地址（或动态域名服务器能够解析的域名）及端口号设置；Socket通讯类型（TCP或UDP）；通讯接口参数；触发方式设置等。 CDMA RUTER在每次开机后会自动拨号，接入CDMA并动态获得一个IP地址，此IP地址为CDMA骨干内网

视频监控系统是安全防范系统的组成部分，它是一种防范能力较强的综合系统。视频监控以其直观、方便、信息内容丰富而广泛应用于许多场合。近年来，随着计算机、网络以及图像处理、传输技术的飞速发展，视频监控制技术也有长足的发展。

一、 视频监控系统的现状

在国内外市场上，主要推出的是数字控制的模拟视频监控和数字视频监控两类产品。前者技术发展已经非常成熟、性能稳定，并在实际工程应用中得到广泛应用，特别是在大、中型视频监控工程中的应用尤为广泛；后者是新近崛起的以计算机技术及图像视频压缩为核心的新型视频监控系统，该系统解决了模拟系统部分弊端而迅速崛起，但仍需进一步完善和发展。目前，视频监控系统正处在数控模拟系统与数字系统混合应用并将逐渐向数字系统过渡的阶段。

1、数字信号控制的模拟视频监控系统

数字信号控制的模拟视频监控系统分为基于微处理器的视频切换控制加PC机的多媒体管理和基于PC机实现对矩阵主机的切换控制及对系统的多媒体管理两种类型。

1-1、基于微处理器的视频切换控制加PC机的多媒体管理类型

80年代是微处理器的年代，视频监控系统利用微处理器固件发展的矩阵切换器，将原来分散的全硬件视频监控系统微型集中化，如将视频切换、对前端的控制等功能集合一起，一机处理，是技术上的一个突破。


自备微处理器的矩阵主机可通过PC机的图形管理软件实现以下功能：

①对单一工作站之中的视频监控、出入口控制、内部通讯、报警等进行综合全面控制（注：只能提供一个简单的、可增强系统控制功能的用户界面，但不能代替矩阵主机的安防配置和编程能力）；

②任意一台工作站可通过网络，控制其它工作站所连接的矩阵主机、报警设备，完成视频切换云台、镜头控制及报警联动等；

③可通过软件实现对众多矩阵主机和报警接口软件模块的控制。

1-2、基于PC机实现对矩阵主机的切换、控制和对系统的多媒体管理

基于PC机的视频监控系统采用软件设计，实现摄像机到监视器的视频矩阵切换，云台和镜头的控制，通过串口连接报警设备的报警信息，并通过程序编程自动完成视频切换、云台控制、报警联动、报警录像等各项控制功能。

系统能充分利用PC机的资源，使视频监控系统随电脑技术的发展而不断进步，同时其开放性的结构特性更可使之与其它多种系统如与消防报警系统、出入口管理系统、楼宇自控系统等实现互动集成。

1- 3、数控模拟视频监控系统的优缺点

随着微处理器、微机的功能、性能的增强和提高，多媒体技术的应用，系统在功能、性能、可靠性、结构方式等方面都发生了很大的变化，视频监控系统的构成更加方便灵活、与其它技术系统的接口趋于规范，人机交互界面更为友好。但由于视频监控系统中信息流的形态没有变，仍为模拟的视频信号，系统的网络结构主要是一种单功能、单向、集总方式的信息采集网络，介质专用的特点，因此系统尽管已发展到很高的水平，已无太多潜力可挖，其局限性依然存在，要满足更高的要求，数字化是必由之路。 模拟监控系统的主要缺点有：

① 通常只适合于小范围的区域监控 模拟视频信号的传输工具主要是同轴电缆，而同轴电缆传输模拟视频信号的距离不大于1Km，双绞线的距离更短，这就决定了模拟监控只适合于单个大楼\小的居民区以及其它小范围的场所；

② 系统的扩展能力差 对于已经建好的系统，如要增加新的监控点，往往是牵一发而动全身，新的设备也很难添加到原有的系统之中；

③无法形成有效的报警联动 在模拟监控系统中， 由于各部分独立运作，相互之间的控制协议很难互通，联动只能在有限的范围内行。

2、数字视频监控系统 90年代末，随着多媒体技术、视频压缩编码技术、网络通讯技术的发展、数字视频监控系统迅速崛起，现今市场上有两种数字视频监控系统类型，一种是以数字录像设备为核心的视频监控系统，另一种是以嵌入式视频Web服务器为核心的视频监控系统。

2-1、数字监控录像系统

数字监控录像系统通常分为两类：一类是基于PC机组合的计算机多媒体工作方式；另一类是嵌入式数字监控录像系统。

①计算机多媒体方式的数字监控录像系统

数字视频压缩编码技术日益成熟，计算机的普及化，为基于PC机的多媒体监控创造了条件。这种
新型视频监控系统的迅速崛起，部分地取代了以视频矩阵图像分割器、录像机为核心，辅以其它传送器的模拟视频监控模式，其优越性主要表现在：

a、PC机的多媒体监控主机综合了视频矩阵、图像分割器、录像机等的众多功能， 使系统结构大为简化。

b、由于采用计算机网络技术，数字多媒体远程网络监控不受距离限制；

c、由于采用大容量磁盘阵列存盘器或光盘存储器， 可以节省大量的磁带介质，同时有利于系统实现多媒体信息查询。

但随着基于PC机的视频监控录像系统的发展，在实际工程使用过程中，也暴露出一些不足，主要是系统工作的不稳定性。 基于PC的视频监控录像系统的组成结构为：兼容/工控PC机+视频采集卡+普通/较可靠的操作平台+应用软件。从系统的组成结构来分析：

a、PC机
兼容PC机用于24小时不间断工作时，其性能是不很稳定的，工控PC机相对兼容PC机的稳定性有一
个档次上的提高，适用于较复杂的工作环境；

b、操作系统
以Windows 98为操作平台的系统，业内人士都知道， Win98的稳定性是有一定问题的，如果同时
应用软件又不是很规范，这样就容易在使用过程中出现工作不稳定、死机等问题，而基于PC机的视频监控录像系统其软件的实现是在Windows 95/98/NT、Unix、Linux等通用操作系统上，同时系统文件、应用软件和图像文件都存储在硬盘上，视频处理必须高密度输入大量数据，同时硬盘要进行多工工作，普通的硬盘逻辑（如Windows的FAT32）已无法适应，以致极易产生系统的不稳定性，造成死机现象；

c 、应用软件
采用简易应用软件的系统是不能够用于安防领域的，视频监控系统的应用软件能力上应支持多任
务并发处理，如监视、录像、回放、备份、报警、控制、远程连接等的多工处理能力；

d、视频采集卡
视频监控录像系统通常均为多路输入系统，视频采集卡可采用多卡方式，也可采用单卡方式。一
般说，单卡方式集成度高，稳定性会优于多卡方式，很多采用一路一卡的方式很容易形成硬件冲突，其稳定性会有较大的影响。目前市场上也有部分为追求高帧数而设计采用多卡进行迭加的多路单卡设备，但其仍在计算机的总线上进行传输、处理，不可能会有质的飞跃。

②嵌入方式的视频监控系统

嵌入式系统
嵌入式系统是以应用为中心，软硬件可裁减的，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积等综
合性严格要求的专用计算机系统，亦即为监控系统量体裁衣的专用计算机系统。

嵌入式系统主要由嵌入式处理器、相关支撑硬件、嵌入式操作系统及应用软件系统等组成，它是集软硬件于一体的可独立工作的"器件"。

嵌入式操作系统是一种实时的，支持嵌入式系统应用的操作系统软件，它是嵌入式系统极为重要的组成部分，通常包括与硬件相关的底层驱动软件、系统内核、设备驱动接口、通信协议、图形界面、标准化浏览器等，嵌入式操作系统在系统实时高效性、硬件的相关依靠性、软件固态化及应用的专用性等方面具有较为突出的点。

嵌入式系统的优缺点

a、系统为专用系统，所以系统小，指令精简，处理速度快；

b、系统数据置于ROM/FLASH MEMORY，调用速度快，不会被改变，稳定性好；

c、系统处理实时性好，性能稳定；

d、文件管理系统更适合于大量的视频数据；

e、该类系统目前四路以上机型还较为少见；

f、在网络功能、音视频同步等方面也难令人满意。

2-2、嵌入式视频Web服务器方式

①嵌入式视频Web服务器的主要原理

视频服务器内置一个嵌入式Web服务器，采用嵌入式实时多任务操作系统。 摄像机送来的视频信号数字化后由高效压缩芯片压缩，通过内部总线送到内置的Web服务器， 网络上用户可以直接用浏览器观看Web服务器上的摄像机图像， 授权用户还可以控制摄像机、云台、镜头的动作或对系统配置进行操作。

由于把视频压缩和Web功能集中到一个体积很小的设备内，可以直接连入局域网，达到即插即看，省掉多种复杂的电缆，安装方便（仅需设置一个IP地址），用户也无需安装任何硬件设备，仅用浏览器即可观看。

②嵌入式视频Web服务器监控系统与其它监控系统的比较有如下特点：

a、布控区域广阔 嵌入式视频Web服务器监控系统的Web服务器直接连入网络，没有线缆长度和信号衰减的限制，同时网络是没有距离概念的，彻底抛弃了地域的概念，扩展布控区域。

b、系统具有几乎无限的无缝扩展能力 所有设备都以IP地址进行标识，增加设备只是意味着IP地
址的扩充。

c、可组成非常复杂的监控网络 采用基于嵌入式Web服务器为核心的监控系统， 在组网方式上与
传统的模拟监控和基于PC平台的监控方式有极大的不同， 由于Web服务器输出已完成模拟到数字的转换并压缩，采用统一的协议在网络上传输，支持跨网关、跨路由器的远程视频传输。

d、性能稳定可靠，无需专人管理 嵌入式Web服务器实际上基于嵌入式电脑技术， 采用嵌入式实时多任务操作系统， 又由于视频压缩和Web功能集中到一个体积很小的设备内，直接连入局域网或广域网，即插即看，系统的实时性、稳定性、可靠性大大提高，也无需专人管理，非常适合于无人值守的环境。

e、当监控中心需要同时观看较多个摄像机图像时，对网络带宽就会有一定的要求。

二、视频监控系统的发展

1、视频监控系统的发展方向

前端一体化、视频数字化、监控网络化、系统集成化是视频监控系统公认的发展方向，而数字化
是网络化的前提，网络化又是系统集成化的基础，所以，视频监控发展的最大两个特点就是数字化和网络化。

2、数字化

数字化是21世纪的特征，是以信息技术为核心的电子技术发展的必然，数字化是迈向成长的通行
证，随着时代的发展，我们的生存环境将变得越来越数字化。

视频监控系统的数字化首先应该是系统中信息流（包括视频、音频、控制等）从模拟状态转为数
字状态，这将彻底打破"经典闭路电视系统是以摄像机成像技术为中心"的结构，根本上改变视频监控系统从信息采集、数据处理、传输、系统控制等的方式和结构形式。信息流的数字化、编码压缩、开放式的协议，使视频监控系统与安防系统中其它各子系统间实现无缝连接，并在统一的操作平台上实现管理和控制，这也是系统集成化的含义。

3、网络化

视频监控系统的网络化将意味着系统的结构将由集总式向集散式系统过渡。集散式系统采用多层
分级的结构形式，具有微内核技术的实时多任务、多用户、分布式操作系统以实现抢先任务调度算法的快速响应。组成集散式监控系统的硬件和软件采用标准化、模块化和系列化的设计，系统设备的配置具有通用性强、开放性好、系统组态灵活、控制功能完善、数据处理方便、人机界面友好以及系统安装、调试和维修简单化，系统运行互为热备份，容错可靠等优点。系统的网络化在某种程度上打破了布控区域和设备扩展的地域和数量界限。系统网络化将使整个网络系统硬件和软件资源的共享以及任务和负载的共享，这也是系统集成的一个重要概念。
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