摘要:本文提出了一種基于CDMA的無線圖像傳輸系統(tǒng)設(shè)計原理和實(shí)現(xiàn)方案,簡要介紹了CDMA技術(shù)的基本知識,描述了CDMA無線傳輸應(yīng)用于遠(yuǎn)程圖像監(jiān)控的實(shí)現(xiàn)方法。通過在實(shí)驗(yàn)室構(gòu)建了該無線圖像監(jiān)控系統(tǒng),獲得了理想的效果.
引言
近年來,圖像監(jiān)控以其直觀、方便、信息內(nèi)容豐富而被廣泛應(yīng)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(jī)通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展,無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)已成為計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中一個至關(guān)重要的組成部分,它的應(yīng)用領(lǐng)域也在飛速的擴(kuò)大。由于遠(yuǎn)程圖像監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對遠(yuǎn)程目標(biāo)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(shù)的出現(xiàn)使成本合理、相對較低技術(shù)門檻無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)在監(jiān)控系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場到遠(yuǎn)程監(jiān)控中心的實(shí)時數(shù)據(jù)傳輸成為可能。
一 CDMA技術(shù)簡介
CDMA是(Code Division Multiple Access)即碼分多址技術(shù),是近年來用于數(shù)字蜂窩移動通信的一種先進(jìn)的無線擴(kuò)頻通信技術(shù)。
CDMA允許用戶在端到端分組轉(zhuǎn)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(wǎng)絡(luò)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(wù)。
CDMA數(shù)據(jù)傳輸?shù)膬?yōu)點(diǎn)在于:
(1)傳輸速率高,最高理論帶寬可達(dá)到230.4kb/s;
(2)永遠(yuǎn)在線,可以實(shí)時傳輸數(shù)據(jù);
(3)按流量收費(fèi),價格合理;
(4)基于IP協(xié)議可以訪問整個Internet。
CDMA 網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程圖像監(jiān)控系統(tǒng)采用無線傳播媒質(zhì),擺脫了線纜的約束,在一定范圍內(nèi)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(wǎng)絡(luò),可以很方便的實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程移動監(jiān)控。
二 系統(tǒng)組網(wǎng)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(nèi)網(wǎng)連接。其系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1和圖2所示。
。ㄒ唬┫到y(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)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(wǎng)IP地址(動態(tài)或靜態(tài))即可。電信、網(wǎng)通等電訊公司提供的專線接入獲得固定IP一般是公網(wǎng)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(wù)器的連接通過CDMA + Internet,安全級別稍低,但是可以通過由移動運(yùn)營商經(jīng)VPN隧道連接至監(jiān)控中心服務(wù)器,這樣可以大大提高安全級別并且可以減小時延。
(二)系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)2
CDMA 內(nèi)網(wǎng)連接可采用專線接入或CDMA終端連接。專線接入由移動運(yùn)營商的PDSN(CDMA 路由器)經(jīng)數(shù)據(jù)專線連接至監(jiān)控中心,監(jiān)控中心獲得內(nèi)網(wǎng)固定IP地址。獲得的內(nèi)網(wǎng)IP地址與RUTER同在一個網(wǎng)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(yùn)營商分配給監(jiān)控中心CDMA內(nèi)網(wǎng)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(nèi)網(wǎng)IP地址與監(jiān)控中心建立數(shù)據(jù)通道。CDMA終端連接技術(shù)上還有待更好地的去支持,目前實(shí)際應(yīng)用中很少采用這種方法。
如何決定使用何種方案,關(guān)鍵由應(yīng)用的性質(zhì)決定。本文從最經(jīng)濟(jì)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(shí)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(fù)責(zé)采集圖像數(shù)據(jù)并由微處理器進(jìn)行收集,微處理器通過CDMA RUTER把數(shù)據(jù)發(fā)送到遠(yuǎn)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(jī),它的功能與數(shù)碼像機(jī)也十分相似。攝像頭 DTU采用標(biāo)準(zhǔn)壓縮算法將原始圖像壓縮為JPG格式,其壓縮功能提高了遠(yuǎn)程圖像監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)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(nèi)部有一個復(fù)位和初始化過程,初始化完成后進(jìn)入預(yù)備狀態(tài)。在預(yù)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(chǎn)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(jié)束。微控制器對接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查,當(dāng)收到“0XFF” 、“0XD9”時,表明文件結(jié)束,本次采集過程完成。隨后攝像頭 DTU將重新回到預(yù)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(kuò)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(zhuǎn)換。本文采用SN74LVC245A芯片來實(shí)現(xiàn)+5V電源系統(tǒng)和+3.3V電源
系統(tǒng)之間的電平轉(zhuǎn)換。
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(wǎng)通訊工作的就是CDMA RUTER和CDMA網(wǎng)。由于CDMA是基于IP協(xié)議的,但普通的CDMA RUTER沒有內(nèi)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(jī)系統(tǒng)中嵌入TCP/IP,這是一個復(fù)雜而繁瑣的工作。為了減小應(yīng)用本身的工作量和增加系統(tǒng)的實(shí)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(nèi)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(shè)置一些參數(shù)就可實(shí)現(xiàn)將嵌入式系統(tǒng)直接與Internet相連,實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的互連互通。
CDMA RUTER的主要特點(diǎn):
◆ 使用方便、靈活、可靠;
◆ 內(nèi)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(wǎng),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(shè)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(hù)操作;
◆ 系統(tǒng)配置和維護(hù)接口 ;
◆ 電源抗干擾性和散熱設(shè)計,適應(yīng)惡劣工作環(huán)境;
在使用CDMA RUTER前必須先進(jìn)行參數(shù)設(shè)置,以決定進(jìn)入透明數(shù)據(jù)傳輸模式后的工作方式。需要設(shè)置的參數(shù)有:監(jiān)控中心IP地址(或動態(tài)域名服務(wù)器能夠解析的域名)及端口號設(shè)置;Socket通訊類型(TCP或UDP);通訊接口參數(shù);觸發(fā)方式設(shè)置等。
CDMA RUTER在每次開機(jī)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(nèi)網(wǎng)地址,在未進(jìn)入連接狀態(tài)時,服務(wù)器(監(jiān)控中心)是無法直接與CDMA RUTER通訊的。CDMA RUTER主動向服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)進(jìn)行連接。當(dāng)連接的路由建立以后,服務(wù)器和終端才可以雙工地進(jìn)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,通過定時發(fā)送:“心跳”數(shù)據(jù)包,維持終端和服務(wù)器間的路由(動態(tài)IP由ISP服務(wù)商的服務(wù)器動態(tài)分配,如果長時間不通信,ISP服務(wù)器會回收IP,以利于IP資源的有效利用),確保服務(wù)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(wù)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(gòu)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(yuǎn)程監(jiān)控中心。為了解決服務(wù)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(shí)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(wǎng)得到新的IP地址之后,安裝在監(jiān)控中心計算機(jī)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(wù)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(wù)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(jī)可以是軟件防火墻,也可以是硬件防火墻。
本文監(jiān)控中心的軟件可采用VC/VB/Delphi編寫,內(nèi)部調(diào)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(fù)責(zé)監(jiān)聽圖像采集終端的連接請求,當(dāng)監(jiān)聽到連接請求后,建立通信鏈路,原來負(fù)責(zé)監(jiān)聽Socket仍進(jìn)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(yīng)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(jìn)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(yuǎn)程終端以啟動報警裝置,以防止人為破壞、偷竊等。相關(guān)管理人員可直接觀看被監(jiān)視場所,并隨時調(diào)看每個終端的當(dāng)前狀況。
四 結(jié)束語
隨著生產(chǎn)管理水平的不斷提高,遠(yuǎn)程圖像監(jiān)控系統(tǒng)得到了廣泛的應(yīng)用,也越來越成熟,而且正朝著網(wǎng)絡(luò)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(yuǎn)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(wù)套餐較為經(jīng)濟(jì)。我們在實(shí)驗(yàn)室構(gòu)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(wǎng)絡(luò)的逐漸完善和應(yīng)用技術(shù)的不斷成熟,CDMA的應(yīng)用領(lǐng)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。