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1、田C ()M!)llJ1 E：基 于 G P R9的 移 动 监 控 系统 设 计 与 实 现 巩文科，赵 洁，张继声，黄月珍(广东外语外贸大学 思科信息学院，广东 广州 5 1 0 0 0 6)摘 要：在回顾和分析监控领域的发展后，提 出了一种基于A E M 9 平台和 W I N C E操作 系统，利用现有的 G S M网络，实现的简便 移 动 图像 监控 系统。该 系统 包括监控 终端，转 发服 务器和 手持接 收端，通过转 发服 务器实现 两个移 动 网络的 N A T穿越，完成 图像传输，经过实际测试，该方案具有良好的可行性。关键词：监控；嵌入式系统；G P E S；N A T；图像
2、传输 De s i g n a n d Ap p l i c a t i o n f o r t h e Mo b i l e Mo n i t o r Sy s t e m b a s e d o n GPRS GO N G We n k e，Z H A O J i e，Z H A N G J i s h e n g，H U AN G Y u e z h e n (C s c o S c h o o l o f In f o r m e t ic s G u a n g d o n g U n i v e r s i t y o f F o r e ig n t u d e s,G u a
3、n g z h o u,G u a n g d o n g 5 0 0 0 Ab s t r a c t：B a s e d t h e r e v i e w a n d a n a l y s is o f t h e m o n it o r in g s y s t e m g iv e a me t h o d u s e d AEM9 a n d WINC E t o f i n is h t h e mo v in g mo n it o r i n g Th e mo n it o r in g s ys t e m in c lu d e s t h e mo n i t o
4、 r in g t e r min a l，f o r wa r d i n g s e r v e r a n d t h e h a n d-h o ld r e c e i v e r T h r o u g h t h e f o r wa r d in g s e P v e r t h e mo n it o r i n g t e r min a l c a n c o mmu n ic a t e wit h t h e h a n d-h o l d r e c e iv e r S 0 t h e mo n it o r i n g in f o r ma t i o n
5、c a n s e n d t O t h e h a n d-h o ld r e c e i v e r Ke y wor ds：Mo b i le；Emb e d d e d S y s t e ms；GP R,S；NAT；I ma g e t r a n s mis s io n 1引言 在现代社会监控被用于生活和工作的各个领域，如工厂，学校的安全监控系统，城市公路监控系统，企业生产工艺流程监控系统等等，监控 系统的最大 优势在于使用各种传感器如视频，音频，温度，气 体，压力等等，将多个监控 点的信息，发送到监控 端，由一名或几名监控员对监控信息进行处理，节 省 了人力，保障了监控者的
6、人身安全，同时又能对 各监控点的实时情况进行处理。在各种监控系统中 图像监控最为普遍，随着技术 的发展，图像监控系 统经历了三个不同的阶段：模拟图像监控、基于微 机平台的多媒体监控，和基于嵌入式 系统 网络视频 服务器的网络化数字视频监控”。基于嵌入式系统 的网络视频服务器 的网络化数 字视频监控将传统 的模拟视频信 号转换 为数字信 号，通过计算机 网络来传输，通过智能化的计算机 2 O 1 2，O 3 2 1 圈目晒豳 l WWW nS c or g cn 软件来处理。系统将传统的视频、音频及控制信号 数字化，以 I P包的形式在网络上传输，实现 了视 频 音频的数字化、系统的网络化、应用
7、的多媒体 化 以及管理的智能化。这样就使得通过手机或别的 嵌入式移动设备来进行远程监控，成为可能。本系统就是一种简便移动监控系统，由现场监 控端、转发服务器和手持接收端组成。转发服务器 端使用 P C作为服务器。现场监控端和手持接收端 软件搭载在嵌入式 W i nCE系统上，硬件 以 ARM 9开发板嵌入式设备作为支撑，摄像头使用 目前市 场上常见的家用摄像头。2系统的软硬件组成 移动监控系统采用 FL 2 4 4 0开发板，使用三星$3 C 2 4 4 0处理器，该处理器可稳定运行在 4 0 0 MH z，拥有 6 4 M 的内存空间和 2 5 6 M 的程序空间，接 口丰 富，功能强大，适
8、用于各种手持设备、消费电子和 工业控制设备的开发。嵌入式系统采用 Wi n do ws E mb e d d e d C E 6 0，在 P C机上使用 Vi s u a l s t u d i o 2 0 0 5集 成开 发 环境 设 计 软件 模 块。采 用 普通 3 0 万 像素摄像头采集图像，使用 W a ve C0 i n公 司的 Q2 4 p l u s GP R S无线模块进行 G P RS上 网通讯。3基于 G P R S的点对点传输的研究 G P R S(G e n e r a l P a c k e t R a d i o S e r v i c e，通用 分组无线服务)是
9、 GS M 移动电话用户可用 的一种 移动数据业务。GPRS突破了 GS M 网络 只能提供 电路交换 的思维方式，通过增加一些硬件设 备并对 原有网络升级，形成一个新的网络逻辑实体，提供 无线 I P连接。随着互联 网的飞速发展，其用户越来越多，I P 资源成为一种稀缺的资源。为了充分利用现有的 I P 资源，就产生了 NAT技术。3 1 N A T(网络地址转换)NAT是一种把内部网络私有地址转换成公网上 合法 I P地址的技术，NAT技术的出现是为了让使 用 内网 I P地址 的主机能够通过少数几台具有公网 I P地址的主机访 问外部网络。NAT有三种实现方 式：静态转换、动态转换和端
10、口多路复用。静态转 换是指将内网的私有 I P地址转换为公网 I P地址时，I P地址对一一对应、固定不变，外 网对内网的某些 特定设备可以通过静态转换来访问。动态转换是指 将 内 网的私 有 I P地 址转换 为 公 网 I P地址 时，I P地 址对不确定随机分配，当 I S P提供 的合法 I P地址 少于 内网的计算机数量时，通常采用动态转换的方 式。端 口多路复用是指改变外出数据包的源端 口并 进行端 口转换，也就是端 口地址转换 NAT，内部 网络的所 有计算机都可 以通过一个合法外部 I P地 址实现对互联网的访问，只是访 问端 口不 同。目前 网络中应用最多的就是端 口多路复用
11、方式。Cl M l，l l l SI ll：l JI IIT 3 2 P 2 P 访问 NAT进行内网地址到外网地址的转换，所以内 部 网络中的主机可 以访问外部公 网上 的主机，但是 由于 NAT是透明的，内部 网络和外部公网上的主 机都不知道 NAT的情况，所 以反过来，外部公 网 上的主机要访问内部网络中的主机就 比较麻烦，需 要使 用 P 2 P穿透 的方 式。在这 里我们 想通过 P 2 P 实现两个 NAT后的内网主机之 间的直接通信。现场监控终端和手机端都通过 G P RS拨号上 网，它们在拨号成功后动态获得了一个 I P地址，这个 I P地址是以 1 0开头的 A类地址，是运营
12、商 中国移 动的内网地址，那么它们两者之间如果要实现直接 通信的话，可采取下面的方式：由于两者谁都不知 道对方 NAT的公网 I P地址和 NAT上映射的端 口 号，都无法主动发出连接请求，所 以要依托一个建 立在公 网上的转发服务器来帮助两者建立连接。当 现场监控终端和手机端都连接 了转发服务器之 后，服务器可 以从收到 的数 据包 中提 取 出终端所 使用 的 NAT设备的公 网 I P地址和映射的端 口号，所 以 服务器知道了现场监控终端和手机端的各自使用的 NAT的公网 I P和端 口。于是现场监控终端和手机 端就可 以先从转发服务器上获取到对方的 NAT设 备的公 网 I P地址和映
13、射端 口号，然后直接使用对 方的公 网 I P地址和映射端 口与对 方进行通信。通 信链路如图 l 所示。圈 图 1通信链路 本系统 中转发服务器充 当了中介的角色，在转 发服务器上维护着如下一张表格，见表 l。2 0 1 2 O 3 固匠晒圈l 2 2 n s co r g c n I 酣 l，l J l l R l l jR l Y 表 1 I P 地址和端 口 U s e rl l a e I P 腿 T 监控 端 1 9 2 1 5 8 7 2 2 2 1 1 手持 端 1 9 21 6 8 8 5 0 2 2 1 3 这里的 I P地址和端 口号都是各 自的 NAT设备 的公网 I
14、P和端 口。3 3 G P R S内网通信验证实验 为了验证建立 GPRS通讯的可行性，我们采用 了以下三种方法进行测试：(1)先将一 台终端通过 GPRS拨 号上网，并记 录端 口号，然后打开监听，用另一台终端也拨号上 网，获知两个终端 的内网 I P地址和端 口号后，尝 试发送信息到第一个终端，结果不行，分析后，原 因有以下两点：两个终端属于不同的内网；移动 网关不允许其在内网中建立通讯。(2)我们将第一台终端拨号上网，并发一个信息 到 P C端，P C端获得其公网 I P和端 口号后，在另 一个终端里，将 UDP信息发送到这个获得的公网 I P和端 口，结果也不行，说明移动终端不能通过公
15、 网 I P和端 口与另一移动终端进行 G P RS通讯。(3)将第一台终端拨号上网，发送信息到 PC端，PC端获得该终端的公网 I P和端 口，第二台终端也 发送信息到 PC端，PC端将该消息转 发到第一台 终端，第一台终端接收到了信息，该方法可行。3 4通信协议的选择 T C P是 目前 I n t e r n e t 上广泛采用的协议，它 提供的是可靠的、面向连接的传输服务。每一次完 整的数据传输都要经过建立连接、使用连接、断开 连接的过程。当发生数据包丢失或者错误 的情况时，发送端会重新发送，在保证数据可靠性的同时不可 避免地引发了传输延时和网络带宽利用率降低的问 题。因此，TC P适
16、用于对传输可靠性要求较高的数 据传输。的数据报服务，相对于 TCP来说，UDP有如下优 点：(1)时延小：U DP传送数据前不与对方建立连接，发送 的数据报 的报文头 比 TCP报文头短，发送完 毕后也不需要释放连接，因此减少了开销和建立拆 除连接的时延。(2)消耗小：UD P不使用拥塞控制，不保证可靠 的交付，因此主机不需要维持具有许多参数的、复 杂的连接状态表。(3)网络流量小、速度快：UDP对接收到的数据 报不发送确认信号，发送端不知道数据是否被正确 接收，也不会重发数据，这样减少了网络流量并且 传输速度也 比 T C P更快。从上述对比分析可以看出，UDP的传输时延低 于 TC P，更
17、适合用于视频数据的传输，本系统使 用 UDP协议进行图像数据传输。3 5监控系统软件设计 现 场 监 控 终 端 和 接 收 终 端 都 是 基 于 嵌 入 式 FL 2 4 4 0硬件平台和嵌入式 W i n c e 软件平台，采用 模块化的设计思想，分为总控制模块和各个功能模 块。功能模块包括图像采集模块、端 口更新模块、数据发送模块和接收端模块。(1)图像采集模块：开发板通过驱动接 口调用，取得一帧图像，由于摄像头已将 图像转换成 J PEG 格式，所以图像不用再压缩直接进行本地存储。(2)端 口更新：监控端定时发送心跳包，以更新 在服务器上存储的公网 I P地址和端 口号。(3)基于
18、UDP的图像数据传输模块：当手机端 应用程序发来图像请求时，该模块将采集到的图像 分割成多个编号数据包，以 UDP方式通过 GPRS 网络发往转发服务器，通过转发服务器转发给手机 端应用程序。uDP是面向无连接的传输层协议，提供不可靠 后，2 O 1 2 O 3 2 3 l 圃【晒圈 lW WW F I S C o r 9 C r 3 (4)接受端模块：接收图像数据包，当接收完毕 发送接收数据包的编号到发送端，确认是否有 漏包，如有，等待发送端重传漏包，全部数据包接 收完毕后，将数据取出组合成一帧图像，在接收端 显示。图像数据传输过程如图 2所示。璺l I I (N l r c K惦 麝 l
19、HI E c 0 r A c K “l 图 2 图片传输过程 4 系统测试结果及性能分析 测试环境如下：开发板：飞凌 2 4 4 0开发板 C P U：ARM 9处理 器 通信模块：Wa v e C o m 公司 GP RS模块 接入网络：移动公司 G P RS网络 测试结果，如表 2所示。表 2测试结 果 传输 图 传 辅 耗 测试时可段 片大小 费时间 5 K 8 S 凌晨 0：0 0 5 K 8 S 早上 8：0 0 5 K 11 S 由 1 2 00 l 3 S 晚上 8 0 0 从现场测试 结果来看，系统在各个时段，都能 以较快速度传输，具有可靠的稳定性，且本系统成 本较低，使用现有
20、的 GS M 网络，具有较好的普适 性，完全可以胜任各种远距离实时监控。对于系统性能需要在未来做进一步 的改进和完 善，主要有以下几点：(1)通过 WAP网页，实现跨系统平台的手机查 看图像；O M PUTE RI U R iT v墨 S lC V 譬|_ (2)借助 3 G进行数据传输：3 G网络 的速度很快，如果使用 3 G进行数据传输，系统 的性能将得到很 大的提升。(3)实现更高清晰度的图像和视频监控；本 系统是一个在 监控领域的探 索，研 究成果还 存在 着一些不足。移动视频监控行业正处在蓬 勃发 展的时期，尤其 是 3 G的到来，将推动移动视频监 控更迅速的发展，在技术产 品化 的
21、过程 中还有很多 工作需要完成。参考文献 1】曹理发，尹勇，刘恒辉，李宇 基于AB M和 D S P的视 频监控 系统设计 与实现 J 电子 器件，2 0 0 9 年 2月，第5 2卷，第 1 期：2 1 3-2 1 7 2】陈 美谦，刘暾 东，周文 博，迟延 基 于 GP R S的公共照 明智 能化监控 系统设计 与实现 J 电力 自动化设备，2 0 1 0 年 9月，第 3 O卷，第 9期：1 1 4-1 1 7 【5 方卫民 基于 A lU M的嵌入式网络视频监控系统设计与实 现 D】北京邮 电大学，2 0 0 8 【4 黄远峰，宗平 基于 U D P的滑动窗口协议的设计与实现 _ J
22、南京邮 电大学 学报(自然科 学版)，2 0 0 7 年，第 2 7卷，第 4 期：8 O一 8 4 5 汪兵，李存斌，陈鹏等 E V C高级编程及其应 用开发 M】水利 水 电出版 社，2 0 0 5 6】胥静，嵌入 式 系统设计 开发实例详解一 基 于 A B M的应 用 M】北京航 空航 天大学出版社，2 0 0 5 作者简介：巩文科(1 9 7 5 一)，男，硕士研究生，主要从事 人工智能，计算机网络通讯研究；赵洁(1 9 8 1 一)，女，硕 士研 究生，主要从事数据库，计算机 网络通讯研 究；张继 声(1 9 8 7-)，男，本科生，主要从事嵌入式系统研究学习；黄月珍(1 9 8 7 一)，男，本科生，主要从事嵌入式系统研 究 学习。收稿日期：2 O 1 2 0 1 1 6 2 O 1 2 0 3 圃曰皿豳I 2 4 wwv n s c ol g cnj