摘　要：隨著視頻解碼與通信技術(shù)的不斷發(fā)展，利用智能手機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)查看攝像頭的信息成為了可能。本設(shè)計(jì)是一套基于云計(jì)算的移動(dòng)視頻報(bào)警系統(tǒng)，可以很好的起到安防的效果。該設(shè)計(jì)介紹了該系統(tǒng)的硬件平臺(tái)和體系結(jié)構(gòu)，重點(diǎn)論述了設(shè)計(jì)中所需要的關(guān)鍵技術(shù)，并且系統(tǒng)地研究了如何構(gòu)造一個(gè)海量的云存儲(chǔ)服務(wù)器平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)手持終端上的視頻流的云存儲(chǔ)與實(shí)時(shí)監(jiān)控，最后經(jīng)過(guò)測(cè)試，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的有效性。
關(guān)鍵詞：移動(dòng)視頻監(jiān)控　安防　無(wú)線網(wǎng)絡(luò)　云計(jì)算　報(bào)警

視頻監(jiān)控一直以來(lái)都在我們的生活中起著關(guān)鍵的作用，以前主要應(yīng)用于安防和交通方面，而今天無(wú)論在教育、醫(yī)療、政府、酒店、公司等各個(gè)領(lǐng)域都在應(yīng)用。智能手機(jī)、視頻編碼和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)的不斷發(fā)展，使傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足人們的需要，移動(dòng)視頻監(jiān)控系統(tǒng)正在不斷的深入到我們生活中。隨著視頻編碼AndroidH.264流媒體與通信技術(shù)的飛速發(fā)展，嵌入式智能終端對(duì)于多媒體處理能力的提高以及人們對(duì)安全的需求不斷增強(qiáng)，為視頻監(jiān)控業(yè)務(wù)在移動(dòng)智能終端的應(yīng)用提供了廣闊的前景。此項(xiàng)目是開(kāi)發(fā)了一個(gè)通過(guò)基于Android的客戶端的視頻監(jiān)控移動(dòng)終端的軟件，可以很好的起到安防家居的效果，利用手機(jī)實(shí)現(xiàn)移動(dòng)視頻監(jiān)控，其優(yōu)勢(shì)非常明顯，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。
其一，網(wǎng)絡(luò)健全，覆蓋面廣。目前，中國(guó)移動(dòng)的GPRS網(wǎng)絡(luò)、中國(guó)聯(lián)通的CDMA網(wǎng)絡(luò)、中國(guó)電信的ADSL覆蓋范圍已經(jīng)非常廣，幾乎無(wú)處不在，使用手機(jī)監(jiān)控，幾乎不受區(qū)域限制。
其二，使用成本低。由于目前移動(dòng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)量不大，移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商為了鼓勵(lì)使用數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，采用了很多優(yōu)惠措施。在移動(dòng)數(shù)據(jù)興起以后，移動(dòng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的費(fèi)用會(huì)大幅度降低。
其三，及時(shí)有效。由于手機(jī)視頻監(jiān)控，是實(shí)時(shí)監(jiān)看，同手機(jī)短信、手機(jī)彩信等及時(shí)通訊結(jié)合起來(lái)，更加及時(shí)方便。
其四，報(bào)警確認(rèn)。目前，誤報(bào)警的比例非常高，同時(shí)要花費(fèi)大量的人力和財(cái)力，利用手機(jī)即時(shí)通訊的功能和手機(jī)視頻監(jiān)控，可以很方便地解決報(bào)警確認(rèn)問(wèn)題。

1　系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)總框圖如下所示：


圖1　系統(tǒng)框圖
該系統(tǒng)包含三個(gè)部分，物聯(lián)網(wǎng)硬件部分、云服務(wù)器部分、手機(jī)客戶端。其中，物聯(lián)網(wǎng)硬件部分完成視頻采集，以及紅外、煙感技術(shù)信息的采集；云服務(wù)器完成用戶管理，它是手機(jī)和物聯(lián)網(wǎng)之間的紐帶；手機(jī)客戶端用戶查看。

1.1　物聯(lián)網(wǎng)硬件部分

攝像頭：當(dāng)進(jìn)入報(bào)警設(shè)備配置界面，手機(jī)APP將展示設(shè)備列表，設(shè)備列表事實(shí)上分兩級(jí)，一級(jí)是攝像頭列表，第二級(jí)是攝像頭管控的所有報(bào)警設(shè)備列表。手機(jī)APP在進(jìn)入某級(jí)列表后主動(dòng)向服務(wù)器發(fā)送查詢請(qǐng)求，服務(wù)器會(huì)將最新配置的一定數(shù)量的攝像頭發(fā)給手機(jī)App,在服務(wù)器所連接的數(shù)據(jù)庫(kù)中，服務(wù)器按如下方式存儲(chǔ)攝像頭列表：DVR_CID|UID|DVR_PID|PWD1|PWD2|
含義是：DVR_CID：攝像頭配置CID-Not NULL unique auto_increment,不同于DVR_ID，DVR_ID是DVR連上服務(wù)器后生成的唯一標(biāo)識(shí)該設(shè)備的ID
UID：用戶注冊(cè)的ID
DVR_PID:攝像頭用戶名（出廠設(shè)備號(hào)/識(shí)別碼）
PWD1：攝像頭機(jī)器密碼
PWD2：攝像頭訪問(wèn)密碼
紅外線傳感設(shè)備、煙霧傳感設(shè)備：兩種設(shè)備的引用克服了以往傳統(tǒng)監(jiān)控的缺陷。此設(shè)計(jì)利用兩種設(shè)備進(jìn)行視頻報(bào)警，當(dāng)家里出現(xiàn)陌生人時(shí)紅外線可以感知，并且迅速報(bào)警給攝像頭，攝像頭通過(guò)服務(wù)器可以傳送到手機(jī)告知用戶，此時(shí)用戶通過(guò)手機(jī)可以實(shí)時(shí)查看家里的攝像頭，可以起到安防的效果。煙霧報(bào)警設(shè)備主要是指當(dāng)家里發(fā)生火災(zāi)時(shí)，可以迅速通過(guò)它然后報(bào)警給攝像頭，攝像頭通過(guò)服務(wù)器端傳送到手機(jī)。

1.2　云服務(wù)器部分

云服務(wù)器框圖如下所示：

 

圖2　云服務(wù)器圖
云服務(wù)器各個(gè)模塊的工作流程包括數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)接收模塊以及視頻存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)發(fā)模塊。云服務(wù)器起到客戶端與手機(jī)終端傳輸?shù)募~帶作用，當(dāng)用戶登錄系統(tǒng)時(shí)需要輸入用戶名和密碼（此時(shí)已經(jīng)注冊(cè)好用戶名和密碼），注冊(cè)時(shí)采用的是TCP協(xié)議，此時(shí)由客戶端軟件將用戶信息發(fā)送到服務(wù)器進(jìn)行驗(yàn)證，驗(yàn)證過(guò)后，服務(wù)器也將給客戶端回復(fù)一個(gè)確認(rèn)，如果輸入正確，則打開(kāi)系統(tǒng)，否則關(guān)閉系統(tǒng)。進(jìn)入系統(tǒng)之后，用戶可以選擇網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)，接下來(lái)向服務(wù)器發(fā)送視頻請(qǐng)求。當(dāng)客戶端發(fā)送視頻請(qǐng)求之后，服務(wù)器會(huì)向客戶端開(kāi)始發(fā)送視頻數(shù)據(jù)。監(jiān)控過(guò)程中，Android移動(dòng)終端可以設(shè)置不同的通道進(jìn)行相互切換，當(dāng)用戶需要關(guān)閉視頻傳輸時(shí)，應(yīng)該首先向服務(wù)器發(fā)送請(qǐng)求，然后關(guān)閉客戶端視頻播放線程，最后退出程序。

1.3　手機(jī)客戶端

登錄系統(tǒng)：進(jìn)入系統(tǒng)后進(jìn)入用戶登錄界面，點(diǎn)擊“注冊(cè)”跳轉(zhuǎn)到“用戶協(xié)議”頁(yè)面。在登錄頁(yè)面中，分為公共部分操作欄和主要功能展示區(qū)，里面的每個(gè)輸入框都需要注釋輸入格式，在用戶輸入完成需要注冊(cè)的用戶名后，需要標(biāo)識(shí)當(dāng)前用戶名是否可以被用戶名注冊(cè)。采用了手勢(shì)密碼的設(shè)置，對(duì)于手勢(shì)密碼的好處是防止其他人拿到手機(jī)之后想要玩這個(gè)安防軟件，結(jié)果導(dǎo)致家里的隱私曝光。
安防系統(tǒng)：當(dāng)進(jìn)入安防功能界面之后，里面含有實(shí)時(shí)視頻按鈕、告警歷史按鈕集和設(shè)備管理按鈕，當(dāng)點(diǎn)擊【實(shí)時(shí)視頻】圖標(biāo)之后，系統(tǒng)進(jìn)入已經(jīng)添加的攝像頭列表，并且可以進(jìn)行實(shí)時(shí)視頻的查看。其通過(guò)實(shí)時(shí)傳輸協(xié)議（RTP）將壓縮后的監(jiān)控視頻數(shù)據(jù)發(fā)送給移動(dòng)控制終端。
離線設(shè)置：對(duì)于用戶想要進(jìn)行離線設(shè)置，則只需要點(diǎn)擊主頁(yè)面的【離線】圖標(biāo)，進(jìn)入離線設(shè)備list頁(yè)面。當(dāng)用戶在歷史記錄中點(diǎn)擊圖片按鈕，手機(jī)查看本地是否已經(jīng)有該圖片，否則APP發(fā)送信息到服務(wù)器請(qǐng)求傳送圖片。
二維碼直接掃描：添加或者刪除報(bào)警設(shè)備、添加或者刪除開(kāi)關(guān)、添加或者刪除防丟設(shè)備都可以采用二維碼直接掃描的方式，方便、便捷并且有效。

2　關(guān)鍵技術(shù)

由于具有報(bào)警和實(shí)時(shí)監(jiān)控，主要關(guān)鍵技術(shù)包含三部分：云計(jì)算技術(shù)、手機(jī)客戶端消息分發(fā)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)穿透功能技術(shù)。

2.1　云計(jì)算技術(shù)

如圖3所示，NIST將云計(jì)算定義為用戶可以方便地、按需通過(guò)網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)共享資源池（網(wǎng)絡(luò)、服務(wù)器、存儲(chǔ)、應(yīng)用和服務(wù)等），并且具有快速部署、最小的管理代價(jià)或最少的服務(wù)提供商干預(yù)的一種新型IT基礎(chǔ)運(yùn)營(yíng)模式。云計(jì)算技術(shù)是在服務(wù)器、存儲(chǔ)器和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等硬件的基礎(chǔ)上運(yùn)用并行編程、數(shù)據(jù)管理、分布式存儲(chǔ)、虛擬化技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。
    
           圖3　云計(jì)算結(jié)構(gòu)圖                                                   圖4　MapReduce 模型
并行編程：本系統(tǒng)采用的是Google開(kāi)發(fā)的MapReduce并行編程模型，該模型的核心思想是將要執(zhí)行的問(wèn)題分解成Map(映射)和Reduce(化簡(jiǎn))的方式，如圖4所示，假設(shè)有M個(gè)Map操作和R個(gè)Reduce操作，先通過(guò)Map程序?qū)?shù)據(jù)切割成不相關(guān)的區(qū)塊，分配（調(diào)度）給大量計(jì)算機(jī)處理，達(dá)到分布式運(yùn)算的效果，再通過(guò)Reduce程序?qū)⒔Y(jié)果匯整輸出。使用MapReduce開(kāi)發(fā)并行處理程序時(shí)，需要編寫(xiě)兩個(gè)函數(shù)：
（1）Map：(in_key,in_value)?{(keyj,valuej)|j=1…k};其中輸入?yún)?shù)in_key和in_value表示Map需要處理的原始數(shù)據(jù)，(keyj,valuej)是輸出結(jié)果對(duì)，是經(jīng)過(guò)Map操作后產(chǎn)生的中間結(jié)果。
（2）Reduce：(key,[value1,…,valuem])?(key,final_value)；其中（key,[value1,…,valuem]）是Reduce的輸入?yún)?shù)，Reduce將輸入?yún)?shù)中相同的Key對(duì)應(yīng)的Reduce進(jìn)行歸并處理，最終形成(key,final_value)的結(jié)果。
分布存儲(chǔ)：云計(jì)算系統(tǒng)采用分布式存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，使用冗余存儲(chǔ)的方式保證數(shù)據(jù)的可靠性，本系統(tǒng)采用的是Google的GFS（Google File System）文件系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以運(yùn)行于普通的硬件上，為大量的用戶提供高性能的服務(wù)。
數(shù)據(jù)管理方面：本系統(tǒng)采用的是Google的BT(BigTable)數(shù)據(jù)管理技術(shù)，與傳統(tǒng)的關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)不同，它把所有數(shù)據(jù)都作為對(duì)象來(lái)處理，形成一個(gè)巨大的表格，用來(lái)分布存儲(chǔ)大規(guī)模結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)。
虛擬化技術(shù)將軟件應(yīng)用與底層硬件相隔離，該技術(shù)可以將單個(gè)資源劃分成多個(gè)虛擬資源的裂分模式，也可以將多個(gè)資源整合成一個(gè)虛擬資源的聚合模式。

2.2　手機(jī)客戶端消息分發(fā)技術(shù)

視頻數(shù)據(jù)的接收和解碼都是復(fù)雜、持續(xù)的過(guò)程，如果其中一個(gè)過(guò)程出現(xiàn)阻塞會(huì)影響整個(gè)程序的運(yùn)行。因此，客戶端使用多線程實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)接收和視頻解碼的并行處理。在整個(gè)程序運(yùn)行過(guò)程中，主線程響應(yīng)用戶操作，負(fù)責(zé)屏幕刷新工作，并創(chuàng)建兩個(gè)子線程：數(shù)據(jù)接收和視頻解碼子線程。
在Java中，多線程的實(shí)現(xiàn)有兩種方式：擴(kuò)展java.lang.Thread類(lèi)或?qū)崿F(xiàn)java.lang.Runnable接口。這里通過(guò)繼承Thread類(lèi)并覆寫(xiě)run（）方法實(shí)現(xiàn)兩個(gè)子線程。在多線程的應(yīng)用中關(guān)鍵是處理好線程之間的同步問(wèn)題，以解決對(duì)共享存儲(chǔ)區(qū)的訪問(wèn)沖突，避免引起線程甚至整個(gè)系統(tǒng)的死鎖。Java多線程主要利用synchronized關(guān)鍵字和wait()、notify()等方法實(shí)現(xiàn)線程間的同步。

2.3　網(wǎng)絡(luò)穿透功能

整個(gè)系統(tǒng)由服務(wù)器云、設(shè)備端程序和客戶端SDK組成，如圖5：

圖5　網(wǎng)絡(luò)穿透方案圖
由于手機(jī)和攝像頭的IP地址有可能相同也有可能不同，手機(jī)又是移動(dòng)設(shè)備，攝像頭是固定設(shè)備，隨著手機(jī)的移動(dòng)，IP地址也很有可能在不斷的變化，要想實(shí)現(xiàn)手機(jī)可以隨時(shí)隨地進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，就必須采用網(wǎng)絡(luò)穿透技術(shù)來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。由于T2U方案可以解決TCP NAT穿透的問(wèn)題，所以可以采用此方案。
Libt2u是一個(gè)實(shí)現(xiàn)TCP穿越網(wǎng)關(guān)并與遠(yuǎn)端設(shè)備建立P2P連接的開(kāi)發(fā)庫(kù)，它可以在不修改原有通信協(xié)議的基礎(chǔ)上，幫助終端實(shí)現(xiàn)客戶端與設(shè)備的P2P直連，可以讓設(shè)備達(dá)到即插即用的效果。
T2uSvr和Libt2u作為2個(gè)代理，分別運(yùn)行在設(shè)備端和客戶端，兩個(gè)代理之間通過(guò)P2P NA技術(shù)建立連接，依靠自主研發(fā)的UDP可靠數(shù)據(jù)傳輸和擁塞控制算法進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，再加上端口轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了將遠(yuǎn)端設(shè)備的任意端口映射到客戶機(jī)本地。于是在不知道設(shè)備IP地址，也沒(méi)有在路由器上做端口映射的情況下，通過(guò)TCP連接本地端口達(dá)到連接設(shè)備的目的。
 

 

3　系統(tǒng)測(cè)試及結(jié)果分析

目前，該系統(tǒng)已在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行測(cè)試，服務(wù)器輸出的是H.264視頻數(shù)據(jù)，客戶端安裝在Android手機(jī)上，通過(guò)WIFI接入無(wú)線局域網(wǎng)中與服務(wù)器建立連接，實(shí)時(shí)監(jiān)控、報(bào)警系統(tǒng)等測(cè)試結(jié)果如下圖所示：
                       
           圖6　報(bào)警信息記錄