摘　要：隨著視頻解碼與通信技術(shù)的不斷發(fā)展，利用智能手機進行實時查看攝像頭的信息成為了可能。本設(shè)計是一套基于云計算的移動視頻報警系統(tǒng)，可以很好的起到安防的效果。該設(shè)計介紹了該系統(tǒng)的硬件平臺和體系結(jié)構(gòu)，重點論述了設(shè)計中所需要的關(guān)鍵技術(shù)，并且系統(tǒng)地研究了如何構(gòu)造一個海量的云存儲服務(wù)器平臺，實現(xiàn)對手持終端上的視頻流的云存儲與實時監(jiān)控，最后經(jīng)過測試，驗證了設(shè)計的有效性。
關(guān)鍵詞：移動視頻監(jiān)控　安防　無線網(wǎng)絡(luò)　云計算　報警

視頻監(jiān)控一直以來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，而今天無論在教育、醫(yī)療、政府、酒店、公司等各個領(lǐng)域都在應(yīng)用。智能手機、視頻編碼和無線網(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，嵌入式智能終端對于多媒體處理能力的提高以及人們對安全的需求不斷增強，為視頻監(jiān)控業(yè)務(wù)在移動智能終端的應(yīng)用提供了廣闊的前景。此項目是開發(fā)了一個通過基于Android的客戶端的視頻監(jiān)控移動終端的軟件，可以很好的起到安防家居的效果，利用手機實現(xiàn)移動視頻監(jiān)控，其優(yōu)勢非常明顯，主要表現(xiàn)在以下幾個方面。
其一，網(wǎng)絡(luò)健全，覆蓋面廣。目前，中國移動的GPRS網(wǎng)絡(luò)、中國聯(lián)通的CDMA網(wǎng)絡(luò)、中國電信的ADSL覆蓋范圍已經(jīng)非常廣，幾乎無處不在，使用手機監(jiān)控，幾乎不受區(qū)域限制。
其二，使用成本低。由于目前移動數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)量不大，移動運營商為了鼓勵使用數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，采用了很多優(yōu)惠措施。在移動數(shù)據(jù)興起以后，移動數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的費用會大幅度降低。
其三，及時有效。由于手機視頻監(jiān)控，是實時監(jiān)看，同手機短信、手機彩信等及時通訊結(jié)合起來，更加及時方便。
其四，報警確認(rèn)。目前，誤報警的比例非常高，同時要花費大量的人力和財力，利用手機即時通訊的功能和手機視頻監(jiān)控，可以很方便地解決報警確認(rèn)問題。

1　系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)總框圖如下所示：


圖1　系統(tǒng)框圖
該系統(tǒng)包含三個部分，物聯(lián)網(wǎng)硬件部分、云服務(wù)器部分、手機客戶端。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，它是手機和物聯(lián)網(wǎng)之間的紐帶；手機客戶端用戶查看。

1.1　物聯(lián)網(wǎng)硬件部分

攝像頭：當(dāng)進入報警設(shè)備配置界面，手機APP將展示設(shè)備列表，設(shè)備列表事實上分兩級，一級是攝像頭列表，第二級是攝像頭管控的所有報警設(shè)備列表。手機APP在進入某級列表后主動向服務(wù)器發(fā)送查詢請求，服務(wù)器會將最新配置的一定數(shù)量的攝像頭發(fā)給手機App,在服務(wù)器所連接的數(shù)據(jù)庫中，服務(wù)器按如下方式存儲攝像頭列表：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)識該設(shè)備的ID
UID：用戶注冊的ID
DVR_PID:攝像頭用戶名（出廠設(shè)備號/識別碼）
PWD1：攝像頭機器密碼
PWD2：攝像頭訪問密碼
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)計利用兩種設(shè)備進行視頻報警，當(dāng)家里出現(xiàn)陌生人時紅外線可以感知，并且迅速報警給攝像頭，攝像頭通過服務(wù)器可以傳送到手機告知用戶，此時用戶通過手機可以實時查看家里的攝像頭，可以起到安防的效果。煙霧報警設(shè)備主要是指當(dāng)家里發(fā)生火災(zāi)時，可以迅速通過它然后報警給攝像頭，攝像頭通過服務(wù)器端傳送到手機。

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與轉(zhuǎn)發(fā)模塊。云服務(wù)器起到客戶端與手機終端傳輸?shù)募~帶作用，當(dāng)用戶登錄系統(tǒng)時需要輸入用戶名和密碼（此時已經(jīng)注冊好用戶名和密碼），注冊時采用的是TCP協(xié)議，此時由客戶端軟件將用戶信息發(fā)送到服務(wù)器進行驗證，驗證過后，服務(wù)器也將給客戶端回復(fù)一個確認(rèn)，如果輸入正確，則打開系統(tǒng)，否則關(guān)閉系統(tǒng)。進入系統(tǒng)之后，用戶可以選擇網(wǎng)絡(luò)攝像機，接下來向服務(wù)器發(fā)送視頻請求。當(dāng)客戶端發(fā)送視頻請求之后，服務(wù)器會向客戶端開始發(fā)送視頻數(shù)據(jù)。監(jiān)控過程中，Android移動終端可以設(shè)置不同的通道進行相互切換，當(dāng)用戶需要關(guān)閉視頻傳輸時，應(yīng)該首先向服務(wù)器發(fā)送請求，然后關(guān)閉客戶端視頻播放線程，最后退出程序。

1.3　手機客戶端

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

由于具有報警和實時監(jiān)控，主要關(guān)鍵技術(shù)包含三部分：云計算技術(shù)、手機客戶端消息分發(fā)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)穿透功能技術(shù)。

2.1　云計算技術(shù)

如圖3所示，NIST將云計算定義為用戶可以方便地、按需通過網(wǎng)絡(luò)訪問共享資源池（網(wǎng)絡(luò)、服務(wù)器、存儲、應(yīng)用和服務(wù)等），并且具有快速部署、最小的管理代價或最少的服務(wù)提供商干預(yù)的一種新型IT基礎(chǔ)運營模式。云計算技術(shù)是在服務(wù)器、存儲器和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等硬件的基礎(chǔ)上運用并行編程、數(shù)據(jù)管理、分布式存儲、虛擬化技術(shù)來實現(xiàn)的。
    
           圖3　云計算結(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)行的問題分解成Map(映射)和Reduce(化簡)的方式，如圖4所示，假設(shè)有M個Map操作和R個Reduce操作，先通過Map程序?qū)?shù)據(jù)切割成不相關(guān)的區(qū)塊，分配（調(diào)度）給大量計算機處理，達到分布式運算的效果，再通過Reduce程序?qū)⒔Y(jié)果匯整輸出。使用MapReduce開發(fā)并行處理程序時，需要編寫兩個函數(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，是經(jīng)過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對應(yīng)的Reduce進行歸并處理，最終形成(key,final_value)的結(jié)果。
分布存儲：云計算系統(tǒng)采用分布式存儲數(shù)據(jù)，使用冗余存儲的方式保證數(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)庫不同，它把所有數(shù)據(jù)都作為對象來處理，形成一個巨大的表格，用來分布存儲大規(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)可以將單個資源劃分成多個虛擬資源的裂分模式，也可以將多個資源整合成一個虛擬資源的聚合模式。

2.2　手機客戶端消息分發(fā)技術(shù)

視頻數(shù)據(jù)的接收和解碼都是復(fù)雜、持續(xù)的過程，如果其中一個過程出現(xiàn)阻塞會影響整個程序的運行。因此，客戶端使用多線程實現(xiàn)數(shù)據(jù)接收和視頻解碼的并行處理。在整個程序運行過程中，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，多線程的實現(xiàn)有兩種方式：擴展java.lang.Thread類或?qū)崿F(xiàn)java.lang.Runnable接口。這里通過繼承Thread類并覆寫run（）方法實現(xiàn)兩個子線程。在多線程的應(yīng)用中關(guān)鍵是處理好線程之間的同步問題，以解決對共享存儲區(qū)的訪問沖突，避免引起線程甚至整個系統(tǒng)的死鎖。Java多線程主要利用synchronized關(guān)鍵字和wait()、notify()等方法實現(xiàn)線程間的同步。

2.3　網(wǎng)絡(luò)穿透功能

整個系統(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
由于手機和攝像頭的IP地址有可能相同也有可能不同，手機又是移動設(shè)備，攝像頭是固定設(shè)備，隨著手機的移動，IP地址也很有可能在不斷的變化，要想實現(xiàn)手機可以隨時隨地進行實時監(jiān)控，就必須采用網(wǎng)絡(luò)穿透技術(shù)來解決這個問題。由于T2U方案可以解決TCP NAT穿透的問題，所以可以采用此方案。
Libt2u是一個實現(xiàn)TCP穿越網(wǎng)關(guān)并與遠端設(shè)備建立P2P連接的開發(fā)庫，它可以在不修改原有通信協(xié)議的基礎(chǔ)上，幫助終端實現(xiàn)客戶端與設(shè)備的P2P直連，可以讓設(shè)備達到即插即用的效果。
T2uSvr和Libt2u作為2個代理，分別運行在設(shè)備端和客戶端，兩個代理之間通過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行數(shù)據(jù)通信，再加上端口轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)，實現(xiàn)了將遠端設(shè)備的任意端口映射到客戶機本地。于是在不知道設(shè)備IP地址，也沒有在路由器上做端口映射的情況下，通過TCP連接本地端口達到連接設(shè)備的目的。
 

 

3　系統(tǒng)測試及結(jié)果分析

目前，該系統(tǒng)已在實驗室進行測試，服務(wù)器輸出的是H.264視頻數(shù)據(jù)，客戶端安裝在Android手機上，通過WIFI接入無線局域網(wǎng)中與服務(wù)器建立連接，實時監(jiān)控、報警系統(tǒng)等測試結(jié)果如下圖所示：
                       
           圖6　報警信息記錄