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

視頻監控一直以來都在我們的生活中起著關鍵的作用，以前主要應用于安防和交通方面，而今天無論在教育、醫療、政府、酒店、公司等各個領域都在應用。智能手機、視頻編碼和無線網絡等技術的不斷發展，使傳統網絡視頻監控系統已經不能滿足人們的需要，移動視頻監控系統正在不斷的深入到我們生活中。隨著視頻編碼AndroidH.264流媒體與通信技術的飛速發展，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，為視頻監控業務在移動智能終端的應用提供了廣闊的前景。此項目是開發了一個通過基于Android的客戶端的視頻監控移動終端的軟件，可以很好的起到安防家居的效果，利用手機實現移動視頻監控，其優勢非常明顯，主要表現在以下幾個方面。
其一，網絡健全，覆蓋面廣。目前，中國移動的GPRS網絡、中國聯通的CDMA網絡、中國電信的ADSL覆蓋范圍已經非常廣，幾乎無處不在，使用手機監控，幾乎不受區域限制。
其二，使用成本低。由于目前移動數據業務量不大，移動運營商為了鼓勵使用數據業務，采用了很多優惠措施。在移動數據興起以后，移動數據業務的費用會大幅度降低。
其三，及時有效。由于手機視頻監控，是實時監看，同手機短信、手機彩信等及時通訊結合起來，更加及時方便。
其四，報警確認。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控，可以很方便地解決報警確認問題。

1　系統設計

系統總框圖如下所示：


圖1　系統框圖
該系統包含三個部分，物聯網硬件部分、云服務器部分、手機客戶端。其中，物聯網硬件部分完成視頻采集，以及紅外、煙感技術信息的采集；云服務器完成用戶管理，它是手機和物聯網之間的紐帶；手機客戶端用戶查看。

1.1　物聯網硬件部分

攝像頭：當進入報警設備配置界面，手機APP將展示設備列表，設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備列表。手機APP在進入某級列表后主動向服務器發送查詢請求，服務器會將最新配置的一定數量的攝像頭發給手機App,在服務器所連接的數據庫中，服務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連上服務器后生成的唯一標識該設備的ID
UID：用戶注冊的ID
DVR_PID:攝像頭用戶名（出廠設備號/識別碼）
PWD1：攝像頭機器密碼
PWD2：攝像頭訪問密碼
紅外線傳感設備、煙霧傳感設備：兩種設備的引用克服了以往傳統監控的缺陷。此設計利用兩種設備進行視頻報警，當家里出現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。煙霧報警設備主要是指當家里發生火災時，可以迅速通過它然后報警給攝像頭，攝像頭通過服務器端傳送到手機。

1.2　云服務器部分

云服務器框圖如下所示：

 

圖2　云服務器圖
云服務器各個模塊的工作流程包括數據采集模塊、數據接收模塊以及視頻存儲與轉發模塊。云服務器起到客戶端與手機終端傳輸的紐帶作用，當用戶登錄系統時需要輸入用戶名和密碼（此時已經注冊好用戶名和密碼），注冊時采用的是TCP協議，此時由客戶端軟件將用戶信息發送到服務器進行驗證，驗證過后，服務器也將給客戶端回復一個確認，如果輸入正確，則打開系統，否則關閉系統。進入系統之后，用戶可以選擇網絡攝像機，接下來向服務器發送視頻請求。當客戶端發送視頻請求之后，服務器會向客戶端開始發送視頻數據。監控過程中，Android移動終端可以設置不同的通道進行相互切換，當用戶需要關閉視頻傳輸時，應該首先向服務器發送請求，然后關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：進入系統后進入用戶登錄界面，點擊“注冊”跳轉到“用戶協議”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，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，需要標識當前用戶名是否可以被用戶名注冊。采用了手勢密碼的設置，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，結果導致家里的隱私曝光。
安防系統：當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備管理按鈕，當點擊【實時視頻】圖標之后，系統進入已經添加的攝像頭列表，并且可以進行實時視頻的查看。其通過實時傳輸協議（RTP）將壓縮后的監控視頻數據發送給移動控制終端。
離線設置：對于用戶想要進行離線設置，則只需要點擊主頁面的【離線】圖標，進入離線設備list頁面。當用戶在歷史記錄中點擊圖片按鈕，手機查看本地是否已經有該圖片，否則APP發送信息到服務器請求傳送圖片。
二維碼直接掃描：添加或者刪除報警設備、添加或者刪除開關、添加或者刪除防丟設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　關鍵技術

由于具有報警和實時監控，主要關鍵技術包含三部分：云計算技術、手機客戶端消息分發技術、網絡穿透功能技術。

2.1　云計算技術

如圖3所示，NIST將云計算定義為用戶可以方便地、按需通過網絡訪問共享資源池（網絡、服務器、存儲、應用和服務等），并且具有快速部署、最小的管理代價或最少的服務提供商干預的一種新型IT基礎運營模式。云計算技術是在服務器、存儲器和網絡設備等硬件的基礎上運用并行編程、數據管理、分布式存儲、虛擬化技術來實現的。
    
           圖3　云計算結構圖                                                   圖4　MapReduce 模型
并行編程：本系統采用的是Google開發的MapReduce并行編程模型，該模型的核心思想是將要執行的問題分解成Map(映射)和Reduce(化簡)的方式，如圖4所示，假設有M個Map操作和R個Reduce操作，先通過Map程序將數據切割成不相關的區塊，分配（調度）給大量計算機處理，達到分布式運算的效果，再通過Reduce程序將結果匯整輸出。使用MapReduce開發并行處理程序時，需要編寫兩個函數：
（1）Map：(in_key,in_value)?{(keyj,valuej)|j=1…k};其中輸入參數in_key和in_value表示Map需要處理的原始數據，(keyj,valuej)是輸出結果對，是經過Map操作后產生的中間結果。
（2）Reduce：(key,[value1,…,valuem])?(key,final_value)；其中（key,[value1,…,valuem]）是Reduce的輸入參數，Reduce將輸入參數中相同的Key對應的Reduce進行歸并處理，最終形成(key,final_value)的結果。
分布存儲：云計算系統采用分布式存儲數據，使用冗余存儲的方式保證數據的可靠性，本系統采用的是Google的GFS（Google File System）文件系統，該系統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。
數據管理方面：本系統采用的是Google的BT(BigTable)數據管理技術，與傳統的關系數據庫不同，它把所有數據都作為對象來處理，形成一個巨大的表格，用來分布存儲大規模結構化數據。
虛擬化技術將軟件應用與底層硬件相隔離，該技術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技術

視頻數據的接收和解碼都是復雜、持續的過程，如果其中一個過程出現阻塞會影響整個程序的運行。因此，客戶端使用多線程實現數據接收和視頻解碼的并行處理。在整個程序運行過程中，主線程響應用戶操作，負責屏幕刷新工作，并創建兩個子線程：數據接收和視頻解碼子線程。
在Java中，多線程的實現有兩種方式：擴展java.lang.Thread類或實現java.lang.Runnable接口。這里通過繼承Thread類并覆寫run（）方法實現兩個子線程。在多線程的應用中關鍵是處理好線程之間的同步問題，以解決對共享存儲區的訪問沖突，避免引起線程甚至整個系統的死鎖。Java多線程主要利用synchronized關鍵字和wait()、notify()等方法實現線程間的同步。

2.3　網絡穿透功能

整個系統由服務器云、設備端程序和客戶端SDK組成，如圖5：

圖5　網絡穿透方案圖
由于手機和攝像頭的IP地址有可能相同也有可能不同，手機又是移動設備，攝像頭是固定設備，隨著手機的移動，IP地址也很有可能在不斷的變化，要想實現手機可以隨時隨地進行實時監控，就必須采用網絡穿透技術來解決這個問題。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TCP穿越網關并與遠端設備建立P2P連接的開發庫，它可以在不修改原有通信協議的基礎上，幫助終端實現客戶端與設備的P2P直連，可以讓設備達到即插即用的效果。
T2uSvr和Libt2u作為2個代理，分別運行在設備端和客戶端，兩個代理之間通過P2P NA技術建立連接，依靠自主研發的UDP可靠數據傳輸和擁塞控制算法進行數據通信，再加上端口轉發技術，實現了將遠端設備的任意端口映射到客戶機本地。于是在不知道設備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備的目的。
 

 

3　系統測試及結果分析

目前，該系統已在實驗室進行測試，服務器輸出的是H.264視頻數據，客戶端安裝在Android手機上，通過WIFI接入無線局域網中與服務器建立連接，實時監控、報警系統等測試結果如下圖所示：
                       
           圖6　報警信息記錄