基于WiFi无线视频传输技术的研究

摘要：随着电力系统自动化水平的日益提高，人们对变电站监控系统提出了越来越高的要求。结合变电站现场的实际需求，以及对嵌入式系统Wince和WiFi技术研究的基础上，文章提出了一套无线视频传输系统。包括论述了系统各组成部分、涉及到的关键性技术问题，并验证了系统设计的正确性。研究的成果为WiFi无线网络应用于电力系统远程视频监控奠定了基础。
关键词：WiFi；DirectShow；Wince；移动终端；监控系统

0 引言
    随着电力体制改革的深入发展，国家电网为了提高经济效益，提高劳动生产率，都准备在各变电站实行无人值守。而如今计算机技术、网络技术、以及多媒体技术的高速发展使得这种通过网络实远程视频监控系统的搭建成为可能。
    传统的监控系统大部分都需要接入有线网络才能实现监控的功能，在空间和传输方式上有一点局限性，监控设备不可能面面俱到。一旦由于自然灾害、操作不当、设备老化等问题造成电力事故，而发生故障的地点是不确定的，抢修人员到达现场后，经常由于没有适合的监控管理设备，致使抢修指挥中心无法及时、准确地采集、存储和监管操作现场的实时信息。
    随着WiFi等无线技术的发展及普及，使得无线传输视频数据成为可能。利用无线网络的便捷性，现场可以随时随地将视频传输到指挥中心，从而更好地与现场进行交互。基于目前电力监控系统对这一领域市场的强烈需求，提出设计和开发出一套便携式视频传输系统。

1 系统架构介绍
1．1 系统组成
    本系统大致可分为三个部分：无线移动终端、WiFi无线传输网络和监控平台，采用C／S架构。如图1所示。

    (1)无线移动终端。无线移动终端是一部类似于PDA的手持设备，使用灵活、方便。设备自带摄像头、WiFi通信模块等。终端客户端软件主要功能包括：视频信号的采集、预览、传输、拍照；系统参数的设置(如时间、背光等)；摄像头参数设置(如亮度、饱和度等)。移动终端软件涉及的功能比较多，实现难度比较大，是本文讨论的重点。
    (2)WiFi无线网络。视频信号采集后，经过相应的视频编码技术处理，将数据通过WiFi无线网络传输到监控平台，实时显示和播放。
    (3)监控平台。该监控平台是一台PC服务器。
    通过安装监控软件可以实时监视移动终端传过来的视频画面并保存。
1．2 系统研究的技术基础
    (1)DirectShow技术。DirectShow是DircctX中的一员，它为Windows平台上处理各种格式的媒体文件播放、音视频采集等高性能要求的多媒体应用提供了完整的解决方案。
    在DirectShow的开发技术中，比较重要的一个概念就是过滤器(Filter)，过滤器处于DirectShow技术的核心地位，一个基于DirectShow的程序的核心功能都是由若干个过滤器实现的，过滤器大致分三种，分别是源过滤器(Source filter)、变换过滤器(Transform filter)、表现过滤器(Render filter)，在一个具体的应用中，这三种过滤器构成了一个过滤器图(Filter graph)，由一个过滤器图管理器(Filtcr grap hmanager)来管理这个图表中的所有过滤器，应用程序则通过事件和命令来和过滤器图管理器打交道，从而控制所有的功能。DirectShow的体系框架如图2所示。

    (2)WiFi通信技术。WiFi全称Wireless Fidelity，又称802．11b标准，是1EEE定义的一个无线网络通信的工业标准(IEE 802．11)。WiFi无线传输技术优势体现在：
    ·架设方便，免去了现场长工期的布线安装工程。
    ·覆盖范围广，WiFi的半径可达300feet左右，约合100m。一般只需安装一个或多个AP设备，就可以解决现场的网络通信问题，根据实际测得的经验，现场一般间隔30m安装一个AP。
    ·投资经济。有线网络的固有缺点就是缺乏灵活性，在有线接入网规划中，考虑到未来的发展，大量的超前投资往往会出现线路利用率低的情况。而WiFi的规划就可以随着用户的增加而逐步扩展，而不需要重新布线，具有较强的经济性。
    ·传输速度快，最高可达到54Mbit／s，完全满足视频数据传输的要求。
    (3)视频编解码技术。通过移动终端摄像头采集的视频图像数据是相当庞大的，如不经过压缩处理，要想对一帧原始视频图像进行数字化传输的话(如本系统摄像头输出视频像素格式为320×240，每个像素占用16bit，速度为每秒30帧)则要求传输能力要达到320×240×16×30= 35．16Mbit／s。所以未压缩的视频在一般的通信网络上传输的是无法想象的。
    所谓视频编码技术就是指通过特定的压缩技术，将原始的视频流转换成另一种视频流的方式。目前视频流传输中最为重要的编解码标准有ITU的H．263、H．264，ISO运动图像专家组的MPEG系列标准，此外在互联网上被广泛应用的还有Real-Networks的Real Video、微软公司的WMV以及Apple公司的QuickTime等。

2 系统实现
2．1 无线移动终端
2．1．1 硬件设计
    移动终端采用Wince操作系统，硬件平台基于TI的OMAP3530嵌入式高端CPU，主频可达600MHz。系统硬件架构如图3所示。

2. 1．2 客户端软件设计
    客户端软件设计是无线视频系统最重要的部分，也是实现的难点。软件采用MFC编写工具，基于DirectShow框架的实现方式，主要包括以下几个功能：
    (1)系统参数设置模块实现方法。
    ·系统背光调节。系统的背光调节功能主要由Wince系统的电源管理模块以及背光驱动程序相互作用实现的。提供如设置背光的亮度、无人机交互情况下何时自动关闭背光等。
    ·视频文件存放路径。考虑到实际工作环境下，视频实时保存的路径可能是flash路径或者是SD卡路径，这就涉及到文件路径的设置。实现方式为：默认情况下为flash的存储路径(＼ResidentFlash)，如果flash的空间很小且有SD卡的情况下，建议设置为SD卡路径(＼Storage Card)。下次开机后显示为上次保存的路径。
    ·系统时间设置。系统时间的显示和设置是通过调用wince系统自带的时间设置程序。
    (2)视频控制模块实现方法。
    构建正确的Filter Graph是基于DirectShow软件开发成功的关键。构建好Graph之后，接下来就利用DirectShow组件提供的相关接口函数把图中所有的Filter都加入进去，连接相连Filter的Pin(Pin是DirectShow中多媒体信息藉以流经的单元，数据在Graph中流动是通过各个Fil ter导出的Pin来支持的)，最后启动Graph。
    ·视频数据实时传输。移动终端摄像头采集的原始视频数据经过H264编码压缩后，通过TCP／IP网络传输到远方监控平台。构建如下Fil ter Graph：

    ·视频数据本地实时预览。工作人员不仅要将现场捕获的视频图像实时传送到指挥中心，还需要本地可以实时显示当前的画面，从而保证图像的一致性。建构如下Filter Graph：

    ·即时拍照功能。现场的情况错综复杂，环境也千差万别，可能由于在夜间施工，光线太暗，导致视频质量不佳；或者需要对现场某一故障设备进行详细观察，这时就需要拍照功能。移动终端采用高分辨率摄像头(OV3640，像素300万，带有闪光灯)，拍下来的画面非常清晰，完全满足使用要求。Filter Graph构建如下：

    软件开发过程当中，会涉及到许多的Filter，它们分别对应唯一的GUID标识，表1列出了主要的Filter名称以及功能简要说明：

2．2 监控平台
    PC服务器端监控软件的实现相对容易，实现功能比较简单。主要包括视频数据的解压等。相关Filter Graph的建立参考无线移动终端部分，这里不再赘述。

3 测试与验证
    为测试系统的可行性及正确性，搭建如下测试平台：手持移动终端一台、无线路由器(也就是AP)一台、PC机一台(服务器)。无线路由器和PC服务器在局域网内。测试平台实物图如下：

3．1 视频无线实时传输显示
    测试过程如下：
    ·首先分别运行无线终端客户端软件(如图8)，以及PC端服务器监控软件，这时监控软件处于等待客户端连接状态。

    ·设置移动终端WiFi连接；开启DHCP功能，连接AP(如图9)。

    ·AP连接成功之后，会自动分配一个IP地址(如图10)。
    ·建立TCP／IP连接，成功之后，传输视频数据。
    测试效果如图11所示。

    实际测试过程中，以AP为中心，在有效的范围内(大约50m)随意走动，视频都能够流畅地传输显示，达到了现场的使用范围要求。

4 结论
    当前，随着嵌入式技术、数字视频以及无线网络技术的飞速发展，视频监控技术也日趋成熟，并成功运用于电力系统自动化领域。本文设计和开发了基于嵌入式系统Wince和WiFi无线技术的便携式视频传输系统，有如下特点：依靠手持终端，随时随地采集和传输现场图像，突出便携性；采用WiFi无线技术，方便快捷；使用TCP／IP协议传输视频数据，保证了传输的可靠性。
    随着无线传输技术在视频监控系统中的成熟应用，必将增强电力运行的安全和可靠性，对社会经济的发展起重要的作用。