郝真鳴，李躍峰，徐成杰，侯玉彬，梁鐵

（河北大學(xué) 新校區(qū)管理與建設(shè)辦公室，河北 保定 071002）

基于ODMA的校園無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)

郝真鳴，李躍峰，徐成杰，侯玉彬，梁鐵

（河北大學(xué) 新校區(qū)管理與建設(shè)辦公室，河北 保定 071002）

針對高校安全管理的特點(diǎn)，將ODMA（opportunity driven multiple access）技術(shù)引入校園安全監(jiān)控中，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于ODMA的無線視頻監(jiān)控系統(tǒng).系統(tǒng)通過ODMA無線網(wǎng)絡(luò)將終端視頻采集模塊采集到的現(xiàn)場視頻實(shí)時發(fā)送到遠(yuǎn)端的監(jiān)控中心，解決了傳統(tǒng)有線傳輸模式布線復(fù)雜且成本高的問題.經(jīng)過大量的實(shí)驗(yàn)測試，證實(shí)了系統(tǒng)的可行性和穩(wěn)定性.

ODMA；無線視頻監(jiān)控；校園監(jiān)控

由于校園安全監(jiān)控范圍廣，監(jiān)控穩(wěn)定性和實(shí)時性要求高，監(jiān)控信息數(shù)據(jù)量大，因此一套完善的監(jiān)控系統(tǒng)是高效完成校園安全監(jiān)控任務(wù)的必要條件.近年來，國內(nèi)的研究人員針對安全監(jiān)控也進(jìn)行了積極的研究［1-4］.但是，目前的監(jiān)控系統(tǒng)絕大多數(shù)還是采用傳統(tǒng)的有線方式，布線繁雜，成本較高，監(jiān)控范圍受環(huán)境制約大，適應(yīng)能力差，可擴(kuò)展性?。簧贁?shù)采用的無線方式布建的監(jiān)控系統(tǒng)又常常因?yàn)闊o線網(wǎng)絡(luò)帶寬不足導(dǎo)致監(jiān)控視頻無法清晰及時傳輸.針對校園安全管理的需求，本課題組通過深入研究，將ODMA（opportunity driven multiple access）技術(shù)引入校園視頻監(jiān)控中，很好地解決了上述問題.

1 ODMA技術(shù)介紹

ODMA（opportunity driven multiple access，機(jī)會驅(qū)動多址接入）是可以隨機(jī)調(diào)整、智能選徑、多徑并聯(lián)、自組互助、支持高速移動的具有突破性革命的無線寬帶智能有機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù).該技術(shù)在20世紀(jì)80年代，最初由ETSI提出并應(yīng)用于軍事領(lǐng)域.1999年ODMA正式被列入了UMTS（universal mobile telecommunication system）3Gpp標(biāo)準(zhǔn)之一.ODMA作為新興的智能有機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，主要有以下特點(diǎn)：

1）互助機(jī)制.ODMA采用的是基于P2P無線的分布式網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，實(shí)際網(wǎng)絡(luò)中的每一個用戶即構(gòu)成ODMA網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)節(jié)點(diǎn)，可以不需經(jīng)過服務(wù)器或基站等中介處理通訊數(shù)據(jù).特別地，借鑒主動性互助接力通信理念，ODMA利用各節(jié)點(diǎn)以接力方式傳遞數(shù)據(jù)，只要增加節(jié)點(diǎn)即可輕易擴(kuò)大傳輸距離和范圍，減少了對固網(wǎng)的依賴.

2）智能路徑選擇.ODMA能夠決定利用哪些路徑來進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，并選擇最佳的傳播路徑把數(shù)據(jù)通過大隊(duì)接力方式發(fā)送出去.在2個節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行信息傳輸，可能存在多條路徑，ODMA會自動選擇所需發(fā)送功率最小的路徑進(jìn)行傳輸.同時，ODMA系統(tǒng)可將數(shù)據(jù)包分成幾個較小的ODMA數(shù)據(jù)包，并動態(tài)選擇最佳鄰近節(jié)點(diǎn)的空閑信道通過不同的路徑傳輸至目的地，然后再重新將數(shù)據(jù)包在目的地節(jié)點(diǎn)組裝.

3）智能調(diào)頻.ODMA采用多跳轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)，能夠自動判斷所在網(wǎng)絡(luò)狀況，挑選傳輸質(zhì)量最佳的時段傳遞數(shù)據(jù)，傳完即停，隨時等待下一個最佳的機(jī)會傳輸，而非一直占住某頻道提高頻譜的使用效率，實(shí)現(xiàn)了頻譜共享和頻譜共存，從而保證在有限的頻段下提高無線傳輸速率.

4）支持高速移動.在ODMA系統(tǒng)中，可支持節(jié)點(diǎn)高達(dá)300km／h的移動速度.

ODMA相比其他的通信手段，具有以上顯著的優(yōu)點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于安全監(jiān)控、應(yīng)急通信以及各行業(yè)的數(shù)據(jù)傳輸，具有較強(qiáng)的科研和應(yīng)用價值.本文正是基于ODMA技術(shù)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了基于ODMA的校園無線視頻監(jiān)控系統(tǒng).

2 基于ODMA的校園無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)

針對校園視頻監(jiān)控的實(shí)際需求，筆者設(shè)計(jì)了基于ODMA的無線視頻監(jiān)控系統(tǒng).整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示.

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 System structure

本系統(tǒng)主要由終端視頻采集模塊、ODMA網(wǎng)絡(luò)和遠(yuǎn)端的監(jiān)控中心3部分組成.分布在校園各監(jiān)控點(diǎn)的終端視頻采集模塊負(fù)責(zé)實(shí)時采集監(jiān)控范圍內(nèi)的視頻信號，并將視頻信號通過ODMA網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至遠(yuǎn)端的監(jiān)控中心.遠(yuǎn)端的監(jiān)控中心借助ODMA網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)崟r了解到不同監(jiān)控地點(diǎn)的情況，一旦發(fā)現(xiàn)問題，可以迅速做出反應(yīng).

2.1 終端采集模塊設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的終端采集模塊主要由攝像頭、視頻放大器、網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)器和ODMA種子（Seed）4部分組成.具體結(jié)構(gòu)圖如圖2所示.

圖2 終端采集模塊結(jié)構(gòu)Fig.2 Terminal acquisition module structure

本系統(tǒng)，攝像頭實(shí)時采集到視頻信號以后，上傳至視頻放大器.視頻放大器通過將視頻信號放大，實(shí)現(xiàn)視頻清晰度的提升，特別是進(jìn)行遠(yuǎn)距離監(jiān)控的時候，增強(qiáng)視頻信號是十分必要的.視頻信號經(jīng)過視頻放大器放大后，為滿足基于ODMA的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的要求，在系統(tǒng)中使用網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)器將模擬的視頻信號在第一時間進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，同時將轉(zhuǎn)換得到的數(shù)字視頻信號在滿足ODMA網(wǎng)絡(luò)傳輸要求的技術(shù)指標(biāo)下進(jìn)行高壓縮比的編碼.此時，經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)器處理后的視頻信號就能夠通過配備的ODMA種子，借助ODMA網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行高速無線的傳輸.

ODMA種子（Seed）是借助蜂窩網(wǎng)絡(luò)的思想而提出來的.在本系統(tǒng)使用的ODMA種子實(shí)際上就是一個無線終端用戶設(shè)備，通過該設(shè)備將處理壓縮后的數(shù)據(jù)發(fā)送到遠(yuǎn)端的監(jiān)控中心.

2.2 ODMA網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

由于本監(jiān)控系統(tǒng)要求同時實(shí)現(xiàn)移動視頻監(jiān)控和固定點(diǎn)視頻監(jiān)控的功能，因此筆者設(shè)計(jì)了一種分布式集中的ODMA網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖3所示.

根據(jù)校區(qū)的實(shí)際地形和建筑分布情況，本系統(tǒng)先局部分散采集各自工作范圍內(nèi)的視頻信號，然后將各局部視頻信號統(tǒng)一通過有光纜和無光纜2種方式傳入系統(tǒng)遠(yuǎn)端監(jiān)控中心.其中有光纜的方式是在校園網(wǎng)絡(luò)前期建設(shè)的基礎(chǔ)，復(fù)用了已有的光纜；無光纜的方式則是完全通過系統(tǒng)各種子節(jié)點(diǎn)構(gòu)建的ODMA網(wǎng)絡(luò)，通過大隊(duì)接力方式進(jìn)行無線傳輸.這種分布式集中的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)既降低了無線網(wǎng)絡(luò)負(fù)載，減輕了通信壓力，提高了數(shù)據(jù)傳輸效率，又考慮到了如何將已有傳輸設(shè)施再利用的問題.

系統(tǒng)內(nèi)分布的各監(jiān)控點(diǎn)作為ODMA網(wǎng)絡(luò)的固定種子節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)完成整個ODMA網(wǎng)絡(luò)的無線視頻傳輸任務(wù).這些固定種子節(jié)點(diǎn)是比普通節(jié)點(diǎn)復(fù)雜一些的無線中繼設(shè)備，它們關(guān)系是對等的，通過無線的方式相互連接，互相通信，構(gòu)成覆蓋整個監(jiān)控范圍的ODMA核心網(wǎng).由于種子節(jié)點(diǎn)不需要有大的覆蓋面積，因此在ODMA網(wǎng)絡(luò)中只要部署少量的種子節(jié)點(diǎn).在本文，綜合考慮校園規(guī)模和ODMA網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍，總共布置了16個視頻監(jiān)控點(diǎn).

圖3 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.3 System network topology structure

2.3 遠(yuǎn)端監(jiān)控平臺

考慮到本校在校園安全管理實(shí)際的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的監(jiān)控平臺.監(jiān)控中心工作人員通過監(jiān)控平臺提供的人機(jī)交互界面實(shí)現(xiàn)對校園安保的集成化管理.下圖4是監(jiān)控平臺工作流程圖.

圖4 監(jiān)控平臺工作流程Fig.4 Flow chart of monitor platform

系統(tǒng)設(shè)計(jì)的監(jiān)控中心交互界面通過ODMA網(wǎng)絡(luò)接收前端發(fā)送的數(shù)字視頻信號，然后經(jīng)過必要的視頻解碼解壓等處理后，再進(jìn)行必要的畫質(zhì)渲染調(diào)整，即可對遠(yuǎn)端監(jiān)控現(xiàn)場進(jìn)行多畫面實(shí)時播放.另外根據(jù)校區(qū)實(shí)際的安全監(jiān)管情況，監(jiān)控中心通過該用戶界面可以支持每部計(jì)算機(jī)同時監(jiān)看系統(tǒng)內(nèi)所有16路視頻，必要情況下還可對監(jiān)控畫面進(jìn)行必要的畫質(zhì)調(diào)整、實(shí)時錄像、圖像抓拍和圖像存儲，滿足了校園安全管理的要求.系統(tǒng)實(shí)際的用戶界面如圖5所示.

系統(tǒng)管理員或者一般用戶可以通過該軟件以不同的權(quán)限對所有監(jiān)控點(diǎn)同時進(jìn)行監(jiān)看.同時由于系統(tǒng)內(nèi)每個監(jiān)控點(diǎn)都分配了固定的IP地址，管理人員還可以通過ODMA無線網(wǎng)絡(luò)使用IE瀏覽器就可以查看指定監(jiān)控點(diǎn)的視頻.特別的，本系統(tǒng)監(jiān)控中心還配備了由16臺電視組成的電視墻，電視墻實(shí)時顯示各監(jiān)控點(diǎn)傳來的現(xiàn)場情況，管理人員可以更為清晰直觀地進(jìn)行監(jiān)控工作，如圖6所示.

圖5 監(jiān)控軟件用戶界面Fig.5 User interface of monitoring software

圖6 監(jiān)控中心電視墻Fig.6 TV wall of monitoring center

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

設(shè)計(jì)開發(fā)的基于ODMA無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)通過在河北大學(xué)科技教育園區(qū)現(xiàn)場進(jìn)行反復(fù)測試實(shí)驗(yàn)，已經(jīng)完成了所有研發(fā)工作，并已正式投入使用.

系統(tǒng)根據(jù)校區(qū)實(shí)際的現(xiàn)場環(huán)境狀況，考慮到ODMA網(wǎng)絡(luò)典型覆蓋范圍，合理布置了16個室外視頻監(jiān)控點(diǎn)，并且為每個點(diǎn)都分配了相應(yīng)的IP地址，確保全面地高質(zhì)量完成校區(qū)監(jiān)控.實(shí)際的室外監(jiān)控布點(diǎn)和具體的IP如圖7所示.

圖7 室外監(jiān)控布點(diǎn)Fig.7 Stationing figure of outdoor monitor

圖7所示，室外所有ODMA種子均經(jīng)過網(wǎng)線或光纖2種方式匯總至B3樓，并在B3樓設(shè)置ODMA網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器1臺，B3樓實(shí)際上就是系統(tǒng)的監(jiān)控中心.這16個監(jiān)控點(diǎn)的視頻信息實(shí)時通過ODMA網(wǎng)絡(luò)傳入本系統(tǒng)監(jiān)控中心（B3樓），監(jiān)控人員可以在室內(nèi)外隨時查看各個監(jiān)控點(diǎn)的情況.

本系統(tǒng)的每個室外監(jiān)控點(diǎn)都配備了本系統(tǒng)研發(fā)的終端采集模塊，在整個ODMA網(wǎng)絡(luò)中作為不同的固定種子節(jié)點(diǎn)，完成現(xiàn)場視頻信息的無線傳輸.實(shí)物如圖8所示.

圖8 室外ODMA種子節(jié)點(diǎn)Fig.8 Outdoor ODMA seed node

校區(qū)內(nèi)ODMA節(jié)點(diǎn)的合理布置，改善了無線網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍，很好地實(shí)現(xiàn)了校區(qū)的全面監(jiān)控.特別地，由于ODMA傳輸帶寬可達(dá)2Mbps以上，因此可以很好的解決普通無線網(wǎng)絡(luò)常因帶寬不足，導(dǎo)致視頻無法清晰的傳送或是視頻延遲的問題，確保了視頻信息在整個監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)內(nèi)無丟失或延遲.圖9為本系統(tǒng)在相同時刻通過傳統(tǒng)的光纜傳輸?shù)默F(xiàn)場監(jiān)控視頻與通過ODMA網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)默F(xiàn)場監(jiān)控視頻進(jìn)行顯示對比.

圖9 基于ODMA無線傳輸與傳統(tǒng)有線傳輸?shù)囊曨l對比Fig.9 Contrast of video transmission based on ODMA and traditional wire transmission

由圖9可以看出基于ODMA網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)囊曨l圖像質(zhì)量較清晰，無延遲，視頻圖像穩(wěn)定抗干擾能力強(qiáng).

為驗(yàn)證本系統(tǒng)實(shí)際使用的可行性和可靠性，本文進(jìn)行了相應(yīng)的測試工作.為直觀客觀反映本無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)各個位置網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)男阅芤约肮?jié)點(diǎn)移動時候的無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋情況，用配備了ODMA用戶終端設(shè)備的筆記本電腦分別在系統(tǒng)覆蓋范圍內(nèi)的室內(nèi)以及戶外依次ping各監(jiān)控點(diǎn)ODMA種子的IP地址，記錄各監(jiān)控點(diǎn)ping值平均值大小，并且使用筆記本分別在室內(nèi)以及戶外依次瀏覽視頻監(jiān)控畫面，觀測監(jiān)控畫面是否流暢清晰.在現(xiàn)實(shí)通信網(wǎng)絡(luò)中Ping是一個十分好用的TCP／IP工具，其主要的功能是用來檢測網(wǎng)絡(luò)的連通情況以及分析網(wǎng)絡(luò)連接速度.表1為本系統(tǒng)16個監(jiān)控點(diǎn)實(shí)際的網(wǎng)絡(luò)性能測試數(shù)據(jù).

表1 系統(tǒng)各監(jiān)控點(diǎn)實(shí)際網(wǎng)絡(luò)性能測試數(shù)據(jù)Tab.1 Actual network performance test data of the system monitory point

根據(jù)以上測試，本系統(tǒng)無線覆蓋范圍內(nèi)的各監(jiān)控點(diǎn)室內(nèi)ping值平均值＜30ms，室外ping值平均值＜20ms，各點(diǎn)視頻圖像傳輸順暢清晰，表明基于ODMA網(wǎng)絡(luò)的無線視頻傳輸性能完全能夠滿足正常的校園安全監(jiān)控的需要.

4 總結(jié)

針對校園安全管理的特點(diǎn)，在深入研究ODMA技術(shù)的基礎(chǔ)上，將ODMA技術(shù)引入校園視頻監(jiān)控中，成功設(shè)計(jì)了基于ODMA的校園無線視頻監(jiān)控系統(tǒng).本系統(tǒng)很好地解決了有線監(jiān)控方式帶來的現(xiàn)場布線復(fù)雜、建設(shè)成本高、建設(shè)周期長等問題.通過大量現(xiàn)場實(shí)際測試表明，本系統(tǒng)視頻傳輸速度快，清晰度高，穩(wěn)定性好，具有較強(qiáng)抗干擾能力，完全能夠滿足校園視頻監(jiān)控的要求.目前本系統(tǒng)已通過專家組的工程驗(yàn)收，正式在河北大學(xué)科技教育園區(qū)投入使用，系統(tǒng)至今運(yùn)行穩(wěn)定正常.

［1］呂瀟超，侯增選.基于C／S結(jié)構(gòu)的數(shù)字視頻監(jiān)控軟件［J］.科學(xué)技術(shù)與工程，2007（9）：1894-1898.

［2］黃守明，馬克和.基于嵌入式Internet的智能校園監(jiān)控系統(tǒng)［J］.滁州學(xué)院學(xué)報，2007，9（6）：36-38.

［3］趙佐民，林瑋，潘唐賢.校園監(jiān)控的綜合應(yīng)用研究［J］.自動化與信息工程，2008（1）：26-29.

［4］陳華智.校園監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)及智能化發(fā)展趨勢［J］.中國安防，2008（8）：54-57.

Wireless Video Monitoring System in Campus Based on ODMA

HAO Zhen-ming，LI Yue-feng，XU Cheng-jie，HOU Yu-bin，LIANG Tie
（New Campus Construction and Management Office，Hebei University，Baoding 071002，China）

Deeply research has been down in ODMA technology.Due to the characters of safe management in campus，the article introduces ODMA technology to the campus safe monitoring.Designed and realized a wireless video monitoring system based on ODMA.The system transmits present video which is collected by video capture device terminal to the monitoring center by ODMA wireless network in time.It gives a solution to the traditional wire transmit form that is complicated for designing the distribution and high cost.Through plenty of experiment tests，it is confirmed that the system is reliable and stable.

ODMA；wireless video monitoring；campus monitoring

TP 277

A

1000-1565（2011）05-0538-06

2011-07-12

校企合作項(xiàng)目

郝真鳴（1964-），男，山西壽陽人，河北大學(xué)高級工程師，主要從事自動化控制、管理等方向研究.

E-mail：hbdxhzm＠163.com

孟素蘭）