【無線移動(dòng)WiFi系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)9400字（論文）】

iv無線移動(dòng)WiFi系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)目錄TOC\o"1-3"\h\u15025第一章引言 116877第二章WIFI無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù) 119471第三章無線移動(dòng)WIFI系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì) 3217863.1應(yīng)用需求分析 3283753.1.1支持4G和WIFI兩種網(wǎng)絡(luò)接入方式 3167603.1.2低延時(shí)視頻傳輸 3283443.1.3高清畫面顯示 3106203.1.4程控移動(dòng)部署 4235073.2系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 4241543.3硬件設(shè)計(jì)方案 514913.3.1主控制器選型 5202683.3.22.4G模組選型 733313.3.3單片機(jī)選型 7149183.3.4攝像頭及其他傳感器選型 884033.4軟件設(shè)計(jì)方案 931260第四章無線移動(dòng)WIFI系統(tǒng)實(shí)現(xiàn) 10326724.1音視頻傳輸模塊實(shí)現(xiàn) 10210964.1.1音頻采集和傳輸 10106954.1.2視頻采集和傳輸 1119054.2即時(shí)通訊模塊實(shí)現(xiàn) 1226354.3云端服務(wù)器實(shí)現(xiàn) 1463104.3.1流媒體轉(zhuǎn)發(fā)方案 14106374.3.2傳感器數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)方案 142294.4監(jiān)控端控制軟件實(shí)現(xiàn) 15253214.4.1界面設(shè)計(jì)方案 15128384.4.2解碼方案 167234第五章結(jié)語 1628521參考文獻(xiàn) 18第一章引言在迅速發(fā)展的信息社會(huì)中，各部門的安全意識(shí)都在提高，因此安全措施的重要性越來越明顯，在人們的日常生活和生產(chǎn)中發(fā)揮著重要作用。目前，較為普遍的傳統(tǒng)安防安全手段主要采用固定控制格式，往往在金融機(jī)構(gòu)、交通運(yùn)輸和地鐵等移動(dòng)視頻監(jiān)控需求較低的場(chǎng)所使用。在這種情況下，監(jiān)控系統(tǒng)采用有線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸，其優(yōu)點(diǎn)是可以有效減少視頻傳輸延遲，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸圖像的高清晰度；但其缺點(diǎn)也很明顯，不同地點(diǎn)的監(jiān)控只能通過云層的旋轉(zhuǎn)來進(jìn)行，而對(duì)于工廠、電力、救災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)等場(chǎng)景，如流動(dòng)性視頻監(jiān)控急需的場(chǎng)景，傳統(tǒng)安全難以實(shí)現(xiàn)有效控制。目前，市場(chǎng)上出現(xiàn)了移動(dòng)控制系統(tǒng)，如移動(dòng)鐘表方舟，通過高速掛車和支持接入3G/4G/WiFi和LTN等網(wǎng)絡(luò)的升降桅桿實(shí)現(xiàn)。為解決傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)和移動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)如移動(dòng)哨兵的不足，滿足社會(huì)發(fā)展對(duì)更高反手段功能和性能的需求，本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于4G/WiFi的移動(dòng)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用履帶式自動(dòng)駕駛儀進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，其特點(diǎn)是可以實(shí)現(xiàn)高清晰度圖像低延時(shí)的遠(yuǎn)程傳輸質(zhì)量，還可以利用多路復(fù)用實(shí)時(shí)傳感器監(jiān)測(cè)小車運(yùn)行進(jìn)度，提高系統(tǒng)安全性。可以使用諸如電力系統(tǒng)監(jiān)控、火災(zāi)和地震等自然災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)拍攝以及工廠或危險(xiǎn)地區(qū)的視頻監(jiān)控等場(chǎng)景。第二章WIFI無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)互聯(lián)網(wǎng)接入方案采用移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)、有線網(wǎng)絡(luò)和無線網(wǎng)絡(luò)（WirelessFidelity，WiFi）等方法。電纜網(wǎng)絡(luò)以光纜或網(wǎng)絡(luò)連接互聯(lián)網(wǎng)，不利于移動(dòng)防護(hù)設(shè)備的操作，所以我們選擇移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)和無線網(wǎng)絡(luò)作為設(shè)備的連接方式。第五代移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)（5TH-Generation，5G）目前正在引進(jìn)，但4G移動(dòng)通信技術(shù)在市場(chǎng)上仍占主導(dǎo)地位。在移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)中，設(shè)備和互聯(lián)網(wǎng)之間的數(shù)據(jù)傳輸分為“向上”和“向下”，如圖2.1所示，移動(dòng)設(shè)備通過4G模塊實(shí)現(xiàn)設(shè)備和基站之間的上行和下行通信。圖2.14G網(wǎng)絡(luò)流程圖圖2.1（a）是4G網(wǎng)絡(luò)的上行傳輸過程，如圖2所示。2.1（b）是一種下行網(wǎng)絡(luò)傳輸方案。具體而言，Enb指出基站、S-GW網(wǎng)關(guān)主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)傳輸?shù)那袚Q，P-GW作為互聯(lián)網(wǎng)連接網(wǎng)關(guān)，主要負(fù)責(zé)終端IP地址的分配，并提供IP路由及其轉(zhuǎn)發(fā)。例如，當(dāng)連接到Internet服務(wù)器時(shí)，終端將根據(jù)IP協(xié)議關(guān)閉IP數(shù)據(jù)包，該協(xié)議設(shè)計(jì)用于網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器地址、源UE地址和將IP數(shù)據(jù)包傳輸?shù)交荆‥nb）?；驹诿芊馇皩?shù)據(jù)發(fā)送到S-GW網(wǎng)關(guān)，以便設(shè)置基站地址、基站源地址和隧道ULS1-TEID。打開S-GW網(wǎng)關(guān)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇-GW網(wǎng)關(guān)時(shí)，外部消息地址更改為P-GW地址，其原始地址更改為S-GW地址，以便通過ULS5-TEID隧道傳輸。數(shù)據(jù)到達(dá)P-GW后，網(wǎng)關(guān)對(duì)象進(jìn)行數(shù)據(jù)表示分析，分析數(shù)據(jù)表示目標(biāo)的真實(shí)地址，即。E.教育網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器的IP地址和源地址（UE地址），在頂部執(zhí)行整個(gè)數(shù)據(jù)傳輸過程。下行數(shù)據(jù)傳輸與上行數(shù)據(jù)傳輸相反。對(duì)于WiFi無線網(wǎng)絡(luò)，互聯(lián)網(wǎng)連接過程與光纖、路由等硬件的質(zhì)量密切相關(guān)。D。目前，如圖2.2所示，家庭WiFi無線網(wǎng)絡(luò)連接到OLT為運(yùn)營商提供通信網(wǎng)絡(luò)管理工具的網(wǎng)絡(luò)。以移動(dòng)電話等終端設(shè)備為例，按照以太網(wǎng)幀格式，將數(shù)據(jù)通過路由器連接到非活動(dòng)分光器后的數(shù)據(jù)封存到OLT上一個(gè)通道，然后OLT通過交換機(jī)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)。圖2.2WIFI網(wǎng)絡(luò)流程圖如圖2.1和圖2.2所示，運(yùn)營商提供4G互聯(lián)網(wǎng)和WiFi無線網(wǎng)絡(luò)連接。對(duì)于移動(dòng)反設(shè)備，最重要的網(wǎng)絡(luò)連接參數(shù)是帶寬上下的帶寬，包括用于音頻視頻數(shù)據(jù)流的移動(dòng)終端，以及傳感器數(shù)據(jù)的加載，包括用于云傳輸訂閱的移動(dòng)終端。第三章無線移動(dòng)WIFI系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)3.1應(yīng)用需求分析傳統(tǒng)的安防僅限于其固定的控制位置和單一的控制功能等，無法滿足未來社會(huì)新的安全需求。在一些工廠、供電設(shè)施和救災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)，為了提供完整的畫面和高質(zhì)量的監(jiān)控，必須建立移動(dòng)、高質(zhì)量、遙控的視頻監(jiān)控系統(tǒng)。因此，系統(tǒng)開發(fā)所需的功能和操作要求如下：3.1.1支持4G和WIFI兩種網(wǎng)絡(luò)接入方式在移動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)中，網(wǎng)絡(luò)條件很容易改變，根據(jù)不同的網(wǎng)絡(luò)條件選擇不同的網(wǎng)絡(luò)訪問方式可以使系統(tǒng)更加靈活，適用于不同的場(chǎng)景。3.1.2低延時(shí)視頻傳輸視頻傳輸作為安全系統(tǒng)的核心技術(shù)，為了提高系統(tǒng)的控制效率，需要采用低延遲視頻傳輸方案。本系統(tǒng)通過視頻采集傳輸進(jìn)行了優(yōu)化，需要滿足實(shí)時(shí)傳輸?shù)囊?，即傳輸延時(shí)小于1s。3.1.3高清畫面顯示目前，市場(chǎng)上真正的視頻傳輸系統(tǒng)一般采用480P的畫面質(zhì)量，但對(duì)于無線移動(dòng)DRW安全系統(tǒng)來說，480P的質(zhì)量控制很低，顯示屏容易造成模糊圖像，為了提高監(jiān)控質(zhì)量，系統(tǒng)必須滿足高質(zhì)量（1080P）的傳輸和顯示。3.1.4程控移動(dòng)部署傳統(tǒng)的安防系統(tǒng)瓶頸已經(jīng)設(shè)置位置控制，只能調(diào)整攝像頭位置，容易造成死角控制。為了實(shí)現(xiàn)完全控制，系統(tǒng)需要高機(jī)動(dòng)性，也需要遠(yuǎn)程操作的支持，無論距離多遠(yuǎn)，都可以在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中實(shí)現(xiàn)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的控制。3.2系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)目前，常規(guī)視頻監(jiān)控系統(tǒng)通過路由或互聯(lián)網(wǎng)線路等物理手段接入網(wǎng)絡(luò)，該程序?qū)σ曨l傳輸具有空間距離限制。為滿足遠(yuǎn)程位移控制系統(tǒng)的需要，系統(tǒng)整體采用體系結(jié)構(gòu)的“端對(duì)云—端”，即移動(dòng)終端和控制端通過云南通信服務(wù)器，采用“端對(duì)云—端”體系結(jié)構(gòu)，其優(yōu)點(diǎn)是移動(dòng)終端如果處于包圍狀態(tài)，可以正常工作，那里有一個(gè)運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)。終端、云端和控制端之間的數(shù)據(jù)傳輸基于RTP協(xié)議和MQTT協(xié)議，如圖3.1所示。圖3.1系統(tǒng)整體框架如圖所示，整個(gè)系統(tǒng)由三個(gè)組成部分組成：1）移動(dòng)終端：采用履帶式手推車在遠(yuǎn)程移動(dòng)控制系統(tǒng)上進(jìn)行聲音視頻和傳感器數(shù)據(jù)采集，以及外部單片機(jī)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制；2）云南服務(wù)器：采用阿里云ECS體系結(jié)構(gòu)服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；3）控制端：控制端通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制，開發(fā)軟件接口，實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器圖像和數(shù)據(jù)的高實(shí)時(shí)清晰度，并接收操作命令和發(fā)送遠(yuǎn)程控制包。圖3.2顯示了移動(dòng)終端的架構(gòu)、云端、監(jiān)視器端，以及設(shè)備通過4G或WiFi連接到Internet和數(shù)據(jù)通過基站傳輸?shù)皆频耐ㄐ藕蛿?shù)據(jù)類型。特別是移動(dòng)終端使用OK6818板，通過串行通信傳感器、單片機(jī)等外部設(shè)備進(jìn)行軟件開發(fā)、數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)運(yùn)動(dòng)控制。D。移動(dòng)終端作為系統(tǒng)對(duì)象，分為音頻和視頻流模塊和即時(shí)通信模塊。具體來說，媒體流模塊負(fù)責(zé)音頻和視頻數(shù)據(jù)的采集和傳輸，即時(shí)通信模塊負(fù)責(zé)傳感器數(shù)據(jù)的采集和傳輸，并接收從云端到控制團(tuán)隊(duì)的傳輸，并通過串口將其發(fā)送到單片機(jī)執(zhí)行相關(guān)操作。傳感器基本完成了手推車的位置和位置信息的確定，包括當(dāng)前GPS坐標(biāo)、當(dāng)前能量量、方位信息等。圖3.2遠(yuǎn)程移動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)云端服務(wù)器主要分為媒體程序音頻視頻流和即時(shí)通信模塊，其中媒體程序音頻視頻流通過編寫JavaScript腳本實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，即時(shí)通信模塊通過創(chuàng)建MQTT終端實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。在顯示器的末端可以使用PC或筆記本電腦，用QT軟件開發(fā)控制端軟件，包括媒體的音頻和視頻流以及即時(shí)通訊程序。負(fù)責(zé)監(jiān)控媒體流數(shù)據(jù)端口的音頻視頻流程序發(fā)送到解碼器進(jìn)行解碼和播放。即時(shí)通訊程序跟進(jìn)有關(guān)的數(shù)據(jù)接收端口，分析疏散情況及顯示界面，并收集密封杠桿的資料，以執(zhí)行派遞控制指令至流動(dòng)終端機(jī)完成手推車控制。系統(tǒng)整體采用嵌入式ARM+Linux解決方案對(duì)C++編程語言的軟件進(jìn)行編碼，包括移動(dòng)終端軟件、終端控制程序、硬件以ARM晶體為主要控制晶體，連接到外部配置以形成硬件。下面詳細(xì)分析了系統(tǒng)硬件和軟件的設(shè)計(jì)方案。3.3硬件設(shè)計(jì)方案該系統(tǒng)由移動(dòng)終端、云服務(wù)器和控制端三部分組成。云源服務(wù)器是網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，供應(yīng)商負(fù)責(zé)服務(wù)器硬件，控制終端可以使用PC或筆記本電腦，因此硬件設(shè)計(jì)主要考慮了移動(dòng)終端系統(tǒng)的需求。由于系統(tǒng)需要連接到各種傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，考慮到系統(tǒng)的開發(fā)難度和擴(kuò)展能力，系統(tǒng)采用嵌入式開發(fā)面板作為軟件開發(fā)的主控制器。因此，系統(tǒng)硬件主要涉及主控制器、4G模塊、單片機(jī)和所需傳感器類型的選擇。3.3.1主控制器選型WFI無線移動(dòng)安全系統(tǒng)的核心技術(shù)是圖像數(shù)據(jù)的采集和傳輸。因此，主控制器芯片必須具有強(qiáng)大的圖像數(shù)據(jù)處理能力，尤其是高分辨率的圖像數(shù)據(jù)處理能力。同時(shí)，由于主控制器芯片必須連接各種外圍設(shè)備進(jìn)行IO管理，因此主控制器的選擇必須考慮控制器的可擴(kuò)展性和操作系統(tǒng)的兼容性。由于圖像數(shù)據(jù)量大，具有良好圖像數(shù)據(jù)處理能力的芯片結(jié)構(gòu)通常比較差或采用DSP。Hisilicon的hikey970和ok6818開發(fā)平臺(tái)在操作系統(tǒng)兼容性和可擴(kuò)展性方面提供了卓越的綜合性能和優(yōu)于其他兩款處理器的性能。Hikey970采用4核armCortex-a73和4核armCortex-a53，獨(dú)立的NPU單元，運(yùn)算能力強(qiáng)。但由于系統(tǒng)的核心是實(shí)現(xiàn)安防應(yīng)用產(chǎn)品的遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控功能，無需NPU參與圖像數(shù)據(jù)處理，因此hikey970與系統(tǒng)的需求不高，開發(fā)板的市場(chǎng)價(jià)格通常在2000元以上，成本較高。因此，考慮到產(chǎn)品、功耗和成本等因素，系統(tǒng)選擇ok6818開發(fā)板作為開發(fā)的主控制器。圖3.3OK6818示意圖ok6818開發(fā)板的接口資源和開發(fā)板計(jì)劃如圖3.3所示。開發(fā)板采用8核armCortex-a53架構(gòu)。在數(shù)據(jù)處理性能方面，主頻達(dá)到1.4GHz，支持圖形加速和硬件編解碼，具有良好的圖形數(shù)據(jù)處理能力，能夠滿足系統(tǒng)對(duì)圖像數(shù)據(jù)采集和傳輸?shù)囊蟆k6818開發(fā)板不僅提供系統(tǒng)所需的UART、USB、迷你PCIe、IIC、音頻、千兆網(wǎng)絡(luò)等接口，還可以通過外部攝像頭、傳感器等外圍設(shè)備進(jìn)行擴(kuò)展和開發(fā)。同時(shí)支持HDMI、mipidsi、mipicsi等硬件擴(kuò)展接口。此外，ok6818支持LVDS接口連接LCD顯示屏，方便用戶基于QT軟件開發(fā)接口。在該系統(tǒng)中，它可以用于圖像和傳感器數(shù)據(jù)的本地顯示。3.3.22.4G模組選型ok6818開發(fā)板集成了rtl8923WiFi芯片，提供WiFi服務(wù)。然而，為了提高其網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展能力，4G模塊也用于網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展。由于不同地區(qū)運(yùn)營商的網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量不同，所有網(wǎng)通4G模塊都能更好地適應(yīng)不同地區(qū)的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。由于該系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)必須通過Linux操作系統(tǒng)完成，因此必須考慮不同操作系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)程序移植效果。因此，模塊me909s-821和l860gl適合在Linux系統(tǒng)中移植。然而，l860gl模塊的接口相對(duì)單一，適合工業(yè)控制。Ok6818開發(fā)板支持迷你PCIe接口和外部4G模塊。因此，選擇me909s-821模塊不僅可以保證網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量的穩(wěn)定性，而且可以降低系統(tǒng)開發(fā)的難度。因此，本文在硬件上選擇了me909s-821模塊來提供4G網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。3.3.3單片機(jī)選型在該系統(tǒng)中，單片機(jī)負(fù)責(zé)履帶車的能量系統(tǒng)以及避障和落線處理功能。目前常用的51單片機(jī)包括Arduino、覆盆子蛋糕、STM32和51duno。該系統(tǒng)對(duì)單片機(jī)的性能要求不高?？蛇M(jìn)行動(dòng)作控制，操作簡單?？紤]到功耗和成本的問題，51duno單片機(jī)是一款專為機(jī)器人、無人機(jī)等應(yīng)用而設(shè)計(jì)的具有高度開源性的單片機(jī)，可以移植到各種系統(tǒng)中進(jìn)行二次開發(fā)。此外，51duinoMCU可以提供豐富的外圍接口，方便避障傳感器和MCU之間的串行通信。因此，本文采用51duino提供電源系統(tǒng)、避障、落線處理等功能。51duino的接口和開發(fā)板圖如圖3.4所示。圖3.451duino示意圖3.3.4攝像頭及其他傳感器選型市場(chǎng)上有許多類型的攝像頭模塊。由于系統(tǒng)采用H264編碼格式進(jìn)行視頻編碼以減少網(wǎng)絡(luò)負(fù)載，因此選擇具有H264硬編碼功能的攝像頭模塊可以顯著降低系統(tǒng)的開發(fā)難度，減少傳輸延遲。在選擇攝像頭模塊時(shí)，主要考慮模塊的編碼格式、幀速率、分辨率和接口信息。最后，本系統(tǒng)采用瑞爾衛(wèi)視提供的rer-usb3mp01h-ls29攝像機(jī)作為圖像采集系統(tǒng)。攝像機(jī)不僅可以輸出H264格式的硬件編碼圖像數(shù)據(jù)，方便用戶處理和傳輸圖像數(shù)據(jù)，還可以提供另一種可能的原始圖像數(shù)據(jù)（RGB格式）輸出，方便用戶執(zhí)行多種視頻處理功能。例如，在這個(gè)系統(tǒng)中，我們可以使用來自原始圖像輸出路徑的數(shù)據(jù)進(jìn)行本地顯示。除了主控制器、4G模塊、MCU和攝像頭之外，其他傳感器也可以使用市場(chǎng)上常見的型號(hào)。移動(dòng)終端系統(tǒng)中的硬件概覽圖以及每個(gè)傳感器與主板s5p6818之間的接口關(guān)系如圖3.5所示。圖3.5移動(dòng)終端硬件總覽圖3.4軟件設(shè)計(jì)方案由于移動(dòng)終端系統(tǒng)的軟件實(shí)現(xiàn)涉及復(fù)雜的編碼，如軟硬件交互、網(wǎng)絡(luò)通信、圖像顯示和多通道IO管理，因此有必要使用操作系統(tǒng)提供驅(qū)動(dòng)程序、IO和其他管理，并提供網(wǎng)絡(luò)協(xié)議支持。云服務(wù)器和監(jiān)控端可以使用自己的Ubuntu和Windows操作系統(tǒng)，因此，有必要在移動(dòng)終端中選擇合理的操作系統(tǒng)來提供軟件編碼平臺(tái)。系統(tǒng)需要在室外長期監(jiān)控，因此有必要確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性?？紤]到操作系統(tǒng)的開源效應(yīng)和資源分配，最好使用Linux操作系統(tǒng)進(jìn)行軟件開發(fā)。Linux操作系統(tǒng)不僅是開源的、量身定制的，還可以提供相關(guān)的串口驅(qū)動(dòng)、IO管理、TCPIP網(wǎng)絡(luò)服務(wù)等功能，降低系統(tǒng)開發(fā)難度，方便用戶多次開發(fā)，提高系統(tǒng)功能。而且資源消耗少，適合在嵌入式設(shè)備中長期運(yùn)行。整個(gè)軟件采用端云端架構(gòu)，移動(dòng)端使用Linux操作系統(tǒng)，云端使用Ubuntu操作系統(tǒng)，監(jiān)控端使用Windows操作系統(tǒng)進(jìn)行軟件開發(fā)。移動(dòng)終端與監(jiān)控終端之間的數(shù)據(jù)通信通過云服務(wù)器的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)實(shí)現(xiàn)。移動(dòng)終端、監(jiān)控終端和云服務(wù)器的軟件功能結(jié)構(gòu)如下：1）移動(dòng)設(shè)備：移動(dòng)設(shè)備的主要功能是完成數(shù)據(jù)采集和傳輸。軟件系統(tǒng)分為兩個(gè)模塊，音視頻傳輸模塊和即時(shí)通訊模塊。音頻和視頻傳輸模塊負(fù)責(zé)音頻和視頻數(shù)據(jù)的采集和傳輸，即時(shí)消息模塊負(fù)責(zé)傳感器和控制命令的采集和傳輸。主控制器接收到控制命令后，通過串行接口將其發(fā)送到電源系統(tǒng)模塊，以執(zhí)行相應(yīng)的操作；2）云服務(wù)器：云服務(wù)器的主要功能是完成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，所以主要分為兩個(gè)模塊：流媒體數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)模塊和即時(shí)通訊服務(wù)模塊。系統(tǒng)在后臺(tái)使用JavaScript腳本實(shí)時(shí)監(jiān)控流媒體通信端口，執(zhí)行單向數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)（從移動(dòng)終端到監(jiān)控終端），并使用MOSQUITO服務(wù)器程序監(jiān)控mqtt協(xié)議端口，完成信息的雙向接收和發(fā)布（移動(dòng)終端訂閱控制命令，監(jiān)控終端訂閱傳感器信息）；3）監(jiān)控端：監(jiān)控端主要通過監(jiān)控端接口軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收、顯示和控制命令的采集。其中，音頻數(shù)據(jù)在接收后在聲卡上播放，圖像和傳感器數(shù)據(jù)在接收后發(fā)送到顯示器，圖像和數(shù)據(jù)通過接口軟件實(shí)時(shí)顯示。同時(shí)，接口軟件必須完成對(duì)鍵盤、鼠標(biāo)、搖桿等外圍設(shè)備的數(shù)據(jù)采集，將其打包成控制命令，并發(fā)送到移動(dòng)終端的即時(shí)通訊模塊進(jìn)行汽車控制。圖3.6遠(yuǎn)程移動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)軟件架構(gòu)圖第四章無線移動(dòng)WIFI系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)4.1音視頻傳輸模塊實(shí)現(xiàn)為了滿足系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)傳輸效果的要求，本文采用了常用的實(shí)時(shí)傳輸協(xié)議（RTP協(xié)議）對(duì)音頻和圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝和傳輸。4.1.1音頻采集和傳輸考慮到音頻數(shù)據(jù)量小于視頻數(shù)據(jù)量，在低延遲傳輸?shù)那闆r下，我們可以使用兩個(gè)通道來傳輸音頻和視頻數(shù)據(jù)。在音頻處理過程中，系統(tǒng)使用ffmpeg流媒體工具采集和傳輸音頻數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)的音頻數(shù)據(jù)使用AAC編碼格式和RTP協(xié)議進(jìn)行實(shí)時(shí)流傳輸。廣泛使用的RTP流媒體工具ffmpeg可以為音頻傳輸系統(tǒng)提供完整的數(shù)據(jù)采集、編碼和流媒體功能。本文使用ffmpeg工具處理音頻數(shù)據(jù)，流程如圖3.7所示。圖3.7FFmpeg音頻處理流程4.1.2視頻采集和傳輸經(jīng)以上分析，該系統(tǒng)是基于Linux操作系統(tǒng)進(jìn)行軟件開發(fā)的。Linux內(nèi)核提供了名為v4l2（videoforLinux2）的圖像捕獲規(guī)范和視頻處理框架。該框架可以為Linux應(yīng)用層提供底層設(shè)備操作的API。因此，該框架可用于不同類型的相機(jī)設(shè)備的應(yīng)用層開發(fā)，大大簡化了開發(fā)過程，具有很強(qiáng)的系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化能力。視頻傳輸使用RTP協(xié)議進(jìn)行傳輸。由于RTP協(xié)議封裝了基于UDP協(xié)議的應(yīng)用層，因此必須使用第三方RTP協(xié)議的開源函數(shù)庫進(jìn)行開發(fā)。應(yīng)用層軟件是通過調(diào)用API編寫的。視頻捕獲和傳輸?shù)捏w系結(jié)構(gòu)如圖3.8所示。圖3.8視頻采集傳輸架構(gòu)第三方RTP協(xié)議的開源庫使用jrtplib函數(shù)庫。與其他第三方函數(shù)庫（如live555）相比，jrtplib函數(shù)庫的優(yōu)勢(shì)如下：1）良好的面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)，易于擴(kuò)展；2）傳輸性能好。Jrtplib函數(shù)庫可以提供多線程傳輸，特別是用于采集多通道攝像機(jī)數(shù)據(jù)，通過多線程建立不同的RTP會(huì)話，并使用輪詢機(jī)制和選擇模式處理多通道數(shù)據(jù)；3）全面支持rfc3550（RTP和RTCP）；4）支持UDP和IPv6協(xié)議；5）支持自定義擴(kuò)展傳輸協(xié)議；6）方便支持28181協(xié)議的擴(kuò)展；由于jrtplib函數(shù)庫很好地支持RTP協(xié)議，因此它提供了RTCP等傳輸控制協(xié)議，并支持面向?qū)ο缶幊蹋阌谙到y(tǒng)開發(fā)應(yīng)用層軟件。但同時(shí)，函數(shù)庫也有自己的缺點(diǎn)，如下所示：1）TCP傳輸不受支持，應(yīng)由您擴(kuò)展和實(shí)現(xiàn)；2）音頻和視頻的子順序和幀編碼由自身實(shí)現(xiàn)；3）RTSP和SIP等媒體會(huì)話協(xié)議必須由我們自己開發(fā)；由于jrtplib函數(shù)庫的缺陷，我們不得不在軟件代碼中進(jìn)行轉(zhuǎn)包和框架重組。分包旨在限制UDP傳輸協(xié)議中的傳輸數(shù)據(jù)包大小，通常為1500b。如果包裝尺寸大于1500b，則需要通過多次訂購程序使每個(gè)包裝尺寸小于1500b。重組包括根據(jù)RTP協(xié)議重新封裝分包數(shù)據(jù)，并形成完整的數(shù)據(jù)框架。完整的RTP數(shù)據(jù)打包和裝運(yùn)流程如圖3.9所示。圖3.9RTP打包發(fā)送流程4.2即時(shí)通訊模塊實(shí)現(xiàn)即時(shí)通訊模塊負(fù)責(zé)打包、發(fā)送和接收傳感器系統(tǒng)和控制命令，并且必須在有限的資源下可靠地執(zhí)行。系統(tǒng)通信協(xié)議采用mqtt協(xié)議傳輸，數(shù)據(jù)封裝和傳輸采用第三方開源函數(shù)庫MOSQUITO。由于即時(shí)通訊模塊包括多通道傳感器數(shù)據(jù)處理，在Linux操作系統(tǒng)中，多個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)采集和處理由多個(gè)進(jìn)程完成，使用套接字機(jī)制完成進(jìn)程間通信（IPC），使用即時(shí)通訊控制程序發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。模塊化架構(gòu)如圖3.10所示。圖3.10即時(shí)通訊模塊架構(gòu)如圖所示，控制模塊必須與多通道io通信。其中包括控制模塊與傳感器模塊之間的單向數(shù)據(jù)傳輸，以及控制模塊與小車動(dòng)作模塊之間的雙向數(shù)據(jù)傳輸。由于IO量很大，操作系統(tǒng)必須支持IO管理。由于epoll在io管理中接管回調(diào)模式，即當(dāng)監(jiān)控的FD就緒時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)將FD保存在epoll就緒列表的就緒列表中，因此io效率為O（1）。另外兩種機(jī)制通過遍歷查詢所有IO，因此IO效率為O（n）。此外，在epoll的底層實(shí)現(xiàn)中，內(nèi)核和用戶可以訪問FD列表，因此不需要復(fù)制FD，這可以顯著減少程序的運(yùn)行時(shí)間，提高系統(tǒng)的效率。因此，在本論文中，epoll用于IO管理，定時(shí)器模式用于傳感器過程中的數(shù)據(jù)采集。當(dāng)傳感器IO就緒時(shí)，epoll監(jiān)控相應(yīng)的FD，并從控制模塊程序發(fā)送到云服務(wù)器的串行端口緩沖區(qū)讀取數(shù)據(jù)。流程圖如圖3.11所示。圖3.11即時(shí)通訊模塊數(shù)據(jù)處理流程由于單片機(jī)負(fù)責(zé)小車的動(dòng)力模塊，控制模塊之間實(shí)現(xiàn)雙向數(shù)據(jù)傳輸，當(dāng)定時(shí)器結(jié)束時(shí)，單片機(jī)將手推車速度信息傳輸?shù)娇刂颇K；當(dāng)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器轉(zhuǎn)發(fā)控制命令時(shí)，控制模塊將控制指令傳遞給一臺(tái)機(jī)器，該機(jī)器根據(jù)不同的控制命令執(zhí)行相應(yīng)的操作，包括轉(zhuǎn)向機(jī)轉(zhuǎn)向、發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)置。4.3云端服務(wù)器實(shí)現(xiàn)云南服務(wù)器實(shí)例采用阿里文ECS服務(wù)器體系結(jié)構(gòu).這種體系結(jié)構(gòu)可以根據(jù)用戶的需要進(jìn)行不同的配置，便于自己設(shè)計(jì)和開發(fā)，系統(tǒng)將服務(wù)器配置到Ubuntu操作系統(tǒng)上，易于管理命令行和托管開源軟件。由于多媒體數(shù)據(jù)和傳感器分別通過RTP協(xié)議和MQTT協(xié)議移動(dòng)，因此在傳輸時(shí)應(yīng)用不同的數(shù)據(jù)傳輸程序。4.3.1流媒體轉(zhuǎn)發(fā)方案用于流媒體數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的JavaScript程序通常用于互聯(lián)網(wǎng)軟件的開發(fā)。因?yàn)樵鶭S腳本的執(zhí)行取決于瀏覽器的運(yùn)行環(huán)境，所以首先在Ubuntu中部署節(jié)點(diǎn)環(huán)境以支持JavaScript腳本的執(zhí)行。上面分析過，在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)之前，需要通過UDP隧道來完成內(nèi)網(wǎng)滲透。因此，在JavaScript轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)之前，首先處理UDP數(shù)據(jù)包，存儲(chǔ)接收端的公共IP，然后將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到IP。流程圖如圖3.12所示。圖3.12流媒體轉(zhuǎn)發(fā)流程圖4.3.2傳感器數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)方案?jìng)鞲衅鲾?shù)據(jù)通過mqtt協(xié)議傳輸，這樣官方的Mosquito服務(wù)器就可以部署在Ubuntu服務(wù)器上，以提供mqtt服務(wù)。mosquitto服務(wù)器部署完成后，可以更改mosquitto服務(wù)器。在conf文件中配置配置選項(xiàng)（例如公共IP）。配置完成后，在Ubuntu終端上運(yùn)行“mosquitto”_Pub”或“MOSQUITO”\uSUB命令發(fā)布或訂閱消息。MOSQUITO服務(wù)器轉(zhuǎn)發(fā)圖如圖3.13所示。圖3.13MOSQUITO服務(wù)器轉(zhuǎn)發(fā)圖如圖3.13所示，MOSQUITO服務(wù)器、移動(dòng)終端和監(jiān)控終端的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)過程是一個(gè)雙向數(shù)據(jù)傳輸過程。流媒體傳輸程序中的UDP鉆取完成后，云服務(wù)器與內(nèi)網(wǎng)監(jiān)控終端之間的數(shù)據(jù)通信完成。根據(jù)UDP內(nèi)網(wǎng)滲透原理，內(nèi)網(wǎng)與云服務(wù)器之間的通信請(qǐng)求的IP與端口之間的映射關(guān)系存儲(chǔ)在內(nèi)網(wǎng)NAT轉(zhuǎn)換中。因此，MOSQUITO服務(wù)器只需再次將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到指定的IP，而無需穿透內(nèi)部網(wǎng)。4.4監(jiān)控端控制軟件實(shí)現(xiàn)監(jiān)控端控制軟件的主要功能是通過窗口界面實(shí)時(shí)顯示遠(yuǎn)程監(jiān)控端的視頻圖像和傳感器數(shù)據(jù)，采集搖桿和鍵盤數(shù)據(jù)，打包成各種控制命令，打包后發(fā)送到云端，通過云轉(zhuǎn)發(fā)實(shí)現(xiàn)對(duì)汽車的動(dòng)態(tài)控制。同時(shí)，性能必須滿足視頻傳輸系統(tǒng)的延遲小于1s，以及傳感器數(shù)據(jù)和搖桿指令數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示和傳輸。此外，為了提高系統(tǒng)的功能，控制軟件還提供了GPS坐標(biāo)的地圖顯示，方便遠(yuǎn)程用戶更好地定位汽車的位置。本地記錄和存儲(chǔ)功能，存儲(chǔ)視頻和傳感器數(shù)據(jù)，方便用戶查找和定位錯(cuò)誤。由于控制軟件包括音頻和視頻解碼以及第三方庫的使用，本節(jié)從接口設(shè)計(jì)、解碼方案、控制命令采集、傳感器數(shù)據(jù)接收和卡顯示四個(gè)方面詳細(xì)分析了控制軟件的設(shè)計(jì)方案。4.4.1界面設(shè)計(jì)方案系統(tǒng)必須在Windows系統(tǒng)中完成界面顯示功能，以便通過圖形編程軟件QT實(shí)現(xiàn)。由于QT是完全面向?qū)ο蟮木幊?，因此很容易擴(kuò)展軟件。同時(shí)，QT軟件為用戶開發(fā)界面程序提供了強(qiáng)大的圖形界面和類。首先，使用QWidget創(chuàng)建窗口的新父類，并在父類窗口中設(shè)計(jì)其他接口。使用qlabel類完成視頻圖像的顯示，使用qlineedit類顯示傳感器數(shù)據(jù)，使用QPushButton類設(shè)計(jì)“電子地圖”按鈕，單擊按鈕打開地圖界面顯示GPS坐標(biāo)，使用qgridlayout類共享界面的整體框架，使整個(gè)界面更加規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化。4.4.2解碼方案如上所述，在該系統(tǒng)中，移動(dòng)設(shè)備的音頻數(shù)據(jù)根據(jù)AAC編碼發(fā)送，視頻根據(jù)H264編碼發(fā)送。因此，解碼工作必須在接收機(jī)端部回放之前進(jìn)行。有許多軟件編碼和解碼方案。為了便于軟件系統(tǒng)的開發(fā)，本文采用VLCQT第三方開源流媒體處理框架進(jìn)行解碼。VLCQT是一個(gè)開源函數(shù)庫，基于QT中的對(duì)象和VLC視頻播放器框架的二次開發(fā)。該函數(shù)庫不僅支持QT接口軟件設(shè)計(jì)，還支持VLC解碼功能。函數(shù)庫的解碼過程如圖3.14所示。圖3.14vlc解碼流程示意圖以音頻和視頻數(shù)據(jù)解碼為例，圖3.14中每個(gè)過程的功能如下：1）access：數(shù)據(jù)收集。本模塊的功能是通過AAC腳本文件指定的內(nèi)容和格式獲取相應(yīng)端口的數(shù)據(jù)。系統(tǒng)從端口30002或30002接收音頻和視頻數(shù)據(jù)。30004的云服務(wù)器。保存流媒體數(shù)據(jù)的IP協(xié)議和傳輸協(xié)議；2）demux：解析流媒體數(shù)據(jù)的頭信息。在傳輸流媒體數(shù)據(jù)時(shí)，通常同時(shí)發(fā)送語音和圖像，但由于編碼類型不同，音頻和視頻數(shù)據(jù)的標(biāo)題也不同。解復(fù)用模塊將語音和圖像分為兩個(gè)通道，并根據(jù)不同的數(shù)據(jù)頭發(fā)送到不同的解碼器；3）decode：解碼器。對(duì)于解碼操作，VLC解碼庫包含豐富的解碼器，可以提供H264和AAC格式的解碼服務(wù)；4）output：輸出模塊。根據(jù)不同的數(shù)據(jù)類型，數(shù)據(jù)被發(fā)送到相應(yīng)的設(shè)備。本系統(tǒng)涉及的硬件輸出設(shè)備主要是聲卡和屏幕。解