IoT智能硬件 | 基于电力线的视频监控系统

Posted 2022-11-04 产品人卫朋

最近整理了以往做过的项目，看到了2015年做的一项基于电力线传输视频的方案，现在看来也很有意思，分享给大家，借此简单谈谈如何做方案的系统设计。

按照15年的场景，这个项目对笔者来说属于较为陌生的领域，甚至都不曾听说可以通过电力线传输信号。

那如何快速了解一个行业、学习一项新技术呢？

最简单快速的方式是找到与之密切相关的关键词，在搜寻这些关键词的过程中，你就会加深对这个领域的了解。

举例来说：

想要转行做产品，你就需要先把“用户、客户、需求、需要、欲望、狠点”等等这些词从“前因后果，适用边界”几个维度了解清楚。

了解一个行业也一样，你需要把该行业整个供应链每个环节梳理出来，每个节点选择3个有代表性的企业，详细了解其关键人员、核心产品等等，结合关键词，你就可以快速成为“行内人”。

再比如，要了解电商行业，你就先要从“销售额=流量*转化率*客单价”这个公式入手，搞清公式中每个词的意思，以及公式本身的关系。

电商这个领域主要就是围绕这个公式展开工作，了解并掌握这个基础公式，你就会了解电商行业营销推广、引流等操作的方式和思维模式。

当这100个关键词全部列出来并完全掌握，你对这个行业的了解就达到了八成。

当然，100这个数字不是绝对的，以满足你自己的欲求为基准。

如果只是想提高‘逼格’，也许十几个关键词就足够了。

其次，完成100个关键词后，如果想要精进，你就需要看专业书籍、专业资料，跟专业人员去沟通。 

以本文的项目为例，为了更好地完成项目，笔者花费了半个月的时间翻译了一本关于电力线的全英文书籍。

下面是方案过程，仅做示例参考。

项目背景

• 在公共安全领域，音视频监控系统是安全技术防范产业发展的重要基础，为相关人员处理突发事件提供直接证据（本项目的最初需求便来源于公安部门）；

• 在家庭生活领域，音视频采集与传输系统可以方便户主实时监测家庭环境，同时也使得父母时刻关注婴儿成长变成可能；

• 在科技发展与研究领域，使得人们可以在不进入恶劣环境的情况下采集环境音视频数据参数并且为科技研究提供资料。

近几年PLC网络技术快速发展，传输带宽以及抗干扰的能力不断加强。

由最初的FSK调制技术发展到如今流行的扩频技术与OFDM技术。传输带宽由几十Kbps到几百Mbps不等。

该技术通过将载有数据信息的高频调制信号加载于电流，无需重新布线，利用已有的低压配电网络即可完成数据传输和信息交换。

调制方式由最初的调频技术发展到如今流行的OFDM技术，传输带宽也随之达到几百Mbps，使得宽带电力线上网成为可能。

电力载波通信技术已经成为国内外公司和科研单位研究的热点，而国外对电力载波通信的研究起步较早，并且制定了相应的协议规范，一些国家和地区已经开始尝试将电力线通信应用于室内组网和高速数据接入。

将覆盖广泛的电力网用于网络通信，不仅无需建设新的通信网络、节约资源和成本，而且能充分发挥电力资源优势，实现电话、数据、视频和电力的有效结合，具有广阔的应用市场和前景。

方案描述

本系统通过通用USB摄像头获取环境视频数据，搭建好的嵌入式服务器将采集到的数据进行编码压缩生成数据流，并通过网络传输至PC机，在终端显示图像数据。

拾音器将采集到的音频数据组成RTP包发送至网络，在终端播放音频数据。

系统设计主要分为三部分：

视频采集与编解码、音频采集与编解码和电力线载波通信。

• 视频部分，摄像头采集到的图像数据首先经过视频流服务器MJPG_streamer编码，网络包数据通过TCP/IP协议发送至PC机实时显示，该部分涉及到视频流服务器的搭建和网页设计相关知识；

• 音频部分，采用流媒体技术将采集到的音频数据传输至PC机实时播放，该部分涉及到UDP协议、RTP流媒体协议和ALSA音频接口设计相关知识；

• 载波通信部分，该部使用Intellon公司的INT5500CS芯片将采集到的音视频数据通过OFDM技术调制到电力线网络，实现电力载波通信。

本系统涉及到音视频采集、音视频编码、电力线载波通信、音视频解码和终端显示几大部分：

方案选择

图像采集与编码

方案一：DSP+视频采集芯片

该方案属于硬件压缩，使用视频采集芯片完成图像A/D的转换，通过DSP芯片完成数字图像数据的存储和编码压缩。

方案二：ARM+视频压缩芯片+视频采集芯片

该方案属于硬件压缩，经过转化的数字视频流由专用编码芯片编码，ARM控制图像数据存储和传输。

方案三：ARM+T264编码库或FFmpeg x264编码库

该方案属于软件压缩，ARM微处理器通过V4L接口从摄像头获取视频数据，调用编码库对数据编码，通过以太网传输。

但T264编码库处理视频格式有限，灵活性较差。

相比于T264编码库，FFmpeg x264功能强大，支持更加广泛。

方案四：ARM+MJPG-streamer视频服务器

该方案属于软件压缩，开源工程MJPG-streamer是以TCP/IP协议为基础，结合v4l标准接口，实现的视频流服务器。

它首先通过v4l标准接口采集图像数据，并将采集到的数据编码压缩后以流的形式传输至终端浏览器实时播放显示。

该服务器也可以利用某些摄像头的硬件压缩功能来降低服务器CPU的软件开销。

相比于软件压缩，硬件压缩效率较高。

尤其是方案三，灵活性以及编码效率都要比其他方案更具有实用价值。但本系统涉及研究内容较多，成本以及开发周期有限，因此采用方案五，经实验测试完全可以满足本次设计要求。

音频采集与编码

该部分设计需要实现音频数据的实时有效传输,发送端首先将拾音器采集到音频数据进行ADPCM编码。

编码后的数字语音信号按RTP/UDP/IP等相关协议进行网络组包并将数据发送到局域网，接收方将接收到的语音信号实时解码播放。

音频编程接口选择

Linux系统为用户操作音频设备提供了统一的编程接口，在Linux系统中，先后出现了两种音频框架：

OSS（Open Sound System）和ALSA（Advanced Linux Sound Architecture）。

OSS可移植性好，但具有声卡独占问题，闭源；ALSA具有声卡共享的特性，兼容OSS接口，开源。

2.6版本的Linux内核用ALSA代替了OSS。但为了兼容以前的程序，ALSA提供OSS模拟。

综上所述，ALSA接口优点明显同时由于本次设计系统版本不支持OSS接口，因此采用ALSA接口。

电力线载波通信方案设计

编码后的音视频数据首先经过调制进入电力线通信网络，接收端解调后传输至终端。

调制解调芯片选择

由于音视频数据量较大，使用FSK调制和扩频技术都不能满足要求，下面仅对OFDM调制芯片做对比选择。

图像采集以320*240个像素点，每个像素点16位，每秒20帧为例，传输带宽大概需要23Mbit/s，设定本次设计压缩比为10:1，则视频传输所需带宽为2.3Mbit/s；

语音采集以44KHz采样频率，每个采样点16位为例，传输带宽需要704Kbit/s。

从通信速率角度来看以上芯片都可以满足本次设计要求，但考虑到电力线网络的复杂性且考虑到PLC通信芯片的传输距离与通信速率成反比关系，折中选择INT5500芯片。

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卫朋

人人都是产品经理受邀专栏作家，CSDN 资深技术博主。2020 年 8 月开始写产品相关内容，截至目前，人人都是产品经理单渠道阅读 50 万+，鸟哥笔记单渠道阅读 160 万+，CSDN 单渠道阅读 200 万+，51CTO单渠道阅读 180 万+。

卫朋入选 2021 年人人都是产品经理年度最具影响力作者，光环国际学习社区首批原创者、知识合作伙伴，商业新知 2021 年度产品十佳创作者。

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