WiFi-Mesh网络视频监控系统的设计

李维，张卫强，闫光来

(宁波大学 信息科学与工程学院，浙江 宁波 315211)

WiFi-Mesh网络视频监控系统的设计

李维，张卫强，闫光来

(宁波大学 信息科学与工程学院，浙江 宁波 315211)

针对当前有线视频监控系统在山区、工业区等地区布线困难，3G无线视频监控系统价格高，WiFi视频监控系统覆盖范围小等弊端，结合WiFi技术和无线Mesh网络技术的特性，在采用嵌入式Linux操作系统的基础上，提出一种WiFi-Mesh网络视频监控系统的设计方案，该系统能弥补传统视频监控系统的不足。重点阐述了WiFi-Mesh网络视频监控设计的总体框架和功能，针对WiFi-Mesh网络视频监控系统的关键技术问题进行重点研究，并提出可行的解决方案。实验结果表明，监控画面显示流畅。

视频监控；嵌入式Linux；WiFi-Mesh网络

0 引言

随着经济、文化和科技的发展，越来越多的无线应用市场需求激发了无线技术的迅速发展，同时也促进了无线视频监控系统的发展。WiFi-Mesh网络［1］是基于WiFi技术而发展出来的一种新型的无线城域网解决方案。由于其具有自组网、自修复、自平衡、自动扩展、自管理、高带宽、覆盖范围广等特点，并且兼容WiFi［2］，目前正在世界范围内尤其是欧美等发达国家掀起应用热潮。与传统无线网络完全不同，WiFi-Mesh大幅降低运营商对网络部署的复杂程度和成本。

Linux是一种多硬件平台支持、多任务、通信能力强、可移植裁剪的嵌入式操作系统，以其灵活性、移植性强等优点被广泛使用，并在嵌入式领域占据着一席之地，基于Linux的诸多优点，很多硬件逐渐在Linux的平台上运用起来，这使得嵌入式得到飞速的发展。与两者相结合的WiFi-Mesh网络视频监控系统具备两者优点，在未来各个行业中具有广泛应用前景。

1 系统总体设计

WiFi-Mesh网络视频监控系统结构框图如图1所示。系统由多个WiFi-Mesh终端路由节点和客户端组成。多个WiFi-Mesh终端路由节点构成WiFi-Mesh网络，终端路由节点呈网状分布，都是采用点对点的方式通过无线WiFi中继链路互联，将传统WiFi中的无线“热点”扩展为大面积覆盖的无线“热区”，并将终端节点数据回传至有线IP骨干网［3］，从而实现远距离数据传输。该终端节点具有视频数据采集功能和数据接收转发功能。

视频数据采集和整理传输通过视频服务器来实现;数据接收和转发通过USB无线网卡实现;客户端主要是接收网络传输过来的视频流，然后显示终端节点的监控画面。

图1 WiFi-Mesh网络视频监控系统结构框图

2 系统软硬件设计

2.1 系统硬件设计

整个系统的硬件设计主要是WiFi-Mesh终端路由节点的设计，该终端节点既具有视频数据采集功能又有数据接收转发功能。系统硬件设计结构如图2所示。

图2 系统硬件设计结构图

系统的核心控制器采用的是三星公司的S3C244A处理器，视频数据的采集使用的是USB摄像头，数据的接收和转发采用的是USB无线网卡B-LINK 802．11N。由于开发板上只有一个USB接口，所以通过USB HUB将USB摄像头和USB无线网卡连接到Mini 2440开发板的USB接口上。S3C2440A处理器将摄像头采集到的数据通过USB无线网卡直接传输或经中继转发至TP-LINK路由器，TP-LINK路由器与PC直接相连，然后在PC机浏览器中显示。

2.2 系统软件设计

系统软件设计主要是监控点视频服务器、客户端、相应底层驱动程序和AODV-UU路由协议［4］，系统软件设计结构框图如图3所示。

图3 系统软件设计结构框图

系统中所有软件设计都是基于Linux操作系统平台，采用的是Linux-2．6．29内核版本。监控点视频服务器采用开源的mjpg-streamer视频服务器软件，主要是为客户端提供实时的视频流，即采集视频数据，然后向客户端发送实时视频数据。客户端主要功能是接受视频服务器通过网络传输过来的视频流，然后在浏览器上显示监控画面。

在整个系统正常运行中起着关键性作用是AODV-UU路由协议，它对数据传输链路以及数据的接收转发起引导作用。

3 系统WiFi-Mesh网络设计

3.1 WiFi-Mesh路由节点设计

WiFi-Mesh网络由终端路由节点构成，主要是承载视频流的传输。WiFi-Mesh网络结构采用的是无线Mesh网络客户端结构［5］，系统使用USB无线网卡和S3C2440A微控制器及外围器件构建WiFi-Mesh路由节点。该节点同时具有WiFi-Mesh路由器和WiFi-Mesh终端的功能，并支持WiFi-Mesh路由器的网关功能，将WiFi-Mesh网络和有线网络进行连接。

WiFi-Mesh网络的正常运行需要路由协议的维持，由于无线Mesh网络是移动Ad Hoc［6］网络的一种特殊形态，所以应用于Ad Hoc中的路由协议也适用于无线Mesh网络，而在Ad Hoc网络中使用的比较典型的路由协议有AODV路由协议和DSR路由协议两种［7］。

3.2 AODV-UU路由协议

采用AODV路由协议，路由协议软件使用的是AODV-UU。AODV-UU是瑞典Uppsala University大学和爱立信公司开发并发布的一种开源路由协议。AODV-UU路由协议运行的体系结构［8］如图4所示。

图4 AODV-UU路由协议运行的体系结构

AODV-UU的组成包括应用程序aodvd和驱动内核模块kaodv.ko两部分。aodvd运行于用户空间，负责路由的建立、路由的维护和Linux内核路由表的维护。kaodv.ko运行于内核空间，采用Netfilter来处理数据包，根据路由表的信息，将数据转发到下一跳节点。

Netfilter架构是由Linux TCP/IP协议栈中不同点上的5个钩子(hook)函数构成，Netfilter架构的5个hook点位置关系［9］如图5所示。

图5 Netfilter架构的5个hook点位置关系

Netfilter允许用户在这些hook点位置注册并实现自己定义的回调函数，经过hook点的数据分组会执行回调函数的操作，并把数据分组重定向到用户自定义的函数中，而用户自己定义的函数可以帮助用户空间完成检测、丢弃、过滤、修改或排队等这些数据分组功能。

3.3 AODV-UU路由协议移植

本文使用的路由协议(AODV-UU)版本是aodvuu-0．9．6［10］。AODV-UU的运行是利用Linux内核中Netfilter架构功能，所以需要Linux内核的支持。

内核具体配置如下:

(1)勾选上Netfilter项，具体如下:

(2)设置路由协议编译成内核模块，具体如下:

①将aodv-uu-0．9．6/lnx目录下的内容拷贝到内linux-2．6．29/net/ipv4/kaodv目录下cp-rf lnx home/ 2014/linux-2．6．29/net/ipv4/kaodv

②修改linux－2．6．29/net/ipv4/Kconfig文件，在最后一行添加如下内容:

③修改linux－2．6．29/net/ipv4/Makefile文件，在最后一行添加如下内容:

④执行make menuconfig命令，使kaodv能编译成内核模块，具体如下:

(3)修改lnx目录下的Makefile文件。

①添加内核路径

②注释掉Fedora内核模块

编译内核make zImage，编译内核模块make modules，最后得到kaodv．ko内核模块。

通过编译aodv-uu－0.9.6源码生成应用程序aodvd，具体步骤如下:

(1)修改aodv-uu－0.9.6目录下的Makefile文件。

①修改交叉编译器ARM_CC=arm-linux-gcc

②注释掉ARM_CCFLAGS=-mbig-endian

③修改内核路径为自己内核所在路径

KERNEL_DIR=/home/2014/linux－2.6.29

④注释掉内核部分代码。

(2)执行make命令编译源码，执行完后在当前目录下生成应用程序aodvd。

将kaodv.ko和aodvd拷贝到根文件系统的/bin目录下。在开发板上启动内核并加载kaodv.ko内核模块，再运行aodvd应用程序，这样AODV路由协议就工作起来了，那么一个WiFi-Mesh路由节点也就搭建起来了，值得注意的是在无线与有线的交汇处，需要将该路由节点设置成具有网关作用的路由，使其能将各监控点的视频数据传输到有线骨干网内。通过多个WiFi-Mesh终端路由节点组建成WiFi-Mesh网络进行远距离的数据传输。

4 系统测试

系统测试是在实验室中进行，采用3个WiFi-Mesh终端节点组建成一个小型的WiFi-Mesh网路，这些终端路由节点既具有接收和转发数据的路由功能，又具有视频数据的采集功能。终端节点的IP地址设置如表1所示。A一端通过RJ45与TP-LINK路由器连通外网，另一端通过无线网卡与B、C组成WiFi-Mesh网络，然后开启NAT功能，使B和C也能通过A访问外网。

表1 终端节点的IP地址设置

因为实验是在较小范围内进行，所以B要实现多跳，需在A中添加iptables防火墙功能丢弃直接从B传输来的数据，保证B的数据只能经C转发至A，不能直达A，即B-C-A，从而实现多跳功能。启动开发板，分别运行路由协议，AODV-UU路由协议正常工作发现邻节点并添加自己的路由表中，各个终端节点的摄像头将采集到的数据经视频服务器处理之后分别沿着各自建立好的路由链路进行传输，最终将视频流数据传输到客户端。在火狐浏览器中输入终端节点的IP地址就能显示相应终端节点视频监控画面。

5 结束语

WiFi-Mesh可以被看成是无线Mesh网络和无线局域网(WLAN)的融合，采用WiFi技术实现每条WiFi链路的终端节点互联，同时采用多跳的组网方式解决了传统的WLAN的健壮性差和可扩展性差等诸多问题。在不扩大成本、添加有线基础设施的情况下，将无线设备作为中继路由器使用，对传输数据进行不断中继转发，极大地扩展了无线信号的覆盖范围。基于此网络下的视频监控系统相对传统视频监控系统有着独特的优势，对未来无线视频监控行业向前发展有着巨大推动作用。

［1］蒙波．WiFi Mesh网络的特点和应用[J]．科学时代，2011(1):220－221．

［2］余海，曹雷．基于WiFi的无线网状网(Mesh)组网技术[J]．现代电子技术，2011，10:120－122．

［3］高峰，高泽华，文柳，等．无线城市电信级Wi-Fi网络建设与运营[M]．北京:人民邮电出版社，2011:60－61．

［4］谢佳，徐山峰．AODV、AOMDV和AODV-UU路由协议性能仿真与分析[J]．中国电子科学研究院学报，2011(06):592－596．

［5］郑彦光，徐平平，常瑞．无线Mesh网络技术及其应用[J]．电力系统通信，2007(07):16－20．

［6］王成，刘金刚．Ad Hoc无线网络及其路由协议分析[J]．计算机应用与软件，2006(08):87－89．

［7］Amit N．Thakare，Mrs．M．Y．Joshi．Performance Analysis of AODV＆DSR Routing Protocol in Mobile Ad hoc Networks[J]．International Journal of Computer Applications，2010:211－218．

［8］张美平，许力，沈金波．基于嵌入式Linux的无线自组织网络实验床设计[J]．计算机系统应用，2008，12: 16－20．

［9］张爱民，梁书剑，马志强．AODV-UU协议实现技术分析[J]．信息技术，2011(06):119－121，126．

［10］王小康．Ad Hoc安全路由协议的研究及嵌入式实现[D]．北京:中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所)，2013:63－65．

Design on Video Monitoring System based on WiFi-Mesh Network

LI Wei，ZHANG Wei-qiang，YAN Guang-lai
(College of Information Science and Engineering，Ningbo University，Ningbo Zhejiang 315211，China)

In order to overcome the difficulties in cable monitoring system routing in mountain and industrial areas and such disadvantages as high cost of 3G wireless video monitoring system and low coverage of WiFi video monitoring system，this paper combines the advantages of WiFi technology and wireless Mesh network，with the help of embedded Linux operation system，and proposes a design scheme of video monitoring system based on WiFi-Mesh network，which can cover the shortage of conventional monitoring system．This paper focuses on the general structure and function of video monitoring system based on WiFi-Mesh network，and proposes a series of applicable solutions based on detailed discussions on key technical issues of system．The final experimental results show that the monitoring videos can be fluently displayed on screens．

video monitoring;embedded Linux;WiFi-Mesh network

TP277;TP393

A

1003－3114(2015)05－07－4

10.3969/j.issn.1003－3114.2015.05.02

李维，张卫强，闫光来．WiFi-Mesh网络视频监控系统的设计［J］．无线电通信技术，2015，41(5):07－10．

2015－05－04

国家自然科学基金项目(61271137)

李维(1988—)，男，硕士研究生，主要研究方向:嵌入式系统设计与应用。张卫强(1963—)，男，副教授，主要研究方向:嵌入式系统设计与应用。