电波科学学报  2019, Vol. 34 Issue (3): 272-277  DOI: 10.13443/j.cjors.2018082502.   PDF    
基于装饰天线的新型多功能视频监控系统设计
赵维龙1 , 刘海文2 , 赵振宇2 , 宋懿2 , 文品2     
1. 华东交通大学信息工程学院, 南昌 330013;
2. 西安交通大学电子信息工程学院, 西安 710049
摘要:针对市场上对多功能视频监控系统的需求,设计并实现了一款基于装饰天线的无线视频监控系统.装饰天线主要由K9玻璃块、LED和馈电介质板组成.K9玻璃作为天线谐振器辐射信号,LED作为光源集成照明功能,馈电介质板激励玻璃谐振器,同时作为玻璃和LED支撑平台.天线工作在2.4 GHz Wi-Fi频段,通过激光雕刻技术实现玻璃块内含3维月球图案,集成装饰效果.基于所设计的装饰天线,采用嵌入式处理器Hi3516A,实现500万像素视频的采集、校正、处理、压缩,成功完成2.4 GHz无线视频监控系统设计.最终制作测试证明了设计的可行性,为隐藏视频监控设备提供一种新的可选择方案.
关键词介质谐振器天线(DRA)    装饰天线    视频监控    Hi3516A    Wi-Fi    
Multi-functional wireless video monitoring system based on aesthetic antenna
1. School of Information Engineering, East China Jiaotong University, Nanchang 330013, China;
2. School of Electronics and Information Engineering, Xi'an Jiaotong University, Xi'an 710049, China
Abstract: A wireless video monitoring system based on multi-functional aesthetic antenna is designed and implemented for the demand of multi-functional video monitoring system. The multi-functional resonator antenna is mainly composed of K9 glass, LED and substrate. K9 glass is used as radiator, LED is used as light source to integrate illumination function, and substrate is used as a platform to excite glass resonator. The antenna design works in 2.4 GHz Wi-Fi band, and the 3-D moon pattern in the glass block is realized by laser carving technology, which integrates decorative effect. Based on the designed multi-functional resonator antenna, the embedded processor Hi3516A is used to realize the acquisition, correction, processing and compression of 5 megapixel video, and the 2.4 GHz wireless video is successfully completed. The final production test proves the feasibility of the design, and provides a new alternative for hiding video surveillance equipment.
Keywords: dielectric resonator antennas    aesthetic antenna    video monitoring    Hi516A    Wi-Fi    
引言

近年来, 随着社会经济的快速发展, 安全防范意识不断提高, 视频监控系统逐渐被广泛地应用于室内住宅场所, 在保护个人财产和家庭安全方面, 起到了巨大作用[1-4].视频监控系统一般由视频采集、视频处理、视频传输、视频显示、视频记录五部分组成[5].视频采集指前端设备采集模拟视频信号或者数字视频信号的过程.视频处理指对采集的信号做各种图像处理, 例如畸变较正、视频压缩、去雾、去噪、裁剪等处理[5-7].视频传输指对图像处理后的视频进行传输, 按照是否需要线缆可以分为有线传输和无线传输[8].视频显示是将传输得到的视频在监控端中播放.视频记录指对视频图像做存储和管理.

随着科学技术的发展, 网络监控系统正朝着高清化、小型化、智能化等方向不断发展[9].传统的视频监控系统主要是功能单一的有线监控系统.随着无线通信技术的进步, 无线视频监控系统成为新宠.对比有线视频监控系统, 无线视频监控系统无需传输线, 明显降低成本, 同时扩大了应用范围.功能单一的监控系统作为安防的基础设备, 逐渐难以满足新社会的需求.社会的快速进步促使和谐安居成为新的关注点, 具有艺术观赏性的多功能无线视频监控系统可以满足新的要求.本文采用K9玻璃设计多功能介质天线, 基于设计的天线, 研究开发了一款应用于室内安防的新型多功能视频监控系统.

1 多功能视频监控系统结构

无线视频监控系统由图像采集端和监控端两部分组成.图像采集端结构如图 1所示.图像采集端由嵌入式处理器模块、摄像头模块、无线模块和电源模块组成.嵌入处理器模块又包括FLASH模块、DDR3 SDRAM模块和串口模块.其中, 嵌入式处理器使用华为海思公司的Hi3516A, 负责视频的采集、图像预处理、H.265硬件编码压缩, 最后通过无线网卡和外接的多功能装饰天线发送Wi-Fi信号.监控端由电脑和VLC视频播放器组成, 能够实现对无线视频的接收、播放、截图、录像等功能.

图 1 图像采集端结构图 Fig. 1 The structure of image acquisition
2 装饰天线设计 2.1 双功能介质谐振器天线设计

图 2所示为介质谐振器天线(dielectric resonator antenna, DRA)结构图. DRA主要由介质谐振器和介质基板组成.本工作中介质谐振器采用正方体透明玻璃设计, 介质基板采用泰康尼RF35, 介电常数为3.5, 损耗正切为0.001 9.通过HFSS仿真实现DRA工作于2.4 GHz的Wi-Fi频率.在介质基板内部嵌入4个LED小灯, 位置处于玻璃介质正下方, 实现天线和灯光功能的集成设计.天线结构尺寸如下:W1=85 mm, L1=74.5 mm, W2=39.6 mm, L2=1.9 mm, a=30 mm.

图 2 双功能DRA结构 Fig. 2 The diagram of dual-functional DRA
2.2 装饰玻璃谐振器设计

透明玻璃作为谐振器可以实现低Q值DRA, 有利于提升辐射特性, 同时可以作为激光内雕的材料.激光雕刻玻璃, 能量密度必须大于玻璃破坏的临界值, 或称阈值.激光在某处的能量密度与在该点光斑的大小有关, 一束激光, 光斑越小的地方产生的能量密度越大.通过适当聚焦, 可以使激光的能量密度在进入玻璃及到达加工区之前低于玻璃的破坏阈值, 在希望加工的区域超过这一临界值, 激光在极短的时间内产生脉冲, 激光能量能够在瞬间使水晶受热破裂, 从而产生极小的白点.连续的白点在玻璃内部组合成预定的形状, 玻璃的其余部分则保持原样完好无损. 图 3是激光雕刻前后的玻璃块对比.通过激光内雕实现玻璃块内含3维月球图案.

图 3 激光雕刻前后玻璃对比 Fig. 3 Glass contrast with/without laser engraving
2.3 玻璃DRA制作

传统DRA可以使用多种馈电方式.本工作采用缝隙耦合形式, 这种方式简单且易于设计制造.图 4(a)图 4(b)分别是介质天线的馈电基板上层和下层照片.介质基板上层全部覆上铜, 在中心位置蚀刻出方形槽, 用于激励介质谐振器.介质基板下层仅存在一条微带线, 用于将信号耦合到介质基板上层方形槽. 图 4(c)是将玻璃介质谐振器和介质基板合理组合形成的玻璃DRA, 工作于2.4 GHz, 可以良好地用于Wi-Fi系统中.透明谐振器的设计为后续功能的集成提供可能.

图 4 制作的DRA Fig. 4 The fabricated dielectric resonator antenna

图 5是多功能装饰天线实物照片.通过对图 4(c)所示的玻璃介质谐振器天线的处理, 利用激光内雕技术实现玻璃内嵌3维月球图案.在介质基板内部, 玻璃谐振器下方嵌入4个LED发光二极管, 实现天线集成灯光功能.最后设计的天线除了传统的信号发射接收功能, 还具有灯光和装饰功能.图 6是在黑暗空间采用矢量网络分析仪测试多功能装饰天线反射系数S11的照片, 测试结果如图 7所示.由图 7可以看出:没有玻璃介质谐振器时的S11曲线比较平滑, 没有明显谐振的地方, 说明只有介质基板时, 天线并不工作; 测试介质基板上加载玻璃介质谐振器组成的玻璃介质谐振器天线的S11在2.5 GHz附近存在明显的谐振点, 表明天线在此频点可以有效辐射信号; 基于激光内雕刻和LED灯加载所设计的多功能装饰天线和玻璃介质谐振器天线的S11曲线基本一样, 说明激光内雕和LED灯加载对天线性能没有明显影响, 但是能够赋予传统天线灯光和装饰的功能. 图 8是装饰天线在2.4 GHz时仿真和测试的方向图对比, 可以发现天线主要向上半空间进行信号辐射.仿真最大增益为7.18 dB, 测试最大增益为7 dB, 测试比仿真少了0.18 dB的增益, 主要原因是仿真时没有考虑玻璃的介质损耗.

图 5 测试中的多功能装饰天线 Fig. 5 The measured multi-functional aesthetic antenna

图 6 测试中的多功能装饰天线 Fig. 6 The measured multi-function aesthetic antenna

图 7 不同组合的测试S11 Fig. 7 The measured S11 of different combinations

图 8 天线在2.4 GHz时仿真和测试方向图对比 Fig. 8 The simulated and measured radiation pattern at 2.4 GHz
3 基于装饰天线的视频监控系统设计 3.1 视频监控系统关键元件

视频监控系统的关键元件如图 9所示, 主要包含IMX178摄像头、Hi3516A嵌入式处理器、多功能装饰天线、RT3070无线网卡和12 V电源. IMX178是索尼开发的一款CMOS图像传感器, 支持500万有效像素, 具有高分辨率、高灵敏度和高动态范围的特点, 负责图像的采集.嵌入式处理器使用华为海思公司的Hi3516A, 负责视频的采集、处理、压缩、传输.无线网卡模块采用Ralink公司的RT3070芯片方案, 采用USB接口, 兼容IEEE 802.11b/g/n三种标准, 传输速率150 Mbps, 带有I-PEX连接座可以外接天线. 12 V电源为整个系统供电.

图 9 视频监控系统关键模块 Fig. 9 The key modular of video monitoring system

系统工作原理如下:首先嵌入式处理器Hi3516A采集摄像头IMX178拍摄的视频, 然后在处理器内部经去噪和H.265编码压缩后, 移植开源程序LIVE555将压缩后视频转换为RTSP视频流, 最后经装饰天线和无线网卡发射Wi-Fi信号.

3.2 视频监控系统验证

图 9中各个关键元件有序连接, 为了保护各个元件, 通过简易包装盒将设备端的所有元件封装在一起.多功能天线处于封装盒外边, 方便显示灯光效果.在图像采集端0.5 m远处放置一个地球仪作为监控目标.图像采集端在上电后开始工作, 摄像头将采集的地球仪图像进行本地处理, 经过无线网卡产生Wi-Fi信号, 最后通过多功能天线发送到局域网中.

无线传输的视频图像能够通过监控端电脑接收和显示.监控端电脑采用联想Z470系列, 联想Z470自带无线网卡.监控端电脑连接图像采集端产生的无线局域网后, 能够通过视频播放软件VLC对视频进行解码和播放. 图 10是多功能监控系统演示照片, 可以发现监控图像良好地显示在电脑端, 证明本文所提出设计的正确性.

图 10 多功能监控系统演示效果 Fig. 10 The performance of multi-functional video monitoring system
4 结论

本文设计了一款基于装饰天线的无线视频监控系统.与常规视频监控系统相比, 通过装饰天线的加载隐蔽后端器件, 提升了监控系统安全性能.文章给出了装饰天线的设计过程, 完成了装饰天线的设计和测试, 结果验证了该种天线的可行性.将装饰加载到设计的无线视频监控系统进行了测试, 系统演示效果良好, 具有实际应用价值.

由于受限于常规玻璃技术的发展, 采用玻璃设计天线需要面对切割精度和介电常数偏离设计指标的问题, 设计时需要特别选择玻璃块, 增加了材料成本, 为大规模成品制作增加困难.后续将挑选参数稳定型玻璃或寻找新型玻璃制作技术解决规模化应用问题.

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