基于J2ME平台的手机远程监控系统

论文题目 基于J2ME平台的手机远程监控系统 姓 名： 李正茂 李振 魏彦飞 郭晓东 指导教师： 滕继波 王文永 专业年级： 软件工程 2008级 所在学院： 软件学院 目录 41、引言 41.1项目的背景 41.2项目的目标 52、可行性分析 52.1技术可行性 52.2经济可行性 63、需求分析 84、系统 84.1总体层次图 94.2系统框架图 104.3系统配置 104.4项目开发语言与平台 115、模块设计与实现 115.1运动物体 135.2视频录制与压缩 155.3图片压缩和远程传输 175.4多路监控和摄像头切换 185.5手机远程控制 195.6发送短信 216、前景预测 216.1前景概述 226.2市场分析 246.3项目推广 247、参考文献 基于J2ME平台的手机远程监控系统 摘要：本文介绍了基于J2ME平台的手机远程监控系统，设计并实现了图片传输、运动物体监测、视频采集、远程控制等功能。 本系统可以使用户在任何一个地点对目标区域进行监控。采用Aforge.net框架技术实现多路监控功能，采用Base64编码解码算法和TCP、UDP协议进行图像处理与传输，视频压缩算法采用H.264编码算法，采用基于运动估计的运动物体监测算法进行运动物体识别。本系统具有家庭防火与防盗、看护病人、店铺仓库监测等实用功能，十分适合经常外出、家有病人和店铺主人等人群。当监控地点出现异常情况时用户可以立即得到短信提示，同时系统将自动录制一段视频并发出语音警告。用户可以使用本系统查看监控地点状况，以便采取有效措施进行处理。 关键字：手机 远程监控 Aforge.net框架 TCP/UDP协议 运动物体监测算法 Mobile remote monitoring system based J2ME platform Abstract: This article describes the J2ME platform for mobile phones based remote monitoring system,it designs and implements transmission of image, moving object monitoring, video capture, remote control functions. The system allows users at any location to monitor the target area.We adopt Framework of Aforge.net to achieve the function of Multi-channel monitoring，use Base64 encoding and decoding algorithm ,TCP and UDP protocol to process and transport images,apply H.264 video compression algorithm to compress videos,introduce based motion estimation for moving object detection algorithm for moving object recognition. The system has a home fire safety and security, caring for patients, monitoring functional warehouse stores, very suitable for the go, a patient at home and shop owners and other groups.When the abnormal condition monitoring sites the user can immediately receive SMS tips, at the same time the system will automatically record a video and voice warning issued. Users can use the system view the status of monitoring locations in order to take effective measures to deal with. Keywords: mobile phone remote control Aforge.net framework TCP / UDP protocol for moving object detection algorithm 1、引言 1.1项目的背景 随着国家数字信息化的发展以及人们对安防意识的提高，传统的定点监看及录像的监控方式，由于监控设备费用高、灵活性差等诸多因素已渐渐显出其不足的一面，手机远程监控系统的议题也渐为人们所常谈，既经济实惠，又十分便捷。 本项目将传统视频监控系统与移动业务相结合，构建基于手机的远程视频监控系统。目前移动通信网络覆盖范围很广，使用手机作为远程视频监控系统的终端，几乎不受地点的限制，真正实现用户任何时间，任何地点的远程视频监控。同时手机作为普及的移动终端设备之一，有利于远程视频监控向民用市场的推广。 1.2项目的目标 本项目主要应用在家庭、店铺、仓库、病房等场所中 ，系统由服务端、监控摄像头以及手机组成。在重要位置部署摄像头后,利用 运动监测算法检测异常情况的发生，异常情况发生后系统将启动自动录像和语音警告功能，同时以短信的方式告知用户，用户可以通过本系统查看现场状况，以便采取进一步的措施，例如通知物业保安或是直接拨打报警电话。 2、可行性分析 2.1技术可行性 手机远程视频监控系统主要涉及到计算机视觉技术、图像处理技术和模式识别技术，而这些技术目前已经非常成熟。 基于J2ME平台的手机软件监控系统的核心功能包括：视频采集、图像处理和客户端（手机）与服务器端（电脑）进行信息交互。首先，摄像头需要实现驱动判断和多路摄像功能，可以使用Aforge.net框架技术实现这两项功能。其次，针对图像处理可以采用基于运动估计的运动物体监测算法。最后，针对电脑与手机端的信息交互，我们可以在服务器端与客户端各设置一个端口，使用TCP/UDP协议通过互联网在两者之间建立联系，实现信息交互。综上所述，整个系统的核心技术是可以实现的。 2.2经济可行性 经过仔细的调查研究，我们发现现在的市场上存在与本系统类似的产品。但需要消费者购买大量的专业设备，由于此类产品为新型产品，所以一般价格很高，一般消费者无法承担。本项目在经过实验室阶段后，将会向着嵌入式的方向发展，无需电脑，通过嵌入式产品，使用移动通信网，在手机与摄像头之间建立信息通道，十分方便，经济实用。 由于本系统硬件要求较低，所以在实验室开发阶段投资较少。投放市场后批量生产嵌入式产品费用较低，开发成本也会随之减少。使用本产品的用户仅需在购买产品后向我们缴纳按信息条数对应的费用就可以使用。由于短信费用与手机的上网费用都十分低廉，与采用传统定点监控设备相比，十分经济。 充分考虑用户实际需要和信息技术发展趋势，根据用户现场环境，设计选用功能和适合现场情况、符适用户要求的系统配置，通过严密、有机的组合，实现最佳的机能价格比，以便节约工程投资，同时保证系统功能实施的需求，经济实用。 3、需求分析 随着当今社会人们生活水平的提高与生活节奏的加快，人们对安全防护与监控的重视程度也越来越高。随之而来的也就会产生一系列与此相关的问题： 1、主人外出，十分担心家里的小孩、老人的状况，不得不经常向家里打电话询问，既不经济也十分繁琐。 2、家里人生病住在医院，想照顾家里人就要向单位请假，不照顾家里人又觉得过意不去。要是既能正常上班又能兼顾看护生病的亲人，是一件多么令人向往的事情。 3、店铺的主人晚上下班后，回家后会十分担心店铺是否会有坏人进入，而自己又无能为力。多少会给自己带来一定的精神负担。 如果日常生活中必不可少的手机能够实现远程监控的功能，那么这样的问题将会迎刃而解，既经济又便捷。经过广泛的搜集资料和深入研究，经过可行性分析后，我们可以实现远程监控的功能。 图1 系统应用图 4、系统设计 4.1总体层次图 图2 系统层次图 本系统主要实现了图片传输、多路摄像、运动物体监测、手机远程控制四个主要方面的功能。图像传输方面，结合Socket与UDP协议的优点，命令控制采用安全性较好的Socket协议，大量图片传输采用传输效率较高的UDP协议。多路摄像功能，我们实现了图像浏览的查看、暂停、继续、切换摄像头四项功能，便于用户细致浏览现场信息或者切换的不同的摄像头查看监控地点。 运动物体监测方面，我们采用H.264编码算法进行视频压缩，压缩效率较高。当监控地点出现异常情时，短信提示系统将告知用户，系统将自动录制一段视频，并发出语音警告。手机远程控制方面，我们实现了电脑的远程关机、注销、睡眠等功能。 4.2系统框架图 图3 系统框架图 使用互联网和移动通信网将摄像头、服务器、手机等硬件有机的结合在一起，形成完整的监控系统，系统多路摄像端加入了驱动判断程序，可以使用不同型号的摄像头，随插随用，十分方便。 4.3系统配置 服务器 CPU: PⅢ(建议P4) 内存：512M 硬盘：最低需要80G硬盘空间 操作系统：Windows XP、Windows Vista、Windows 7 手机端 网络模式：GSM或WCDMA 操作系统：支持java运行的虚拟机 内存：128MB ROM+64MB RAM 存储卡：MicroSD卡等 可用空间：20KB 视频播放：支持3GP/MP4/AVI/ASF等格式 4.4项目开发语言与平台 开发语言：C#、J2ME 开发技术：Aforge.net框架、TCP协议、UDP协议 开发平台：MyEclipse6.5、VisoStudio2008 5、模块设计与实现 5.1运动物体检测 运动物体检测是图像处理和分析系统的关键技术。目前运动检测技术主要有：光流法、帧差法和背景差法等，其中光流法由于计算相对复杂，抗噪声性能差等原因，一般只有在特殊情况硬件支持的条件下才被使用；帧差法和背景差法运算简单，有很好的实时性，但是不能获得运动信息。基于以上算法所存在的不足，我们决定采用一种基于运动估计的运动物体检测方法。 该算法的基本思想是利用在运动估计过程中产生的运动矢量和匹配误差值作为判断有无运动物体的依据。 运动估计是一种帧间编码的方法，它是利用帧间时间的相关性，减少时间的冗余，即当前帧在过去帧的窗口中查找匹配部分，从中找到运动矢量，根据运动矢量将过去帧位移，求得当前帧的估计，将这个运动估计和当前帧相减，得到估计的误差值，根据运动矢量将过去帧作位移，再加上误差值就得到当前的帧了。 图像中的变化也不都是因为出现运动物体造成的，光线的强烈变化等也可能引起画面的变化，因此在利用运动矢量判断有无运动的同时加上匹配函数确保检测的准确和稳定性。 图4 运动物体监测效果图 当图像中无运动物体时理论上当前帧的运动特征值MS和当前帧和参考帧之间的匹配误差值SAD的值应该为零，但是在实际的场景中可能存在噪声，和复杂的运动内容，MS和SAD 的值不可能为零，所以我们给它们设定一个最小的阈值为MSmin和SADmin,,这两个阈值根据所检测的场景不同而不同，要经过调试确定。 当图像进入可疑状态，需要对其进行连续n 帧分析来判断图像是处于正常还是异常。其中帧数的选择由场景中可能出现的运动物体和采集图像的帧率决定。通常情况下有外界物体进入图像中，例如一个人，他的运动总是朝着一个方向的持续运动，即从画面的一边进入， 另一边出去，而客观条件发生变化例如摄像头抖动，它的变化都是暂时的或者是往返运动，根据这个特点本文的可疑状态分析方法如下： 如果是由于暂时的条件改变造成图像进入可疑状态这种情况比较简单，n帧之后图像的各个参数就会恢复正常，如果产生了往返运动造成图像进入可以状态就需要进一步的计算，往返运动的特点是物体不朝同一个方向运动即产生运动的那部分宏块的运动矢量的方向是 相反的，连续n帧的矢量之和必定小于n帧中的矢量最大值。 5.2视频录制与压缩 视频录制 当检测出监控画面中出现运动物体时，系统自动开始录像并发生的时间，同时启动一个静态计数器，当计数器的值达到一定量后，系统停止录像并关闭计数器。 图5 视频录制图 视频压缩 视频图像数据有极强的相关性，也就是说有大量的冗余信息。其中冗余信息可分为空域冗余信息和时域冗余信息。压缩技术就是将数据中的冗余信息去掉（去除数据之间的相关性），压缩技术包含帧内图像数据压缩技术、帧间图像数据压缩技术和熵编码压缩技术。 去时域冗余信息 使用帧间编码技术可去除时域冗余信息，它包括以下三部分：运动补偿、运动表示和运动估计。 去空域冗余信息 主要使用帧间编码技术和熵编码技术,其中帧间编码技术又包括变换编码和量化编码。 常用的视频压缩有MJPEG、MPEG-1、MPEG-2、MPEG-4、H.263、H.264等。这里其中MJPEG的压缩率很低，但保存了较好的图像，不太适合网络传输，但适合视频编辑；MPEG-4尽管在压缩率方面比MJPEG要好很多，但仍不能达到25帧/秒的实时效果；H.264最大优势是具有很高的数据压缩比率，在同等图像质量的条件下H.264的压缩比是MPEG-2的2倍以上，是MPEG-4的1.5-2倍，最大的原因是其具有的低码率。H.264压缩技术可以节省大量的硬盘空间和传输流量，它具有在高压缩比的情况下同时还拥有高质量流畅的图像。 我们考虑到节省用户硬盘空间的需要，选择了压缩比较高的H.264压缩标准，它的压缩比可达到102:1，这样一天24小时连续录制仅需要2G多空间，极大地节省硬盘空间，提高系统的可用性。 图6 视频压缩文件属性图 5.3图片压缩和远程传输 图片压缩 总的来说，图片压缩有有损压缩和无损压缩两种。所谓有损压缩是利用了人类对图像或声波中的某些频率成分不敏感的特性，允许压缩过程中损失一定的信息；虽然不能完全恢复原始数据，但是所损失的部分对理解原始图像的影响缩小，却换来了大得多的压缩比。有损压缩广泛应用于语音，图像和视频数据的压缩。 所谓无损压缩格式，是利用数据的统计冗余进行压缩，可完全回复原始数据而不引起任何失真，但压缩率是受到数据统计冗余度的理论限制，一般为2:1到5:1.这类方法广泛用于文本数据，程序和特殊应用场合的图像数据(如指纹图像，医学图像等)的压缩。 我们这里考虑到图片远程传输的需要，采用了压缩比较大的图像有损压缩技术。由于出于对图片大小的严格限制，我们采用缩小图片大小的方法来压缩图片进行远程传输。 图7 图片远程浏览图 TCP协议安全可靠，但是传输效率低；UDP协议可靠性低，但传输效率高，适合图像、音频、视频等数据的传输。因为它们即使偶尔丢失一两个数据包，也不会对接受的效果产生太大的影响。 对于远程传输，我们采用UDP协议进行传输。在服务端开放一个端口，用于接受客户端程序的连接请求，客户端程序配置完服务器端IP后（端口号默认与服务端相同）发出连接请求，服务端接收到客户端的连接请求后获得客户端IP地址等信息，接下来服务端就可以根据客户端发出的不同命令操作向客户端发送相应信息。 在图片传输前，我们先将图片信息转换为字节流的形式，并采用Base64编码技术对其进行编码，然后再通过UDP协议进行传输，客户端接收到图片以后，先采用Base64解码技术对其进行解码，然后再还原出图片。考虑到服务器端与客户端发送速度与接收速度不匹配的问题，我们采用缓冲技术（设置缓冲队列）加以解决，我们同时采用双缓冲技术保证图片信息的完整流畅显示。 5.4多路监控和摄像头切换 服务端我们采用Aforge.net技术对摄像头进行驱动判断和控制，十分方便和灵活，可以同时打开多个摄像头地不同目标区域进行监控，提高用户的可操作性和实用性。客户端可以通过切换摄像头观察不同监控区域的状况。 图8 多路监控与摄像头切换图 用户在客户端向服务器端发送查看某一监控区域的操作命令，服务端根据接收的命令内容进行判断是哪个摄像头监控的信息，然后再向客户端发送对摄像头拍摄的内容。用户在查看的过程中可以发送停止命令，仔细观察某一感兴趣的画面，然后可以发送继续命令进行浏览。同时用户还可以切换摄像头观察不同监控区域的信息，客户端在处理切换操作时采用了多线程技术，提高了切换的效率。 5.5手机远程控制 首先，在服务器端建立一个监听进程，实时监听客户端的连接请求。客户端发出命令后，服务器端响应客户端的连接请求。我们针对不同的命令对应不同的编码，服务器端接收到命令后，根据对应的编码执行相应的命令，完成对电脑的关机、注销、睡眠等操作。此外，我们为了使命令传输更加安全可靠，我们采用Socket协议发送命令，并采用MD5加密技术对命令进行加密。 图9 手机远程控制电脑关机图 5.6发送短信 我们采用了网关进行短信的发送，短信网关是面向网站、软件开发、系统集成、ERP等应用而单独研发的短信接口。本接口采用了通用的HTTP形式，可以支持各种操作系统和开发语言，同时短信网关在接口文档中提供了各种语言的例子代码，并且提供后台操作。 短信网关主要是为了解决各网络、各运营商之间的短信互通和SP的接入问题。它为应用单位收发短信而提供的一个动态数据交换平台系统。通过该系统的接口软件，可以将短信平台与各种系统和软件进行无缝高效相连，将应用单位的系统随时产生的动态信息转变成手机短信，通过梦网平台连接移动和联通的短信中心以端口特服号码进行实时中发送和接受，为各种系统（或软件）建立一个快速的短信双向（或单向）通道，以便手机用户采用短信方式与SP双向通信，接收SP提供的信息服务。 图10 电脑向手机发送短信图 随着使用支持中文手机的用户增多，短信息已经成为手机用户最经常使用的业务之一。除了大量使用的手机用户到手机用户的点对点短信业务之外，从信息平台到手机用户的短信信息服务 业务也在快速发展，该业务已经成为广大用户及时方便地获取信息的一种手段。在广大服务提供商（SP）的支持下，用户可以采用短信点播或网站定制的方式得到大量有用信息，SP也能通过提供有偿信息服务而获得收益，因此用户和SP对短信信息服务业务的需求很大。 　　短信网关（ISMG）的建设可以为SP与短消息中心（SMSC）之间数据交换提供一条安全、快捷的通道，以便手机用户采用短信方式与SP双向通信，接收SP提供的信息服务，同时完成相应计费采集、业务管理、网络管理等功能。 网关发送短信的工作原理如下： 发送短信：监控程序每五秒钟扫描一次在软件设置中所指定的数据库中的相应数据列，一旦有状态值为0的数据写进来，则立即进行提交网关进行发送，发送成功后改写状态值为1。 连接：连接到短信网关 监控：监控指定的数据库中的相应数据列 6、前景预测 6.1前景概述 手机远程监控系统作为安防产业的一种新型技术和产品，凭借着技术上与IP网络的无缝兼容以及所提供的远程实时视频处理能力和其他网络应用，一出现就以每年20%的增长速度迅速成为市场增长最快的一个产品，与经营多年的模拟监控系统并驾齐驱。手机远程监控不仅在中国市场连续三年（2004-2006）获得安防领域三大热门产品的称号，在世界其他各个地区，也有将近90%的各行业终端用户准备在未来的三至五年内逐步进行模拟设备的数字化升级，或购置数字化系统。 基于J2ME的手机监控软件的成功开发，大大降低了监控所需的各项费用指标,使用户可以不必购买专业监控设备就可以实现随时随地浏览监控地点的功能。短信提示系统为用户的物品提供了安全保障。本软件的未来发展方向是无线的嵌入式系统，我们相信投放市场后一定能受到广大消费者的青睐。 图11 未来应用方向图 6.2市场分析 根据有关权威市场调查部门的一份分析报告指出，由于社会对公共安全的日益关注、技术的进步以及价格的降低等因素，手机视频监控系统的市场在2006到2011年间增长将近十倍。报告预测，摄像机、视频服务器、外围设备和软件等构成手机视频监控系统的各种设备的市场总额将在2012年达到71亿美元，远高于2006年的7.35亿美元。到2012年，手机视频监控的销售收入将达到39亿美元，远高于2006年的3.01亿美元。而到2010年底，全球手机视频监控市场将超越传统的闭路电视（CCTV）摄像机市场。      手机远程监控系统都将给DSP、图像传感器和包括Ethernet及Wi-Fi在内的相关支持逻辑和接口芯片发展带来良机，而这些摄像机的软件应用也将给摄像机和安全系统制造商提供绝佳机会来开发摄像机和网络方面的新功能。到2012年，面向手机视频监控的市场将达到将近10亿美元的规模。 图12 市场分析图 6.3项目推广 基于J2ME平台的手机远程监控系统的未来发展方向是无线的嵌入式系统，形成完整的嵌入式产品后，可以广泛应用于家庭防火防盗、店铺仓库监管、医院看护等诸多方面。 本系统加入传感器后，能够实现对家庭煤气检测、家电管理、家庭管道漏水、自动关闭门窗等多项功能，不仅为人们的生活提供更加安全便捷的服务，同时也为实现未来的智能家居奠定基础。 图13 项目推广图 7、参考文献 （1）J2ME开发原理与实用教程 作者：陆东林 国刚 电子工业出版社 2008年6月 （2）J2ME应用开发详解 作者：陆昌辉 电子工业出版社 2009年4月 （3）视频监控系统中运动检测算法的研究 郝荣霞  徐旭东  《计算机应用与软件》 2008年04期 （4）c#高级编程（第七版） 作者：（美）内格尔，（美）埃夫琴 李铭译 清华大学出版社 2010年11月 （5）c#应用程序设计教程 作者：耿肇英，耿燚 人民邮电出版社 2007年9月 （6）TCP/IP网络编程 作者：任泰明 人民邮电出版社 2009年8月 （7）Java网络编程精解 作者：孙卫琴 电子工业出版社 2007年3月 （8）运动物体检测与参数估计方法研究 作者：胡永生 指导教师：冀小平 太原理工大学 2007年5月 （9）频监控场景中的运动物体检测和跟踪 作者:郑丹 指导教师：徐佩霞 中国科学技术大学 2009年5月 （10）基于自适应背景的实时运动物体检测 作者：潘石柱 王星 同济大学 计算机应用   2004年10期  （11）h.264中快速初始点预测运动估计算法 作者：徐传书   刘彦隆  太原理工大学信息工程学院  2010年11月 （12）基于无线环境的改进的h.264码率控制算法研究 作者：杨杰 武汉理工大学信息工程学院 2008年12月 （13）基于移动无线网络的远程监控系统的设计与实现 作者：王开友 孙汉旭 北京邮电大学自动化学院  2009年8月 （14）基于USB摄像头的远程多路图像采集系统设计 作者：肖剡军    谭建平 中南大学机电工程学院 2009年6月 （15）基于UDP协议和虚拟令牌的实时网络协议 作者：林鹏进    秦树人 重庆大学,机械工程学院 2005年3月