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摘要：本文針對市場上對多功能視頻監控系統的需求，設計并實現了一款基于裝飾天線的無線視頻監控系統.裝飾天線主要由K9玻璃塊、LED和饋電介質板組成.K9玻璃作為天線諧振器輻射信號，LED作為光源集成照明功能，饋電介質板激勵玻璃諧振器，同時作為玻璃和LED支撐平臺.天線工作在2.4GHzWiFi頻段，通過激光雕刻技術實現玻璃塊內含3維月球圖案，集成裝飾效果.基于所設計的裝飾天線，采用嵌入式處理器Hi3516A，實現500萬像素視頻的采集、校正、處理、壓縮，成功完成2.4GHz無線視頻監控系統設計.最終制作測試證明了設計的可行性.

關鍵詞：介質諧振器天線（DRA）；裝飾天線；視頻監控；Hi3516A；WiFi

引言

近年來，隨著社會經濟的快速發展，安全防范意識不斷提高，視頻監控系統逐漸被廣泛地應用于室內住宅場所，在保護個人財產和家庭安全方面，起到了巨大作用[1]-4].視頻監控系統一般由視頻采集、視頻處理、視頻傳輸、視頻顯示、視頻記錄五部分組成[5].視頻采集指前端設備采集模擬視頻信號或者數字視頻信號的過程.視頻處理指對采集的信號做各種圖像處理，例如畸變較正、視頻壓縮、去霧、去噪、裁剪等處理[5]-[7].視頻傳輸指對圖像處理后的視頻進行傳輸，按照是否需要線纜可以分為有線傳輸和無線傳輸[8].視頻顯示是將傳輸得到的視頻在監控端中播放.視頻記錄指對視頻圖像做存儲和管理.隨著科學技術的發展，網絡監控系統正朝著高清化、小型化、智能化等方向不斷發展[8].傳統的視頻監控系統主要是功能單一的有線監控系統.由于無線通信技術的進步，無線視頻監控系統成為新寵.對比有線視頻監控系統，無線視頻監控系統無需傳輸線，明顯降低成本，同時擴大了應用范圍.功能單一的監控系統作為安防的基礎設備，逐漸難以滿足新社會的需求.社會的快速進步促使和諧安居成為新的關注點.具有藝術觀賞性的多功能無線視頻監控系統可以滿足新的要求.本文采用K9玻璃設計多功能介質天線，基于設計的天線，研究開發了一款應用于室內安防的新型多功能視頻監控系統.

1多功能視頻監控系統結構

無線視頻監控系統有圖像采集端和監控端兩部分組成.圖像采集端結構如圖1所示.圖像采集端由嵌入式處理器模塊、攝像頭模塊、無線模塊和電源模塊組成.嵌入處理器模塊又包括FLASH模塊、DDR3SDRAM模塊和串口模塊.其中，嵌入式處理器使用華為海思公司的Hi3516A，負責視頻的采集、圖像預處理、H.265硬件編碼壓縮，最后通過無線網卡和外接的多功能裝飾天線發送WIFI信號.監控端由電腦和VLC視頻播放器組成，能夠實現對無線視頻的接收、播放、截圖、錄像等功能.

2裝飾天線設計

2.1雙功能介質諧振器天線設計

圖2所示為介質諧振器天線（dielectricresonatorantennas,DRA）結構圖.DRA主要由介質諧振器和介質基板組成.本工作中介質諧振器采用正方體透明玻璃設計，介質基板采用泰康尼RF35，介電常數為3.5，損耗正切為0.0019.通過HFSS仿真實現介質諧振器天線工作于2.4GHz的WiFi頻率.在介質基板內部嵌入4個LED小燈，位置處于玻璃介質正下方，實現天線和燈光功能的集成設計.天線結構尺寸如下：W1=85mm，L1=74.5mm，W2=39.6mm，L2=1.9mm，a=30mm.

2.2裝飾玻璃諧振器設計

透明玻璃作為諧振器可以實現低Q值DRA，有利于提升輻射特性.同時可以作為激光內雕的材料.激光雕刻玻璃，能量密度必須大于玻璃破壞的臨界值，或稱閾值.激光在某處的能量密度與在該點光斑的大小有關，一束激光，光斑越小的地方產生的能量密度越大.通過適當聚焦，可以使激光的能量密度在進入玻璃及到達加工區之前低于玻璃的破壞閾值，在希望加工的區域超過這一臨界值，激光在極短的時間內產生脈沖，激光能量能夠在瞬間使水晶受熱破裂，從而產生極小的白點.連續的白點在玻璃內部組合成預定的形狀，玻璃的其余部分則保持原樣完好無損.圖3是激光雕刻前后的玻璃塊對比.通過激光內雕實現玻璃塊內含3維月球圖案.

2.3雙功能介質諧振器天線設計

傳統介質諧振器天線可以使用多種饋電方式.本工作采用縫隙耦合形式，這種方式簡單且易于設計制造.圖4（a）和圖4（b）分別是介質天線的饋電基板上層和下層照片.介質基板上層全部覆上銅，在中心位置蝕刻出方形槽，用于激勵介質諧振器.介質基板下層僅存在一條微帶線，用于將信號耦合到介質基板上層方形槽.圖4（c）是將玻璃介質諧振器和介質基板合理組合形成的玻璃介質諧振器天線.天線工作于2.4GHz，可以良好的用于WiFi系統中.透明諧振器的設計為后續功能的集成提供可能.圖5是多功能裝飾天線實物照片.通過對圖4（c）所示的玻璃介質諧振器天線的處理，利用激光內雕技術實現玻璃內嵌3維月球圖案.在介質基板內部，玻璃諧振器下方嵌入4個LED發光二極管，實現天線集成燈光功能.最后設計的天線除了傳統的信號發射接收功能，還具有燈光和裝飾功能.，圖6是在黑暗空間采用矢量網絡分析儀測試多功能裝飾天線反射系數S11的照片.測試結果如圖7所示.由圖中可以看出，沒有玻璃介質諧振器時的S11曲線比較平滑，沒有明顯諧振的地方，說明只有介質基板時，天線并不工作；測試介質基板上加載玻璃介質諧振器組成的玻璃介質諧振器天線的S11在2.5GHz附近存在明顯的諧振點，表明天線在此頻點可以有效輻射信號；對比圖7中的曲線，基于激光內雕刻和LED燈加載所設計的多功能裝飾天線和玻璃介質諧振器天線的S11曲線基本一樣，說明激光內雕和LED燈加載對天線性能沒有明顯影響，但是能夠賦予傳統天線燈光和裝飾的功能.圖8是裝飾天線在2.4GHz時仿真和測試的方向圖對比，可以發現天線主要向上半空間進行信號輻射.仿真最大增益為7.18dB，測試最大增益為7dB，測試比仿真少了0.18dB的增益，主要原因是仿真時沒有考慮玻璃的介質損耗.

3基于裝飾天線的視頻監控系統設計

3.1視頻監控系統關鍵元件

視頻監控系統的關鍵元件如圖9所示，主要包含IMX178攝像頭、HI3516A嵌入式處理器、多功能裝飾天線、RT3070無線網卡和12V電源.IMX178是索尼開發的一款CMOS圖像傳感器，支持500萬有效像素，具有高分辨率、高靈敏度和高動態范圍的特點，負責圖像的采集.嵌入式處理器使用華為海思公司的Hi3516A，負責視頻的采集、處理、壓縮、傳輸.無線網卡模塊采用Ralink公司的RT3070芯片方案，采用USB接口，兼容IEEE802.11b/g/n三種標準，傳輸速率150Mbps，帶有I-PEX連接座可以外接天線.12V電源為整個系統供電.系統工作原理如下：首先嵌入式處理器Hi3516A采集攝像頭IMX178拍攝的視頻，然后在處理器內部經去燥和H.265編碼壓縮后，移植開源程序LIVE555將壓縮后視頻轉換為RTSP視頻流，最后經裝飾天線和無線網卡發射WiFi信號.

3.2視頻監控系統驗證

將圖9中各個關鍵元件有序連接，為了保護各個元件，通過簡易包裝盒將設備端的所有元件封裝在一起.多功能天線處于封裝盒外邊，方便顯示燈光效果.在圖像采集端0.5m遠處放置一個地球儀作為監控目標.圖像采集端在上電后開始工作，攝像頭將采集的地球儀圖像進行本地處理，經過無線網卡產生WiFi信號，最后通過多功能天線發送到局域網中.無線傳輸的視頻圖像能夠通過監控端電腦接收和顯示.監控端電腦采用聯想Z470系列，聯想Z470自帶無線網卡.監控端電腦連接圖像采集端產生的無線局域網后，能夠通過視頻播放軟件VLC對視頻進行解碼和播放.圖10是多功能監控系統演示照片，可以發現監控圖像良好的顯示在電腦端，證明本文所提出設計的正確性.

4結論

本文設計了一款工作于WiFi頻段的介質天線，天線采用K9玻璃介質，通過激光雕刻技術對K9玻璃進行了藝術加工，增加了天線的藝術觀賞性.在天線中嵌入發光二極管，實現了具有燈光功能的雙功能天線.基于所設計的天線，研究開發了一款多功能無線視頻監控系統.最后對設計的無線視頻監控系統進行了測試，系統演示效果良好，具有實際應用價值.

作者：趙維龍 劉海文 趙振宇 宋懿 文品 單位：華東交通大學信息工程學院