更靈便!局域監(jiān)控藍(lán)牙無線圖像傳輸系統(tǒng)設(shè)計

　　多媒體監(jiān)控是當(dāng)今監(jiān)控領(lǐng)域的發(fā)展主流，既可用于工業(yè)過程和交通管制中的監(jiān)測與控制，又可用于安全防衛(wèi)中的監(jiān)視與報警。

　　通常情況下，多媒體監(jiān)控涉及的圖像所包含的信息最為豐富和有用，但同時圖像數(shù)字化、壓縮、傳輸及處理也較為復(fù)雜，因而圖像監(jiān)控就成了多媒體監(jiān)控的主要內(nèi)容。在技術(shù)進步推動信息傳遞日趨無線化的背景下，無線圖像傳輸也就成為圖像監(jiān)控的關(guān)鍵任務(wù)之一。圖像傳輸無線化打破了傳統(tǒng)同軸電纜和光纖圖像監(jiān)控受制于硬件連接的不利局面，具有更強的靈活性和方便性。然而，國內(nèi)外現(xiàn)有的和正在研發(fā)的圖像監(jiān)控產(chǎn)品所采用的無線圖像傳輸系統(tǒng)，普遍存在三大缺陷：一是自成系統(tǒng)、專有專用，缺乏一定的開放性，不利于與其它信息系統(tǒng)互聯(lián)；二是組網(wǎng)功能較差，一般為點對點或點對多點，不利于資源和信息的共享；三是缺乏甚至沒有抗干擾措施，無法保證系統(tǒng)的可靠性。為此，有必要尋求一種新的途徑來克服上述缺陷并增強無線圖像傳輸的性能。在無線電通信技術(shù)日新月異的今天，各種新興無線電通信技術(shù)提供了選擇的良機，這些技術(shù)包括通用分組無線服務(wù)GPRS、寬帶碼分多址(W-CDMA)、第三代移動通信(3G)、藍(lán)牙(Bluetooth、Wi-Fi(IEEE802．11b)以及HomeRF等。針對局域監(jiān)控，本文介紹將藍(lán)牙作為傳輸手段的無線圖像傳輸系統(tǒng)設(shè)計。

１藍(lán)牙在局域監(jiān)控無線圖像傳輸上的技術(shù)優(yōu)勢

　　藍(lán)牙是一種新興的、短距離、低功耗、低成本無線電網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，可在移動電話、膝上電腦、個人數(shù)字助理(PDA)等便攜式數(shù)字設(shè)備以及其它任何數(shù)字設(shè)備之間建立短距離(100ｍ以內(nèi))無線電連接。藍(lán)牙工作在無需申請的2.45GHzISMindustrial、scientificandmedical頻段，采用了跳頻即頻率跳變擴頻(FHSS)技術(shù)；組網(wǎng)方式為專設(shè)(adhoc)方式，可組成微微網(wǎng)(piconet)和分散網(wǎng)(scatternet)。自１９９９年７月藍(lán)牙特殊利益團體(BSIG)正式發(fā)布藍(lán)牙規(guī)范1.0A版本以來，藍(lán)牙已在ＩＴ界以及眾多相關(guān)行業(yè)引起了極大關(guān)注，大量研究和開發(fā)正推動著藍(lán)牙的廣泛應(yīng)用和深入發(fā)展。２００１年２月BSIG又發(fā)布了藍(lán)牙規(guī)范1.1版本，并著手研究更新的技術(shù)規(guī)范，以適應(yīng)寬帶化等需求。

　　較之于現(xiàn)有局域無線圖像監(jiān)控系統(tǒng)所采用的傳輸手段，如臺灣百特公司生產(chǎn)的0.9／1.２／2.4ＧＨｚ微波圖像傳輸設(shè)備、公安部第一研究所研制的Ｌ波段圖像傳輸設(shè)備等，藍(lán)牙具有以下技術(shù)優(yōu)勢：

　　(１)開放性技術(shù)規(guī)范。藍(lán)牙規(guī)范是一種全球統(tǒng)一的開放性規(guī)范，已經(jīng)得到了ＩＴ行業(yè)和其它相關(guān)行業(yè)的廣泛支持。

　　(２)高自由度組網(wǎng)方式。既可組成點對點、點對多點微微網(wǎng)，又可由多個微微網(wǎng)組成分散網(wǎng)，為定制監(jiān)控應(yīng)用預(yù)留更多自由空間。

　　(３)多種有效的抗干擾措施。快速跳頻(１６００跳／秒)、前向糾錯、信道編碼等措施，極大地增強了無線傳輸?shù)目垢蓴_性能。

　　(４)安全措施有力。多級鑒權(quán)和加密為監(jiān)控應(yīng)用提供了強有力的保證，同時也是開發(fā)性技術(shù)規(guī)范有機的互補。

　　(５)低功耗、低成本。為實際推廣應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

　　相對于Wi－Fi、ＨｏｍｅＲＦ等與藍(lán)牙相近的無線局域網(wǎng)技術(shù)，藍(lán)牙在局域無線圖像監(jiān)控中也具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢，如表１所示?？梢?，藍(lán)牙有較強的抗干擾性能、低功耗、低成本等優(yōu)勢，其傳輸距離也適用于短距離局域應(yīng)用，尤其是室內(nèi)應(yīng)用。

２系統(tǒng)設(shè)計方案

　　２．１總體要求

　　２．１．１功能描述

　　(１)具備藍(lán)牙無線通信方式的攝像機(以下簡稱藍(lán)牙攝像機)，既可直接也可間接(通過相鄰藍(lán)牙攝像機或其它藍(lán)牙設(shè)備中繼)向具備藍(lán)牙無線通信方式的監(jiān)控器(以下簡稱藍(lán)牙監(jiān)控器)實時傳輸圖像。

　　(２)可傳輸靜止圖像即照片，也可傳輸動態(tài)圖像；圖像彩色、黑白均可，且可調(diào)節(jié)分辨率與幀速。

　　(３)藍(lán)牙監(jiān)控器可在外部信號(如警情)觸發(fā)下控制藍(lán)牙攝像機啟動或停止圖像傳輸；可以查詢藍(lán)牙攝像機的狀態(tài)并進行相應(yīng)控制。

　　(４)可授權(quán)藍(lán)牙移動電話、ＰＤＡ、桌面電腦、筆記本電腦等其它藍(lán)牙設(shè)備進行監(jiān)視，甚至臨時代替藍(lán)牙監(jiān)控器執(zhí)行某些控制。

　　２．１．２技術(shù)指標(biāo)

　　(１)藍(lán)牙監(jiān)控器可直接與７個藍(lán)牙攝像機或其它藍(lán)牙設(shè)備構(gòu)成一個微微網(wǎng)，若干個微微網(wǎng)還可構(gòu)成一個規(guī)模較大的分散網(wǎng)。

　　(２)任意兩個藍(lán)牙設(shè)備之間的直接通信距離不超過100ｍ。

　　(３)藍(lán)牙攝像機與監(jiān)控器之間的通信鏈路采用非對稱異步無連接(ACL)數(shù)據(jù)分組方式，圖像傳輸占用上行分組，最大速率為７２３．２kbps，控制命令占用下行分組，相應(yīng)速率為５７．６kbps。

　　(４)圖像格式。照片為JPEG(聯(lián)合攝影專家組)圖像壓縮格式；動態(tài)圖像可以是M－JPEG(ｍｏｔｉｏｎJPEG)　、ITU-T(國際電信聯(lián)盟電信委員會)H.263及MPEG(運動圖像專家組)等圖像壓縮格式。

　　２．２多方案比較及選擇

　　系統(tǒng)由藍(lán)牙攝像機、監(jiān)控器以及其它藍(lán)牙設(shè)備組成。通常攝像機和監(jiān)控器的位置相對固定，因而系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在一定程度上也是可以事先確定的。根據(jù)不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和具體要求，有三種系統(tǒng)設(shè)計方案可供選擇。

　　(１)星型微微網(wǎng)＋動態(tài)圖像傳輸

　　該方案以藍(lán)牙監(jiān)控器為中心構(gòu)成簡單的星型微微網(wǎng)，其主設(shè)備(master)為藍(lán)牙監(jiān)控器，從設(shè)備(slave)為藍(lán)牙攝像機和其它藍(lán)牙設(shè)備，如圖１(ａ)所示。由于結(jié)構(gòu)簡單、傳輸直接，因而可全部采用動態(tài)圖像傳輸。

　　(２)樹型分散網(wǎng)＋動態(tài)圖像傳輸＋照片傳輸

　　該方案以藍(lán)牙監(jiān)控器為根節(jié)點、由若干個微微網(wǎng)構(gòu)成有限級樹型分散網(wǎng)，如圖１(ｂ)所示。

　　藍(lán)牙監(jiān)控器是整個網(wǎng)絡(luò)的主設(shè)備，但與其直接相連的從設(shè)備可以是第二級微微網(wǎng)的主設(shè)備，而第二級微微網(wǎng)的從設(shè)備又可以是第三級微微網(wǎng)的主設(shè)備。藍(lán)牙設(shè)備通過主從轉(zhuǎn)換可以實現(xiàn)中繼傳輸。為保證系統(tǒng)實時性并避免網(wǎng)絡(luò)擁塞，不全部采用動態(tài)圖像傳輸，可輔之以照片傳輸，尤其對于需要中繼傳輸而重要性又不大的圖像。

　　(３)復(fù)合型分散網(wǎng)＋照片傳輸＋動態(tài)圖像傳輸

　　該方案的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是星型和樹型結(jié)構(gòu)的復(fù)合，如圖１(ｃ)所示。整個網(wǎng)絡(luò)的主設(shè)備仍然是藍(lán)牙監(jiān)控器，同時根據(jù)需要可設(shè)置若干個主從轉(zhuǎn)換中繼設(shè)備。由于結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜且需要中繼傳輸，為保證系統(tǒng)實時性并避免網(wǎng)絡(luò)擁塞，宜以照片傳輸為主、輔之以動態(tài)圖像傳輸。

　　這三種方案各有優(yōu)缺點，適合于不同的應(yīng)用場合，如表２所示。

　　３硬件、軟件設(shè)計的關(guān)鍵問題

　　３．１藍(lán)牙攝像機嵌入式系統(tǒng)

　　為使攝像機通過藍(lán)牙無線通信方式傳輸圖像，必須設(shè)計嵌入式系統(tǒng)使攝像機以獨立(stand-alone)方式進行本地圖像處理并運行藍(lán)牙協(xié)議。

　　設(shè)計藍(lán)牙嵌入式系統(tǒng)時，首先選定攝像頭類型和配套的圖像處理芯片。目前市場上除了有直接輸出視頻的傳統(tǒng)攝像頭外，有自帶ＵＳＢ(通用串行總線)接口的攝像頭。后者可省去圖像數(shù)字化環(huán)節(jié)和圖像壓縮的部分環(huán)節(jié)，但會增加一些成本。第二步選定藍(lán)牙組件或芯片。目前市場上已有幾款組件和芯片，如愛立信公司的ＲＯＫ１０１００７藍(lán)牙組件、摩托羅拉公司的ＢＴＭＣＭ１５０藍(lán)牙組件、ＣＳＲ公司ＣａｍｂｒｉｄｇｅＳｉｌｉｃｏｎＲａｄｉｏＬｔｄ．　的ＢｌｕｅＣｏｒｅ單芯片藍(lán)牙芯片等。主要應(yīng)從有利于技術(shù)支持的角度選定藍(lán)牙組件或芯片。第三步選定嵌入式處理器芯片。需衡量處理器性能是否勝任本地圖像處理控制和藍(lán)牙高層協(xié)議實現(xiàn)，還需考慮與藍(lán)牙組件或芯片之間的接口問題。第四步選定實時操作系統(tǒng)ＲＴＯＳ　，ＲＴＯＳ是本地圖像處理控制、藍(lán)牙協(xié)議棧及其它應(yīng)用程序的運行平臺。

　?。常菜{(lán)牙監(jiān)控器

　　根據(jù)不同應(yīng)用場合，可分別基于工控機、桌面電腦及嵌入式系統(tǒng)設(shè)計藍(lán)牙監(jiān)控器，但均需配置較大容量的存儲器，以備存儲接收到的圖像作進一步處理，還需預(yù)留有線或光纖接口及無線接口，以便連接到互聯(lián)網(wǎng)進行遠(yuǎn)程監(jiān)控。

　?。常乘{(lán)牙自動配置(self-configuration)組網(wǎng)技術(shù)

　　在事先給定拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的情況下，系統(tǒng)仍需根據(jù)具體應(yīng)用場合和變化進行組網(wǎng)配置。較為新穎和實用的途徑是研究開發(fā)藍(lán)牙自動配置組網(wǎng)技術(shù)，其主要任務(wù)是：確定網(wǎng)絡(luò)樹型部分的微微網(wǎng)級數(shù)，選定主從轉(zhuǎn)換中繼設(shè)備的具體對象，選擇中繼路由，控制藍(lán)牙設(shè)備在監(jiān)聽(ｓｎｉｆｆ)、保持(ｈｏｌｄ)及暫停狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換等。

　?。常炊嗍侄尉W(wǎng)絡(luò)流量控制技術(shù)

　　由于目前藍(lán)牙通信信道的數(shù)據(jù)速率僅為１Ｍｂｐｓ，微微網(wǎng)中主設(shè)備與從設(shè)備之間的點對多點通信采用時分全雙工ＴＤＤ　復(fù)用方式，并且對樹型網(wǎng)和復(fù)合網(wǎng)結(jié)構(gòu)還有中繼傳輸問題，因而系統(tǒng)傳輸圖像時容易出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)擁塞現(xiàn)象。為保證系統(tǒng)的實時性，必須盡可能避免網(wǎng)絡(luò)擁塞。因此，有必要研究開發(fā)多手段網(wǎng)絡(luò)流量控制技術(shù)，包括藍(lán)牙攝像機目標(biāo)檢測ＭＴＤ　技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)分布式處理技術(shù)、任務(wù)隊列優(yōu)先級技術(shù)等。

　?。常底赃m應(yīng)跳頻算法

　　目前藍(lán)牙在2.4000ＧＨｚ～2.4835ＧＨｚＩＳＭ頻段中的７９個間隔均勻的頻點跳頻，盡管跳速較高(１６００跳／秒)，但不能避開可知的、相對固定的干擾頻段或頻點。因此，為進一步提高藍(lán)牙無線傳輸?shù)目垢蓴_性能，有必要基于現(xiàn)有藍(lán)牙跳頻技術(shù)研究自適應(yīng)跳頻算法。其前提是預(yù)測和檢測干擾的頻段或頻點、功率及時間分布等特性，難點是如何使算法快速收斂以適應(yīng)快速跳頻。

　?。词覂?nèi)安防應(yīng)用實例

　　針對室內(nèi)安全防衛(wèi)中的監(jiān)視與報警，進行了局域監(jiān)控藍(lán)牙無線圖像傳輸系統(tǒng)設(shè)計。局域監(jiān)控的整體系統(tǒng)框圖如圖２所示。

　　系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用簡化的復(fù)合型分散網(wǎng)?；谇度胧较到y(tǒng)設(shè)計藍(lán)牙攝像機和藍(lán)牙監(jiān)控器，圖２中的ＥＭＰＵ表示嵌入式微處理器，分別選用了ＭＣＦ５２７２和ＭＰＣ８２４５芯片；藍(lán)牙移動電話和紅外報警設(shè)備利用市場現(xiàn)有產(chǎn)品；藍(lán)牙攝像機所需圖像處理芯片選用了Ｗ９９２００ＦＭＰＥＧ－１編碼芯片，藍(lán)牙監(jiān)控器所需圖像芯片選用了ＣＳ９２２８８ＭＰＥＧ－２編解碼芯片；圖像傳輸采用ＭＰＥＧ－１與ＪＰＥＧ照片相結(jié)合的方式；藍(lán)牙組件選用了ＲＯＫ１０１００７；ＲＴＯＳ選用了ｕＣｌｉｎｕｘ，它是一種為控制領(lǐng)域開發(fā)的一種嵌入式Ｌｉｎｕｘ操作系統(tǒng)。研制了藍(lán)牙無線圖像傳輸試驗裝置，已能實現(xiàn)點對點傳輸，效果符合實用要求。以上研究工作得到了國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃項目《集成微光機電系統(tǒng)研究》的資助，課題編號：Ｇ１９９９０３３１０５。研制成功用于室內(nèi)安防的局域監(jiān)控藍(lán)牙無線圖像傳輸系統(tǒng)，必將為圖像監(jiān)控或多媒體監(jiān)控帶來新的生機，具有廣闊的應(yīng)用前景。