摘? 要: 針對目前監(jiān)控領(lǐng)域無線圖像傳輸" title="圖像傳輸">圖像傳輸系統(tǒng)普遍存在的三大缺陷,討論了藍牙在局域監(jiān)控?zé)o線圖像傳輸上的技術(shù)優(yōu)勢;確定了系統(tǒng)設(shè)計" title="系統(tǒng)設(shè)計">系統(tǒng)設(shè)計的總體要求,提出了分別基于星型微微網(wǎng)" title="微微網(wǎng)">微微網(wǎng)、樹型分散網(wǎng)及復(fù)合型分散網(wǎng)的三種設(shè)計方案;介紹了解決藍牙攝像機嵌入式系統(tǒng)、藍牙自動配置組網(wǎng)技術(shù)等關(guān)鍵問題的方法及室內(nèi)安防應(yīng)用實例。

　　關(guān)鍵詞: 局域監(jiān)控? 藍牙? 無線圖像傳輸

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　　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" title="圖像監(jiān)控">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?shù)男阅?。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)、藍牙(Bluetooth)、Wi-Fi(IEEE 802.11b) 以及HomeRF等。針對局域監(jiān)控,本文介紹將藍牙作為傳輸手段的無線圖像傳輸系統(tǒng)設(shè)計。

1?藍牙在局域監(jiān)控?zé)o線圖像傳輸上的技術(shù)優(yōu)勢

　　藍牙是一種新興的、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。藍牙工作在無需申請的2.45GHz ISM (industrial、scientific and medical) 頻段,采用了跳頻" title="跳頻">跳頻即頻率跳變擴頻 (FHSS)技術(shù);組網(wǎng)方式為專設(shè)(ad hoc)方式,可組成微微網(wǎng)(piconet)和分散網(wǎng)(scatternet)。自1999年7月藍牙特殊利益團體(BSIG)正式發(fā)布藍牙規(guī)范1.0 A版本以來,藍牙已在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)正推動著藍牙的廣泛應(yīng)用和深入發(fā)展。2001年2月BSIG又發(fā)布了藍牙規(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,藍牙具有以下技術(shù)優(yōu)勢:

　　(1)開放性技術(shù)規(guī)范。藍牙規(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?？焖偬l(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等與藍牙相近的無線局域網(wǎng)技術(shù),藍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。

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2 系統(tǒng)設(shè)計方案

2.1 總體要求

2.1.1 功能描述

　　(1)具備藍牙無線通信方式的攝像機(以下簡稱藍牙攝像機),既可直接也可間接(通過相鄰藍牙攝像機或其它藍牙設(shè)備中繼)向具備藍牙無線通信方式的監(jiān)控器(以下簡稱藍牙監(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)藍牙監(jiān)控器可在外部信號(如警情)觸發(fā)下控制藍牙攝像機啟動或停止圖像傳輸;可以查詢藍牙攝像機的狀態(tài)并進行相應(yīng)控制。

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

2.1.2 技術(shù)指標(biāo)

　　(1)藍牙監(jiān)控器可直接與7個藍牙攝像機或其它藍牙設(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)任意兩個藍牙設(shè)備之間的直接通信距離不超過100m。

　　(3)藍牙攝像機與監(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 (motion JPEG)、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)由藍牙攝像機、監(jiān)控器以及其它藍牙設(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)的拓撲結(jié)構(gòu)在一定程度上也是可以事先確定的。根據(jù)不同的拓撲結(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)為藍牙監(jiān)控器,從設(shè)備(slave)為藍牙攝像機和其它藍牙設(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。

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　　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。

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3 硬件、軟件設(shè)計的關(guān)鍵問題

3.1 藍牙攝像機嵌入式系統(tǒng)

　　為使攝像機通過藍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牙協(xié)議。

　　設(shè)計藍牙嵌入式系統(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藍牙組件、摩托羅拉公司的BTMCM150藍牙組件、CSR公司(Cambridge Silicon Radio Ltd.)的BlueCore單芯片藍牙芯片等。主要應(yīng)從有利于技術(shù)支持的角度選定藍牙組件或芯片。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牙高層協(xié)議實現(xiàn),還需考慮與藍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、藍牙協(xié)議棧及其它應(yīng)用程序的運行平臺。

3.2 藍牙監(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)進行遠程監(jiān)控。

3.3 藍牙自動配置(self-configuration)組網(wǎng)技術(shù)

　　在事先給定拓撲結(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。

3.4 多手段網(wǎng)絡(luò)流量控制技術(shù)

　　由于目前藍牙通信信道的數(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。

3.5 自適應(yīng)跳頻算法

　　目前藍牙在2.4000GHz～2.4835GHz ISM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,為進一步提高藍牙無線傳輸?shù)目垢蓴_性能,有必要基于現(xiàn)有藍牙跳頻技術(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。

4 室內(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)拓撲結(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)計藍牙攝像機和藍牙監(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;藍牙移動電話和紅外報警設(shè)備利用市場現(xiàn)有產(chǎn)品;藍牙攝像機所需圖像處理芯片選用了W99200F MPEG-1編碼芯片,藍牙監(jiān)控器所需圖像芯片選用了CS92288 MPEG-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。

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　　研制成功用于室內(nèi)安防的局域監(jiān)控藍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。

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參考文獻

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