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

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(gè)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2.45GHz ISM industrial、scientific and medical 頻段，采用了跳頻即頻率跳變擴(kuò)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(lán)牙特殊利益團(tuán)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(diǎn)對點(diǎn)、點(diǎn)對多點(diǎn)微微網(wǎng)，又可由多個(gè)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(qiáng)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(qiáng)有力的保證，同時(shí)也是開發(fā)性技術(shù)規(guī)范有機(jī)的互補(bǔ)。

(５)低功耗、低成本。為實(shí)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。可見，藍(lán)牙有較強(qiáng)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(jì)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(jī)(以下簡稱藍(lán)牙攝像機(jī))，既可直接也可間接(通過相鄰藍(lán)牙攝像機(jī)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(shí)時(shí)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(jī)啟動或停止圖像傳輸；可以查詢藍(lán)牙攝像機(jī)的狀態(tài)并進(jìn)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(jìn)行監(jiān)視，甚至臨時(shí)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(gè)藍(lán)牙攝像機(jī)或其它藍(lán)牙設(shè)備構(gòu)成一個(gè)微微網(wǎng)，若干個(gè)微微網(wǎng)還可構(gòu)成一個(gè)規(guī)模較大的分散網(wǎng)。

(２)任意兩個(gè)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(jī)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(yùn)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(jī)、監(jiān)控器以及其它藍(lán)牙設(shè)備組成。通常攝像機(jī)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(jì)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(jī)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(diǎn)、由若干個(gè)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(gè)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(shí)現(xiàn)中繼傳輸。為保證系統(tǒng)實(shí)時(shí)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(gè)網(wǎng)絡(luò)的主設(shè)備仍然是藍(lán)牙監(jiān)控器，同時(shí)根據(jù)需要可設(shè)置若干個(gè)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(shí)時(shí)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(diǎn)，適合于不同的應(yīng)用場合，如表２所示。

３ 硬件、軟件設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問題

３．１ 藍(lán)牙攝像機(jī)嵌入式系統(tǒng)

為使攝像機(jī)通過藍(lán)牙無線通信方式傳輸圖像，必須設(shè)計(jì)嵌入式系統(tǒng)使攝像機(jī)以獨(dú)立(stand
-alone)方式進(jìn)行本地圖像處理并運(yùn)行藍(lán)牙協(xié)議。

設(shè)計(jì)藍(lán)牙嵌入式系統(tǒng)時(shí)，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Ｃａｍｂｒｉｄｇｅ Ｓｉｌｉｃｏｎ ＲａｄｉｏＬｔｄ．　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(shí)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(shí)時(shí)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(yùn)行平臺。

３．２ 藍(lán)牙監(jiān)控器

根據(jù)不同應(yīng)用場合，可分別基于工控機(jī)、桌面電腦及嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jìn)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(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。

３．３ 藍(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(jìn)行組網(wǎng)配置。較為新穎和實(shí)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。

３．４ 多手段網(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(diǎn)對多點(diǎn)通信采用時(shí)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(shí)容易出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)擁塞現(xiàn)象。為保證系統(tǒng)的實(shí)時(shí)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(jī)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(duì)列優(yōu)先級技術(shù)等。

３．５ 自適應(yīng)跳頻算法

目前藍(lán)牙在2.4000ＧＨｚ～2.4835ＧＨｚＩＳＭ頻段中的７９個(gè)間隔均勻的頻點(diǎn)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(diǎn)。因此，為進(jìn)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(diǎn)、功率及時(shí)間分布等特性，難點(diǎn)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(shí)例

針對室內(nèi)安全防衛(wèi)中的監(jiān)視與報(bào)警，進(jìn)行了局域監(jiān)控藍(lán)牙無線圖像傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)。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)。基于嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)藍(lán)牙攝像機(jī)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(bào)警設(shè)備利用市場現(xiàn)有產(chǎn)品；藍(lán)牙攝像機(jī)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(yàn)裝置，已能實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對點(diǎn)傳輸，效果符合實(shí)用要求。以上研究工作得到了國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃項(xiàng)目《集成微光機(jī)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(jī)，具有廣闊的應(yīng)用前景。