局域監控藍牙無(wú)線(xiàn)圖像傳輸系統設計

１ 藍牙在局域監控無(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)電網(wǎng)絡(luò )技術(shù)，可在移動(dòng)電話(huà)、膝上電腦、個(gè)人數字助理(PDA)等便攜式數字設備以及其它任何數字設備之間建立短距離(100ｍ以?xún)?無(wú)線(xiàn)電連接。藍牙工作在無(wú)需申請的2.45GHz ISM industrial、scientific and medical 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(zhuān)設(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)布藍牙規范 1.0A版本以來(lái)，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(kāi)發(fā)正推動(dòng)著(zhù)藍牙的廣泛應用和深入發(fā)展。２００１年２月BSIG又發(fā)布了藍牙規范1.1版本，并著(zhù)手研究更新的技術(shù)規范，以適應寬帶化等需求。

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

(１)開(kāi)放性技術(shù)規范。藍牙規范是一種全球統一的開(kāi)放性規范，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)，為定制監控應用預留更多自由空間。 (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(wú)線(xiàn)傳輸的抗干擾性能。

(４)安全措施有力。多級鑒權和加密為監控應用提供了強有力的保證，同時(shí)也是開(kāi)發(fā)性技術(shù)規范有機的互補。

(５)低功耗、低成本。為實(shí)際推廣應用奠定了基礎。

相對于Wi－Fi、ＨｏｍｅＲＦ等與藍牙相近的無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)技術(shù)，藍牙在局域無(wú)線(xiàn)圖像監控中也具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢，如表１所示?？梢?jiàn)，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用，尤其是室內應用。

                     

２ 系統設計方案

２．１ 總體要求

２．１．１ 功能描述
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(１)具備藍牙無(wú)線(xiàn)通信方式的攝像機(以下簡(jiǎn)稱(chēng)藍牙攝像機)，既可直接也可間接(通過(guò)相鄰藍牙攝像機或其它藍牙設備中繼)向具備藍牙無(wú)線(xiàn)通信方式的監控器(以下簡(jiǎn)稱(chēng)藍牙監控器)實(shí)時(shí)傳輸圖像。
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(２)可傳輸靜止圖像即照片，也可傳輸動(dòng)態(tài)圖像；圖像彩色、黑白均可，且可調節分辨率與幀速。

(３)藍牙監控器可在外部信號(如警情)觸發(fā)下控制藍牙攝像機啟動(dòng)或停止圖像傳輸；可以查詢(xún)藍牙攝像機的狀態(tài)并進(jìn)行相應控制。
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(４)可授權藍牙移動(dòng)電話(huà)、ＰＤＡ、桌面電腦、筆記本電腦等其它藍牙設備進(jìn)行監視，甚至臨時(shí)代替藍牙監控器執行某些控制。

２．１．２ 技術(shù)指標

(１)藍牙監控器可直接與７個(gè)藍牙攝像機或其它藍牙設備構成一個(gè)微微網(wǎng)，若干個(gè)微微網(wǎng)還可構成一個(gè)規模較大的分散網(wǎng)。

(２)任意兩個(gè)藍牙設備之間的直接通信距離不超過(guò)100ｍ。
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(３)藍牙攝像機與監控器之間的通信鏈路采用非對稱(chēng)異步無(wú)連接(ACL)數據分組方式，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，相應速率為５７．６kbps。

(４)圖像格式。照片為JPEG(聯(lián)合攝影專(zhuān)家組)圖像壓縮格式；動(dòng)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(huì ))H.263及MPEG(運動(dòng)圖像專(zhuān)家組)等圖像壓縮格式。

２．２ 多方案比較及選擇

系統由藍牙攝像機、監控器以及其它藍牙設備組成。通常攝像機和監控器的位置相對固定，因而系統的拓撲結構在一定程度上也是可以事先確定的。根據不同的拓撲結構和具體要求，有三種系統設計方案可供選擇。
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(１)星型微微網(wǎng)＋動(dòng)態(tài)圖像傳輸

該方案以藍牙監控器為中心構成簡(jiǎn)單的星型微微網(wǎng)，其主設備(master)為藍牙監控器，從設備(slave)為藍牙攝像機和其它藍牙設備，如圖１(ａ)所示。由于結構簡(jiǎn)單、傳輸直接，因而可全部采用動(dòng)態(tài)圖像傳輸。

(２)樹(shù)型分散網(wǎng)＋動(dòng)態(tài)圖像傳輸＋照片傳輸

該方案以藍牙監控器為根節點(diǎn)、由若干個(gè)微微網(wǎng)構成有限級樹(shù)型分散網(wǎng)，如圖１(ｂ)所示。

藍牙監控器是整個(gè)網(wǎng)絡(luò )的主設備，但與其直接相連的從設備可以是第二級微微網(wǎng)的主設備，而第二級微微網(wǎng)的從設備又可以是第三級微微網(wǎng)的主設備。藍牙設備通過(guò)主從轉換可以實(shí)現中繼傳輸。為保證系統實(shí)時(shí)性并避免網(wǎng)絡(luò )擁塞，不全部采用動(dòng)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)復合型分散網(wǎng)＋照片傳輸＋動(dòng)態(tài)圖像傳輸

該方案的網(wǎng)絡(luò )結構是星型和樹(shù)型結構的復合，如圖１(ｃ)所示。整個(gè)網(wǎng)絡(luò )的主設備仍然是藍牙監控器，同時(shí)根據需要可設置若干個(gè)主從轉換中繼設備。由于結構較為復雜且需要中繼傳輸，為保證系統實(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(dòng)態(tài)圖像傳輸。

這三種方案各有優(yōu)缺點(diǎn)，適合于不同的應用場(chǎng)合，如表２所示。

３ 硬件、軟件設計的關(guān)鍵問(wèn)題

３．１ 藍牙攝像機嵌入式系統

為使攝像機通過(guò)藍牙無(wú)線(xiàn)通信方式傳輸圖像，必須設計嵌入式系統使攝像機以獨立(stand
-alone)方式進(jìn)行本地圖像處理并運行藍牙協(xié)議。

設計藍牙嵌入式系統時(shí)，首先選定攝像頭類(lèi)型和配套的圖像處理芯片。目前市場(chǎng)上除了有直接輸出視頻的傳統攝像頭外，有自帶ＵＳＢ(通用串行總線(xiàn))接口的攝像頭。后者可省去圖像數字化環(huán)節和圖像壓縮的部分環(huán)節，但會(huì )增加一些成本。第二步選定藍牙組件或芯片。目前市場(chǎng)上已有幾款組件和芯片，如愛(ài)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 ＲａｄｉｏＬｔｄ．　的ＢｌｕｅＣｏｒｅ單芯片藍牙芯片等。主要應從有利于技術(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(shí)現，還需考慮與藍牙組件或芯片之間的接口問(wèn)題。第四步選定實(shí)時(shí)操作系統ＲＴＯＳ　，ＲＴＯＳ是本地圖像處理控制、藍牙協(xié)議棧及其它應用程序的運行平臺。

３．２ 藍牙監控器

根據不同應用場(chǎng)合，可分別基于工控機、桌面電腦及嵌入式系統設計藍牙監控器，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，還需預留有線(xiàn)或光纖接口及無(wú)線(xiàn)接口，以便連接到互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行遠程監控。

３．３ 藍牙自動(dòng)配置(self-configuration)組網(wǎng)技術(shù)

在事先給定拓撲結構的情況下，系統仍需根據具體應用場(chǎng)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(kāi)發(fā)藍牙自動(dòng)配置組網(wǎng)技術(shù)，其主要任務(wù)是：確定網(wǎng)絡(luò )樹(shù)型部分的微微網(wǎng)級數，選定主從轉換中繼設備的具體對象，選擇中繼路由，控制藍牙設備在監聽(tīng) (ｓｎｉｆｆ)、保持(ｈｏｌｄ)及暫停狀態(tài)之間的轉換等。

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據速率僅為１Ｍｂｐｓ，微微網(wǎng)中主設備與從設備之間的點(diǎn)對多點(diǎn)通信采用時(shí)分全雙工ＴＤＤ　復用方式，并且對樹(shù)型網(wǎng)和復合網(wǎng)結構還有中繼傳輸問(wèn)題，因而系統傳輸圖像時(shí)容易出現網(wǎng)絡(luò )擁塞現象。為保證系統的實(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(kāi)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 自適應跳頻算法

目前藍牙在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(kāi)可知的、相對固定的干擾頻段或頻點(diǎn)。因此，為進(jìn)一步提高藍牙無(wú)線(xiàn)傳輸的抗干擾性能，有必要基于現有藍牙跳頻技術(shù)研究自適應跳頻算法。其前提是預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快速跳頻。

４ 室內安防應用實(shí)例

針對室內安全防衛中的監視與報警，進(jìn)行了局域監控藍牙無(wú)線(xiàn)圖像傳輸系統設計。局域監控的整體系統框圖如圖２所示。

系統拓撲結構采用簡(jiǎn)化的復合型分散網(wǎng)?；谇度胧较到y設計藍牙攝像機和藍牙監控器，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(dòng)電話(huà)和紅外報警設備利用市場(chǎng)現有產(chǎn)品；藍牙攝像機所需圖像處理芯片選用了Ｗ９９２００ＦＭＰＥＧ－１編碼芯片，藍牙監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(kāi)發(fā)的一種嵌入式Ｌｉｎｕｘ操作系統。研制了藍牙無(wú)線(xiàn)圖像傳輸試驗裝置，已能實(shí)現點(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)基礎研究發(fā)展規劃項目《集成微光機電系統研究》的資助，課題編號：Ｇ１９９９０３３１０５。研制成功用于室內安防的局域監控藍牙無(wú)線(xiàn)圖像傳輸系統，必將為圖像監控或多媒體監控帶來(lái)新的生機，具有廣闊的應用前景。