局域监控蓝牙无线图像传输系统设计

多媒体监控是当今监控领域的发展主流，既可用于工业过程和交通管制中的监测与控制，又可用于安全防卫中的监视与报警。通常情况下，多媒体监控涉及的图像所包含的信息最为丰富和有用，但同时图像数字化、压缩、传输及处理也较为复杂，因而图像监控就成了多媒体监控的主要内容。在技术进步推动信息传递日趋无线化的背景下，无线图像传输也就成为图像监控的关键任务之一。图像传输无线化打破了传统同轴电缆和光纤图像监控受制于硬件连接的不利局面，具有更强的灵活性和方便性。然而，国内外现有的和正在研发的图像监控产品所采用的无线图像传输系统，普遍存在三大缺陷：一是自成系统、专有专用，缺乏一定的开放性，不利于与其它信息系统互联；二是组网功能较差，一般为点对点或点对多点，不利于资源和信息的共享；三是缺乏甚至没有抗干扰措施，无法保证系统的可靠性。为此，有必要寻求一种新的途径来克服上述缺陷并增强无线图像传输的性能。在无线电通信技术日新月异的今天，各种新兴无线电通信技术提供了选择的良机，这些技术包括通用分组无线服务GPRS、宽带码分多址 (W-CDMA)、第三代移动通信(3G)、蓝牙(Bluetooth、Wi-Fi(IEEE 802．11b)以及HomeRF等。针对局域监控，本文介绍将蓝牙作为传输手段的无线图像传输系统设计。 １ 蓝牙在局域监控无线图像传输上的技术优势 蓝牙是一种新兴的、短距离、低功耗、低成本无线电网络技术，可在移动电话、膝上电脑、个人数字助理(PDA)等便携式数字设备以及其它任何数字设备之间建立短距离(100ｍ以内)无线电连接。蓝牙工作在无需申请的2.45GHz ISM industrial、scientific and medical 频段，采用了跳频即频率跳变扩频 (FHSS)技术；组网方式为专设(ad hoc)方式，可组成微微网(piconet)和分散网(scatternet)。自１９９９年７月蓝牙特殊利益团体(BSIG)正式发布蓝牙规范1.0A版本以来，蓝牙已在ＩＴ界以及众多相关行业引起了极大关注，大量研究和开发正推动着蓝牙的广泛应用和深入发展。２００１年２月BSIG又发布了蓝牙规范1.1版本，并着手研究更新的技术规范，以适应宽带化等需求。 较之于现有局域无线图像监控系统所采用的传输手段，如台湾百特公司生产的0.9／1.２／2.4ＧＨｚ微波图像传输设备、公安部第一研究所研制的Ｌ波段图像传输设备等，蓝牙具有以下技术优势： (１)开放性技术规范。蓝牙规范是一种全球统一的开放性规范，已经得到了ＩＴ行业和其它相关行业的广泛支持。 (２)高自由度组网方式。既可组成点对点、点对多点微微网，又可由多个微微网组成分散网，为定制监控应用预留更多自由空间。 (３)多种有效的抗干扰措施。快速跳频(１６００跳／秒)、前向纠错、信道编码等措施，极大地增强了无线传输的抗干扰性能。 (４)安全措施有力。多级鉴权和加密为监控应用提供了强有力的保证，同时也是开发性技术规范有机的互补。 (５)低功耗、低成本。为实际推广应用奠定了基础。 相对于Wi－Fi、ＨｏｍｅＲＦ等与蓝牙相近的无线局域网技术，蓝牙在局域无线图像监控中也具有明显的技术优势，如表１所示。可见，蓝牙有较强的抗干扰性能、低功耗、低成本等优势，其传输距离也适用于短距离局域应用，尤其是室内应用。 ２ 系统设计方案 ２．１ 总体要求 ２．１．１ 功能描述  (１)具备蓝牙无线通信方式的摄像机(以下简称蓝牙摄像机)，既可直接也可间接(通过相邻蓝牙摄像机或其它蓝牙设备中继)向具备蓝牙无线通信方式的监控器(以下简称蓝牙监控器)实时传输图像。  (２)可传输静止图像即照片，也可传输动态图像；图像彩色、黑白均可，且可调节分辨率与帧速。 (３)蓝牙监控器可在外部信号(如警情)触发下控制蓝牙摄像机启动或停止图像传输；可以查询蓝牙摄像机的状态并进行相应控制。  (４)可授权蓝牙移动电话、ＰＤＡ、桌面电脑、笔记本电脑等其它蓝牙设备进行监视，甚至临时代替蓝牙监控器执行某些控制。 ２．１．２ 技术指标 (１)蓝牙监控器可直接与７个蓝牙摄像机或其它蓝牙设备构成一个微微网，若干个微微网还可构成一个规模较大的分散网。 (２)任意两个蓝牙设备之间的直接通信距离不超过100ｍ。  (３)蓝牙摄像机与监控器之间的通信链路采用非对称异步无连接(ACL)数据分组方式，图像传输占用上行分组，最大速率为７２３．２kbps，控制命令占用下行分组，相应速率为５７．６kbps。 (４)图像格式。照片为JPEG(联合摄影专家组)图像压缩格式；动态图像可以是M－JPEG(ｍｏｔｉｏｎ JPEG)、ITU-T(国际电信联盟电信委员会)H.263及MPEG(运动图像专家组)等图像压缩格式。 ２．２ 多方案比较及选择 系统由蓝牙摄像机、监控器以及其它蓝牙设备组成。通常摄像机和监控器的位置相对固定，因而系统的拓扑结构在一定程度上也是可以事先确定的。根据不同的拓扑结构和具体要求，有三种系统设计方案可供选择。  (１)星型微微网＋动态图像传输 该方案以蓝牙监控器为中心构成简单的星型微微网，其主设备(master)为蓝牙监控器，从设备(slave)为蓝牙摄像机和其它蓝牙设备，如图１(ａ)所示。由于结构简单、传输直接，因而可全部采用动态图像传输。 (２)树型分散网＋动态图像传输＋照片传输 该方案以蓝牙监控器为根节点、由若干个微微网构成有限级树型分散网，如图１(ｂ)所示。 蓝牙监控器是整个网络的主设备，但与其直接相连的从设备可以是第二级微微网的主设备，而第二级微微网的从设备又可以是第三级微微网的主设备。蓝牙设备通过主从转换可以实现中继传输。为保证系统实时性并避免网络拥塞，不全部采用动态图像传输，可辅之以照片传输，尤其对于需要中继传输而重要性又不大的图像。 (３)复合型分散网＋照片传输＋动态图像传输 该方案的网络结构是星型和树型结构的复合，如图１(ｃ)所示。整个网络的主设备仍然是蓝牙监控器，同时根据需要可设置若干个主从转换中继设备。由于结构较为复杂且需要中继传输，为保证系统实时性并避免网络拥塞，宜以照片传输为主、辅之以动态图像传输。 这三种方案各有优缺点，适合于不同的应用场合，如表２所示。 ３ 硬件、软件设计的关键问题 ３．１ 蓝牙摄像机嵌入式系统 为使摄像机通过蓝牙无线通信方式传输图像，必须设计嵌入式系统使摄像机以独立(stand -alone)方式进行本地图像处理并运行蓝牙协议。 设计蓝牙嵌入式系统时，首先选定摄像头类型和配套的图像处理芯片。目前市场上除了有直接输出视频的传统摄像头外，有自带ＵＳＢ(通用串行总线)接口的摄像头。后者可省去图像数字化环节和图像压缩的部分环节，但会增加一些成本。第二步选定蓝牙组件或芯片。目前市场上已有几款组件和芯片，如爱立信公司的ＲＯＫ１０１００７蓝牙组件、摩托罗拉公司的ＢＴＭＣＭ１５０蓝牙组件、ＣＳＲ公司Ｃａｍｂｒｉｄｇｅ Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｒａｄｉｏ Ｌｔｄ．的ＢｌｕｅＣｏｒｅ单芯片蓝牙芯片等。主要应从有利于技术支持的角度选定蓝牙组件或芯片。第三步选定嵌入式处理器芯片。需衡量处理器性能是否胜任本地图像处理控制和蓝牙高层协议实现，还需考虑与蓝牙组件或芯片之间的接口问题。第四步选定实时操作系统ＲＴＯＳ，ＲＴＯＳ是本地图像处理控制、蓝牙协议栈及其它应用程序的运行平台。 ３．２ 蓝牙监控器 根据不同应用场合，可分别基于工控机、桌面电脑及嵌入式系统设计蓝牙监控器，但均需配置较大容量的存储器，以备存储接收到的图像作进一步处理，还需预留有线或光纤接口及无线接口，以便连接到互联网进行远程监控。 ３．３ 蓝牙自动配置(self-configuration)组网技术 在事先给定拓扑结构的情况下，系统仍需根据具体应用场合和变化进行组网配置。较为新颖和实用的途径是研究开发蓝牙自动配置组网技术，其主要任务是：确定网络树型部分的微微网级数，选定主从转换中继设备的具体对象，选择中继路由，控制蓝牙设备在监听 (ｓｎｉｆｆ)、保持(ｈｏｌｄ)及暂停状态之间的转换等。 ３．４ 多手段网络流量控制技术 由于目前蓝牙通信信道的数据速率仅为１Ｍｂｐｓ，微微网中主设备与从设备之间的点对多点通信采用时分全双工ＴＤＤ复用方式，并且对树型网和复合网结构还有中继传输问题，因而系统传输图像时容易出现网络拥塞现象。为保证系统的实时性，必须尽可能避免网络拥塞。因此，有必要研究开发多手段网络流量控制技术，包括蓝牙摄像机目标检测ＭＴＤ技术、网络分布式处理技术、任务队列优先级技术等。 ３．５ 自适应跳频算法 目前蓝牙在2.4000ＧＨｚ～2.4835ＧＨｚ ＩＳＭ频段中的７９个间隔均匀的频点跳频，尽管跳速较高(１６００跳／秒)，但不能避开可知的、相对固定的干扰频段或频点。因此，为进一步提高蓝牙无线传输的抗干扰性能，有必要基于现有蓝牙跳频技术研究自适应跳频算法。其前提是预测和检测干扰的频段或频点、功率及时间分布等特性，难点是如何使算法快速收敛以适应快速跳频。 ４ 室内安防应用实例 针对室内安全防卫中的监视与报警，进行了局域监控蓝牙无线图像传输系统设计。局域监控的整体系统框图如图２所示。 系统拓扑结构采用简化的复合型分散网。基于嵌入式系统设计蓝牙摄像机和蓝牙监控器，图２中的ＥＭＰＵ表示嵌入式微处理器，分别选用了ＭＣＦ５２７２和ＭＰＣ８２４５芯片；蓝牙移动电话和红外报警设备利用市场现有产品；蓝牙摄像机所需图像处理芯片选用了Ｗ９９２００Ｆ ＭＰＥＧ－１编码芯片，蓝牙监控器所需图像芯片选用了ＣＳ９２２８８ ＭＰＥＧ－２编解码芯片；图像传输采用ＭＰＥＧ－１与ＪＰＥＧ照片相结合的方式；蓝牙组件选用了ＲＯＫ１０１００７；ＲＴＯＳ选用了ｕＣｌｉｎｕｘ，它是一种为控制领域开发的一种嵌入式Ｌｉｎｕｘ操作系统。研制了蓝牙无线图像传输试验装置，已能实现点对点传输，效果符合实用要求。以上研究工作得到了国家重点基础研究发展规划项目《集成微光机电系统研究》的资助，课题编号：Ｇ１９９９０３３１０５。 研制成功用于室内安防的局域监控蓝牙无线图像传输系统，必将为图像监控或多媒体监控带来新的生机，具有广阔的应用前景。