摘? 要: 針對目前監控領域無線圖像傳輸" title="圖像傳輸">圖像傳輸系統普遍存在的三大缺陷,討論了藍牙在局域監控無線圖像傳輸上的技術優勢;確定了系統設計" title="系統設計">系統設計的總體要求,提出了分別基于星型微微網" title="微微網">微微網、樹型分散網及復合型分散網的三種設計方案;介紹了解決藍牙攝像機嵌入式系統、藍牙自動配置組網技術等關鍵問題的方法及室內安防應用實例。
關鍵詞: 局域監控? 藍牙? 無線圖像傳輸
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多媒體監控是當今監控領域的發展主流,既可用于工業過程和交通管制中的監測與控制,又可用于安全防衛中的監視與報警。通常情況下,多媒體監控涉及的圖像所包含的信息最為豐富和有用,但同時圖像數字化、壓縮、傳輸及處理也較為復雜,因而圖像監控" title="圖像監控">圖像監控就成了多媒體監控的主要內容。在技術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控的關鍵任務之一。圖像傳輸無線化打破了傳統同軸電纜和光纖圖像監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,國內外現有的和正在研發的圖像監控產品所采用的無線圖像傳輸系統,普遍存在三大缺陷:一是自成系統、專有專用,缺乏一定的開放性,不利于與其它信息系統互聯;二是組網功能較差,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。在無線電通信技術日新月異的今天,各種新興無線電通信技術提供了選擇的良機,這些技術包括通用分組無線服務(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。針對局域監控,本文介紹將藍牙作為傳輸手段的無線圖像傳輸系統設計。
1?藍牙在局域監控無線圖像傳輸上的技術優勢
藍牙是一種新興的、短距離、低功耗、低成本無線電網絡技術,可在移動電話、膝上電腦、個人數字助理 (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以內)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;組網方式為專設(ad hoc)方式,可組成微微網(piconet)和分散網(scatternet)。自1999年7月藍牙特殊利益團體(BSIG)正式發布藍牙規范1.0 A版本以來,藍牙已在IT界以及眾多相關行業引起了極大關注,大量研究和開發正推動著藍牙的廣泛應用和深入發展。2001年2月BSIG又發布了藍牙規范1.1版本,并著手研究更新的技術規范,以適應寬帶化等需求。
較之于現有局域無線圖像監控系統所采用的傳輸手段,如臺灣百特公司生產的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,藍牙具有以下技術優勢:
(1)開放性技術規范。藍牙規范是一種全球統一的開放性規范,已經得到了IT行業和其它相關行業的廣泛支持。
(2)高自由度組網方式。既可組成點對點、點對多點微微網,又可由多個微微網組成分散網,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。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,同時也是開發性技術規范有機的互補。
(5)低功耗、低成本。為實際推廣應用奠定了基礎。
相對于Wi-Fi、HomeRF等與藍牙相近的無線局域網技術,藍牙在局域無線圖像監控中也具有明顯的技術優勢,如表1所示?？梢?藍牙有較強的抗干擾性能、低功耗、低成本等優勢,其傳輸距離也適用于短距離局域應用,尤其是室內應用。
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2 系統設計方案
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備中繼)向具備藍牙無線通信方式的監控器(以下簡稱藍牙監控器)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并進行相應控制。
????(4)可授權藍牙移動電話、PDA、桌面電腦、筆記本電腦等其它藍牙設備進行監視,甚至臨時代替藍牙監控器執行某些控制。
2.1.2 技術指標
(1)藍牙監控器可直接與7個藍牙攝像機或其它藍牙設備構成一個微微網,若干個微微網還可構成一個規模較大的分散網。
(2)任意兩個藍牙設備之間的直接通信距離不超過100m。
(3)藍牙攝像機與監控器之間的通信鏈路采用非對稱異步無連接(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(聯合攝影專家組)圖像壓縮格式;動態圖像可以是M-JPEG (motion JPEG)、ITU-T(國際電信聯盟電信委員會)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。
(1)星型微微網+動態圖像傳輸
該方案以藍牙監控器為中心構成簡單的星型微微網,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。由于結構簡單、傳輸直接,因而可全部采用動態圖像傳輸。
(2)樹型分散網+動態圖像傳輸+照片傳輸
該方案以藍牙監控器為根節點、由若干個微微網構成有限級樹型分散網,如圖1(b)所示。藍牙監控器是整個網絡的主設備,但與其直接相連的從設備可以是第二級微微網的主設備,而第二級微微網的從設備又可以是第三級微微網的主設備。藍牙設備通過主從轉換可以實現中繼傳輸。為保證系統實時性并避免網絡擁塞,不全部采用動態圖像傳輸,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+照片傳輸+動態圖像傳輸
????該方案的網絡結構是星型和樹型結構的復合,如圖1(c)所示。整個網絡的主設備仍然是藍牙監控器,同時根據需要可設置若干個主從轉換中繼設備。由于結構較為復雜且需要中繼傳輸,為保證系統實時性并避免網絡擁塞,宜以照片傳輸為主、輔之以動態圖像傳輸。
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這三種方案各有優缺點,適合于不同的應用場合,如表2所示。
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3 硬件、軟件設計的關鍵問題
3.1 藍牙攝像機嵌入式系統
為使攝像機通過藍牙無線通信方式傳輸圖像,必須設計嵌入式系統使攝像機以獨立(stand-alone)方式進行本地圖像處理并運行藍牙協議。
設計藍牙嵌入式系統時,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。后者可省去圖像數字化環節和圖像壓縮的部分環節,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。主要應從有利于技術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議實現,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(RTOS),RTOS是本地圖像處理控制、藍牙協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一步處理,還需預留有線或光纖接口及無線接口,以便連接到互聯網進行遠程監控。
3.3 藍牙自動配置(self-configuration)組網技術
在事先給定拓撲結構的情況下,系統仍需根據具體應用場合和變化進行組網配置。較為新穎和實用的途徑是研究開發藍牙自動配置組網技術,其主要任務是:確定網絡樹型部分的微微網級數,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 (sniff)、保持(hold)及暫停狀態之間的轉換等。
3.4 多手段網絡流量控制技術
由于目前藍牙通信信道的數據速率僅為1Mbps,微微網中主設備與從設備之間的點對多點通信采用時分全雙工(TDD)復用方式,并且對樹型網和復合網結構還有中繼傳輸問題,因而系統傳輸圖像時容易出現網絡擁塞現象。為保證系統的實時性,必須盡可能避免網絡擁塞。因此,有必要研究開發多手段網絡流量控制技術,包括藍牙攝像機目標檢測(MTD)技術、網絡分布式處理技術、任務隊列優先級技術等。
3.5 自適應跳頻算法
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的抗干擾性能,有必要基于現有藍牙跳頻技術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、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快速跳頻。
4 室內安防應用實例
針對室內安全防衛中的監視與報警,進行了局域監控藍牙無線圖像傳輸系統設計。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化的復合型分散網。基于嵌入式系統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;藍牙移動電話和紅外報警設備利用市場現有產品;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,它是一種為控制領域開發的一種嵌入式Linux操作系統。研制了藍牙無線圖像傳輸試驗裝置,已能實現點對點傳輸,效果符合實用要求。以上研究工作得到了國家重點基礎研究發展規劃項目《集成微光機電系統研究》的資助,課題編號:G1999033105。
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研制成功用于室內安防的局域監控藍牙無線圖像傳輸系統,必將為圖像監控或多媒體監控帶來新的生機,具有廣闊的應用前景。
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參考文獻
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2 Part II Technology Corp. CCTV system. www.sz-design.com/docc
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4 Motorola Inc. 32-Bit Embedded Processors. http：//e-www.motorola.com/index.html
5 Greg Ungerer et al. Embedded Linux/Microcontroller?Project. www.uclinux.org/ports/coldfire