局域监控蓝牙无线图像传输系统设计
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 ＲａｄｉｏＬｔｄ． 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～2.4835ＧＨｚＩＳＭ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Ｗ９９２００ＦＭＰＥＧ－１编码芯片，蓝牙监控器所需图像芯片选用了ＣＳ９２２８８ＭＰＥＧ－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。
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