（通信与信息系统专业论文）基于蓝牙的视频传输系统的设计与实现.pdf

摘要 本学位论文课题是江苏省高技术研究项目“个人信息终端在智能化信息家电 中应用低功耗、低成本研究”的研究内容之一。论文研究了基于蓝牙的视频 传输系统以及智能化信息家电网络网关设计与实现中的若干关键技术，重点设计 并实现了基于蓝牙的视频传输系统，并且参与研制了接入多种通信模块的嵌入式 视频传输服务器，对视频传输系统的蓝牙传输和i e e e 8 0 2 1 l b g 传输进行了功能测 试与性能分析，同时结合具体家电厂家的家电控制协议，完成了基于蓝牙的信息 家电i n t e r a c t 接入控制，实现了信息家电网络功能的延伸。 全文共分为六章。第一章概述了课题内容、课题背景以及本论文的章节安排。 第二章根据智能化信息家电网络的应用场景和功能需求，提出了三种基于蓝牙的 视频传输系统方案，经过比较，确定了基于口实现m p e g 4 b t 的方法作为本系统 的实现方案。第三章设计实现了视频传输系统的硬件平台，研制了发送和接收功 能的关键模块，重点实现了蓝牙传输环节。第四章在提出视频传输系统软件设计 总体方案的基础上，重点完成了蓝牙协议在嵌入式l i n u x 环境下的软件实现，其中 包括蓝牙协议栈b i u e z 到嵌入式开发板a t 9 1 r m 9 2 0 0 上的移植，u d p 封装 r t p r t c p 和蓝牙网络封装协议的实现等。第五章解决了调试过程中遇到的问题， 并在调试工作完成的基础上，对系统的视频传输性能进行了测试和分析，并针对 信息家电网络系统多个蓝牙微微网和8 0 2 “b 网络并存的现状。简要讨论了蓝牙和 同频段网络的共存问题。第六章应用嵌入式w e b 服务器，c g i ，进程间通信等关 键技术，完成了信息家电的i n t e m e t 接入，实现了家电网络和视频传输系统的融合。 关键词：蓝牙，视频传输，嵌入式，信息家电，家庭网络 a b s t r a c t t h ep r o j e c to fm i sd i e r t a t i o ni sb a s e do nt h eh i g ht e c h n o l o g yr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n t p r o g r a mo fj i a n g s up r o v i n c e 。w i n c hi sn a m e da p p l i c a t i o n so fp e r s o n a li n f o r m a t i o nt e r m i n a li n i n t e l l e c t i v eh o m ee l e c t r i c a la p p l i a n c e sn q o b g 2 0 0 6 0 0 2 ) s e v e r a lk e yt e c h n o l o g i e so ft h ed e s i g n a n d 呻l a ：l l 雠i o ft h ea u d i ot r a n s m i s s i o ns y s t e ma n di n t e l l i g e n th o m en e t w o r kg a t e w a yb a s e d 0 1 1b l u e t o o t hms t u d i e d t h i st h e s i sl a y sa ne m p h a s i so nt h ed e s i g na n dr e a l i z a t i o no fv i d e o t r a n s m i s s i o ns y s t e mb a s e do nb l u e t o o t h , a n dp a r t i c i p a t e si nt h ed e v e l o p m e n to fa ne m b e d d e dv i d e o t r a n s m i s s i o n8 e r v e fw i t ha c c 嘟t on m l 曲l ec o n m i u n i c a t i o nm o d u l e s t h ef u n c t i o na n dp e r 蠡o m m c e o f t h eb l u e t o o t ha n di e e e s 0 2 1 i b gt r a n s m i s s i o nw i t h i nt h i sv i d e ot r a n s m i s s i o ns y s t e ma l et e s t i f i e d a n da n a l y z e da n dc o m b i n e dw i | 1 lt h ea p p l i a n c ec o n t x o l p r o t o c o lp r o m o t e db ya p p l i a n c e m a n 蛐, t h ei n t e r a c ta c c e s sf u n c t i o no f 认( b 商o n n a f i a na p p l i a n c e ) b a s e do i lb l u c t o o t hi s i m p l e m e n t e d ，e x t e n d i n gt h ef u n c t i o no f l ac o n t r o ln e t w o r k t h ew h o l et h e s i si sd i v i d e di n t of i v ec h a p t e r s f o g o w s i nc h a p t e r1 ，t h ec o n t e n ta n db a c k g r o u n do f t h er e s e a r c ht a s ka n dt h ea r c i n t e c t m eo f t h i st h e s i s 唧i n t r o d u c e d i nc h a p t e r2 a c c o r d i n g 幻t h ea p p l i c a t i o n 翻x 枷oa n df u n c t i o nr e q u i r e m e n to fi an e t w o r k , t h r e es c h e m e so f v i d e ot r a n s m i s s i o ns y s t e mb a s e do nb l u e t o o t ha r cp r e s e n t e d t i n o u g hc o m p - i s o n ， t h es c h e m eo f m p e g 4 b to v e ri pi sa p p l i e dt ot h i ss y s t e r m i nc h a p t e r3 。t h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no ft h eh a r d w a r ep l a t f o r mo fv i d e ou - a n s m i s s i o n s y s t e ma l ei n t r o d u c e d k e ym o d u l e so f t r a n s m i t t e ra n dr e c e i v e ra r cd e v e l o p e dw i t he m p h a s i so nt h e b l u c t o o t ht r a n s m i s s i o np r o c e s s i nc h a p t e r4 b a s e do nt h eo v e r a l ls c h e m eo fs o r w a l ep l a t f o r mo f v i d e om m s m i s s i o ns y s t e m , t h es o r w a l er e a l i z a t i o no f b l u e t o o t hp r o t o c o lu n d e re m b e d d e dl i n u xi sa c c o m p l i s h e d , i n c l u d i n gt h e t r a n s p l a n t o f b l u e z o n t o t h e e m b e d d e d b o a r d a t 9 1 r m 9 2 0 0 。u d p o v e r r t p r t c pa n d b n e e i nc h a p t e r5 s o m ep r o b l e m st h a te m e r g e di nt h ep r o c e s so fd e b u g g i n ga l es o l v e d b a s e0 1 1t h e c o m p l e t i o no fd e b u g g i n gp r o c e s s ，t h ev i d e ot r a n s m i s s i o np e r f o r m a n c eo ft h ew h o l es y s t e mi st e s t e d a n da n a l y z e d t h e n , r e l a t e dt ot h ec o e x i s t e n c eo fm u l t i p l eb l u e t o o t hp i e n e t sa n d8 0 2 1 l bn e t w o r k w i t h i nt h ei as y s t e m , t h ec o e x i s t e n c ep r o b l e mo fb l u e t o o t ha n do t h e rn e t w o r k sw i t ht h es a m c w o r k i n gf r e q u e n c yb a n di sg e n e r a l l ya n a l y z e d i nc h a p t e r6 。t h ei n t e r n e ta c c e s so fl ai sa c c o m p l i s h e du s i n gk e yt e c h n o l o g i e s ，i n c l u d i n g e m b e d d e dw e bs e r v e r , c g la n di n t e r - p r o c e s sc o m m u n i c a t i o n a n dt h ec o n v e r g e n c eo fa p p l i a n c e n e t w o r ka n dv i d e ot r a n s m i s s i o ns y s t e mi sa c i n e v c d k e y w o r d s ：b l u e t o a t h ，v i d e ot r a n s m i s s i o n ，e m b e d d e d ，i a ，h o m en e t w o r k l i 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的 学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所傲的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外。允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括干u 登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名： j 垒赚导师签名： 立嗡期：龇 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 当今的信息化时代，是一个构筑在网络基础之上的时代。基于t c p i p 的p 网络，像i n t e m e t 、 i n l r a n e t 与e x i t , m e t 等，正以令人惊异的不可阻挡之势发展着。互联网上的业务量近年来以几何指数 规律增长；同时网上的业务范围也在不断地扩大，除了传统的信息检索、电子邮件、远程登录和文 件传输等业务外，各种新兴的基于m 的业务应用也在迅速发展，它们将影响到整个社会、经济和人 们日常生活的方方面面。一个以m 网络和母业务为主体的信息化时代正在形成。网络多媒体，特 别是视频应用需占用较大带宽，过去由于网络带宽的限制，应用不多，随着高带宽的迅速普及，网 络多媒体应用已逐渐推广，基于i p 技术的各种视频通信应用。如无线视频传输( v k k o o v 口w h e l e s s c o n m m m e a f i o r t , v o w ) 也应运而生。 无线视频传输提供了视频流的接入方式并且支持众多视频传输的形式和应用。它被广泛 应用于个人电子消费品领域，如可视电话、无线视频内部通信联络系统、无线媒体播放器以 及无线视频照相机等。例如。无线视频照相机携带方便，可随地安装，无需任何电缆设备。 v o w 还被应用于家庭、办公室甚至购物商场。在家庭中，个人监视相机可采用v o w 技术实现 安全监控的目的；在办公室，v o w 可以用于无线视频会议：在商场里，如果每个手推车都配 备一个无线视频播放器与手推车管理员联系，当消费者将手推车移动至某个专柜，专门的视 频广告就会流入手推车面板上的无线视频装置，将该专柜的产品介绍给消费者。这种方式显 然使购物体验大为精彩。类似的应用范围还包括其他的公共场所。如机场和火车站等。此外， v o w 技术能够支持远程应用。如监视和监控。 综上所述，无线视频传输在个人电子消费品、家庭和办公等环境中具有广阔的应用前景。 厦加令人振奋的是，蓝牙、嵌入式，以及m p e g - 4 这些新技术的出现在v o w 的应用中大显身 手。无线信道中的视频传输可以通过在蓝牙信道中传输m p e g - 4 比特流得以实现”】。 蓝牙( b l u e t o o t h ，b t ) 由爱立信、m m 、英特尔、诺基亚和东芝等5 家公司联合制定的短 距离无线通信技术标准，最初目的是实现最高1 m b s 的数据传输率( 7 2 3 k b s 的有效传输速率) 和1 0 米的最大传输距离。它工作在2 4 g h z 的工业，科学和医甩( i n d u s t r i a ls c i e n t i f i cm e d i c a l i s m ) 频段，采用短包和快跳频的技术，具有很强的抗干扰能力。其设计意图是取代现有的个 人计算机、打印机、传真机和移动电话等设备上接口的有线电缆。蓝牙的主要优点是：可以 方便地建立无线连接，代替传统的有线电缆连接；移植性较强，适用面广：安全性较高且每 一台蓝牙设备的地址全球唯一；支持微微网与分散网等组网工作模式，应用范围广阔；此外， 蓝牙设备功耗低，成本也较低，与其他通信设备相比，设计开发较为容易。由于蓝牙具有上 述诸多优势，人们对基于蓝牙的视频传输技术逐渐产生了兴趣。 对蓝牙视频传输技术的研究起步较晚。1 9 9 9 年，蓝牙特别兴趣小组( s p e c i a li n t e r e s tg r o u p s i g ) 成立了蓝牙音视频f ：作组( b l u e t o o t ha u d i ov i d e ow o r k i n gg r o u p ) 负责起草基丁= 蓝牙视 频和音频传输协议及进行可行性分析。2 0 0 1 年4 月该工作组发布了a v d t p ( a u d i ov i d e o d i s t r i b u t i o n t r a n s p o r t p r o t o c 0 1 ) 、g a v d p ( g e n e r e i c a u d i o v i d e o d i s t r i b u t i o n p r o f i l e ) 、a v r c p ( a u d i o v i d e or e m o t ec o n t r o lp r o f i l e ) 和a v c t p ( a u d i ov i d e oc o n t r o lt r a n s p o r tp r o t o c 0 1 ) 等 四个关于音视频传输的规范。2 0 0 3 年5 月2 8 日，又发布了a v c t p 和a v d l l p 的修订版。 嵌入式系统最早产生于二十世纪七十年代，其定义是口l ：以应用为中心，以计算机技术为 东南大学硕士学位论文 基础，软件硬件可裁剪，适用于对功能、可靠性、成本、体积、功耗要求严格的专用计算机 系统。嵌入式视频服务器是数字视频传输系统的重要组成部分，它可以安装在前端视频采集 现场，将摄像头捕捉到的视频信号数字化并进行实时压缩，然后通过数字信道传输到监控中 心或者远程用户桌面。数字信道的传输方式从根本上解决了视频信号的远程传输问题。这里 的数字信道可以是以太网、8 0 2 1 l b ，g 无线网络、蓝牙或者任意支持口传输的信道。此外，由 于t c p ，口协议是可以路由的，当本地局域网接入至i j i n t e m e t 时。远程用户的访问机制可以方便 地实现。互联网工程任务组( t h ei n t e m e te n g i n e e r i n gt a s kf o r c e ，i e t f ) 提出的实时传输协议 ( r e a lt i m ep r o t o c o l 。彤r p ) 和实时传输控制协议( r e a lt i m ec o n t r o lp r o t o c o l ，r t c p ) 是专门 为实时音视频通信而制定的，其简单性和灵活性决定了其成为p c 上实时传输系统的首选传输 协议。 1 2 论文的课题背景 本学位论文课题是江苏省高技术研究项目“个人信息终端在智能化信息家电中应用 低功耗、低成本研究”的研究内容之一。 信息家电网络又被称为家庭网络。它是融合通信网络、控制网络和多媒体信息网络于一 体的家庭信息化平台。家庭网络能够以有线或无线的方式接入各种公共网络及社区网络，如 因特网、公众电话网、公共移动通信网、有线电视网和无线局域网等，为家庭及类似的室内 场所提供话音、视频和数据等业务的服务。家庭网络又能够将家庭或室内场所中的电脑、服 务器、数字设备、数码家电、安全监控设备等联成网络，通过有线或无线的传输媒质。实现 资源共享( 包括硬件设备和软件，如打印机、显示器、传真机、数码媒体和数据等) ，并可以 实现对所有联网家庭设备的集中管理控制，实现家庭安全的自动监控及报警。图1 1 是我们提 出的基于文献【3 】的智能化信息家电网络的网络结构。 图1 1 智能化信息家电网络的网络结构 2 第一章绪论 家庭网络具有以家庭网关为中心的网络结构，按照设备和网关的关系以及不同网段设备 所具有的不同特征，根据本论文的任务，我们将该网络大致分为视频传输系统和家电控制网 络。 1 3 论文的任务和章节安排 本论文的主要任务是实现一个基于蓝牙的无线视顿传输系统。具体研究内容包括：确定 基于蓝牙的视频传输服务器设计方案，在嵌入式l i n u x 操作系统的基础上，构建一个嵌入式系 统软硬件平台，集成以太网或者无线局域网等网络传输功能。并利用此平台进行视频传输服 务器应用软件开发。 该系统是一个蓝牙微微网中点对点的无线视频传输系统。只在单方向上传输视频数据。传 输部分由视频采集设备、视频处理模块和蓝牙传输模块组成，捕捉到的实时视频序列或者源 视频流传送到m p e g 4 编码器中进行压缩，去除原视频信号中的冗余信息，压缩后得到的 m p e g - 4 视频流再分割成视频包，视频包按照需要选择合适的中问协议层：逻辑链路控制与 适配协议( l o g i c a ll i n kc o n t r o la n da d a p t a t i o np r o t o c o l ，l 2 c a p ) 、主控接口( h o s tc o n t r o l i n t e r f a c e ，h c i ) 或者m ，按蓝牙协议分割或者重装打包后通过蓝牙模块发送出去本方案选用 m 作为中间协议层。 接收部分由蓝牙接收模块，视频处理模块和显示设备构成。蓝牙接收模块接收到发送系 统中蓝牙模块传来的数据包，在中闻协议层重新组合视频包。然后送到接收端视频处理模块 将视频数据流解码成视频图像序列，在显示设备上将视频图像序列快速平滑地回放出来。 实现基于蓝牙的信息家电i n t e r a c t 接入是本论文的另一个任务 本文共分为六章，各章的主要内容如下： 第一章绪论。主要介绍课题背景、本论文的任务以及章节安捧。 第二章基于蓝牙的视频传输系统的总体设计方案。本章提出了三种基于蓝牙的视频传输 系统方案，通过比较，确定了基于m 的m p e g 4 b t 作为本论文方案。 第三章基于蓝牙的视频传输系统的硬件设计与实现。本章根据视频传输系统的总体方 案，设计了视频发送端、本地接收端的硬件平台，选用了合适的蓝牙芯片完成该系统的无线 收发功能。 第四章基于蓝牙的视频传输系统的软件设计与实现。在提出软件平台总体构架的基础 上，本章侧重完成了嵌入式l i n u x 的移植、嵌入式蓝牙协议栈b l u e z 的移植，实现了u d p 封 装r t p r t c p 和基于b l u e z 蓝牙协议栈的网络封装协议。 第五章无线视频传输系统的功能测试与性能分析。本章解决了调试过程中出现的一些问 题，并对整个系统的视频传输性能进行了测试，讨论了测试结果。最后针对本系统的特点， 简要分析了蓝牙与同频段网络的共存问题。 第人章基于蓝牙的信息家电i n t e m e t 接入控制的实现。本章运用了嵌入式w e b 服务器、 c g i 、进程间通信等关键技术，实现了信息家电的i n t e m e t 接入，完成了视频传输系统和家电 控制网络的融合。 第二章基于蓝牙的视频传输系统的总体方案 第二章基于蓝牙的视频传输系统的总体方案 根据第一章介绍的智能化信息家电网络的设计要求，本章首先提出了其中的视频传输子 系统的总体方案，然后提出了三种基于蓝牙传输的系统解决方案：基于h c i 实现m p e g 4 b t 、 基l 2 c a p 实现m p e g 4 b t 和基于毋实m p e g 4 b t 。经比较后选取了基于口实t 爱, m p e g 4 b t 的方法作为本系统的实现方案。 2 1 视频传输系统的总体结构 本文实现的视频传输系统是图1 1 所示的家庭网络的一大组成部分。视频传输系统选用摄 像头等设备作为视频采集端，基于嵌入式视频服务器的核心模块进行m p f _ n - 4 ( 动态图像专家 组tm o v i n g p i c t u r e s e x p e r t s g r o u p ) 格式视频图像的传输。系统框架结构如图2 1 所示 客广1 端1 客 摄像火采集视频数据 图2 1 基于嵌入式视频服务器的视频传输系统 视频传输系统的工作流程为：视频服务器将摄像头传来的视频信号进行采集压缩编码后， 形成数字视频码流：打包后的数字视频码流通过视频服务器接入到用户网络，传送给视频接 收端，接收端的客户软件将视频数据解压后在屏幕上显示。 图2 i 中所示系统有一路或多路视频采集设备，视频服务器接入用户网络的方式有蓝牙和 8 0 2 1 i b g 无线网络。本章主要设计了单路视频采集、基于蓝牙的m p e g - 4 视频传输( m p e g 4 o v e rb l u e t o o t h ，m p e g 4 b t ) 系统，系统框图如图2 2 所示。 图2 2 基于蓝牙的视频传输系统 接收端 东南大学硕士学位论文 视频传输系统由视频发送端和视频接收端组成。其中发送端由视频采集部分( 摄像头、 电视机、录像机等) 、视频传输服务器和蓝牙模块组成，视频传输服务器构建在嵌入式平台 上，集成了专用的视频a d 转换和数据压缩芯片，利用蓝牙来传输处理过的视频信息：接收端 由蓝牙模块和p c 组成，接收视频信息后通过p c 的解码复原视频信息。 2 2m p e g 4 b t 系统传输方案研究 m p e g 4 b t 的系统设计包括发送端和接收端。组成本系统的各功能单元如图2 3 所示。本 文实现的发送端适用的视频源可以是经过预压缩的m p e g - 4 视频，或由视频采集设备捕捉， 并由m p e g - , 4 编码器压缩的实时视频。压缩视频会被分割成视频包，再将视频包发送给中间 协议进行再分割，这些协议可以是l 2 c a p 、h c i 或蓝牙的口协议，下文2 2 1 - 2 2 3 小节将会 进行详细阐述。随后，中间协议将视频包传送给蓝牙模块。在接收方，蓝牙模块通过空中接 口收到视频包，在中间协议层上将这些视频包重新集合，再将其发送至m p e g - 4 解码器解压 缩，解压缩后的视频可以存入存储设备或在屏幕上播放。 发射机接收机 图2 3m p e g 4 b t 视频传输系统 由此可见，m p e g 4 b t 中间协议是实现本视频传输系统的关键所在。在不同的应用场景下 正确选择m p e g 4 b t 中间协议，需要综合考虑以下几个方面： ( 1 ) 中间协议的效率。如冗余大小、分割和重组，这些过程都影响了m p e g 4 b t 的整体 性能。 ( 2 ) 硬件兼容性。当考虑蓝牙限制时，这个影响因素不容忽视。 ( 3 ) m p e g - 4 文件的格式。如果要支持多种m p e g - 4 插放设备，这个因素也须考虑进去。 因此，我们提出了三种可行的m p e g 4 b t 中间协议h c l 、l 2 c a p 和m 。 2 2 1 基于h c i 实现m p e g 4 b t 基于h c i 实现m p e g 4 b t 方案的软件结构如图2 4 所示。m p e g - 4 比特流被打包后加入 h c i 包，发送到下层。 6 第二章基于蓝牙的视频传输系统的总体方案 蓝牙主设备 g p e 6 - 4 视频流 h c i 驱动 物理总线驱动( u s b ) 物理总线硬件 r 物理总线固件( u s a ) 蓝牙模块 r i t c i 固件 ： u 口 基带 蓝牙无线电 图2 4 基于h c i 实现m p e g 4 b t 方案的软件框图 蓝牙规范将通用串行总线( u n i v e r s a ls e r i a lb u s ，u s b ) 作为主控接口h c i 的一种，因此 基于h c i 实现m p e g 4 b t 的方案在无线视频传输中具有最小硬件设计改变的优势。h c i 是蓝 牙模块和主机问的软硬件接口，它提供了控制基带与链路管理器、链路控制器，状态寄存器 等硬件功能的数据分组格式。大多数视频捕获设备如数字摄像机可以通过u s b 直接和p c 主 机链接用于传输和下载视频图像，使用u s b 作为媒介来传输视频流可靠方便。蓝牙规范中定 义了使用u s b 作为h c i 接口传输层。这为利用h c i 层传输无线视频到物理层提供了很大的便 利。m p e g 4 b t 经过h c i 层的传输方式是比特流直接打包成h c i 包传送到物理层，这种方法 可以晟有效地利用蓝牙有限的带宽，h c i 固件可以直接和蓝牙主机的h c i 驱动程序通信，所 需的硬件设计简单。 虽然使用h c i 是为了最大化利用带宽，但也带来了一些问题，可能会给系统设计不利的 影响。在接收端，采用h c i 的数据传输在经过物理接口时被可用的缓存大小所限制。不同的 蓝牙设备有不同的缓存大小，主机和模块两者都需要查询接口另一端接收数据所需的可用缓 存大小并且据此调整传输方式。所以，h c i 包的大小实际上取决于蓝牙设备本身分配的缓存大 小，这个缓存同时也被用于确定m p e g - 4 数据分割成的视频包大小。 另外，h c i 并没有分割和重组( s e g m e n t a t i o n a n dr e a s s e r n b l y , s a r ) 机制，所以，这个应 用方法必须在发送数据给h c i 之前实现基于h c i 缓存大小的s a r ，从而占用了系统资源：而 m p e g - 4 压缩需要非常高的传输功率，因此，实现s a r 影响了整个系统的性能。另一个不利 影响是，单独使用h c i 不能保证蓝牙设备之间的兼容性，因为大部分蓝牙设备需要在h c i 包 的异步无连接( a s y n c h r o n o u sc o n n e c t i o n i e s s ，a c l ) 头后附上l 2 c a p 头，如果设备朱发现 l 2 c a p 头，h c i 包会被丢弃。 7 东南大学硕士学位论文 2 2 2 基于l 2 c a p 实现m i ? i i ：g 4 b t 基于l 2 c a p 传输m p e g 4 b t 方案的软件结构如图2 5 所示。l 2 c a p 隐藏了蓝牙低层协议 的一些特殊之处，因此，现有的很多专门为高层传输协议设计的应用都可以在经过微小改动 的蓝牙链路上工作。l 2 c a p 的主要特点是高层大包与基带小包相互转化时的分割和重组，但 正如2 2 1 节所述，h c i 并不具备这一特点，l 2 c a p 比h c i 优越的另一个特点是，l 2 c a p 支 持点对多点连接；利用l 2 c a p 可以实现视频广播。 m p e g 一4 流 s d p l 2 c a p u i p 基带 蓝牙无线电 图2 5 基于l 2 c a p 实现m p e g 4 b t 方案的软件框图 m p e g - 4 比特流被封装成比h c i 包大的l 2 c a p 数据包，允许更多的m p e g 4 比特流被封 装成单个l 2 c a p 包以获得更佳的流性能。但是。用于封装l 2 c a p 包所需相当多的额外比特， 因此该方案比h c i 方法产生更多开支。 2 2 3 基于口实现m p e g 4 b t 基于口的m p e g 4 b t 方案是一种软件解决方案，与基于h c i 实现m p e g 4 b t 的硬件设计 方案有所区别。i p 现已成为应用最广的网络协议，众多现有应用和服务都是基于t c p i p 。虽 然蓝牙规范中并未给出口在蓝牙应用框架中的实现，但是，蓝牙规范中有蓝牙网络协议，如 蓝牙网络封装协议( b l u e t o o t h n e t w o r k e n c a p s u l a t i o n p r o t o c o l 。b n e p ) ，它可以间接支持t c p i p 在蓝牙上的实现；另一个应用方法是，在操作系统的帮助下，通过用r f c o m m 在两个蓝牙设 备中间创建一个虚拟串口连接，使得t c p i p 能够移植到l 2 c a p 上层，即r f c o m m 的顶端。 本文提出的基于口实现m p e g 4 b t 的方案如图2 6 所示。 h c i i i p e g 一4 流 t c p i p b n e p l 2 c a p l m p 基带 蓝牙无线电 图2 6 蓝牙m 实现m p e g 4 b t 的软件层 利用基于蓝牙的t c p i p 协议栈，m p e g 4 b t 任务可以通过在蓝牙i p 中问协议层上传输视 频流而大大简化。 8 第二章基于蓝牙的视频传输系统的总体方案 采用蓝牙口的另一个重要好处是。坤支持实时传翰协议r t p ，r a p 是互联网上视频传输 的流行模式，这也实现了基于口的m p e g 4 b t 方案传输的m p e g - 4 文件格式与m p e g - 4 的市 场应用格式的兼容。 这种方法也存在一些缺陷，比较突出的是，视频包会被加上更多的冗余，在蓝牙提供的 有限带宽内，视频流的性能会受到惩罚；并且在该方法下，使用者对蓝牙设备的控制能力最 卅、 2 3 4m p e g 4 b t 方案的选择与分析 本文选择口层作为中间协议层，在蓝牙信道上进行m p e g 4 b t 比特流传输。 蓝牙协议主要处理物理层和链路层的工作情况，同时提供一个灵活的界面和上层协议进 行通信。选择合适的中间协议层来进行视频包的重装和分割，以支持无线视频通信是非常重 要的，中间协议的头文件大小，视频流的分割和重装处理都会影响到整个系统的性能 4 - 6 1 。视 频流经过l 2 c a p 层和p 层可以使用蓝牙的三种协议规范：音视频分发传输协议( a v d t p ) 、 蓝牙网络封装协议、蓝牙局域网接入应用框架( l a p ) 。 采用基于砰的m p e g 4 b t ，因为在数据包中有较多的控制开销被添加到视频数据包中，这 在蓝牙有限带宽的条件下，不免影响视频流的传输速率。考虑到以下几方面原因，我们采用 基于砰的m p e 0 4 b t 方案： ( 1 ) 本文设计的视频传输系统采用r t p r t c p 提供实时数据端到端的网络传输服务，而p 支持该协议。 ( 2 ) 本文实现的视频传输系统的另一种无线传输模式为8 0 2 ，1l b g ，该方法基于m 层，因 此设计的基于口的蓝牙传输方案可以与8 0 2 1l b g 方案共用大部分软硬件功能模块，简化了设计 思路，降低了实现成本。 ( 3 ) 本系统选用的基于口的m p e g 4 b t 方案带宽已能够基本满足实时传输的性能要求，因 此该方案的缺陷对本系统的影响较小。 采用本方案的系统在工作过程中，所有的视频数据都以字节数组的形式在蓝牙上传输。 在传输视频数据之前，需要建立起a c l 链路，使得视频数据在蓝牙链路上实现透明传输。 2 3 本章小结 本章首先介绍了无线视频传输系统的总体结构，并在此基础上提出了基于蓝牙的视频传 输系统的方案，然后提出了三种应用不同中间协议的m p e g 4 b t 方法。通过比较，选择了基 于i p 的传输方案作为本系统的实现方案。 9 第三章基于蓝牙的视频传输系统的硬件设计与实现 第三章基于蓝牙的视频传输系统的硬件设计与实现 第二章介绍了本论文实现的基于蓝牙的视频传输系统总体方案本章将介绍系统的硬件 设计与实现。视频传输系统由视频发送端和接收端组成，发送端包括视频a d 芯片s a a 7 1 1 l 、 压缩芯片i m e 6 4 0 0 、嵌入式处理器a t 9 1 r m 9 2 0 0 、蓝牙模块等功能单元，它们完成了视频流的 处理和传输功能：接收端则包括蓝牙模块和p c 机。本章介绍了各个组成部分的实现工作。 3 1 信息家电网络的嵌入式网关 本系统选用恒颐高科提供的h 9 2 0 0 e 开发套件，系统的核心是3 2 位a r m 9 2 0 t 核的高速 a r m 处理器a t 9 1 r m 9 2 0 0 。该处理器应用开放式架构设计，便于用户根据自身需求，完成各 种扩展工作 图3 1 是整个智能化信息家电网络中的核心家庭网关的硬件框图。本网关是一个基于 a t 9 1 r m 9 2 0 0 核心处理器的嵌入式系统，可实现如下功能： ( 1 ) 对智能家电的访问和控制； ( 2 ) 对视频流的转发。这涉及到两种不同的无线传输方式：相对低速但可靠的蓝牙传输 和高速的8 0 2 1l b 传输； ( 3 ) 提供外网的访问接口，包括以太网口和p s t n 电话网口 图3 1 信息家电网络家庭网关的硬件框图 网关硬件分为核心部分和扩展部分两类模块。 核心模块主要是由充当微控制单元( m i c r o c o n t r o l l e r u n i t ，m c u ) 的a t 9 1 r m 9 2 0 0 芯片、 充当内存的s d r a m 和充当硬盘的f l a s h 存储器组成。其中a t 9 1 r m 9 2 0 0 核心板是整个网 关的核心、整个网关软件的运行平台，在此平台上需要运行蓝牙上层协议栈，各种网关程序 及各种服务器程序等软件。 扩展部分是指为实现具体的网关应用，充分利用核心部分提供的各种硬件界面所设计的 硬件部分，如用于视频传输和家庭控制子网的蓝牙收发模块以及用于视频传输的8 0 2 1 l h ，g 模 块。蓝牙收发模块是视频服务器和视频接收端，信息家电控制子网网关和家电终端之问的接 口，视频服务器和接收端，网关和终端通过蓝牙传输数据信息， 除了调试串口和电源模块，本文重点扩充了以f 几个模块： 东南大学硕士学位论文 i 、射频部分的模块 ( 1 ) 蓝牙模块 整个信息家电网络系统中的蓝牙模块可分为两组。其中一组为视频流提供无线信道，通 过u s b 与其他模块连接；另一组为家电控制信号提供无线通道，通过u a r t 与其他模块连接 ( 2 ) 8 0 2 1 l b g 网卡模块 无线视频传输系统中有对8 0 2 1l b g 网卡和无线路由器( a c c e s sp o i n t , a p ) ，它们为视 频流提供无线通道，通过u s b 与核心模块连接 蓝牙模块和8 0 2 1 l b g l 碉卡模块分别符合蓝牙标准和i e e e 8 0 2 u b g 标准，这是保证本文信 息家电网络方案在全世界范围内通用的关键所在。 2 、外部接入模块 主要包括以太网口和p s t n 接口，用户可以通过以太网口从局域网或者互联网控制，或者 通过p s t n e l 从公用电话网控制。 3 2m p e g 4 b t 系统的发送端 本系统采用的a t 9 1 r m 9 2 0 0 中央处理器，在1 8 0 m h z 的工作频率下运行速度为2 0 0 m i p s ( m i l l i o ni n s t r u c t i o n sp e rs e c o n d , 每秒百万条指令) ，使得建立在该板上的视频服务器得以流 畅地传输视频，本文利用其丰富的硬件资源扩展一个符合需求的视频传输服务器。 视频传输系统发送端集成在3 1 节描述的嵌入式网关上，构成了一个视频传输服务器，它 主要完成视频信号的处理，其硬件框图参见图3 2 。其中的图像采集与压缩模块f l j p h i l i p s 公司 的模数转换芯片s a a 7 1 1 l 和i n l r i m e 公司的m p e g 4 编码芯片i m e 6 4 0 0 构成，支持一路或多路复 合电视广播信号( c o m p o s i t e - v i d e ob r o a d c a s ts i g n a l ，c v b s ) 输入，一路m p e g - 4 数码视频输出。 盈d i a 7 1 1 1 n 肛枷a 1 ，l r 脚口 j d 邮哟1 5n v 5 卸_ 壬i d l 5船r d l 5 h l l i 5加船 l i c 2p ： 邸n g k 觑n 雨 ly f 玎e o ! 1 l w御吧 叫 h 融蛋礤憾 v 硒孽v 弱懈 a 强d ，蛐 瑚聊 壤毕 腼 玎珏d 图3 2 视频传输服务器硬件框图 视频传输服务器的主要功能和工作流稃如下： ( 1 ) 为视频采集端输入的视频信号提供一个通用的接口： ( 2 ) 对输入的模拟视频信号进行模数转换，使视频信号可以被数字处理： ( 3 ) 对视频流进行压缩，提高传输的有效性，这是该视频传输系统发送端的核心功能 ( 4 ) 将压缩后的数据送至嵌入式网关，再通过无线传输方式传给接收端。 1 2 第三章基于蓝牙的视频传输系统的硬件设计与实现 上述部分的具体实现工作将在下文中进行详细阐述。 3 2 1 视频源 本系统视频源的输入模式选用彩色电视机和d v d 机的标准视频输出接口和信号，即视频 输入的接口采用复合式视频接口( a u d i o v i d e o ，a v ) 。输入信号采用c v b s 模拟视频信号。对 下- - d , 节介绍的s a a 7 1 1 l 来说，输入制式为逐行倒相( p h a s e a l t e r n a t i n g l i n e p a l ) 或美国国 家电视系统委员会制式( n a t i o n a lt e l e v i s i o ns y s t e mc o m m i t t e e 。n t s c ) ，可以通过1 2 c 线配置。 3 2 2 模数转换 视频信号的模数转换功能由芯片s a a 7 1 1 1 1 实现。 s a a 7 1 1 1 采用c m o s i 艺。该器件通过简洁的1 2 c 总线与p c 机进行连接可方便地构成 s a a t i l l 的开发系统。s a a 7 1 1 1 内部包含两路模拟处理通道，可以选择视频源并可抗混叠滤 波，同时还可以进行模数变换、自动箝位、自动增益控制、时钟产生、多制式解码等，另外 还可对亮度、对比度和饱和度进行控制。s a a 7 1 1 1 芯片中的场同步信号v r e f 、行同步信号 h r e f 、奇偶场信号r e s l ，像素时钟信号l l c 2 都由管脚直接引出，从而省去了以往时钟同步 电路的设计。其可靠性也有所提高。系统内部锁相环技术的集成使得可靠性有了很大的提高， 并极大地降低了设计复杂度因此，利用s a a 7 11 1 可为视频信号的数字化应用( 比如多媒体 领域，数字电视、图像处理、视频监控、可视电话、视频桌面系统