鄭 濤， 顏靖華， 劉 軍

(中國人民公安大學信息技術與網(wǎng)絡安全學院， 北京 102600)

基于藍牙技術的無線密錄設備設計

鄭 濤， 顏靖華， 劉 軍

(中國人民公安大學信息技術與網(wǎng)絡安全學院， 北京 102600)

為解決密錄設備輕巧、隱蔽及實時傳輸?shù)囊螅O計了一種基于藍牙技術的小型無線密錄設備，設備實時采集模擬視頻信號，經(jīng)過模擬/數(shù)字轉換后送到核心處理模塊，圖像壓縮采用H.264方式，最后利用藍牙技術傳送壓縮后的視頻信號。經(jīng)調(diào)試實驗，設備在輕便化的同時，可滿足圖像的流暢性、清晰度及實時傳輸帶寬要求。

無線密錄； H.264； 藍牙技術； 針孔攝像

0 引言

公安實戰(zhàn)工作中，秘密攝錄像設備在一些特定場合中的應用十分廣泛，在實踐中各地采用的設備方案多種多樣。本文設計了一種無線密錄設備。采用針孔式模擬攝像機對偵查行為進行視頻圖像采集，圖像質(zhì)量能夠達到420TVL(電視線)，經(jīng)過數(shù)字/模擬視頻信號轉換生成數(shù)字視頻信號，利用嵌入式芯片對數(shù)字視頻信號進行壓縮，并通過藍牙模塊以2.40 GHz～2.48 GHz傳輸頻率進行實時傳送，傳輸距離能夠達到45 m。

1 設計思路及器件選型

1.1 設計思路

公安工作對于密錄設備的具體需求，最重要的就是隱蔽，隱蔽的前提則是設備的小型化。為實現(xiàn)小型化，芯片的選取需考慮設備整體體積限制；同時攝像與錄像設備分離，利用無線信道傳輸視頻到后端，并且通過實時傳輸使后端指揮員隨時把控現(xiàn)場情況。就圖像質(zhì)量來說，需足夠清晰，有助于證據(jù)的有效性要求。

綜上所述，為滿足秘錄工作要求，無線密錄設備要能夠滿足器件尺寸微小、畫面質(zhì)量高、傳輸距離遠、實時傳送的要求。這些要求使得整個設備的設計思路與普通視頻傳輸設備設計有很大的不同。普通攝像頭、340 MHz無線圖傳設備都因為體積過于龐大不可使用。3G/4G網(wǎng)絡由于需要完全依賴公網(wǎng)覆蓋也不可取。所以只能采用針孔攝像頭拍攝實時圖像并進行數(shù)模轉換圖像壓縮，之后送入藍牙模塊進行傳輸?shù)脑O計思路。利用藍牙模塊進行無線傳送，能夠?qū)崟r進行監(jiān)測，傳輸距離相對較遠，對環(huán)境要求不高，而且傳輸過程穩(wěn)定。基本滿足現(xiàn)有公安密錄工作的要求。

1.2 器件選擇

前端攝像頭的選取決定了畫面質(zhì)量的高低，而且前端視頻采集設備的尺寸大小，尤其是鏡頭的尺寸大小直接影響到整個設備整體隱蔽性的好壞。鑒于上述要求，故特別選取針孔攝像機作為前端視頻采集設備。模擬針孔攝像發(fā)展時間較長，技術較穩(wěn)定，生產(chǎn)較規(guī)范，輸出的視頻信號符合國家模擬視頻信號標準，對于使用環(huán)境的要求不高。數(shù)字針孔攝像機尺寸與模擬針孔攝像機相比相去甚遠，其器件尺寸較大，導致隱蔽性較差，同時輸出的數(shù)字視頻信號的碼速率較高，帶寬較小的無線傳輸信道難以滿足其傳輸要求，而帶寬較大的信道又存在設備體積及功耗的問題?；谝陨戏治觯捎媚M針孔攝像機作為前端視頻采集設備，具體設備采用 1/3 CCD彩色圖像傳感器模擬攝像機，具體型號為YUCOO-C5001C。

模擬/數(shù)字轉換設備將前端模擬針孔攝像機采集到的模擬視頻信號轉換成數(shù)字視頻信號，這樣的模數(shù)轉換可以使信號更穩(wěn)定，利于傳輸，抗干擾性強，并且使終端的畫面更穩(wěn)定，且經(jīng)壓縮后帶寬低于數(shù)字針孔攝像機帶寬要求?，F(xiàn)有模擬/數(shù)字轉換芯片較多，如飛利浦SAA7113、SAA7114、SAA7118等，其中的SAA7113功耗相對較小，技術成熟，體積較小，故采用SAA7113芯片作為模擬/數(shù)字轉換設備。

為使帶寬進一步降低，模數(shù)轉換后需進行圖像壓縮。飛利浦PNX1300、PNX1700、OMPA5909等均可以作為數(shù)字信號壓縮的多媒體芯片使用，其中PNX1700支持H.264壓縮技術，并且其圖像采集和預處理均采用了目前最新的圖像處理技術，圖像質(zhì)量有了明顯提升，色彩還原更加真實，產(chǎn)品功耗很低，長時間工作可不受溫度的影響，穩(wěn)定可靠性高，支持USB接口，更利于信號的傳輸。故設計采用PNX1700芯片通過H.264壓縮標準，進行數(shù)字視頻碼流進行壓縮。若需H.265標準，則需要另外選擇符合H.265標準的芯片，如Hi3516A。

經(jīng)壓縮后的信號由藍牙信道進行傳輸。藍牙技術發(fā)展成熟，設備成本較低，整體功耗不高，發(fā)射接收單元體積小，最高傳輸速率可達3 Mb/s，傳輸距離理論可達到100 m，能夠滿足無線密錄設備的需求，因此采用百米設備CLASS1(BC04)藍牙模塊作為無線數(shù)據(jù)傳輸模塊。

2 整體架構及工作流程

設備整體系統(tǒng)架構如圖1所示，以嵌入式壓縮技術多媒體芯片PNX1700為核心，采用H.264技術完成視頻信號的壓縮編碼工作。由YUCOO-C5001C針孔攝像機采集模擬視頻信號，送至模擬/數(shù)字轉換芯片SAA7113中。由SAA7113將標準PAL制式的視頻信號轉化成符合CCIR656規(guī)定的復合電視信號，并送入圖像壓縮芯片PNX1700進行壓縮。

圖1 無線密錄設備系統(tǒng)架構

緩存器件OMAP5910存儲配置程序，用以系統(tǒng)啟動，具體包括DSP工作模式、程序的起始地址、內(nèi)存容量、數(shù)字視頻信號發(fā)送前的緩存功能等。閃存器K9f2808U0C NAND FLASH存儲H.264壓縮工作的配置程序，以及嵌入式多媒體芯片PNX1700工作必需的程序等系統(tǒng)應用程序，系統(tǒng)內(nèi)存由兩片32 Mbit的K4D551638f-tc構成。DMA將數(shù)據(jù)送入內(nèi)存，再傳送到后方緩存模塊的內(nèi)存模塊中。

3 系統(tǒng)詳細設計

3.1 SAA7113與PNX1700

模擬/數(shù)字轉換芯片SAA7113模塊與PNX1700的硬件連接如圖2所示。PNX1700的自身所帶內(nèi)存較小，主要承擔了數(shù)載碼流的壓縮工作，碼流率在141 Mb/s左右，需要較大的系統(tǒng)內(nèi)存才能保證碼流的流暢性和輸出信號的完整性，故設計中選用三星K4D551638F-TC芯片作為內(nèi)存，容量64 MB，支持200 MHz的工作頻率。存儲器要求不高的情況下，可選用EEPROM啟動模式，8個引腳采用上拉及下拉電阻來進行配置。啟動程序所需的二進制代碼較短，可選擇Atmel 24C128(容量16 KB)，通過IIC總線與PNX1700進行通信。

圖2 SAA7113與PNX1700連接

3.2 PNX1700、OPMA5910及BC04的連接

OMAP5910是一個功能強大的系統(tǒng)級芯片，具有自身處理器，能夠完成較強的圖像處理和壓縮任務，將其設計用于存儲后端的數(shù)據(jù)緩存和配置程序。其SDRAM容量為32 MB，支持USB通用串行接口技術，更易與前端壓縮設備和后端發(fā)送設備進行高速的數(shù)據(jù)傳輸。設計中將OMAP5910應用在后端作為緩存設備，以便為今后設備升級提供更強大的處理保障和接口服務。PNX1700、OPMA5910和BC04連接情況如圖3所示。

圖3 PNX1700與OPMA5910和BC04連接圖

3.3 無線發(fā)射模塊

藍牙模塊CLASS1(BC04) 發(fā)射功率約為100 mW，支持藍牙2.0+EDR協(xié)議，最高傳輸速率為3 Mb/s，傳輸距離為100 m，天線采用微帶天線。完全兼容藍牙2.0規(guī)范，支持數(shù)據(jù)和語音傳輸，最高可支持3 M調(diào)制模式。語音接口支持PCM協(xié)議。工作頻段范圍是2.40 GHz～2.48 GHz；可支持7個設備USB 2.0和UART接口PCM音頻接口 ；低電壓電源范圍是2.7 V 到 3.6 V；正常供給電壓為3.3±0.1 V；內(nèi)置8 Mbit Flash。藍牙模塊的結構圖如圖4所示。

3.4 電源模塊

電源采用PNX1700芯片，其工作核心電壓為1.2 V，內(nèi)存模塊工作電壓為2.5 V，其余模塊的工作電壓為3.3 V。為使設備小巧便攜，專門設計了一個外接5V電源，通過DC-DC轉換電路為系統(tǒng)提供各種所需電壓。電源連接圖如圖5所示。

4 傳輸流程及結論

系統(tǒng)中的信號傳輸方向是單一的，首先YUCOO-C5001C針孔攝像機采集到視頻信號后輸出標準的PAL制電視信號，按照國家標準其帶寬為標準的6M復合電視信號，送到模擬/數(shù)字轉換裝置SAA7113中，SAA7113對傳輸進來的復合電視信號進行轉換，轉換后的碼流率為17.7 MHz×8 bit=141.6 Mb/s，經(jīng)過H.264壓縮后，141.6Mb/s÷110=1.2 Mb/s，碼流率大約在1.2 Mb/s，送入緩存設備中，最后送入藍牙設備中，以2.40 GHz～2.48 GHz的傳輸頻率進行實時傳送。

在實際鏈接調(diào)試中，在45 m的距離內(nèi)，設備傳輸帶寬可達1.2 M，能夠滿足傳輸要求。同時，傳輸幀率在25 f/s，圖像的流暢性和清晰度要求也可以滿足。由此可以看出，設備設計完全滿足無線密錄設備的技術要求。同時與以公網(wǎng)作為傳輸信道的設備相比，對環(huán)境的依賴更小。目前藍牙技術已發(fā)展到藍牙 5.0，數(shù)據(jù)顯示其將最大傳輸距離提高到了200 m，可見隨著技術進步，基于藍牙技術的無線密錄設備還有較大的提升空間。

圖4 BC04藍牙模塊結構圖

圖5 PNX1700電源系統(tǒng)模塊

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(責任編輯陳小明)

D035.39

鄭 濤(1974—)，男，山西人，副教授。研究方向為公安通信。