CN101252552B

CN101252552B - 支持无线音视频传输的嵌入式家庭网络网关

Info

Publication number: CN101252552B
Application number: CN2008100198638A
Authority: CN
Inventors: 夏玮玮; 左旭舟; 朱立锋; 胡静; 沈连丰; 牟中平
Original assignee: Southeast University; Panda Electronics Group Co Ltd
Current assignee: Southeast University; Panda Electronics Group Co Ltd
Priority date: 2008-03-18
Filing date: 2008-03-18
Publication date: 2010-11-17
Anticipated expiration: 2028-03-18
Also published as: CN101252552A

Abstract

支持无线音视频传输的嵌入式家庭网络网关设备是一种可使远程用户在连接到互联网的PC上，近程用户在PDA上，通过本发明以无线方式统一控制洗衣机、空调等电器设备，观看数字电视、DVD等影视娱乐设备实时传输的大流量、高速率的音视频内容，实时播放和存储视频监控设备录制下的信息，该设备由音视频信号处理模块、核心模块、蓝牙模块、IEEE 802.11g模块所组成。音视频信号处理模块主要包括音视频压缩编码芯片、视频A/D解码芯片、音频A/D转换器。核心模块以微处理器为中心，与音视频信号处理模块通过总线相连接，与蓝牙模块通过RS232接口相连接，与IEEE 802.11g模块通过USB口相连接，核心模块可通过RJ45接头接至局域网网线。

Description

支持无线音视频传输的嵌入式家庭网络网关

技术领域

该发明可用于对家庭里的各种电器设备，进行远程和近程的实时控制和访问，即通过该设备，远程用户可以在连接到互联网的PC上，近程用户在PDA上，以无线方式统一控制电器设备(如洗衣机，空调等)，观看影视娱乐设备(如数字电视、DVD等)实时传输的大流量、高速率的音视频内容，实时播放和存储视频监控设备录制下的信息；该设备隶属于家庭网络网关设备的技术领域。

背景技术

随着计算机电子技术、网络技术的发展、以及人民生活水平的提高，家庭网络的概念应运而生。家庭网络是全方位提供智能化服务的网络系统，即在家庭内部通过一定的传输介质将各种电器设备和电器子系统连接起来，通过网关，对内实现资源共享，对外能与外部网络互连而进行信息交换，家庭网络的主要功能有设备管理、能源管理、安全服务和通信服务。

在设备管理和能源管理方面，用户通过家庭网络网关对全体家电进行统一控制。网关具有web服务器的功能，用户通过web浏览器来访问网关中储存的网页，通过点击网页上的相关按钮来控制家电。在安全服务和通信服务方面，音视频传输是家庭网络的重要业务之一。应用于家庭的视频服务器在实现家庭音视频数据传输和视频监控方面发挥了重要的作用。家庭网络网关应具有视频服务器的功能，从而实现大流量、高速率的音视频数据实时传输和远程视频监控。

目前的家庭网络网关通常只有单一的功能，只能作为web服务器使用，或者只能作为视频服务器使用，而且不能做到在外部互联网和在家庭范围内的同时访问。随着家庭数字化的发展，家庭网络网关应该提供更完备的功能。通过它，用户可以实现对电器设备的远程和近程统一控制，可以观看影视娱乐设备实时传输的音视频内容，可以实现视频监控。

家庭网络网关需要一定的传输介质与各种电器设备连接。目前，网关与家用电器设备之间通常是采用有线方式连接，布线繁琐，当电器设备移动时需要重新考虑布线问题。因此可以考虑使用无线方式，也就是在网关和电器设备上同时使用无线通信模块，以达到相互通信的目的。

在家庭环境中通常使用的短距离无线通信技术主要有红外(IrDA)、家庭内联网(HomeRF)、IEEE 802.11及蓝牙等。其中红外的成本最低，但其通信距离一般小于1米，并且通信双方的红外发光二极管与检测头的角度不得超过30度，还要保证无遮挡的条件。家庭内联网将狭窄的无线通道加宽，设备之间容易产生相互干扰。IEEE 802.11的传输距离为100米以上，其中IEEE 802.11g可以提供高达54Mbps的带宽。蓝牙技术则由于其适中的成本及灵活的抗干扰性能颇为引人注目。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提供一种支持无线音视频传输的嵌入式家庭网络网关。通过该网关，远程用户可以在连接到互联网的PC上，近程用户在PDA上，以无线方式统一控制洗衣机、空调等电器设备，观看数字电视、DVD等影视娱乐设备实时传输的大流量、高速率的音视频内容，实时播放和存储视频监控设备录制下的信息。

技术方案：本发明是一种基于MPEG4视频压缩编码技术，IEEE 802.11g和蓝牙技术的家庭网络网关设备。主要由音视频信号处理模块、核心模块、蓝牙模块和IEEE 802.11g模块所组成。音视频信号处理模块包括音视频压缩编码芯片、数据寄存器A、视频A/D解码芯片、晶振A、单片机、晶振B、音频A/D转换器、晶振C、AV复合视频接口，其中音视频压缩编码芯片分别与数据寄存器A、视频A/D解码芯片、音频A/D转换器相接，核心模块中的微处理器通过总线与音视频压缩编码芯片相连接，视频A/D解码芯片和音频A/D转换器通过AV复合视频接口分别输入模拟视频信号和模拟音频信号；

核心模块包括：微处理器、晶振D、晶振E、复位、JTAG调试口、数据寄存器B、闪存、异步串行通行口驱动器、RS232接口A、RS232接口B、USB主口、USB从口、以太网收发器、晶振F、RJ45接头，其中音视频信号处理模块通过总线与微处理器相连接，

蓝牙模块的RS232接口与RS232接口B相连接，RS232接口B与异步串行通行口驱动器相连接，IEEE 802.11g模块的USB口与USB主口相连接，USB主口与微处理器相连接，微处理器分别与晶振D、晶振E、复位、JTAG调试口、数据寄存器B、闪存、异步串行通行口驱动器、USB主口、USB从口、以太网收发器相接，以太网收发器通过RJ45接头接至局域网网线。

单片机与视频A/D解码芯片通过I²C总线相接。视频A/D解码芯片与音视频压缩编码芯片通过符合CCIR601标准的数字视频接口连接。音频A/D转换器与音视频压缩编码芯片通过I²S总线相接。音视频压缩编码芯片的数据端DD和地址端DA分别和数据寄存器A的数据端DD和地址端DA相接。音视频压缩编码芯片的数据端hd和地址段ha分别和微处理器的数据端D和地址端A相接。数据寄存器B的数据端D和地址端A分别和微处理器的数据端D和地址端A相接。闪存的数据端D和地址端A分别和微处理器的数据端D和地址端A相接。

有益效果：该发明具有如下优点：

1)只需在互联网上通过输入相应的网址就能接入该网关设备，实现便捷的远程控制；

2)近程用户可以无线方式接入该网关设备，如通过PDA就可以控制家用电器；

3)可以实现实时、大流量、高速率的音视频数据传输以及实时监控，画面清晰度高；分辨率可达720*576，帧率可达25fps；

4)电器设备和网关通过IP地址标识，遵循TCP/IP相关协议，便于与外部设备互联，用户可以使用web浏览器来访问网关里存储的网页；

5)该网关与家用电器之间采用蓝牙方式连接，无需繁琐布线，数据传输安全可靠；

6)采用高速率的IEEE802.11g实现音视频传输，可提供20Mbps以上的传输带宽，为高清视频流提供足够的传输通道；

7)所采用无线通信方式的发射功率都遵循国际标准，对人体安全，可穿透电介质，不受非金属障碍物影响；

8)低功耗，运行更稳定，寿命更长；

9)低成本，便于推广。

附图说明

图1是本发明的总体结构框图。其中有蓝牙模块1、IEEE 802.11g模块2、音视频压缩编码芯片3、数据寄存器A4、视频A/D解码芯片5、晶振A6、单片机7、晶振B8、音频A/D转换器9、晶振C10、AV复合视频接口11、微处理器12、晶振D13、晶振E14、复位15、JTAG口16、数据寄存器B17、闪存18、异步串行通行口驱动器19、RS232接口A20、RS232接口B21、USB主口22、USB从口23、以太网收发器24、晶振F25以及RJ45接头26。

图2是本发明的应用场景示意图。

图3是本发明的电路原理图。其中图3-1为单片机7的电路原理图；图3-2为视频A/D解码芯片5的电路原理图；图3-3为音频A/D转换器9的电路原理图；图3-4为音视频压缩编码芯片3的电路原理图；图3-5为数据寄存器A4的电路原理图；图3-6为微处理器12的电路原理图；图3-7为数据寄存器B17的电路原理图；图3-8为闪存18的电路原理图；图3-9为以太网收发器24的电路原理图；图3-10为RJ45接头26的电路原理图；图3-11为RS232接口A20、RS232接口B21、USB主口22、USB从口23的电路原理图。

具体实施方式

家庭网络网关设备总体结构框图

该发明包括音视频信号处理模块、核心模块、蓝牙模块和IEEE 802.11g模块。音视频信号处理模块用于对输入的复合视频信号进行数字化和压缩编码；核心模块采用嵌入式Linux操作系统，以微处理器为核心，数据寄存器A、闪存作为外围电路，其上运行TCP/IP协议栈，音视频信号处理模块的驱动程序和IEEE802.11g模块的驱动程序；蓝牙模块上运行蓝牙协议栈；IEEE802.11g模块上运行IEEE 802.11g协议栈；两者皆用于调制解调、接收和发送电磁波。

家庭网络网关设备的应用场景

洗衣机、空调、电冰箱等家用电器上连接有蓝牙模块，通过蓝牙方式与家庭网络网关设备通信，监控摄像头等视频监控设备和数字电视、DVD等影音设备通过复合视频信号接口直接与网关相连。网关设备通过网线与本地局域网相连，从而连接到国际互联网，实现远程控制。网关设备通过IEEE802.11g模块连接到带有IEEE802.11g的PDA，从而实现近程控制。

在互联网另一端或使用PDA的用户在web浏览器输入相应的IP地址，访问到网关设备。选择网页上相应的电器选项，点击网页上的“查看”按钮，可以看到电器运行状态；点击控制命令选项，相应的控制命令码将由网关传输至家电，家电在完成操作后，将运行状态以返回码的形式传输给网关，并在网页上得以显示；当需要视频监控时，点击“视频监控”选项，打开的窗口上会显示摄像头监视的画面信息；当点击“数字电视”时，窗口上会显示电视正在播放的视频画面，音频信息通过音箱等设备同步播放。

电路原理图

图3为该发明的电路原理图，其中主要包括音视频压缩编码芯片3、视频A/D解码芯片5、音频A/D转换器9、微处理器12、蓝牙模块1、IEEE 802.11g模块2，以及数据寄存器A4、晶振A6、单片机7、晶振B8、晶振C10、AV复合视频接口11、晶振D13、晶振E14、复位15、JTAG口16、数据寄存器B17、闪存18、异步串行通行口驱动器19、RS232接口A20、RS232接口B21、USB主口22、USB从口23、以太网收发器24、晶振F25、RJ45接头26。

本发明(支持无线视频传输的嵌入式家庭网络网关)有机地结合了时下发展最迅猛的嵌入式技术、音视频压缩编码技术、WiFi技术和蓝牙技术，从而提供从远程和近程统一控制电器设备，观看影视娱乐设备实时传输的大流量、高速率的音视频内容，实时存储和回放视频监控设备记录下的信息的功能。主要内容在于具体实现的电路，其总体构成框图如图1所示。

其中音视频信号处理模块包括音视频信号采集，A/D转换和压缩编码，主要实现了对模拟音视频信号的数字化和压缩编码的功能。AV复合视频接口11用于对模拟音视频信号的输入，视频A/D解码芯片5用于将模拟视频信号转化成符合CCIR-601标准的数字视频信号，单片机7用于对视频A/D解码芯片进行初始化配置，音频A/D转换器9用于将模拟音频信号转化为I²S格式的串行数字音频信号，音视频压缩编码芯片3用于对数字化后的音视频数据流进行压缩，然后送给微处理器12，数据寄存器A4用于向待压缩的数据提供缓存。

核心模块的中心是微处理器12，其外围电路包括数据寄存器B17、闪存18、两个USB口、扩展的两个RS232串口、以太网接口，还包括复位和JTAG调试口。其中数据寄存器B17用于暂时存储一些临时数据；闪存18相当于电脑的硬盘，里面安装了嵌入式Linux操作系统、TCP/IP协议栈、音视频信号处理模块驱动、以太网驱动以及IEEE 802.11g模块驱动；USB主口22用于连接IEEE802.11g模块2，RS232接口B21用于连接蓝牙模块1，微处理器12通过总线与音视频压缩编解码芯片3连接，读取压缩后的数据。

蓝牙模块通过RS232接口连接到核心模块，用于提供核心模块与家电设备的蓝牙模块之间的无线连接。IEEE802.11g模块通过USB口连接到核心模块，用于提供核心模块与用户终端之间的无线连接。

其中RS232接口A20用于输出微处理器12的调试信息，USB从口23用于挂载外接存储设备，JTAG调试口16用于对微处理器12进行底层调试，晶振A6、B8、C10、F25分别为视频A/D解码芯片5、音频A/D转换器9、单片机7、以太网收发器24提供时钟信号，晶振D13、晶振E14为微处理器12提供时钟信号，复位15用于为微处理器12提供手动复位，RJ45接头26用于提供网线连接。

具体工作过程为：

在进行设备管理和能源管理时，该设备的蓝牙模块首先与家电的蓝牙模块之间建立无线链路，然后，用户可通过web浏览器访问到该设备里储存的网页，点击网页上的相应按钮，使微处理器通过串口发送一个控制命令字，蓝牙模块由串口接收到该控制命令字以后，发送给家电端的蓝牙模块，由其送入家电，控制家电的运行，家电的回码通过相同的链路发给该家庭网络网关设备，从而显示在网页上，从而用户可以看到控制后家电的状态。

在进行安全管理和通信服务时，模拟摄像头或数字电视等输出的复合视频信号通过AV复合视频接口输入到该设备，然后经过A/D转换和压缩编码后的数据被送入微处理器的内存中，运行于微处理器上的嵌入式Linux操作系统通过TCP/IP协议栈将数据往外发送。在物理层，既可以通过以太网送入互联网中，也可以通过IEEE 802.11g模块送到近距离的PDA上，用户端收到数据后，运行带MPEG4解码器的播放程序，即可观看视频内容。

当位于互联网另一端或使用PDA的用户需要查看家庭中的电器设备情况时，通过输入正确的IP地址，访问到家庭网络网关设备，再在网页中点击相应电器设备的控制按钮，即可访问和控制该电器。比如，点击“视频监控”，即可看到摄像头采集的画面；点击“数字电视”，即可欣赏电视机播放的内容；点击“空调”，即可看到空调的工作状态，并可通过点击网页上的相应按钮进行打开电源、关闭电源、调节工作模式和调节温度等操作。

实施例：

Intime公司的音视频压缩编码芯片IME6400+ATMEL公司的微处理器芯片AT91RM9200+东大移动互联有限公司的7708蓝牙模块+Zydas公司的IEEE802.11g模块的实施例

音视频压缩编码芯片3采用Intime公司的芯片IME6400，视频A/D解码芯片5采用Phillp公司的SAA7111WP，音频A/D转换器9采用CRYSTAL公司的CS5334，微处理器12采用ATMEL公司的AT91RM9200，其主频为200MHz，蓝牙模块1采用东大移动互联有限公司的7708蓝牙无线收发模块，IEEE 802.11g模块

2采用Zydas公司的Zd1211802.11g模块，数据寄存器A4采用Micron的8Mbyte的SDRAM，MT48LC16M4A2，，数据寄存器B17采用两片Hynix的16Mbyte的SDRAM HY57V281620A，闪存18采用两片芯片，一片是AMD的2Mbyte的NorFlash，Am29LV160B，另一片是ATMEL的2Mbyte的Nor Flash，AT49BV322A，异步串行通行口驱动器19采用的是MAMIX的MAX213E，以太网收发器24采用的是DAVICOM的DM9161，可工作在10MBASE-TX或100MBASE-TX的工作模式下，单片机7采用的是ATMEL的AT89C2051，晶振A6、晶振B8、晶振C10、晶振D13、晶振E14、晶振F25的输出脉冲频率分别是24.576MHz、11.059MHz、12.2880MHz、18.432MHz、32.768KHz、24.576MHZ。此外还有AV复合视频接口11、JTAG口16、RS232接口A20、RS232接口B21、USB主口22、USB从口23以及RJ45接头26。

Claims

1.一种支持无线音视频传输的嵌入式家庭网络网关设备，其特征在于该设备由音视频信号处理模块、核心模块、蓝牙模块(1)、IEEE 802.11g模块(2)所组成；音视频信号处理模块包括音视频压缩编码芯片(3)、数据寄存器A(4)、视频A/D解码芯片(5)、晶振A(6)、单片机(7)、晶振B(8)、音频A/D转换器(9)、晶振C(10)、AV复合视频接口(11)，其中音视频压缩编码芯片(3)分别与数据寄存器A(4)、视频A/D解码芯片(5)、音频A/D转换器(9)相接，核心模块中的微处理器(12)通过总线与音视频压缩编码芯片(3)相连接，视频A/D解码芯片(5)和音频A/D转换器(9)通过AV复合视频接口(11)分别输入模拟视频信号和模拟音频信号；

核心模块包括：微处理器(12)、晶振D(13)、晶振E(14)、复位(15)、JTAG调试口(16)、数据寄存器B(17)、闪存(18)、异步串行通行口驱动器(19)、RS232接口A(20)、RS232接口B(21)、USB主口(22)、USB从口(23)、以太网收发器(24)、晶振F(25)、RJ45接头(26)，其中音视频信号处理模块通过总线与微处理器(12)相连接；

蓝牙模块(1)的RS232接口与RS232接口B(21)相连接，RS232接口B(21)与异步串行通行口驱动器(19)相连接，IEEE 802.11g模块(2)的USB口与USB主口(22)相连接，USB主口(22)与微处理器(12)相连接，微处理器(12)分别与晶振D(13)、晶振E(14)、复位(15)、JTAG调试口(16)、数据寄存器B(17)、闪存(18)、异步串行通行口驱动器(19)、USB主口(22)、USB从口(23)、以太网收发器(24)相接，以太网收发器(24)通过RJ45接头(26)接至局域网网线；

家庭网络网关通过蓝牙模块(1)与家用电器以蓝牙方式进行无线连接；家庭网络网关通过AV复合视频接口(11)连接模拟视频信号和模拟音频信号输入线，进而与视频监控设备和影音设备相连接；家庭网络网关的以太网收发器(24)通过RJ45接头(26)连接局域网网线，进而与国际互联网相连接；家庭网络网关通过IEEE 802.11g模块(2)与PDA设备以IEEE802.11g方式进行无线连接。

2.根据权利要求1所述的支持无线音视频传输的嵌入式家庭网络网关设备，其特征在于单片机(7)与视频A/D解码芯片通过I²C总线相接。

3.根据权利要求1所述的支持无线音视频传输的嵌入式家庭网络网关设备，其特征在于视频A/D解码芯片(5)与音视频压缩编码芯片(3)通过符合CCIR601标准的数字视频接口连接。

4.根据权利要求1所述的支持无线音视频传输的嵌入式家庭网络网关设备，其特征在于音频A/D转换器(9)与音视频压缩编码芯片(3)通过I²S总线相接。

5.根据权利要求1所述的支持无线音视频传输的嵌入式家庭网络网关设备，其特征在于音视频压缩编码芯片(3)的数据端DD和地址端DA分别和数据寄存器A的数据端DD和地址端DA相接。

6.根据权利要求1所述的支持无线音视频传输的嵌入式家庭网络网关设备，其特征在于音视频压缩编码芯片(3)的数据端hd和地址端ha分别和微处理器(12)的数据端D和地址端A相接。

7.根据权利要求1所述的支持无线音视频传输的嵌入式家庭网络网关设备，其特征在于数据寄存器B(17)的数据端D和地址端A分别和微处理器(12)的数据端D和地址端A相接。

8.根据权利要求1所述的支持无线音视频传输的嵌入式家庭网络网关设备，其特征在于闪存(18)的数据端D和地址端A分别和微处理器(12)的数据端D和地址端A相接。