池鵬可，蘇成悅，謝廣泉，柳 丁

（廣東工業(yè)大學物理與光電工程學院，廣東 廣州510006）

1 引言

隨著智能嵌入式設備的迅猛發(fā)展與普及，嵌入式操作系統(tǒng)的應用也變得更加廣泛。Android系統(tǒng)是目前市場上基于Linux內(nèi)核的最成功移動設備系統(tǒng)之一，它開源并包含移動設備操作系統(tǒng)所有必需的功能，被廣泛地應用在各種移動設備［1］。Linux內(nèi)核為Android的軟件棧提供核心系統(tǒng)服務，這些服務包括設備驅動、網(wǎng)絡體系、文件系統(tǒng)、內(nèi)存管理、電源管理和進程管理［2］。Android提供廣泛而實用的函數(shù)庫和工具，利用它們可以基于ARM Cortex A8內(nèi)核的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)豐富的應用程序［3］。

在無線投影網(wǎng)關的硬件設計方面，有研究者［4，5］介紹了以AMD Geode Gx 533處理器和CS 5535南橋為核心，配合USB 控制器等其他相關功能芯片進行設計的方法。對于系統(tǒng)方案的選擇，有學 者 采 用 WinCE 操 作 系 統(tǒng)［5，6］或 是Linux 系統(tǒng)［7，8］。目前無線通訊協(xié)議趨向多樣化，文獻［9］提出一種基于WHDI技術的高清視頻通訊協(xié)議，該協(xié)議以有損傳輸為代價換取較高的傳輸速率。有學者從事無線投影這方面的研究，也有以Android為平臺的無線顯示產(chǎn)品，但以Android為平臺實現(xiàn)多用戶無線投影的開發(fā)研究尚未發(fā)現(xiàn)。

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術的發(fā)展，智能移動設備可以感知和獲取周圍環(huán)境的信息，方便人們的生活和工作。本文設計了一個支持PC 機及Android手持移動設備的無線投影系統(tǒng)，使用者能夠將PC 機和手持移動設備上的屏幕信息通過WIFI無線發(fā)射，經(jīng)無線網(wǎng)關傳輸?shù)酵队皟x和液晶電視機，并可在多個用戶間切換，不受線纜的束縛，方便通過投影系統(tǒng)展示，實現(xiàn)手持移動設備實時拍攝畫面的實時顯示。該系統(tǒng)對智能家庭娛樂和智能化辦公有較大意義，具備廣泛的應用前景。

2 系統(tǒng)設計方案及結構

PC機或手持移動設備將顯存數(shù)據(jù)進行編碼，通過無線通信傳輸?shù)綗o線投影網(wǎng)關，無線投影網(wǎng)關接收并解碼顯存數(shù)據(jù)，通過VGA 接口或HDMI接口送到投影儀顯示。無線通信是基于TCP/IP 協(xié)議、802.11協(xié)議組的無線局域網(wǎng)［10］。系統(tǒng)由Android手持移動設備或PC 機、無線投影網(wǎng)關、投影儀組成。該系統(tǒng)中，Android手持移動設備和PC機作為客戶端，無線投影網(wǎng)關作為服務端?？蛻舳送ㄟ^投影管理軟件獲取并發(fā)送顯存數(shù)據(jù)，無線投影網(wǎng)關與投影儀連接，將接收到的顯存信息顯示在屏幕上。工作流程如圖1所示。

Figure 1 Working process圖1 工作流程圖

如圖2所示為多用戶無線投影網(wǎng)關系統(tǒng)結構圖。在PC機、手持移動設備上運行自主設計的投影管理軟件，各臺從機間斷獲取顯存數(shù)據(jù)并發(fā)送給主機，主機上的投影管理軟件有四個預覽框分別顯示四臺從機的屏幕信息，主機將自己的屏幕顯存數(shù)據(jù)編碼發(fā)送給無線投影網(wǎng)關解碼顯示。當需要哪一臺從機投影時，點擊主機的投影管理軟件上相應的預覽框，切換讓從機與無線投影網(wǎng)關通信，即主機可以讓任意一臺從機將顯存數(shù)據(jù)編碼發(fā)送給無線投影網(wǎng)關解碼顯示，自由切換，這樣便實現(xiàn)多用戶無線投影。

3 客戶端設計

客戶端軟件包括PC 機和移動設備的無線投影軟件，客戶端軟件主要是與無線投影網(wǎng)關建立無線通信，將屏幕顯存數(shù)據(jù)發(fā)送給無線投影網(wǎng)關。為了提高無線傳輸速率，防止網(wǎng)絡傳輸阻塞，則需要對顯存數(shù)據(jù)進行壓縮編碼。但是，過度的壓縮會導致圖像失真，所以為了權衡圖像的清晰度和傳輸速率，采用了JPEG 圖像編碼算法。因為JPEG 圖像的壓縮率是30∶1，其圖像質量幾乎沒損耗［11］，圖像大小適合無線傳輸。

Figure 2 System structure of a wireless multi－user projection gateway圖2 多用戶無線投影網(wǎng)關系統(tǒng)結構

3.1 PC管理軟件設計

在Visual Studio 2010平臺上使用C＋＋編程語言設計PC 機的客戶端管理軟件。主機調(diào)用socket類的bind函數(shù)綁定本地地址、綁定應用端口為5050 并開啟監(jiān)聽，從機連接主機時需調(diào)用socket類的connect函數(shù)發(fā)出連接請求，主機調(diào)用的socket類的accept函數(shù)會自動響應從機的連接請求進行通訊，新建線程用于接收從機發(fā)送的顯存數(shù)據(jù)。

主機的監(jiān)視窗口顯示桌面信息是通過在線程中解碼接收到的顯存數(shù)據(jù)方式實現(xiàn)的。切換投影從機桌面信息時，主機先將用于無線投影網(wǎng)關的套接字發(fā)送給需要投影的從機，再斷開與無線投影網(wǎng)關的通信。從機接收到主機的套接字后，斷開與主機的連接，建立與無線投影網(wǎng)關的通信，將顯存數(shù)據(jù)發(fā)給無線投影網(wǎng)關。需投影主機時，從機斷開與無線投影網(wǎng)關的通信，重新建立與主機的連接并發(fā)送切換信號，主機接收到切換信號后，建立與無線投影網(wǎng)關的通信。工作過程如圖3所示。

Figure 3 Working process of management software on PC圖3 PC管理軟件工作過程

3.2 Android手持移動設備管理軟件設計

Eclipse是著名的跨平臺開源集成開發(fā)環(huán)境（IDE），主要用Java語言在Eclipse平臺上開發(fā)，Eclipse的本身只是一個框架平臺，但是眾多插件的支持，使得Eclipse擁有較佳的靈活性［12］，當然Eclipse也支持Android ADT 插件，這樣使得Android APP開發(fā)便捷。我們在Eclipse平臺上使用Java編程語言設計手持移動設備上的客戶端無線投影管理軟件。

手持移動設備上的客戶端無線投影管理軟件，調(diào)用socket類函數(shù)綁定服務端的IP和端口號，與服務端建立連接，調(diào)用service類在后臺獲取屏幕顯存數(shù)據(jù)。獲取屏幕顯存信息是讀取framebuffer中的數(shù)據(jù)，其方法為：

攝像頭拍攝畫面實現(xiàn)無線投影設計主要是對手機相機功能的開發(fā)，自定義surfaceView 來定義自己的相機類，顯示手機攝像頭實時攝像的畫面。無線投影管理軟件獲取自定義相機預覽畫面的數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行解析編碼，Android移動設備作為socket客戶端將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送給無線投影網(wǎng)關顯示。

《地貌學原理》[13]書中認為：花崗巖在3組相互正交的原生節(jié)理切割下，形成許多長方形或近似正方形的巖塊，由于風化作用將周邊棱角磨圓，巖塊逐漸球化，最后形成風化球又稱孤石。孤石是原巖不斷風化過程中尚且沒有風化完全的殘留物。如圖1中(b)所示，該工程邊坡上廣泛發(fā)育形態(tài)多樣的孤石，直徑一般為1～6 m。根據(jù)場地勘察報告，區(qū)內(nèi)地層主要為第四系人工堆積層、第四系殘積層和燕山期侵入花崗巖，而燕山時期的花崗巖是形成孤石的主要巖體。工程需要對孤石進行穩(wěn)定性分析，對不穩(wěn)定的孤石進行治理。

4 無線投影網(wǎng)關設計

隨著PC機和智能手持設備的普及，無線技術應用日新月異，本文設計了一款便攜式無線投影網(wǎng)關，實現(xiàn)多PC用戶或智能手持移動設備用戶實時切換投影，對不具備無線投影功能的投影儀實現(xiàn)無線投影。無線投影網(wǎng)關是由基于ARM Cortex A8內(nèi)核處理器，內(nèi)嵌Android系統(tǒng)，將接收到的客戶端屏幕顯存數(shù)據(jù)解碼顯示，數(shù)據(jù)經(jīng)過ARM Cortex A8嵌入式處理器處理以后，通過VGA 或HDMI接口送到投影儀顯示出來。

4.1 硬件設計

無線投影網(wǎng)關的硬件結構圖如圖4 所示，包括：三星Cortex A8處理器、LCD 接口、USB接口、SD 接口、VGA 模塊、HDMI接口、WIFI模塊、按鍵、220V 電源接口和電源轉換模塊。

Figure 4 Hardware structure of a wireless projection gateway圖4 無線投影網(wǎng)關硬件結構圖

為了使無線投影網(wǎng)關接收速度和圖像處理速度更快，本系統(tǒng)的無線投影網(wǎng)關采用Samsung S5PV210處理器，Ralink RT2070 無線網(wǎng)卡。Samsung S5PV210處理器的主要特性［13］：

（1）運行主頻可高達1 GHz，能夠流暢運行Android操作系統(tǒng)，非常適合開發(fā)高端物聯(lián)網(wǎng)終端等設備。

（2）S5PV210 內(nèi)部集成了PowerVR SGX540高性能圖形引擎，支持2D/3D 圖形流暢運行，最高可支持1080p＠30fps硬件解碼視頻流暢播放和1080p＠30fps 硬 件 編 碼（Mpeg－2/VC1）視 頻 輸入。

Ralink RT2070 兼 容IEEE 802.11g、IEEE 802.11b標準，無線傳輸速率高達54 Mbps，是普通11b產(chǎn)品 的5 倍；支 持64/128/256 位WEP 數(shù)據(jù) 加 密，同 時 支 持 WPA/WPA－PSK、WPA2/WPA2－PSK 安全機制。內(nèi)置智能天線可適應不同的工作環(huán)境，使臺式機或筆記本PC 機用戶方便地接入無線網(wǎng)絡，同時支持無線漫游功能。另外還可以方便地與其它的11b、11g無線設備連接。

Samsung S5PV210 處 理 器 通 過 USB 與Ralink RT2070 連接進行數(shù)據(jù)的接收，通過TFT LCD 控制器與VGA 模塊連接，以便能連接上只有VGA 接口的投影儀。Samsung S5PV210 處理器也可通過HDMI接口連接上帶有HDMI接口的投影儀或者液晶電視機，以達到高清效果輸出。

4.2 軟件設計

從Android系統(tǒng)架構來看，軟件堆棧包括在Linux內(nèi)核頂層上的Java應用程序和用Java、C、C＋＋、XML等語言編寫的系統(tǒng)組件［14］。在本文中，無線投影網(wǎng)關內(nèi)嵌入Android系統(tǒng)、使用Java語言設計的接收管理軟件。無線投影網(wǎng)關建立一個套接字的ServerSocket對象，新建一個監(jiān)聽端口，等待客戶端發(fā)送顯存數(shù)據(jù)的請求。若有客戶端的請求時，無線投影網(wǎng)關會新建線程負責接收顯存數(shù)據(jù)；若沒有客戶端的請求時，但接收到主機的切換指令，便會中斷其他客戶端的通信，重新與主機指定的客戶端連接通信。無線投影網(wǎng)關接收完一幀顯存數(shù)據(jù)，通過handle方法將一幀顯存數(shù)據(jù)傳輸?shù)街骶€程來更新UI顯示屏幕信息。如圖5 所示為無線投影網(wǎng)關工作流程。

Figure 5 Working process of a wireless projection gateway圖5 無線投影網(wǎng)關工作流程圖

5 無線投影網(wǎng)關系統(tǒng)實驗測試

對無線投影網(wǎng)關系統(tǒng)進行整體實驗測試是在100m2無障礙物的實驗室進行，局域網(wǎng)是由主機產(chǎn)生的熱點所形成的，目的是測試在沒有路由器環(huán)境下的通信效果，這樣也方便在沒有路由器的辦公教學場所進行無線投影。

分別對桌面分辨率為1 360＊768、1 280＊768和1024＊768三種情況測試，經(jīng)測試，無線投影網(wǎng)關能夠顯示圖像信息的分辨率可高達1 360＊768，滿足普遍PC 機和移動設備的無線顯示。經(jīng)計時器測試，無線投影過程延時約1s，測試過程基本流暢，PPT 演示和視頻播放效果達到要求。PC 機和移動設備測試結果數(shù)據(jù)如表1所示。

Table 1 Test result表1 測試結果

如圖6所示，使用多臺PC 機進行多用戶無線投影測試，圖中最左的PC 機為主機，其余為從機。圖7所示為主機上無線投影管理軟件，此軟件上的三個預覽圖分別是各臺從機的屏幕信息，一個是主機的屏幕信息。主機客戶端的預覽圖是為了方便辨別各臺從機和自由選擇哪臺從機進行無線投影，雙擊預覽圖即可切換從機無線投影，因而預覽圖不需要是實時從機屏幕信息，各從機可以每隔5s將顯存數(shù)據(jù)發(fā)送給主機解碼顯示。如圖8所示，使用手機進行Android移動設備無線投影測試，投影顯示流暢，手機操作正常。

Figure 6 Test of multi－user wireless projection圖6 多用戶無線投影測試

Figure 7 Management software of wireless projection on PCs圖7 PC機無線投影管理軟件

Figure 8 Test of wireless projection on mobile phone圖8 手機無線投影測試

6 結束語

基于Android的智能移動設備逐漸進入教育、家居等重要領域，服務于工作和生活的信息化。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術的發(fā)展，智能移動設備在人們的工作和生活中變得越來越重要。通過Android系統(tǒng)構建的一個ARM 嵌入式服務端，通過獲取終端的顯存數(shù)據(jù)和無線傳輸，實現(xiàn)了多用戶無線投影，擴展了傳統(tǒng)投影儀的通訊功能，實現(xiàn)了無線投影系統(tǒng)中多用戶機自由切換和實時投影、手持設備攝像頭拍攝畫面無線投影等功能。本系統(tǒng)通過直接獲取顯存數(shù)據(jù)并傳輸投影，提高了手機和PC 機的軟件開發(fā)速度，可避開不同終端流媒體播放器兼容性問題。

本系統(tǒng)經(jīng)測試能夠顯示圖像信息的分辨率最高可達1 360＊768，但無線投影過程還是存在約1s的延時，測試過程基本流暢，視頻播放效果基本達到要求，圖片和PPT 演示實時效果較佳，無延時感，滿足普通PC機和移動設備多用戶的無線顯示需求。視頻播放中出現(xiàn)的延時主要是因為無線投影網(wǎng)關采用的處理器只是單核ARM Cortex A8處理器，處理速度不理想。在同樣的硬件配置下，Lunix系統(tǒng)的方案同樣存在延時［7］，若采用四核ARM Cortex A9處理器，可能能夠解決因處理器速度慢而導致的效果延時問題，對Android系統(tǒng)以及傳輸協(xié)議算法的優(yōu)化可能對改善延時有所幫助。Android與Linux系統(tǒng)相比較，二系統(tǒng)之間在延時問題上不存在明顯優(yōu)勢，Android在移動設備開發(fā)方面更具優(yōu)勢。無線連接是投影設備的發(fā)展趨勢，基于Android設計的多用戶無線投影系統(tǒng)極具應用的優(yōu)勢。

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