池鵬可，蘇成悅，謝廣泉，柳 丁

（廣東工業(yè)大學(xué)物理與光電工程學(xué)院，廣東 廣州510006）

1 引言

隨著智能嵌入式設(shè)備的迅猛發(fā)展與普及，嵌入式操作系統(tǒng)的應(yīng)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(shè)備系統(tǒng)之一，它開源并包含移動設(shè)備操作系統(tǒng)所有必需的功能，被廣泛地應(yīng)用在各種移動設(shè)備［1］。Linux內(nèi)核為Android的軟件棧提供核心系統(tǒng)服務(wù)，這些服務(wù)包括設(shè)備驅(qū)動、網(wǎng)絡(luò)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(yīng)用程序［3］。

在無線投影網(wǎng)關(guān)的硬件設(shè)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(guān)功能芯片進行設(shè)計的方法。對于系統(tǒng)方案的選擇，有學(xué) 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(shù)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(xué)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(shù)的發(fā)展，智能移動設(shè)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(shè)計了一個支持PC 機及Android手持移動設(shè)備的無線投影系統(tǒng)，使用者能夠?qū)C 機和手持移動設(shè)備上的屏幕信息通過WIFI無線發(fā)射，經(jīng)無線網(wǎng)關(guān)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(shè)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(yīng)用前景。

2 系統(tǒng)設(shè)計方案及結(jié)構(gòu)

PC機或手持移動設(shè)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(guān)，無線投影網(wǎng)關(guān)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(shè)備或PC 機、無線投影網(wǎng)關(guān)、投影儀組成。該系統(tǒng)中，Android手持移動設(shè)備和PC機作為客戶端，無線投影網(wǎng)關(guān)作為服務(wù)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(guān)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(guān)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。在PC機、手持移動設(shè)備上運行自主設(shè)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(yù)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(guān)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(yīng)的預(yù)覽框，切換讓從機與無線投影網(wǎng)關(guān)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(guān)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(shè)計

客戶端軟件包括PC 機和移動設(shè)備的無線投影軟件，客戶端軟件主要是與無線投影網(wǎng)關(guān)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(guān)。為了提高無線傳輸速率，防止網(wǎng)絡(luò)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(dǎo)致圖像失真，所以為了權(quán)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(zhì)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(guān)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3.1 PC管理軟件設(shè)計

在Visual Studio 2010平臺上使用C＋＋編程語言設(shè)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(yīng)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(yīng)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(guān)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(guān)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(guān)的通信，將顯存數(shù)據(jù)發(fā)給無線投影網(wǎng)關(guān)。需投影主機時，從機斷開與無線投影網(wǎng)關(guān)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(guān)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(shè)備管理軟件設(shè)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(shè)計手持移動設(shè)備上的客戶端無線投影管理軟件。

手持移動設(shè)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(wù)端的IP和端口號，與服務(wù)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(shè)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(yù)覽畫面的數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行解析編碼，Android移動設(shè)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(guān)顯示。

《地貌學(xué)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(guān)設(shè)計

隨著PC機和智能手持設(shè)備的普及，無線技術(shù)應(yīng)用日新月異，本文設(shè)計了一款便攜式無線投影網(wǎng)關(guān)，實現(xiàn)多PC用戶或智能手持移動設(shè)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(guān)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(shè)計

無線投影網(wǎng)關(guān)的硬件結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)換模塊。

Figure 4 Hardware structure of a wireless projection gateway圖4 無線投影網(wǎng)關(guān)硬件結(jié)構(gòu)圖

為了使無線投影網(wǎng)關(guān)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(guān)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(shè)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(yīng)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(luò)，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(shè)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(shè)計

從Android系統(tǒng)架構(gòu)來看，軟件堆棧包括在Linux內(nèi)核頂層上的Java應(yīng)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(guān)內(nèi)嵌入Android系統(tǒng)、使用Java語言設(shè)計的接收管理軟件。無線投影網(wǎng)關(guān)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(guān)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(guān)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(guān)工作流程。

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

5 無線投影網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)實驗測試

對無線投影網(wǎng)關(guān)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(xué)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(guān)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(shè)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(shè)備測試結(jié)果數(shù)據(jù)如表1所示。

Table 1 Test result表1 測試結(jié)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(yù)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(yù)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(yù)覽圖即可切換從機無線投影，因而預(yù)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(shè)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(jié)束語

基于Android的智能移動設(shè)備逐漸進入教育、家居等重要領(lǐng)域，服務(wù)于工作和生活的信息化。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，智能移動設(shè)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(gòu)建的一個ARM 嵌入式服務(wù)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(shè)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(shè)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(guān)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(dǎo)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(shè)備開發(fā)方面更具優(yōu)勢。無線連接是投影設(shè)備的發(fā)展趨勢，基于Android設(shè)計的多用戶無線投影系統(tǒng)極具應(yīng)用的優(yōu)勢。

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