基于ZigBee的圖像采集傳輸系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)*

高 韋，許耀華，胡艷軍，姜新紅，仇樂樂，師慶敏，魏海燕

（安徽大學(xué) 計算智能與信號處理教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥230039）

無線多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)WMSN(Wireless Multimedia Sensor Networks)[1]是隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的廣泛應(yīng)用及多媒體信息的需求而出現(xiàn)的。它在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中引入了低功耗多媒體信息處理。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)WSN（Wireless Sensor Networks）[2]由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大量的廉價微型傳感器節(jié)點(diǎn)組成，并通過無線通信方式形成的一個多跳、自組織的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中被感知對象的信息，并發(fā)送給觀察者。傳感器、感知對象和觀察者構(gòu)成了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的三個要素。WMSN由于具有豐富的傳感信息已經(jīng)成為一個研究熱點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于分布式監(jiān)控、環(huán)境監(jiān)控、目標(biāo)跟蹤及圖像注冊等場合。

本文設(shè)計并實(shí)現(xiàn)了一個能夠?qū)崿F(xiàn)無線多點(diǎn)圖像采集的低功耗WMSN系統(tǒng)，系統(tǒng)由多種供電方式的遠(yuǎn)端采集節(jié)點(diǎn)和匯聚網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成。在數(shù)據(jù)中心完成所有數(shù)據(jù)的匯總、存儲、分析、演示等功能。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計及實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)以典型的家居或樓宇監(jiān)控為設(shè)計背景，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)或多方位的圖像采集并能夠?qū)崿F(xiàn)無線多跳中繼傳輸?shù)哪繕?biāo)，同時還要滿足低功耗的要求。系統(tǒng)工作原理是：遠(yuǎn)端采集節(jié)點(diǎn)的攝像頭周期性地采集并壓縮監(jiān)控場景圖像，利用節(jié)點(diǎn)無線傳輸功能，基于無線傳感網(wǎng)的通信協(xié)議上傳數(shù)據(jù)，節(jié)點(diǎn)間具有多跳中繼的能力，最后匯聚到網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)信息數(shù)據(jù)的匯總，由監(jiān)控計算機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲、分析、展示功能，或者遠(yuǎn)程處理信息。由于系統(tǒng)需要基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大量部署，所以要通過無線通信方式形成一個多跳自組織網(wǎng)絡(luò)，要具有低功耗、低成本、分布式和自組織的特點(diǎn)。

1.1 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)過程

系統(tǒng)工作示意圖如圖1所示。當(dāng)網(wǎng)關(guān)（協(xié)調(diào)器）上電以后，它會自動建立一個網(wǎng)絡(luò)，遠(yuǎn)端節(jié)點(diǎn)會加入網(wǎng)絡(luò)并完成綁定，當(dāng)系統(tǒng)通過ZigBee[3]協(xié)議組網(wǎng)完成以后，節(jié)點(diǎn)控制攝像頭周期性地采集圖像，無線上傳給中繼并最終無線上傳給網(wǎng)關(guān)，或者節(jié)點(diǎn)直接無線傳輸給網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)將匯聚到的多個節(jié)點(diǎn)圖像數(shù)據(jù)通過串口上傳給計算機(jī)。此外，系統(tǒng)還設(shè)計了手動向遠(yuǎn)端節(jié)點(diǎn)發(fā)送拍攝指令的方式。系統(tǒng)組網(wǎng)簡單，可以實(shí)現(xiàn)近距離的數(shù)據(jù)傳輸，也可以通過中繼實(shí)現(xiàn)較遠(yuǎn)距離的數(shù)據(jù)多跳傳輸。每個網(wǎng)關(guān)可以帶多個節(jié)點(diǎn)，同時每個節(jié)點(diǎn)也可以帶多個攝像頭。

1.2 射頻模塊設(shè)計

射頻模塊電路圖如圖2所示。主要由片上系統(tǒng)CC2530[4]及其外圍電路構(gòu)成。射頻芯片CC2530在單個芯片上整合了ZigBee射頻(RF)前端、內(nèi)存和微控制器，在接收和發(fā)射模式下，電流損耗分別為24 mA和29 mA。CC2530具有不同的運(yùn)行模式，尤其適應(yīng)超低功耗要求的系統(tǒng)，運(yùn)行模式之間的轉(zhuǎn)換時間較短，進(jìn)一步確保了低能消耗，因此，CC2530芯片尤其適合于要求電池壽命較長的應(yīng)用場合。

1.3 節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)設(shè)計

遠(yuǎn)端節(jié)點(diǎn)基于CC2530 SoC平臺，利用具有JPEG壓縮功能的CMOS攝像頭完成圖像采集，基于ZigBee無線傳感網(wǎng)通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)無線多跳傳輸控制。ZigBee是IEEE 802.15.4協(xié)議的代名詞，采用全球通用的2.4 GHz ISM傳輸頻帶，是一種廉價、自組織、低功耗的近距離無線組網(wǎng)技術(shù)。

系統(tǒng)的硬件主要包括網(wǎng)關(guān)和節(jié)點(diǎn)兩個部分，完成硬件電路PCB[5]設(shè)計及控制程序的編寫、實(shí)現(xiàn)圖像的采集和無線傳輸。

1.3.1 節(jié)點(diǎn)

節(jié)點(diǎn)的主要部分電路原理圖如圖3所示。為了提高遠(yuǎn)端節(jié)點(diǎn)應(yīng)用的多樣性，采用了太陽能電池供電、安全帽照明鋰電池供電、通用普通電池供電、USB接口供電、仿真器直接供電5種供電方式。

對不同的供電方式要有相應(yīng)的電壓轉(zhuǎn)換控制電路，其中太陽能電池供電方式、礦工安全帽鋰電池供電方式及USB接口供電方式都采用電壓轉(zhuǎn)換芯片TPS79533轉(zhuǎn)換為節(jié)點(diǎn)工作電壓。節(jié)點(diǎn)主要接口包括CC2530模塊接口、JTAG仿真器接口、串口攝像頭接口、電池底座接口、礦工帽直流電源接口、復(fù)位按鍵和雙排20針I(yè)/O擴(kuò)展接口，這些擴(kuò)展接口將芯片的硬件資源向外擴(kuò)展出來，用戶可以根據(jù)自己的需要制作外圍設(shè)備，例如接溫度傳感器等。

1.3.2 網(wǎng)關(guān)

網(wǎng)關(guān)的功能就是通過系統(tǒng)構(gòu)建的自組織網(wǎng)絡(luò)，對每個節(jié)點(diǎn)所采集到的信息進(jìn)行匯聚，然后再上傳到上位機(jī)。主要功能模塊是如圖4所示的USB轉(zhuǎn)串口電路，及網(wǎng)關(guān)的電源轉(zhuǎn)換模塊，其電源模塊與節(jié)點(diǎn)的電源模塊類似，采用與遠(yuǎn)端節(jié)點(diǎn)類似的4種供電方案：太陽能電池供電、普通電池供電、電腦USB供電、仿真器直接提供供電，由電壓轉(zhuǎn)換芯片將電壓轉(zhuǎn)換為核心控制器CC2530需要的3.3 V工作電壓。

1.4 系統(tǒng)數(shù)據(jù)中心軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件界面是基于Visual C++6.0[6]環(huán)境下編寫的，實(shí)現(xiàn)了參數(shù)設(shè)置、圖像瀏覽、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)顯示、數(shù)據(jù)分析和列表等功能。參數(shù)設(shè)置包括對采集周期、圖像大?。?0×60、160×128、320×240、640×480）和發(fā)送方式(廣播或單播)的設(shè)置。為了方便用戶使用，圖像瀏覽功能不僅包括了一般的上下翻頁瀏覽，還可以對所拍攝的圖像進(jìn)行定時自動瀏覽。拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)顯示功能可以顯示節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)之間的拓?fù)潢P(guān)系?？梢栽跀?shù)據(jù)分析中對某一個節(jié)點(diǎn)的信息進(jìn)行具體分析。在數(shù)據(jù)列表中包含了節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)關(guān)的物理地址和網(wǎng)絡(luò)地址、節(jié)點(diǎn)的溫度和電壓信息以及圖片的拍攝日期等。

2 系統(tǒng)測試、實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

對設(shè)計的系統(tǒng)硬件和軟件進(jìn)行了實(shí)際環(huán)境測試，給網(wǎng)關(guān)和節(jié)點(diǎn)上電以后，以網(wǎng)關(guān)為中心建立一個網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點(diǎn)會自動加入網(wǎng)關(guān)建立的網(wǎng)絡(luò)中。

以遠(yuǎn)端節(jié)點(diǎn)太陽能電池供電為例進(jìn)行測試，可以將節(jié)點(diǎn)和太陽能電池封裝在一起。采用監(jiān)控計算機(jī)的USB數(shù)據(jù)線直接給網(wǎng)關(guān)供電，待節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)關(guān)建立的網(wǎng)絡(luò)之后，設(shè)置遠(yuǎn)端節(jié)點(diǎn)的信息采集方式，即采集圖像的周期大小等參數(shù)。網(wǎng)關(guān)匯聚各遠(yuǎn)端節(jié)點(diǎn)的無線傳輸數(shù)據(jù)，并傳給上位機(jī)進(jìn)行信息處理。

在圖像大小選擇為320×240的情況下，單跳傳輸時間約為40 s，經(jīng)室內(nèi)環(huán)境和室外環(huán)境的測試，在單跳情況下的測試結(jié)果如下：

（1）最遠(yuǎn)無失真的傳輸距離約為 30 m。

（2）在30 m～100 m之間，節(jié)點(diǎn)雖然可以加入網(wǎng)關(guān)建立的網(wǎng)絡(luò)，但是它上傳給網(wǎng)關(guān)的圖像會出現(xiàn)較嚴(yán)重的丟包現(xiàn)象，恢復(fù)之后的圖像效果較差，甚至無法恢復(fù)。

（3）當(dāng)節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)的距離大于 100 m時，節(jié)點(diǎn)無法入網(wǎng)，需要在中間添加中繼來實(shí)現(xiàn)較遠(yuǎn)距離的數(shù)據(jù)傳輸。在加入中繼的情況下，可以在不同樓層之間、不同樓棟之間實(shí)現(xiàn)圖像的多跳傳輸。實(shí)驗(yàn)測試了樓層間多跳傳輸，將一樓工作的節(jié)點(diǎn)采集數(shù)據(jù)，通過二樓樓梯中間的中繼節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了在二樓可以正常接收節(jié)點(diǎn)上傳的圖像，兩跳的距離約為50 m。

（4）在選擇其他分辨率的情況下，在室內(nèi)環(huán)境也進(jìn)行了單跳測試， 測試時間：80×60約為 15 s，160×128約為 30 s，640×480 約為 60 s。

（5）實(shí)驗(yàn)還選擇了室內(nèi)和室外兩種不同環(huán)境進(jìn)行測試，初步顯示了在單跳情況下，傳輸距離在30 m以內(nèi)時，圖像的恢復(fù)效果較好。

本文主要從硬軟件兩個方面介紹了基于ZigBee的圖像采集傳輸系統(tǒng)的設(shè)計，實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)關(guān)和節(jié)點(diǎn)的原理圖設(shè)計和控制軟件的編寫，基于CC2530硬件模塊和Zig-Bee無線通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)的傳輸。由測試實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了多點(diǎn)圖像信息的獲取，并且可以無線多跳傳輸，擴(kuò)展性能強(qiáng)。測試過程中也發(fā)現(xiàn)了如圖像數(shù)據(jù)丟包造成數(shù)據(jù)恢復(fù)較差的問題、下行控制有較大延時問題等。這些問題將在以后的研究工作中改進(jìn)，并將語言等多媒體信息及檢測環(huán)境綜合信息等作為采集傳輸對象，實(shí)現(xiàn)無線多媒體傳感網(wǎng)的實(shí)際應(yīng)用。

[1]馬超，葉湘濱，胡冰.無線多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)中相機(jī)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)[J].傳感器與微系統(tǒng),2008，27(12)：79-81.

[2]POTTIE G.Wireless sensor networks[J].Information Theory Workshop，1998，22(10)：139-140.

[3]金純.ZigBee技術(shù)基礎(chǔ)及案例分析[M].北京：國防工業(yè)出版社，2008：16-52.

[4]CHOI S，CHA H，CHO S.A SoC-based sensor node：evaluation of RETOS-enabled CC2430[J].IEEE Secon，2007，20：132-141.

[5]鄭一力.Protel 99SE電路設(shè)計與制版入門與提高[M].北京：人民郵電出版社，2008：63-95.

[6]劉銳寧，梁水，宋坤.Visual C++程序開發(fā)范例寶典[M].北京：人民郵電出版社，2009：20-198.