基于CC1100的無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)設計

賀延周，佟仕忠，付貴增，韓建坤，盧世坤

（遼寧石油化工大學 信息與控制工程學院，遼寧 撫順 113001）

隨著通信、單片機處理能力以及各種視頻處理技術的提高，視頻監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)展的越來越快，其中視頻傳輸采用有線方式具有傳輸穩(wěn)定，畫面清晰等特點。但是，由于這種方式成本高、維護不方便，且在有些特殊的區(qū)域受條件所限，布線困難甚至無法布線，其使用范圍受到很大限制。而無線傳輸技術因具有使用靈活、攜帶方便、可移動、低成本等優(yōu)點，在視頻監(jiān)控、傳輸，緊急現(xiàn)場救援和軍事通信等領域發(fā)揮著巨大的作用。

文中基于CC1100無線傳輸模塊和PTC08串口攝像頭模塊設計并實現(xiàn)了一種無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)，在環(huán)保監(jiān)測、智能儀器儀表監(jiān)控、車輛管理監(jiān)控、圖像采集等領域有一定的應用前景[1]。

1 系統(tǒng)結構

無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)由信號采集設備、采集端處理器、無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊、接收端處理器、信號輸出設備構成，如圖1所示。

圖1 無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)結構圖Fig.1 Structure diagram of the wireless video surveillance system

視頻信號采集設備通過攝像頭模塊捕捉場景圖像，經其內部處理器轉換輸出數(shù)字視頻圖像，為視頻圖像處理提供數(shù)據(jù)。采集端處理器負責存儲和處理信號采集設備采集的數(shù)據(jù)和其他節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)，同時可協(xié)調與其他節(jié)點之間通信。線收發(fā)模塊主要負責與其他節(jié)點通信，接收、發(fā)送數(shù)據(jù)和交換控制信息。接收端處理器負責存儲和處理其他節(jié)點發(fā)送的視頻、圖像數(shù)據(jù)，也可協(xié)調與其他節(jié)點之間通信。視頻信號輸出設備即將接收端處理器發(fā)送的視頻數(shù)據(jù)還原成原場景圖像[2]。

2 系統(tǒng)硬件電路設計

2.1 CC1100及PTC08簡介

CC1100是一款低成本單片UHF收發(fā)器，專為低功耗無線應用而設計。它主要是為315、433、868和915 MHz的ISM和SRD設備所設計，可以編程工作在300～1 000 MHz范圍之間的任一頻率上。具有抗干擾能力強、數(shù)據(jù)傳輸速率高、誤碼率低等優(yōu)點，支持透明的數(shù)據(jù)傳輸及DL/645規(guī)約。在發(fā)射狀態(tài)下，其發(fā)射功率可編程調節(jié)，其最大發(fā)射功率達到10 dBM[3]。

PTC08串口攝像頭是集圖像采集、拍攝控制、數(shù)據(jù)壓縮、串口傳輸于一體的工業(yè)級圖像采集處理模塊。標準三線式RS-232通信接口、簡單的圖像傳輸協(xié)議，使模塊可以方便地實現(xiàn)與電腦以及各種嵌入式系統(tǒng)的連接。

2.2 硬件電路設計

CC1100 的工作狀態(tài)有 IDEL（待機）、RX（接收）、TX（發(fā)送），同時支持遠程喚醒功能，這樣可以降低功耗。主要的引腳為VCC電源輸入（1.9～3.6V）、SI數(shù)據(jù)輸入、SO數(shù)據(jù)輸出、SCLK時鐘輸入、GDO0和GDO2為數(shù)字輸出供測試系統(tǒng)使用，CSN為芯片片選信號。芯片內置64 Byte的TX和RX緩沖器。文中設計了圖2所示的無線電路。數(shù)據(jù)操作通過STC11F32XE單片機的SPI口進行。

圖2 無線模塊電路圖Fig.2 Circuit diagram of wireless module

對本系統(tǒng)來說，PTC08串口攝像頭模塊與微控制器采用串口通信方式。微控制器通過其RX端向PTC08發(fā)送拍照的一系列指令，攝像頭模塊采集完數(shù)據(jù)，收到發(fā)送數(shù)據(jù)指令后，會通過其TX端口將圖像數(shù)據(jù)送至微控制器。CC1100-232收到數(shù)據(jù)時，會自動將數(shù)據(jù)從串口送至接收端處理器。微控制器、PTC08和CC1100模塊間的接口示意圖如圖3所示[4]。

圖3 模塊接口示意圖Fig.3 Schematic diagram of module interface

3 系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)采用單片機、無線收發(fā)模塊及串口攝像頭模塊來實現(xiàn)，下位機軟件采用匯編語言編寫，上位機軟件編程采用VC++語言[5]。在實際操作過程中，可通過上位機程序將預先定義好的指令發(fā)送到采集端處理器，控制采集模塊動作，獲取圖片數(shù)據(jù)；采集端處理器會利用無線收發(fā)模塊將數(shù)據(jù)傳至接收端處理器，進而在上位機上恢復出JPEG圖片。

3.1 PTC08模塊初始化配置

PTC08模塊上電之后，延時2.5 s，微控制器向其發(fā)送一系列控制指令，包括復位、設置圖片大小、壓縮率、拍照、讀取數(shù)據(jù)，停止拍照等。根據(jù)模塊與微控制器的通信協(xié)議，微控制器將PTC08模塊復位的匯編語言部分代碼如下（前提是上位機已將復位指令數(shù)據(jù)56 00 26 00分別存入微控制器RAM的70H至73H單元中）：

PTC08模塊在收到此復位指令后，會向微控制器發(fā)出76 00 26 00，表示模塊復位成功。模塊其他指令數(shù)據(jù)可在其數(shù)據(jù)手冊中查詢[6]。

3.2 上位機軟件設計

圖4為獲取圖片的上位機軟件流程圖，其狀態(tài)及函數(shù)描述如下。

圖4 圖片獲取軟件流程圖Fig.4 Flow chart of the software of image capturing

1）空閑狀態(tài)

采集端攝像頭模塊處于待機狀態(tài)。

2）同步狀態(tài)

當采集端攝像頭模塊接收到拍照指令時，攝像頭模塊將進行一次同步操作，以確保其可用。此狀態(tài)使用函數(shù)如下：

Public void vSynchronize（void）；此函數(shù)最多可連續(xù)執(zhí)行60次。若函數(shù)在執(zhí)行期間，UART接收到0XAA，0X0D，0X0E，0X00，XX（XX為任意）數(shù)據(jù)序列，則表示攝像頭模塊同步信號已經被確認成功。若函數(shù)連續(xù)執(zhí)行60次后，UART仍未接收到從攝像頭模塊發(fā)出的確認信號，則需重新配置采集模塊。

3）參數(shù)設置狀態(tài)

根據(jù)生成圖片指令，需對攝像頭模塊進行參數(shù)設置，包括圖片大小、壓縮率以及輸出圖片數(shù)據(jù)包的大小。此過程使用函數(shù)如下：

PUBLIC void vInitialCamera（void）；

PUBLIC void vSetPKGSzie（void）；如果采集模塊未發(fā)回確認信息，需對其重新配置。

4）數(shù)據(jù)接收狀態(tài)

一旦參數(shù)設置完成之后，外部控制器將發(fā)出“開始圖片獲取”指令，攝像頭模塊會自動進行圖片數(shù)據(jù)的獲取與轉換。根據(jù)之前設置的參數(shù)，連續(xù)輸出圖片數(shù)據(jù)包。但是，每個圖片數(shù)據(jù)包從攝像頭模塊發(fā)出之后，接收端處理器均需要返回一個確認包，之后才可以獲得下一包數(shù)據(jù)。此過程使用函數(shù)如下：

PUBLIC void vGetPKG（void）；

圖片數(shù)據(jù)的還原將由上位機軟件直接完成，將確認包返回給采集端處理器的函數(shù)為：

PUBLIC void vSetPKTACK（uint16 u16PktCounter）；

其中u16PktCounter是指下一個要獲取數(shù)據(jù)包的編號。若上位機界面長時間內沒有獲得數(shù)據(jù)，上位機系統(tǒng)則自動重新配置采集模塊。

5）圖片接收完成狀態(tài)

當外部控制器給出“開始轉換”的指令之后，第一個輸出的數(shù)據(jù)包里已經包含了圖片數(shù)據(jù)的確切大小。因此，在這個階段，如果成功獲取的數(shù)據(jù)大小等于第一個數(shù)據(jù)包給出的圖片數(shù)據(jù)大小，說明圖片數(shù)據(jù)已經完整的從攝像頭模塊傳出，攝像頭模塊重新進入空閑狀態(tài)，等待下一個拍照指令。

遠程客戶端采用監(jiān)控管理軟件，通過對串口、波特率、圖片大小等參數(shù)的設置，發(fā)送遠程監(jiān)控指令，接收視頻采集模塊的信息，實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理、接收、存儲和顯示，將采集的圖片信息以直觀方式呈現(xiàn)給監(jiān)控人員。測試結果如圖5所示。

4 結 論

該系統(tǒng)采用微控制器、無線收發(fā)模塊及串口攝像頭模塊PTC08實現(xiàn)無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)，對其原理及軟硬件實現(xiàn)方法進行了簡要說明。經測試表明，系統(tǒng)簡單可靠、功耗小、成本低，抗干擾能力強；由于CC1100無線收發(fā)模塊傳輸數(shù)據(jù)速度低，無法實現(xiàn)真正的實時傳輸，可應用于實時性要求不高的場所。

圖5 測試結果Fig.5 Chart of the test

[1]林志遠，羅衛(wèi)兵.數(shù)據(jù)無線傳輸方式綜述 [J].安防科技，2009（10）：10-11.

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SUN Wei-ming，SHI Jiang-hong，CHEN Yue-lin.Principle and development of programmable RF transceiver CC1100[J].Electronic Design Engineering，2007（9）：40-42.

[4]李麗軍，王代華，祖靜.基于CC1100的無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)設計[J].國外電子測量技術，2007（12） ：42-45.

LI Li-jun，WANG Dai-hua，ZU Jing.Design of wireless data transmission system based on CC1100[J].Foreign Electronic Measurement Technology，2007（12）：42-45.

[5]Young M J.Visual C++6從入門到精通[M].邱仲潘，等譯.北京：機械工業(yè)出版社，2000.

[6]何立民.MCS-51系列-單片機應用系統(tǒng)設計系統(tǒng)配置與接口技術[M].北京：北京航空航天大學出版社，1990.