水利工程安全監(jiān)測網(wǎng)視頻傳感器節(jié)點的設(shè)計與實現(xiàn)

張美燕，蔡文郁

(1.浙江水利水電?？茖W(xué)校，浙江 杭州 310014;2.杭州電子科技大學(xué)，浙江 杭州 310018)

0 引言

20世紀90年代以來，我國水利基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)迅速發(fā)展，投資規(guī)模不斷擴大.“十五”期間，全國水利工程建設(shè)累計完成固定資產(chǎn)投資3615億元，相當于1949－2000年全國水利固定投資的總量.“十一五”期間，我國每年水利工程在建項目的投資規(guī)模均超過5000億元.面對如此大的建設(shè)和管理維護的工程規(guī)模，實現(xiàn)水利工程的遠程視頻監(jiān)視非常重要.視頻監(jiān)視能將現(xiàn)場的實時圖像信息準確、清晰、快速地傳送到服務(wù)中心，工作人員能夠?qū)崟r、直接地了解和掌握現(xiàn)場情況，并直接根據(jù)現(xiàn)場情況做出相應(yīng)的反應(yīng)和處理，實時有效地管理水利工程.因此，水利工程中的視頻監(jiān)視，可及時對發(fā)生的汛情、險情、災(zāi)情進行動態(tài)監(jiān)視，隨時了解現(xiàn)場情況，為領(lǐng)導(dǎo)決策提供直觀的圖像信息，以便采取措施，確保水利設(shè)施安全運行，減少洪水災(zāi)害，保障人民生命財產(chǎn)的安全.同時，還可以改善觀測、測量工作人員的工作環(huán)境，減少工作人員，做到無人值守、少人值班，從而在一定程度上消除管理人員缺少對工程管理正常開展產(chǎn)生的不利影響［1－3］.

目前，在水利工程的視頻監(jiān)視系統(tǒng)中，常用的傳輸介質(zhì)主要是同軸電纜、雙絞線和光纖等有線方式.由于部分水利工程地處偏僻，在某些惡劣環(huán)境下鋪設(shè)有線網(wǎng)絡(luò)并不合適，因此，如果能在水利工程中的某些特殊場合采用無線視頻傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，就能實現(xiàn)更大范圍的精細監(jiān)測和突發(fā)事件的實時監(jiān)測.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Network，簡稱WSN)［4－5］是由部署在監(jiān)測區(qū)域中的大量傳感器節(jié)點組成的多跳自組織的無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，它由各個傳感器節(jié)點協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中感知對象的信息，并將這些信息發(fā)送給感興趣的用戶.隨著對監(jiān)測對象中含有豐富信息的圖像和視頻數(shù)據(jù)的迫切需求，視頻傳感器網(wǎng)絡(luò)(Video Wireless Sensor Network，簡稱 VWSN)［6－7］應(yīng)運而生.視頻傳感器網(wǎng)絡(luò)是指具有圖像、視頻等多媒體信息采集、處理、傳輸功能的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，因為采集處理傳輸?shù)闹饕菆D像和視頻數(shù)據(jù)，與傳統(tǒng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)相比，視頻數(shù)據(jù)的采集、編碼、壓縮、處理和傳輸對于資源匱乏的傳感器節(jié)點面臨著很大的困難.I.DOWNES，etal［8］提出了一種基于CMOS攝像頭和ARM7嵌入式CPU構(gòu)建的視頻傳感器節(jié)點設(shè)計;Intel公司也提出了基于ARM7和XScale的傳感器節(jié)點設(shè)計原型Imote和Imote2，這些方案為視頻傳感器節(jié)點設(shè)計提供了參考原型，但都處于初級開發(fā)階段.

本文提出了一種適用于水利工程的基于Zigbee通信技術(shù)的視頻傳感器網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架，在此基礎(chǔ)上設(shè)計并實現(xiàn)了基于Zigbee通信協(xié)議［10］的視頻傳感器節(jié)點(Video Sensor Node)，同時設(shè)計并實現(xiàn)了基于GPRS/CDMA通信方式的匯聚節(jié)點(Sink Node).本文提出的視頻傳感器節(jié)點采用CMOS攝像頭作為視頻采集手段，采用嵌入式ARM9 CPU作為核心處理模塊，采用CC2430作為Zigbee通信模塊.

1 基于Zigbee技術(shù)的視頻傳感器網(wǎng)絡(luò)

Zigbee無線通信技術(shù)作為目前發(fā)展最為迅速的短距離無線通信方式，具有低成本、傳輸距離遠、低耗電、可靠、時延短、網(wǎng)絡(luò)容量大、安全等優(yōu)點.ZigBee技術(shù)的物理層和鏈路層協(xié)議主要采用IEEE802.15.4標準，IEEE802.15.4定義了兩個基于DSSS直接序列擴頻技術(shù)的物理層標準，在2.4GHz頻段有16個信道，能夠提供250 kB/s的傳輸速率，因此能夠滿足低幀率視頻數(shù)據(jù)的傳輸需求.基于Zigbee通信技術(shù)的視頻傳感器網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架見圖1.視頻監(jiān)測節(jié)點之間采用無線Zigbee多跳傳輸方式將水利工程的視頻數(shù)據(jù)發(fā)送到CDMA集中器終端，集中器終端一方面通過CDMA移動通信網(wǎng)絡(luò)將視頻數(shù)據(jù)發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器或巡檢員手持PDA上，一方面通過視頻光端機利用光纖鏈路與傳統(tǒng)的視頻監(jiān)測系統(tǒng)連接，實現(xiàn)整個工程視頻監(jiān)測系統(tǒng)得無縫整合.

圖1 基于Zigbee通信的視頻傳感器網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架

2 節(jié)點模塊設(shè)計

2.1 CC2430 Zigbee無線模塊設(shè)計

Zigbee無線通信模塊設(shè)計采用了Chipcon公司的CC2430芯片.CC2430芯片在單個芯片上整合了射頻前端、內(nèi)存和微控制器，它集成了一個高性能和低功耗的8051微控制器、符合IEEE802.15.4標準的2.4 GHz的RF無線電收發(fā)機、14位模數(shù)轉(zhuǎn)換的ADC、AES安全協(xié)處理器、2個支持幾組協(xié)議的USART、一個符合IEEE802.15.4規(guī)范的MAC計時器，1個常規(guī)的16位計時器和2個8位計時器［8］.CC2430的選擇性和敏感性指數(shù)超過了IEEE 802.15.4標準的要求，可確保短距離通信的有效性和可靠性.利用此芯片開發(fā)的無線通信設(shè)備支持數(shù)據(jù)傳輸率高達250 kB/s，可以實現(xiàn)多點對多點的快速組網(wǎng).利用CC2430的強大功能，設(shè)計成SPI接口的Zigbee無線模塊，便于模塊化地應(yīng)用于節(jié)點硬件系統(tǒng)中.

2.2 視頻傳感節(jié)點設(shè)計

視頻傳感器節(jié)點設(shè)計采用了嵌入式低功耗ARM9TDMI處理器S3C2410作為核心處理模塊，配合 4MB NOR Flash、64MB NAND Flash 和 64 MB SDRAM存儲單元構(gòu)成了核心處理模塊，節(jié)點操作系統(tǒng)采用了標準Linux內(nèi)核 Linux－2.6.18.CMOS 攝像頭采用了CMOS圖像傳感芯片OV7620完成視頻攝取和A/D轉(zhuǎn)換.OV7620是一款集成了一個640×480(30萬象素)圖像矩陣的彩色攝像芯片，在隔行掃描模式下工作頻率可達60Hz，逐行掃描時為30幀/s，具有很強的攝像和控制功能.CPLD芯片EPM7128S完成視頻數(shù)據(jù)緩存和轉(zhuǎn)發(fā)控制.利用ARM9的IO口，視頻傳感器節(jié)點還具有溫度、濕度等4路采集功能.ARM9處理器與CC2430無線模塊之間的接口為SPI，見圖2.

圖2 視頻傳感節(jié)點原理圖

2.3 匯聚節(jié)點設(shè)計

匯聚節(jié)點設(shè)計也采用了ARM9TDMI處理器S3C2410，ARM9處理器與CC2430無線模塊之間的接口為SPI，與GPRS/CDMA之間的接口為RS232，這種模塊的設(shè)計方式有利于整個系統(tǒng)的集成與更新.匯聚節(jié)點利用CC2430無線模塊采集各個視頻傳感器節(jié)點的數(shù)據(jù)，通過CDMA無線數(shù)據(jù)傳輸單元(DTU)將視頻傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)服務(wù)、手機視頻或視頻光端機，同時利用網(wǎng)絡(luò)或手機還可以對匯聚節(jié)點進行參數(shù)設(shè)置和遠程控制.匯聚節(jié)點硬件原理見圖3.

圖3 匯聚節(jié)點原理圖

3 節(jié)點硬件實現(xiàn)與測試

視頻傳感節(jié)點和匯聚節(jié)點設(shè)計中使用的主要部分硬件原理見圖4～圖5.圖4是ARM9處理器的外圍接線和Flash和SDRAM擴展的接線原理，采用了4MB NOR Flash、64MB NAND Flash 和64Mb SDRAM作為存儲單元.匯聚節(jié)點相比較于視頻傳感節(jié)點主要增加了雙通道CDMA模塊，圖5是雙通道CDMA電路的主要原理圖，使用了AnyData公司的DTU-800X模塊.CC2430無線射頻模塊根據(jù)芯片的參考設(shè)計，與節(jié)點核心處理模塊之間通過SPI方式交互.

雙通道CDMA模塊的上行速率使用NetIQ的網(wǎng)絡(luò)性能測試軟件Chariot進行測試，圖6和表1為雙通道CDMA上行速率測試結(jié)果，可見雙通道上行速率平均速率可達到133 kB/s，每秒鐘能夠傳送一幀JPEG編碼的圖像(320×240@24bit)到網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，因此能夠滿足低幀率視頻數(shù)據(jù)的準實時傳輸.

圖4 S3C2410處理器和存儲器原理圖

圖5 雙通道CDMA電路主要原理圖

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4 結(jié)語

水利工程中的遠程視頻監(jiān)視主要用于對重要區(qū)域或遠程地點的可視化監(jiān)控，通過攝像頭等視頻采集設(shè)備在監(jiān)控點實時采集視頻信號并傳輸給監(jiān)控中心，實時動態(tài)地報告被監(jiān)測點的情況，及時發(fā)現(xiàn)問題并進行處理，實現(xiàn)水利工程的一體化調(diào)度和網(wǎng)絡(luò)化管理.本文提出了一種適合水利工程的基于Zigbee通信技術(shù)的視頻傳感器網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架，在此基礎(chǔ)上設(shè)計并實現(xiàn)了基于Zigbee通信協(xié)議的視頻傳感器節(jié)點和基于GPRS/CDMA通信方式的匯聚節(jié)點.視頻傳感器節(jié)點通過CMOS攝像頭采集環(huán)境事件的視頻信息，然后利用中繼傳感節(jié)點的無線多跳方式將視頻數(shù)據(jù)傳輸?shù)絽R聚節(jié)點，匯聚節(jié)點融合多個傳感器節(jié)點的視頻數(shù)據(jù)，通過GPRS/CDMA移動通信將智能處理后的視頻數(shù)據(jù)發(fā)往控制臺主站，也可以傳輸?shù)窖矙z員手機或PDA上進行實時監(jiān)控.

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