基于ZigBee協(xié)議的列車監(jiān)控圖像傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

王福生

（中國通號(hào)工程局集團(tuán)有限公司天津分公司，天津 300240）

隨著武廣高鐵、哈大高鐵等一批高速客運(yùn)專線的開通運(yùn)營，我國進(jìn)入了高鐵時(shí)代。在高鐵時(shí)代，鐵路信息化建設(shè)將發(fā)揮更加重要的作用。鐵路安防系統(tǒng)通過與信息技術(shù)相結(jié)合可以最大程度降低人為因素對(duì)行車安全的影響。基于無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的列車監(jiān)控圖像系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)列車車廂全覆蓋監(jiān)控。當(dāng)列車重新編組時(shí)，系統(tǒng)能夠自動(dòng)組網(wǎng)，無需人工干預(yù)。

1 ZigBee協(xié)議

1.1 ZigBee協(xié)議特點(diǎn)[1]

ZigBee是一種短距離、低速率無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。ZigBee的物理層和低級(jí)MAC層以IEEE?802.15.4作為協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。ZigBee可以組成星狀、樹狀和網(wǎng)狀無線網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)以接力的方式高效地傳遞數(shù)據(jù)。

ZigBee有3種工作頻率，分別為2.4?GHz（全球通用）、868?MHz（歐洲）和 915?MHz（美國），相應(yīng)的傳輸速率分別為250、20、40?kbit/s。網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)間的距離可以從標(biāo)準(zhǔn)的75?m，到擴(kuò)展后的幾百m，甚至幾km。ZigBee協(xié)議主要有如下特點(diǎn)。

1）高可靠性。采用了CSMA/CA（載波監(jiān)聽多路訪問/碰撞避免）機(jī)制，同時(shí)預(yù)留專用的時(shí)隙用于需要固定帶寬的通信業(yè)務(wù)，避免了發(fā)送時(shí)數(shù)據(jù)的競爭和沖突；各節(jié)點(diǎn)模塊之間具有自組網(wǎng)功能，信息在整個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)中通過自動(dòng)路由的方式傳輸，從而保證信息傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

2）高安全性，保密性。ZigBee提供了數(shù)據(jù)完整性檢查和鑒權(quán)功能，采用64位出廠編號(hào)并支持通用的AES-128加密算法。

3）網(wǎng)絡(luò)的自組織、自愈能力強(qiáng)。無需人工干預(yù)，網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)能感知其他結(jié)點(diǎn)的存在，并確定連接關(guān)系，組成結(jié)構(gòu)化的網(wǎng)絡(luò)。ZigBee網(wǎng)絡(luò)能夠增加、刪除或移動(dòng)結(jié)點(diǎn)，結(jié)點(diǎn)發(fā)生故障時(shí)網(wǎng)絡(luò)能夠自我修復(fù)無需人工干預(yù)，保證整個(gè)系統(tǒng)仍然能正常工作。

1.2 ZigBee協(xié)議棧及網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

ZigBee協(xié)議棧由一組子層構(gòu)成，每層為其上層提供一組特定的服務(wù)：一個(gè)數(shù)據(jù)實(shí)體提供數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，一個(gè)管理實(shí)體提供全部其他服務(wù)。每個(gè)服務(wù)實(shí)體通過一個(gè)服務(wù)接入點(diǎn)（SAP）為其上層提供服務(wù)接口，并且為每個(gè)SAP提供一系列的基本服務(wù)指令來實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能。ZigBee協(xié)議棧的體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。

ZigBee采用基于OSI-7的協(xié)議體系[2]，IEEE80.15.4標(biāo)準(zhǔn)制定了物理層和媒體介質(zhì)接入控制子層；網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層由ZigBee聯(lián)盟負(fù)責(zé)制定。

ZigBee網(wǎng)絡(luò)中定義了3種類型設(shè)備，分別是網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器、全功能節(jié)點(diǎn)（FFD）和半功能節(jié)點(diǎn)（RFD）。網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)管理本網(wǎng)絡(luò)，有維護(hù)路由鏈表的能力，且每個(gè)網(wǎng)絡(luò)中只有一個(gè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器；全功能節(jié)點(diǎn)起到路由的作用，負(fù)責(zé)與所控制的子節(jié)點(diǎn)通信、匯集數(shù)據(jù)和發(fā)布控制；半功能節(jié)點(diǎn)指的是網(wǎng)絡(luò)中的終端節(jié)點(diǎn)。3種類型設(shè)備可以組成星狀、樹狀或網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)。ZigBee網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。

2 列車監(jiān)控圖像傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)主要由圖像采集系統(tǒng)、無線圖像傳輸網(wǎng)絡(luò)和列車監(jiān)控終端組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖像采集系統(tǒng)部分采用OmniVision公司的CMOS圖像傳感器芯片OV7648[3]和AD公司的高性能JPEG2000專用壓縮芯片ADV202，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控圖像的采集、壓縮功能。圖像采集系統(tǒng)原理如圖4所示。

無線圖像傳輸網(wǎng)絡(luò)采用基于ZigBee協(xié)議的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，通過串行接口與ADV202相連接。終端子節(jié)點(diǎn)接收經(jīng)過ADV202壓縮后的圖像數(shù)據(jù)，通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳輸至列車監(jiān)控中心。

列車監(jiān)控中心的ZigBee模塊作為網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器接收各車廂傳送的實(shí)時(shí)監(jiān)控圖像，圖像經(jīng)過ADV202解碼后送至顯示設(shè)備供監(jiān)控人員調(diào)用。

3 圖像處理算法及仿真

3.1 JPEG2000標(biāo)準(zhǔn)

JPEG2000是JPEG組織制定的新一代圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)。它放棄了JPEG標(biāo)準(zhǔn)所采用的以離散余弦變換（Discrete?Cosine?Transform，DCT）為主的區(qū)塊編碼方式，改用以離散小波變換（Discrete?Wavelet?Transform，DWT）為主的多解析編碼方式，同時(shí)支持無損壓縮和有損壓縮，漸進(jìn)式傳輸?？蓪?duì)圖像進(jìn)行 ROI（Region?of?Interest）編碼，具有很高的壓縮效率和容錯(cuò)性。JPEG2000編碼系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示。圖像壓縮算法仿真對(duì)比圖如圖6所示。

3.2 二維小波變換[4]

對(duì)二維圖像進(jìn)行小波分解，首先定義尺度函數(shù)：

再定義3個(gè)方向的小波函數(shù)：

式中，j是尺度標(biāo)號(hào)，m，n是位置標(biāo)號(hào)，i代表水平H，垂直V和對(duì)角線方向D。則尺寸為M×N的函數(shù)f（x，y）的離散小波變換為：

式中：j0是任意的開始尺度；cj0（m，n）是在尺度j0的f（x，y）的近似。

當(dāng)j≥j0，dj（m，n）附加了水平、垂直和對(duì)角線方向的細(xì)節(jié)。通常令j0=0，并且選擇N=M=2i，j=0，1，…，J-1；m、n=0，1，2，…，2j－ 1。f（x，y）可以通過離散逆小波變換得到。若二維變換的基核可分，則二維尺度函數(shù)Φ（x，y）和3個(gè)方向的小波函數(shù) ψH（x，y）、ψV（x，y）和 ψD（x，y）都是一維尺度函數(shù)Φ和相應(yīng)的小波函數(shù)ψ的乘積。

ψH度量沿著列的變化，ψV響應(yīng)沿著行的變化，?ψD對(duì)應(yīng)對(duì)角線方向的變化。

4 高鐵沿線網(wǎng)絡(luò)

哈大高鐵390?km，沿途經(jīng)過沈陽站、遼陽站、鞍山站、海城站、大石橋站、鲅魚圈站、瓦房店站、大連北站、大連站，共9個(gè)高鐵站，兩個(gè)站間40多km，基于ZigBee協(xié)議的列車監(jiān)控圖像傳輸系統(tǒng)是無線網(wǎng)絡(luò)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用。該無線網(wǎng)絡(luò)布網(wǎng)很容易，具體實(shí)施時(shí)，每1?km左右設(shè)一節(jié)點(diǎn)，放在高架橋上，每個(gè)高鐵站設(shè)一服務(wù)器，負(fù)責(zé)處理相鄰高鐵站間無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的處理，無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)可以和經(jīng)過它的動(dòng)車通信，這樣地面高鐵站和動(dòng)車建立了通信聯(lián)系。哈大高鐵9個(gè)高鐵站構(gòu)成有線局域網(wǎng)，采用雙環(huán)狀網(wǎng)。

5 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)的基于ZigBee協(xié)議的列車監(jiān)控圖像傳輸系統(tǒng)是鐵路安防系統(tǒng)的重要組成部分之一，可以有效地預(yù)防、打擊犯罪，同時(shí)起到客流量統(tǒng)計(jì)的作用。乘警可以通過本系統(tǒng)調(diào)取實(shí)時(shí)列車監(jiān)控圖像，辨認(rèn)犯罪嫌疑人；列車集中控制中心（CTC）可以據(jù)此動(dòng)態(tài)調(diào)整后續(xù)車站行車組織，合理地分流旅客，緩解旅客出行高峰。

[1]李文仲，段朝玉.ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)入門與實(shí)戰(zhàn)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2007.

[2] http://www.zigbee.org/Home.aspx

[3]尹湘源，朱忠杰，凌志浩，等.基于ZigBee協(xié)議的圖像無線傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].微計(jì)算機(jī)信息，2009，25（2）：32-33.

[4]全子一.圖像信源壓縮編碼及信道傳輸理論與新技術(shù)[M].北京：北京工業(yè)大學(xué)出版社，2006.

[5]王華，李有軍，劉建存.MATLAB電子仿真與應(yīng)用教程[M].2版.北京：國防工業(yè)出版社，2007.

[6]郝燕玲，劉營.應(yīng)用于JPEG2000的離散小波變換并行超大規(guī)模集成結(jié)構(gòu)[J].光學(xué)精密工程.2009，17（5）：1181-1186.

[7] Rafael C.Gonzalez，Richard E.Woods.Digital Image Processing Second Edition[M].北京：電子工業(yè)出版社，2006.