基于WMSNs的圖像數(shù)據傳輸系統(tǒng)設計與實現(xiàn)*

張 伏， 劉紅梅， 張亞坤， 王 俊， 邱兆美

(河南科技大學 農業(yè)工程學院，河南 洛陽 471003)

基于WMSNs的圖像數(shù)據傳輸系統(tǒng)設計與實現(xiàn)*

張 伏， 劉紅梅， 張亞坤， 王 俊， 邱兆美

(河南科技大學 農業(yè)工程學院，河南 洛陽 471003)

無線多媒體傳感器網絡(WMSNs)節(jié)點存在功耗大、體積大和抗損毀性差等問題，且不適合大規(guī)模使用。該研究圍繞WMSNs節(jié)點的關鍵技術展開研究，設計并實現(xiàn)了一個圖像數(shù)據無線傳輸?shù)牡凸?、高效率的系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用三層網絡結構進行圖像數(shù)據無線傳輸，構造了性能優(yōu)化、結構優(yōu)良的WMSNs，以此解決了WMSNs的圖像傳輸關鍵問題。在搭建的開發(fā)與測試環(huán)境中，完成了節(jié)點通信距離的測試和節(jié)點功耗測試。測試結果表明：該測試平臺性能良好，能夠實現(xiàn)圖像數(shù)據的可靠傳輸。該研究為WMSNs圖像數(shù)據傳輸系統(tǒng)設計提供研究基礎和思路。

無線多媒體傳感器網絡； 圖像傳輸； 低功耗

0 引 言

無線多媒體傳感器網絡(WMSNs)隨著多媒體信息的需求而出現(xiàn)，其引入的音頻、視頻、圖像等多媒體信息，成為連通物理世界、人類社會和計算機語言的橋梁[1～3]。由于其處理的多媒體信息具有信息量大、壓縮難的特點，WMSNs中的傳感器比傳統(tǒng)無線傳感器網絡(WSNs)中的節(jié)點消耗更多的能量[4,5]。為延長節(jié)點生命周期，開發(fā)低成本、低功耗的傳感器節(jié)點，降低多媒體數(shù)據在傳輸過程中的能量損耗是考慮的主要因素之一。

目前，國內外已開發(fā)出多種無線傳感器網絡節(jié)點，但對WMSNs及其應用研究尚屬起步階段，主要集中于體系結構上研究，搭建的WMSNs平臺多處于實驗室階段，并未廣泛使用，或僅處理一些數(shù)據量小的文本信息[6～8]。本文研究的WMSNs節(jié)點采用軟硬件協(xié)同設計方法，將網絡管理和圖像數(shù)據處理相結合，和已有的WMSNs節(jié)點相比，大幅度降低了節(jié)點功耗、體積和成本，該研究為WMSNs圖像數(shù)據傳輸系統(tǒng)設計提供研究基礎和思路。

1 圖像傳輸系統(tǒng)結構

圖像傳感器網絡系統(tǒng)包括傳感器節(jié)點、匯聚節(jié)點和控制管理中心。WMSNs結構采用三層網絡結構，即數(shù)據采集層、系統(tǒng)通信層和管理層，三層網絡結構的層間協(xié)作提高了網絡的容錯性和靈活性。傳感器網絡結構見圖1。

圖1 圖像傳感器網絡結構圖

2 系統(tǒng)硬件設計

本文研究的多媒體傳感器節(jié)點是由圖像采集模塊、無線通信模塊、微處理器模塊和電源模塊四部分組成，見圖2。圖像采集模塊對環(huán)境進行圖像信息采集，同時對采集的圖像數(shù)據進行初步處理；無線通信模塊負責與其他傳感器節(jié)點間的無線通信，交換控制信息和收發(fā)采集數(shù)據；微處理器模塊控制整個多媒體傳感器節(jié)點的行為，如存儲和處理自身采集的圖像數(shù)據；電源模塊為多媒體傳感器節(jié)點供應能量。

圖2 多媒體傳感器節(jié)點結構圖

2.1 圖像采集模塊

圖像傳感器節(jié)點的圖像采集模塊采用圖像傳感器，本研究選擇CMOS傳感器。設計采用具有標準的三線式RS—232通信接口和簡單的圖像傳輸協(xié)議的PTC08串口攝像頭對監(jiān)測環(huán)境數(shù)據進行監(jiān)控。硬件原理圖見圖3。

圖3 PTC08硬件原理圖

2.2 無線通信模塊

本設計采用射頻模塊(RFM)實現(xiàn)短距離無線通信。射頻模塊自身提供物理層的收發(fā)數(shù)據傳輸功能，可大幅度減少系統(tǒng)能耗。射頻芯片采用挪威Nordic公司的nRF905，工作于433 MHz的ISM頻段，能通過程序配置輸出功率和通信頻道。nRF905作為發(fā)射模塊，利用串行外設接口(SPI)實現(xiàn)雙向通信，見圖4。SPI支持高速數(shù)據傳輸，以此滿足射頻帶寬要求。

圖4 nRF905硬件原理圖

2.3 微處理器模塊

節(jié)點微處理器是整個節(jié)點的核心，本文采用通用的低功耗單片機MSP430F149作為主芯片，TI公司的MSP430系列單片機作為微處理器模塊，適合應用于電池供電的場合。硬件原理圖見圖5。

圖5 MSP430F149硬件原理圖

2.4 能源供應模塊

本設計無線模塊電路供電采用輸出3.3 V的低壓差電壓調節(jié)器，見圖6。LM1117—3.3不僅滿足系統(tǒng)要求，還具有封裝小，有效節(jié)約PCB板面積的優(yōu)點。

圖6 LM1117—3.3硬件原理圖

3 系統(tǒng)軟件設計

3.1 主程序設計

本系統(tǒng)軟件設計采用結構化程序設計方法。圖像傳輸系統(tǒng)軟件需實現(xiàn)圖像采集、系統(tǒng)控制、無線通信、圖像顯示等功能。為減少損耗，程序設計采用中斷方式。主程序流程見圖7，在系統(tǒng)完成初始化后，進入低功耗休眠模式，等待被中斷喚醒且執(zhí)行中斷程序，中斷執(zhí)行完畢后，系統(tǒng)回到終端前的狀態(tài)，繼續(xù)執(zhí)行低功耗模式。

圖7 主程序流程圖

3.2 圖像采集

WMSNs系統(tǒng)的驅動程序由管理層的管理控制中心發(fā)出，攝像頭PTC08的參數(shù)設置通過I/O接口對相應的寄存器做讀寫操作來實現(xiàn)，其實現(xiàn)了對攝像頭芯片進行讀寫函數(shù)的封裝。圖像采集流程圖見圖8。

圖8 圖像采集流程圖

4 系統(tǒng)性能測試與分析

4.1 節(jié)點通信距離測試

系統(tǒng)測試在室內和室外兩種環(huán)境下進行，每種實驗環(huán)境下每個通信距離測試5次，并取平均值，分別記錄發(fā)送字節(jié)數(shù)、接收字節(jié)數(shù)和丟失字節(jié)數(shù)，最后計算丟包率，確定最遠通信距離。本次實驗在通信相對較差的環(huán)境下進行，天線高度僅為45 cm，發(fā)射功率設定為6 dBm，攝像頭波特率為38 400。

室內以學校樓道走廊為場景，走廊寬2.5 m，在視距范圍內無障礙物遮擋。室外以學?？盏貫閷嶒瀳龅?，實驗數(shù)據見表1。

由實驗結果發(fā)現(xiàn)：室內外傳輸圖片圖像的丟包率隨著通信距離增加而增加，合理設置網絡中節(jié)點的通信距離能提高整個網絡的可靠性。圖像數(shù)據傳輸在節(jié)點通信有效的范圍內能正常傳輸，在通信范圍外，節(jié)點丟包率很大，傳輸失效。

表1 實驗數(shù)據

4.2 節(jié)點功耗測試

為測量節(jié)點能量損耗，系統(tǒng)節(jié)點采用3節(jié)普通1.5 V電池供電，節(jié)點分別在5,10,20 min采集一次圖像數(shù)據。實驗環(huán)境選在節(jié)點應用最普遍的室外，每種頻率下進行5次實驗取平均值，實驗數(shù)據見表2。

表2 節(jié)點功耗實驗數(shù)據

由表2可以看出:工作電壓隨發(fā)送次數(shù)的增加而降低，降低發(fā)送頻率可增加使用壽命。

實驗過程中發(fā)現(xiàn)，能量損耗到一定程度后，接收到的圖像數(shù)據個數(shù)將小于發(fā)送的數(shù)據個數(shù)，說明此時已不能正常工作，應停止記錄數(shù)據。實際應用中，可比較兩次采集的圖像數(shù)據，對于相似度大的圖像可不必重復傳輸，這不僅能減少能量損耗，還能最大限度的利用帶寬，提高數(shù)據的傳輸效率。

5 結 論

本文研究在對WMSNs分析的基礎上，設計并實現(xiàn)了多媒體傳感器節(jié)點，該節(jié)點采用了MSP430微處理芯片、圖像傳感器PTC08串口攝像頭和射頻收發(fā)器nRF905，以此實現(xiàn)短距離無線通信。系統(tǒng)采用軟硬件協(xié)同設計的方法，大幅度降低節(jié)點功耗、體積和成本，較好地解決了傳感器節(jié)點存在功耗大、體積大的問題，采用的三層網絡結構較好實現(xiàn)圖像數(shù)據的無線傳輸。

[1] 李秋林, 郝 群,宋 勇, 等.面向WMSNs的圖像分層采樣多描述編碼研究[J].北京理工大學學報, 2013, 33(6):594-599.

[2] 周春喜, 唐 軍, 金心字.面向目標跟蹤的混合WMSNs設計與實現(xiàn)[J].計算機工程與應用, 2011, 47(2):52-56.

[3] 李瑞芳, 李仁發(fā), 羅 娟.無線多媒體傳感器網絡MAC協(xié)議研究綜述[J].通信學報, 2008, 29(8):111-123.

[4] 魯 琴, 杜列波, 左 震.無線多媒體傳感網節(jié)點能耗問題評述[J].傳感器與微系統(tǒng), 2008, 27(12):1-4.

[5] 孫 巖, 馬華東.無線多媒體傳感器網絡QoS保障問題[J].電子學報, 2008(7):1412-1420.

[6] 王 菊.無線多媒體傳感器網絡研究現(xiàn)狀[J].科學教育研究, 2012, 21:72-73.

[7] 羅武勝, 翟永平, 魯 琴.無線多媒體傳感器網絡研究[J].電子與信息學報, 2008, 30(6):1511-1516.

[8] 劉 磊.基于無線傳感器網絡的視頻傳輸技術研究[D].北京：華北電力大學, 2012.

Design and realization of image data transmission

system based on WMSNs*ZHANG Fu, LIU Hong-mei, ZHANG Ya-kun, WANG Jun, QIU Zhao-mei

(College of Agricultural Engineering, Henan University of Science and Technology, Luoyang 471003, China)

Nodes of wireless multimedia sensor networks (WMSNs) has problems including large power consumption,large size and poor resistance to damage, which is not suitable for large-scale usage,an image data wireless transmission system of low power consumption and high efficiency is designed and realized based on research of key technology of WMSNs node,three-layer network structure is used for image data wireless transmission to form WMSNs with optimized performance and excellent structure, which solve key problems of image transmission of WMSNs.Communication distance test and power consumption test of nodes are completed in development and test system and environment.Test results show that performance of the test platform of is excellent, and image datas can be reliably transmitted.The research provides reaserch basis and ideas for design of WMSNs image data transmission system.

wireless multimedia sensor networks(WMSNs); image transmission; low power consumption

2014—09—09

河南省高?？萍紕?chuàng)新人才計劃資助項目(2012HSTIT015)；河南省教育廳科學技術研究重點項目(14B416004，13A416264)；河南省2012年博士后科研項目；河南科技大學2012年度自然科學領域創(chuàng)新能力培育基金資助項目(2013ZCX002)

10.13873/J.1000—9787(2015)04—0108—03

TP 919

A

1000—9787(2015)04—0108—03

張 伏(1978-)，男，河北邢臺人，博士，副教授，碩士生導師，主要從事農業(yè)電氣化與自動化方面的研究和教學工作。