基于無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)的視頻傳感器節(jié)點(diǎn)研究與設(shè)計(jì)

龐偉棟

(淮北礦業(yè)有限責(zé)任公司楊莊煤礦，安徽 淮北 235000)

基于無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)的視頻傳感器節(jié)點(diǎn)研究與設(shè)計(jì)

龐偉棟

(淮北礦業(yè)有限責(zé)任公司楊莊煤礦，安徽 淮北 235000)

視頻信息傳輸對(duì)救災(zāi)、應(yīng)急通信和特殊區(qū)域監(jiān)控有著重要意義，網(wǎng)絡(luò)的適應(yīng)性和帶寬問(wèn)題是限制視頻監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)展的重要因素。無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)具有帶寬高、易組網(wǎng)等優(yōu)點(diǎn)，能夠提供實(shí)時(shí)的視頻傳輸服務(wù)。首先完成對(duì)基于Mesh網(wǎng)絡(luò)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)整體架構(gòu)設(shè)計(jì)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)仿真的方法對(duì)比幾種常用的Mesh網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議性能，根據(jù)仿真結(jié)果和應(yīng)用需求，選擇AODV作為路由協(xié)議方案。然后在DM365硬件平臺(tái)和嵌入式Linux操作系統(tǒng)平臺(tái)之上完成視頻傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)。最后對(duì)無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)多跳帶寬性能進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明系統(tǒng)可以滿足應(yīng)用需求。

無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)；視頻傳感器節(jié)點(diǎn)；AODV；嵌入式Linux

由于視頻信號(hào)具有直觀、豐富與時(shí)序性的信息內(nèi)涵，在傳達(dá)信息方面有著其他信號(hào)無(wú)法達(dá)到的效果，所以視頻采集和傳輸技術(shù)對(duì)人們生產(chǎn)和生活有著重大意義。近些年，視頻監(jiān)控系統(tǒng)得到了廣泛的應(yīng)用，無(wú)線視頻監(jiān)控更是當(dāng)前視頻監(jiān)控發(fā)展的重要方向，由于不需要架設(shè)相關(guān)線路，無(wú)線視頻傳輸在應(yīng)急救援或特殊地理環(huán)境如山地、湖泊、林區(qū)等應(yīng)用場(chǎng)景中體現(xiàn)出更好的靈活性和適應(yīng)性[1]。然而無(wú)線視頻監(jiān)控系統(tǒng)也面臨很多的挑戰(zhàn)，視頻信號(hào)信息量大，帶寬受限是無(wú)線視頻監(jiān)控發(fā)展的重要限制因素[2]，所以需要合理地設(shè)計(jì)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)來(lái)解決這些問(wèn)題。

無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)(Wireless Mesh Network，WMN)是一種與傳統(tǒng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)完全不同的新型無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，可以看成是多跳的移動(dòng)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)與單跳的傳統(tǒng)無(wú)線局域網(wǎng)(Wireless LAN，WLAN)的融合，并且發(fā)揮了兩者的優(yōu)勢(shì)[3]。WMN具有高速率、大容量、長(zhǎng)距離傳輸、自組網(wǎng)等優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)，將無(wú)線視頻監(jiān)控系統(tǒng)和WMN相結(jié)合，可以在一定程度上解決視頻傳輸?shù)膸捠芟迒?wèn)題。本文首先對(duì)WMN網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，完成基于WMN的視頻監(jiān)控系統(tǒng)整體架構(gòu)設(shè)計(jì)，然后在DM365硬件平臺(tái)和嵌入式Linux軟件平臺(tái)之上，完成視頻傳感器節(jié)點(diǎn)軟、硬件設(shè)計(jì)，最后給出實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果。

1 視頻監(jiān)控系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

以WMN為基礎(chǔ)傳輸網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)視頻監(jiān)控系統(tǒng)，根據(jù)節(jié)點(diǎn)不同的功能及其組合方式，可以將WMN的結(jié)構(gòu)分為3種類型：骨干的Mesh網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、客戶機(jī)結(jié)構(gòu)、混合式結(jié)構(gòu)[4]。骨干Mesh網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，具有網(wǎng)橋或者網(wǎng)關(guān)的路由器能夠連接外部Internet網(wǎng)絡(luò)，其他路由器也能夠依靠這些路由器訪問(wèn)Internet網(wǎng)絡(luò)，客戶機(jī)則是以WLAN形式接入Mesh路由器?？蛻魴C(jī)結(jié)構(gòu)Mesh網(wǎng)絡(luò)主要由具有路由轉(zhuǎn)發(fā)功能的Mesh客戶機(jī)組成?？蛻魴C(jī)之間能夠直接進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，每個(gè)客戶機(jī)都是對(duì)等的，構(gòu)成對(duì)等網(wǎng)絡(luò)，即Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)?；旌鲜浇Y(jié)構(gòu)中，Mesh客戶機(jī)能夠通過(guò)骨干網(wǎng)鏈接到外部Internet，也可以為其他客戶機(jī)提供路由服務(wù)，客戶機(jī)的路由功能增強(qiáng)了WMN的覆蓋范圍和鏈接性。系統(tǒng)選擇混合結(jié)構(gòu)的WMN，視頻傳感器節(jié)點(diǎn)可以直接接入Mesh骨干網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)骨干網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到服務(wù)器，同時(shí)也可以為其他傳感器節(jié)點(diǎn)提供路由服務(wù)，為其他節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)整體架構(gòu)

1.2 網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議選擇

無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議可以分為3種類型：先應(yīng)式路由協(xié)議、按需路由協(xié)議和混合式路由協(xié)議[5]。先應(yīng)式路由協(xié)議(表驅(qū)動(dòng)路由協(xié)議)中，所有的路由節(jié)點(diǎn)都需要維護(hù)網(wǎng)絡(luò)的路由，一旦網(wǎng)絡(luò)中有節(jié)點(diǎn)移動(dòng)或者發(fā)生故障，導(dǎo)致拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)生變化，發(fā)現(xiàn)拓?fù)渥兓穆酚晒?jié)點(diǎn)，就會(huì)通知其他路由節(jié)點(diǎn)更新路由，網(wǎng)絡(luò)中所有路由節(jié)點(diǎn)也就會(huì)更新路由，建立新的路由信息，如DSDV路由協(xié)議、WRP路由協(xié)議、GSR路由協(xié)議等。反應(yīng)式路由協(xié)議(按需路由協(xié)議)中，只有節(jié)點(diǎn)需要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，才會(huì)尋找合適的路由進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，都是按需建立網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和生成路由表信息，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜吐酚杀砜赡苤皇蔷W(wǎng)絡(luò)的一部分，如AODV路由協(xié)議、DSR路由協(xié)議、TORA路由協(xié)議。混合式路由協(xié)議是對(duì)兩種類型協(xié)議的綜合，但在應(yīng)用中仍然存在一定的難點(diǎn)需要解決。通過(guò)實(shí)驗(yàn)仿真分析，對(duì)比典型路由協(xié)議的特點(diǎn)，根據(jù)對(duì)仿真結(jié)果的分析來(lái)選擇適合于系統(tǒng)的路由協(xié)議。

仿真軟件采用Linux下的NS2 2.3.4 版本，MAC層基于IEEE 802.11協(xié)議，通過(guò)cbrgen工具產(chǎn)生數(shù)據(jù)流，設(shè)置節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)、數(shù)據(jù)流類型(TCP流或CBR流)、最大聯(lián)機(jī)數(shù)、每秒發(fā)送數(shù)據(jù)包個(gè)數(shù)。針對(duì)不同網(wǎng)絡(luò)規(guī)模對(duì)DSR，AODV，DSDV，WRP四種路由協(xié)議性能進(jìn)行分析，通過(guò)setdest工具分別設(shè)置節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)為10，20，30，40，50，進(jìn)行仿真，得到不同路由協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)規(guī)模下的平均端到端延時(shí)、網(wǎng)絡(luò)路由開銷、分組成功投遞率，結(jié)果如圖2～4所示。

圖2 節(jié)點(diǎn)數(shù)目對(duì)平均端到端時(shí)延的影響

圖3 節(jié)點(diǎn)數(shù)目對(duì)路由開銷的影響

圖4 節(jié)點(diǎn)數(shù)目對(duì)分組成功投遞率的影響

通過(guò)圖2可以發(fā)現(xiàn)，幾種路由協(xié)議的平均端到端時(shí)延對(duì)于網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的增加沒有明顯的規(guī)律，按需路由協(xié)議時(shí)延相對(duì)較大。由圖4可知，4種路由協(xié)議的路由開銷也都隨網(wǎng)絡(luò)規(guī)模增大而增大，網(wǎng)絡(luò)規(guī)模變大，路由發(fā)現(xiàn)和維護(hù)所需要的網(wǎng)絡(luò)資源越大，仍以先應(yīng)式協(xié)議路由開銷增幅最大。由圖5可知，隨著場(chǎng)景中的節(jié)點(diǎn)數(shù)目越大，4種路由協(xié)議的分組成功投遞率都有所下降，以AODV協(xié)議變化相對(duì)緩和。

圖5 無(wú)線視頻傳感器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)框圖

因此，從上節(jié)的協(xié)議仿真中可以發(fā)現(xiàn)，在網(wǎng)絡(luò)規(guī)模較大時(shí)，先應(yīng)式路由協(xié)議的端到端時(shí)延雖小，但分組成功投遞率和路由開銷這兩方面的性能都不如反應(yīng)式AODV路由協(xié)議表現(xiàn)好。這是因?yàn)橄葢?yīng)式路由協(xié)議需要周期性地更新路由表，隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的增大，節(jié)點(diǎn)更新路由表所占資源越大，影響網(wǎng)絡(luò)的吞吐量。而AODV協(xié)議不需更新路由表，在需要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，才進(jìn)行路由發(fā)現(xiàn)過(guò)程，節(jié)省了大量的帶寬資源。救援、應(yīng)急救援通信系統(tǒng)中，現(xiàn)場(chǎng)離調(diào)度中心距離較遠(yuǎn)，網(wǎng)絡(luò)規(guī)模比較大，雖然對(duì)視頻質(zhì)量要求不是很高，但是視頻本身信息量大，又需要多跳傳輸，對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬也提出了較高要求，綜合無(wú)線視頻通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模、吞吐量等方面的需求和對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析，系統(tǒng)最終選擇AODV協(xié)議作為Mesh網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議。

2 視頻傳感器節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

視頻傳感器節(jié)點(diǎn)需要能夠?qū)D像數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，實(shí)時(shí)編碼，并進(jìn)行實(shí)時(shí)傳輸，這就對(duì)節(jié)點(diǎn)硬件的計(jì)算能力提出了較高的要求，同時(shí)，節(jié)點(diǎn)本身能量有限，有需要盡可能地降低節(jié)點(diǎn)的能耗，所以合適的硬件平臺(tái)選擇對(duì)節(jié)點(diǎn)在井下的應(yīng)用有著重要影響。節(jié)點(diǎn)選用TI的DaVinci低功耗、高性能多媒體處理器TMS320DM365做主控芯片[6]，DM365集成了ARM926EJ-S內(nèi)核和H.264高清編解碼協(xié)處理器HDVICP[7]，能夠完成視頻采集和壓縮編碼工作。CMOS圖像傳感器模塊具有低功耗、高集成度的優(yōu)點(diǎn)，選擇支持較低照度的MT9V136感光芯片的CMOS攝像頭可以滿足應(yīng)用的需求。

節(jié)點(diǎn)硬件平臺(tái)主要由以下幾個(gè)部分構(gòu)成：主處理器、CMOS攝像頭模塊、存儲(chǔ)器、WiFi無(wú)線模塊、供電部分等。硬件系統(tǒng)的整體架構(gòu)如圖5所示。節(jié)點(diǎn)由CMOS影像傳感器將光學(xué)影像轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，再通過(guò)視頻ADC芯片TVP5146處理為BT.601/BT.656數(shù)字YCbCr4∶2∶2(8/16 bit)標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的原始視頻序列傳送到DM365進(jìn)行H.264視頻壓縮編碼；編碼過(guò)后的數(shù)據(jù)打包成統(tǒng)一IP以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包通過(guò)USB轉(zhuǎn)WiFi通信模塊傳輸?shù)組esh網(wǎng)絡(luò)[8]。

3 視頻傳感器節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

視頻傳感器節(jié)點(diǎn)軟件在嵌入式Linux平臺(tái)上開發(fā)，Linux具有高度的靈活性，內(nèi)核小、效率高，可以進(jìn)行裁剪以滿足各種不同的應(yīng)用需求[9]，這里需要移植內(nèi)核與驅(qū)動(dòng)程序，并編寫視頻采集、編碼和傳輸應(yīng)用程序。攝像頭驅(qū)動(dòng)程序和視頻采集應(yīng)用程序是基于V4L2(Video for Linux 2)架構(gòu)的，V4L2是Linux操作系統(tǒng)為視頻設(shè)備建立的統(tǒng)一的平臺(tái)驅(qū)動(dòng)[9]，只需要按照標(biāo)準(zhǔn)去定義驅(qū)動(dòng)層接口函數(shù)，應(yīng)用平臺(tái)就可以不考慮具體攝像頭型號(hào)，直接調(diào)用V4L2提供的標(biāo)準(zhǔn)操作函數(shù)來(lái)獲取攝像頭數(shù)據(jù)。攝像頭驅(qū)動(dòng)程序的主要工作是配置DM365的ISIF控制器并通過(guò)I2C總線驅(qū)動(dòng)配置TVP1546內(nèi)部寄存器使其工作在合適的狀態(tài)，利用ISIF控制器按照設(shè)定的方式獲取原始圖像數(shù)據(jù)。利用Linux的V4L2層進(jìn)行圖像數(shù)據(jù)采集的應(yīng)用程序流程如圖6所示。視頻編碼模塊利用TI提供的Linux下的Codec Engine開發(fā)包實(shí)現(xiàn)對(duì)原始視頻數(shù)據(jù)的編碼工作，Codec Engine是連接ARM和DSP或協(xié)處理器的橋梁，是介于應(yīng)用層(ARM側(cè)的應(yīng)用程序)和信號(hào)處理層(協(xié)處理器層的算法)之間的軟件模塊[10]。應(yīng)用程序調(diào)用Codec Engine 的API并傳遞視頻原始數(shù)據(jù)就可以完成對(duì)原始視頻數(shù)據(jù)的H.264編碼工作，視頻采集模塊和視頻編碼模塊之間采用共享內(nèi)存的方式，以減少數(shù)據(jù)傳遞帶來(lái)的系統(tǒng)開銷。

圖6 視頻數(shù)據(jù)采集的流程

系統(tǒng)AODV路由協(xié)議的實(shí)現(xiàn)采用愛立信公司和Uppsala大學(xué)聯(lián)合發(fā)布的AODV-UU協(xié)議棧，AODV-UU協(xié)議棧是基于Linux操作系統(tǒng)的NetFilter框架開發(fā)的[11]，可以被直接編譯進(jìn)入Linux內(nèi)核，也可以作為模塊的形式動(dòng)態(tài)加載。AODV-UU利用NetFilter提供的接口來(lái)獲取并處理通過(guò)相應(yīng)網(wǎng)絡(luò)接口發(fā)送和接收的報(bào)文，NetFilter在Linux內(nèi)核協(xié)議棧中注冊(cè)了相關(guān)鉤子函數(shù)，通過(guò)這些鉤子函數(shù)，NetFilter可以實(shí)現(xiàn)對(duì)進(jìn)出Linux系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包進(jìn)行過(guò)濾、修改和轉(zhuǎn)發(fā)等功能。AODV-UU啟動(dòng)后，會(huì)創(chuàng)建一個(gè)守護(hù)進(jìn)程，負(fù)責(zé)完成同其他節(jié)點(diǎn)間控制信息的交互以及路由表的建立和維護(hù)。

4 系統(tǒng)測(cè)試

通過(guò)搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，測(cè)試系統(tǒng)端到端傳輸帶寬與跳數(shù)之間的關(guān)系，來(lái)分析無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)提供視頻傳輸服務(wù)的能力，在樓宇之間空曠區(qū)域布置視頻傳感器節(jié)點(diǎn)，相鄰節(jié)點(diǎn)之間的距離為75 m，當(dāng)節(jié)點(diǎn)不經(jīng)過(guò)路由節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)，直接與下一跳節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，網(wǎng)絡(luò)會(huì)保持8 Mbit/s的傳輸帶寬，但隨著數(shù)據(jù)流傳輸?shù)奶鴶?shù)增加，網(wǎng)絡(luò)帶寬會(huì)急劇下降，在數(shù)據(jù)傳輸跳數(shù)到5跳后，網(wǎng)絡(luò)吞吐量下降到1 Mbit/s左右，測(cè)試結(jié)果如圖7所示。視頻傳感器節(jié)點(diǎn)采集480p、25 f/s(幀/秒)的視頻，經(jīng)過(guò)H.264編碼后，輸出碼率在1 Mbit/s左右，根據(jù)吞吐量實(shí)驗(yàn)結(jié)果，480p、25 f/s質(zhì)量級(jí)別的視頻可以在5跳以內(nèi)的無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)中傳輸，在實(shí)際應(yīng)用中，降低視頻信號(hào)的分辨率或幀率還可以支持更多跳數(shù)的傳輸。

圖7 無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)吞吐量與節(jié)點(diǎn)跳數(shù)的關(guān)系

為提高視頻流服務(wù)質(zhì)量，視頻傳感器節(jié)點(diǎn)采用RTP/RTCP(Realtime Transport Protocol/Realtime Transport Control Protocol)協(xié)議完成視頻流數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)，在節(jié)點(diǎn)嵌入式Linux環(huán)境中移植支持RTP/RTCP協(xié)議的LiveMedia開源流媒體服務(wù)器和Boa Web服務(wù)器，在PC客戶端通過(guò)瀏覽器的VLC播放器插件直接訪問(wèn)傳感器節(jié)點(diǎn)的視頻流服務(wù)，H.264視頻流經(jīng)過(guò)5跳傳輸之后，在客戶端訪問(wèn)到的視頻流效果如圖8所示。根據(jù)以上對(duì)實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)果及測(cè)試結(jié)果的分析，基于AODV路由協(xié)議的無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)視頻傳感器節(jié)點(diǎn)能夠滿足實(shí)際應(yīng)用的需求。

5 總結(jié)和展望

首先提出無(wú)線視頻監(jiān)控系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中面臨的挑戰(zhàn)，提出將無(wú)線視頻監(jiān)控系統(tǒng)和WMN相結(jié)合來(lái)解決無(wú)線視頻傳輸系統(tǒng)中的帶寬受限問(wèn)題。分析多種不同的Mesh網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議，通過(guò)實(shí)驗(yàn)仿真方法對(duì)比幾種典型Mesh網(wǎng)絡(luò)路由算法的性能。根據(jù)仿真結(jié)果，選擇AODV路由協(xié)議作為系統(tǒng)的Mesh網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)方案。結(jié)合對(duì)實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景的分析，在對(duì)視頻傳感器節(jié)點(diǎn)對(duì)硬件平臺(tái)的計(jì)算能力、傳輸帶寬等方面的需求分析的基礎(chǔ)上，完成基于Mesh網(wǎng)絡(luò)的視頻傳感器節(jié)點(diǎn)軟、硬件設(shè)計(jì)。最后進(jìn)行系統(tǒng)測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明系統(tǒng)能夠滿足實(shí)際應(yīng)用需求。課題下一步將對(duì)視頻編碼算法進(jìn)行研究，研究如何提高視頻數(shù)據(jù)編碼效率，從而降低視頻輸出碼率，進(jìn)一步提高無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的帶寬利用率。

圖8 Web客戶端顯示效果(截屏)

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Research and Design of Video Sensor Node Based on Wireless Mesh Network

PANG Weidong

(HuaibeiMiningCo.,Ltd.YangzhuangCoalMine,AnhuiHuaibei235000,China)

Video information transmission plays an important role in disaster relief, emergency communications and special regional monitoring. However, adaptability and network bandwidth are important factors to restrict the development of video monitoring system. Wireless Mesh network with high bandwidth, easy networking and other advantages, can provide real-time video transmission services. In this article, the framework design of video monitoring system is completed based on WMN and the performance of several kinds of WMN routing methods are compared through simulation. It selects AODV as the routing protocol based on the simulation results and application requirements. Then, it realized the DVC theory-based encoding scheme on the video sensor node based on DM365 and embedded Linux operating system. At last, It test the bandwidth performance of multi-hop wireless Mesh network and testing results show that the system can complete the appropriate functionality to meet the application requirements.

wireless Mesh network; video sensor node; AODV; embedded Linux

TN919.8; TP391

A

10.16280/j.videoe.2015.05.022

2014-06-17

【本文獻(xiàn)信息】龐偉棟.基于無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)的視頻傳感器節(jié)點(diǎn)研究與設(shè)計(jì)[J].電視技術(shù),2015，39(5).

龐偉棟(1972— )，副總工程師，從事信號(hào)處理、控制方面研究工作。

責(zé)任編輯：許 盈