基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的多攝像頭圖像數(shù)據(jù)采集傳輸方法研究*

朱 黎，譚建軍，胡 濤，鐘志峰，徐鵬飛

(1. 湖北民族學(xué)院 信息工程學(xué)院，湖北 恩施 445000；2.湖北大學(xué) 計算機(jī)與信息學(xué)院，湖北 武漢 430062)

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基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的多攝像頭圖像數(shù)據(jù)采集傳輸方法研究*

朱 黎1，譚建軍1，胡 濤1，鐘志峰2，徐鵬飛1

(1. 湖北民族學(xué)院 信息工程學(xué)院，湖北 恩施 445000；2.湖北大學(xué) 計算機(jī)與信息學(xué)院，湖北 武漢 430062)

基于ZigBee協(xié)議的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(簡稱ZigBee網(wǎng)絡(luò))因其工作環(huán)境的特殊要求，在設(shè)計時既要考慮電路的體積足夠小，又要特別考慮能耗足夠小，這就使得ZigBee網(wǎng)絡(luò)的可用資源十分有限。針對ZigBee網(wǎng)絡(luò)的低速率(250 KB/s)和極少內(nèi)存(8 KB)資源的客觀條件，用分割法將傳感器網(wǎng)絡(luò)中攝像頭拍攝的一幅圖像數(shù)據(jù)切割成每64 B為一個數(shù)據(jù)段的若干數(shù)據(jù)段，然后將這些數(shù)據(jù)段封包并采用“選擇路由法”無線傳輸，當(dāng)一幅圖像數(shù)據(jù)傳輸完成后，系統(tǒng)將自動規(guī)劃新的路由，采集傳輸下一幅圖像數(shù)據(jù)，直到把ZigBee網(wǎng)絡(luò)中所有攝像頭拍攝的圖像數(shù)據(jù)全部傳輸完。實驗證明，在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中，該多攝像頭圖像數(shù)據(jù)采集傳輸方法采集傳輸一幅圖像大小為320×240的彩色圖像僅需要15 s，抗干擾力強(qiáng)，丟包率低，圖像效果良好。

ZigBee網(wǎng)絡(luò)；圖像數(shù)據(jù)；采集；傳輸

0 引言

由于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的資源有限性，如數(shù)據(jù)傳輸速率低(最高250 KB/s)、內(nèi)存小(8 KB)，使得ZigBee網(wǎng)絡(luò)在實際應(yīng)用過程中受到一些限制[1-2]，特別是對于圖像數(shù)據(jù)和視頻流數(shù)據(jù)這種數(shù)據(jù)流量大、更新速度快的數(shù)據(jù)采集傳輸，ZigBee網(wǎng)絡(luò)無法直接采集傳輸這些數(shù)據(jù)。本文提出了一種用“數(shù)據(jù)分割法”采集圖像數(shù)據(jù)和用“選擇路由法”傳輸圖像數(shù)據(jù)的方案，并通過實驗進(jìn)行了驗證。在實驗中，本文以CC2530以及PTC01攝像頭為主要設(shè)備搭建一定規(guī)模的實驗平臺，共設(shè)有20個節(jié)點end1～end20，2個路由器rout1和rout2，1個協(xié)調(diào)器coordinator，5個PTC01攝像頭。其中，20個節(jié)點中5個節(jié)點采集圖像數(shù)據(jù)，節(jié)點與攝像頭之間的連接采用RS232串口連接，其余15個節(jié)點用于采集電壓、電流數(shù)據(jù)。系統(tǒng)拓?fù)鋱D如圖1所示。

圖1 多攝像頭圖像數(shù)據(jù)傳輸示意圖

1 圖像數(shù)據(jù)的采集

本文圖像數(shù)據(jù)來源于PTC01系列攝像頭，PTC01系列是一款集圖像采集、拍攝控制、紅外補(bǔ)光、數(shù)據(jù)壓縮、串口傳輸于一體的工業(yè)級圖像采集處理設(shè)備,其內(nèi)置的高性能數(shù)字信號處理芯片實現(xiàn)了對原始圖像的高比例壓縮,圖像輸出采用標(biāo)準(zhǔn) JPEG格式[3]。其主要性能指標(biāo)如表1所示。

該攝像頭在圖像尺寸設(shè)置為640×480時，其圖像數(shù)據(jù)為25 KB左右，圖像數(shù)據(jù)完整地保留在攝像頭數(shù)據(jù)緩存器里。讀取圖像數(shù)據(jù)可以一次完整地讀取整幅圖像，也可以劃分為多個地址段分別讀取。如果是一次性讀出整張圖像數(shù)據(jù)，則起始地址就是：00 00 00 00 ，讀出的圖像數(shù)據(jù)是以 FFD8 開頭，F(xiàn)F D9 結(jié)尾。 如果要分多次讀取圖像數(shù)據(jù)，則第一次讀的起始地址是：00 00 00 00 ，后幾次讀的起始地址就是上一次讀取數(shù)據(jù)的末尾地址。

表1 PTC01/A 串口攝像頭主要性能參數(shù)

圖2 CC2530芯片功能模塊結(jié)構(gòu)框圖

本文中采集圖像數(shù)據(jù)使用的ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點硬件是CC2530，其內(nèi)部功能模塊結(jié)構(gòu)如圖2所示。

該芯片具有256 KB的閃存，8 KB的RAM，由于RAM空間有限，給網(wǎng)絡(luò)管理分配了較多空間，因此留給用戶的空間非常小[4-5]。實驗中發(fā)現(xiàn)，用于緩存圖像數(shù)據(jù)的RAM空間最佳設(shè)置是64 B，鑒于這種情況，每一次讀取攝像頭數(shù)據(jù)緩存器中的數(shù)據(jù)就只能是64 B。研究過程中充分利用PTC01攝像頭中的圖像數(shù)據(jù)緩存器并結(jié)合ZigBee網(wǎng)絡(luò)芯片CC2530中資源的最佳配置，確定了ZigBee網(wǎng)絡(luò)中最大可采集傳輸數(shù)據(jù)長度為64 B，并以該數(shù)據(jù)長度為基準(zhǔn)，將圖像傳感器數(shù)據(jù)緩存器中的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行分割處理[6]，數(shù)據(jù)包長度描述如下式：

(1)

圖3 圖像數(shù)據(jù)采集流程圖

其中，K為完整圖像數(shù)據(jù)大小，Xi為第i個數(shù)據(jù)包的長度(均為64 B)。

采集節(jié)點每次讀取和發(fā)送的數(shù)據(jù)為ReadSensorData(uint8 *pData)，其中*pData=pData[Xi]。根據(jù)各數(shù)據(jù)段的起始地址與結(jié)束地址，可以建立地址尋址表，ZigBee網(wǎng)絡(luò)將依次對規(guī)劃好的圖像傳感器緩存器中的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，將地址數(shù)據(jù)、圖像數(shù)據(jù)、圖像數(shù)據(jù)長度等進(jìn)行封包處理。采集圖像數(shù)據(jù)的流程圖如圖3所示。

2 圖像數(shù)據(jù)的傳輸

圖4 “選擇路由法”流程圖

圖像數(shù)據(jù)的傳輸是很重要的一個環(huán)節(jié)。由于本文所述圖像數(shù)據(jù)的傳輸環(huán)境是以CC2530芯片為硬件基礎(chǔ)構(gòu)建的ZigBee網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為Mesh網(wǎng)，當(dāng)多點圖像數(shù)據(jù)以相同能量同時傳輸且采用AODV路由算法時[7-8]，多點圖像數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中的傳輸是順序交替進(jìn)行的。當(dāng)節(jié)點的信號能量不等時，能量最弱的節(jié)點圖像數(shù)據(jù)傳輸機(jī)會減少，時間延遲變大。在多個攝像頭采集的圖像數(shù)據(jù)需要傳輸時，會在網(wǎng)絡(luò)中形成嚴(yán)重的數(shù)據(jù)擁塞[9]，網(wǎng)絡(luò)就會癱瘓，協(xié)調(diào)器就不能接收到所有節(jié)點的圖像數(shù)據(jù)。

因此，網(wǎng)絡(luò)在這樣一種特定的應(yīng)用情況下，首先要解決的問題是數(shù)據(jù)的擁塞，這意味著ZigBee網(wǎng)絡(luò)中采用“競爭”的方法傳遞數(shù)據(jù)是不可取的。要解決數(shù)據(jù)傳輸問題，只能探求新的方法。本文采用了一種“選擇路由法”來解決數(shù)據(jù)傳輸問題。所謂的“選擇路由法”就是在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中從節(jié)點、路由器到協(xié)調(diào)器，數(shù)據(jù)在傳輸過程中其路徑是被優(yōu)化的，不管數(shù)據(jù)經(jīng)過多少“跳”路由。 “選擇路由法”流程圖如圖4所示。

3 實驗測試與分析

首先將ZigBee網(wǎng)絡(luò)中所有攝像頭編號，每個攝像頭的編號是固定不變的，這個編號也是該攝像頭圖像數(shù)據(jù)采集節(jié)點的地址編號。網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器每次在全網(wǎng)絡(luò)中廣播一個編號，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點、路由器收到這個編號后，全網(wǎng)絡(luò)只允許這個編號對應(yīng)的圖像數(shù)據(jù)傳輸。當(dāng)一幅圖像數(shù)據(jù)沒有傳輸完時，其他攝像頭的圖像數(shù)據(jù)是被禁止在網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)?，這樣就確保了一幅完整的圖像數(shù)據(jù)能夠在網(wǎng)絡(luò)中不受干擾不間斷地完成傳輸。由于受ZigBee協(xié)議算法和信道速率的限制[10-11]，每次信道傳輸?shù)臄?shù)據(jù)只能是zb_SendDataRequest( 0xFFFE, SENSOR_REPORT_CMD_ID, HEADLENGTH, pData, 0, 0, 0)，其中：*pData=pData[Xi]，每個數(shù)據(jù)包傳輸?shù)难舆t時間是Ti，總的延遲時間為T，如式(2)所示，實驗測試表明，每傳輸一個數(shù)據(jù)包時間延遲大約10 ms。

(2)

圖5所示為多攝像頭圖像傳輸信息抓包結(jié)果，其中圖5(a)為采用AODV路由算法情況下的抓包信息，圖5(b)為采用選擇路由算法情況下的抓包信息。從實驗結(jié)果可以看出看，采用AODV路由算法時，多點圖像數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中的傳輸是順序交替進(jìn)行的。然而，采用選擇路由算法時，只有當(dāng)一幅圖像數(shù)據(jù)傳輸完成后，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器再廣播下一個編號，網(wǎng)絡(luò)會自動規(guī)劃下一個新的路由，指向下一個攝像頭，以啟動新一輪的圖像數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)，在網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的控制下，網(wǎng)絡(luò)中所有攝像頭拍攝的圖像數(shù)據(jù)依次循環(huán)傳輸。

圖5 多攝像頭圖像數(shù)據(jù)傳輸抓包圖

實驗測試結(jié)果表明，選擇路由法十分有效，不僅實現(xiàn)了用傳感器網(wǎng)絡(luò)傳輸多個攝像頭圖像數(shù)據(jù)的要求，而且，圖像數(shù)據(jù)傳輸?shù)男芎涂煽啃砸裁黠@提高，這使得采用低速窄帶寬的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)完成多攝像頭圖像數(shù)據(jù)的傳輸?shù)靡詫崿F(xiàn)。

4 結(jié)論

本文所述基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的多攝像頭圖像數(shù)據(jù)采集與傳輸方法是在通信頻道帶寬最大250 KB/s、節(jié)點內(nèi)存8 KB的ZigBee網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中研究實驗的，具有普遍代表性。實驗證明，在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中圖像數(shù)據(jù)采集用“數(shù)據(jù)分割法”，圖像數(shù)據(jù)傳輸用“選擇路由法”，實現(xiàn)了多攝像頭圖像數(shù)據(jù)的采集和傳輸。本文提出的方法是切實可行的，且圖像數(shù)據(jù)采集傳輸可靠穩(wěn)定，網(wǎng)絡(luò)抗干擾能力強(qiáng)。當(dāng)畫面尺寸較小時，如大小為160×120的一幅彩色圖像采集傳輸時間不到5 s即可完成，大小為320×240的彩色圖像采集傳輸時間大約需要15 s，大小為640×480的彩色圖像采集傳輸時間大約為25 s。同時通過進(jìn)一步的實驗發(fā)現(xiàn)，由于CC2530芯片資源不夠以及技術(shù)方面的原因，該無線傳感器網(wǎng)絡(luò)目前還無法采集與傳輸視頻數(shù)據(jù)流。

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Research on multi-camera image data acquisition and transmissionmethod based on ZigBee network

Zhu Li1, Tan Jianjun1, Hu Tao1, Zhong Zhifeng2, Xu Pengfei1

(1. School of Information Engineering, Hubei University for Nationalities 445000, China; 2. School of Computer and Information Engineering, Hubei University, Wuhan 430062, China)

Due to the special requirements of the working environment, wireless sensor network based on ZigBee protocol should be designed with some performances, such as not only small enough in the hardware circuit size, but also low enough in the energy consumption, which makes the ZigBee network resources are very limited. Based on low bit rate (250 KB/s) and little memory (8 KB) of ZigBee network, a multi-camera data acquisition and transmission method is proposed in this paper. Firstly, image data in the cache of camera is cut into several segments (64 B) using image segmentation algorithm. Then, the segments are encapsulated into packets and transferred in route selecting method. when an image data transfer is completed, the system will automatically plan a new route, collect and transmit the next image, until all the camera images in the ZigBee network transmitting finished. Experiments show that the color image(320×240) acquisition and transmission need only 15 seconds. Besides, the method has strong anti-interference, low packet loss rate, and good image effect.

ZigBee network; image data; acquisition; transmission

湖北省自然科學(xué)基金(2015CFC782)； 恩施州2016年科技計劃項目(XYJ2016000155)

TN60_34

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.14.011

朱黎，譚建軍，胡濤，等.基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的多攝像頭圖像數(shù)據(jù)采集傳輸方法研究[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2017,36(14)：32-34，42.

2017-03-29)

朱黎(1984-)，女，碩士，講師，主要研究方向：通信技術(shù)、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、圖形圖像處理。

譚建軍(1960-)，通信作者，男，本科，教授，主要研究方向：通信技術(shù)、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。

E-mail:es_tjj@qq.com。

胡濤(1984-)，男，碩士，講師，主要研究方向：圖形圖像處理、傳輸方法。