一種艦船內部視頻監(jiān)控無線傳輸方法研究與設計

一種艦船內部視頻監(jiān)控無線傳輸方法研究與設計

馬俊凱劉宏波王祥磊

（海軍工程大學電子工程學院武漢430033）

艦船內部視頻監(jiān)控系統(tǒng)是艦船內部通信系統(tǒng)重要組成部分，針對于艦船視頻信息可靠性無線傳輸需求。論文提出一種基于ZigBee技術構建具有多跳的自組織無線網(wǎng)絡，用于艦船內部視頻數(shù)據(jù)傳輸。文中分析ZigBee無線通信組網(wǎng)結構與特點，設計網(wǎng)絡各節(jié)點硬件結構與通信協(xié)議，實現(xiàn)了艦船內部攝像頭與服務器之間H.264格式視頻高性能無線數(shù)據(jù)傳輸，并對節(jié)點路徑與障礙物導致傳輸損耗進行性能仿真分析，結果表明，該方案滿足了艦船內部視頻系統(tǒng)對功耗和數(shù)據(jù)傳輸?shù)男阅芤?，有較高的實用價值。

無人機數(shù)據(jù)鏈；信道模型；路徑損耗；通信鏈路

Class NumberTN929.5

1 引言

隨著我國一帶一路遠洋戰(zhàn)略的逐步開展與實施，為滿足艦船內部設備監(jiān)測維護能力提升需求，構建艦船內部可靠的、有效的視頻監(jiān)控系統(tǒng)研究是艦船裝備信息現(xiàn)代化研究重要方向。目前我國遠洋船只內部視頻監(jiān)控系統(tǒng)主要采用有線數(shù)據(jù)通信（光纖、以太網(wǎng)、RS-232等），由于艦艇內部艙室眾多，設備裝置位置分散、密閉等諸多原因，導致艦船內部引接有線電纜程序復雜，僅僅一些重點艙室才會安裝視頻監(jiān)控保障設備，導致監(jiān)控系統(tǒng)的節(jié)點數(shù)量極大制約問題［1］。針對上述問題，本文提出一種艦船內部視頻無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)設計方案，本方案基本思想采用現(xiàn)代無線傳感網(wǎng)絡，利用其分布式控制、無中心和多跳等特點，設計了基于ZigBee艦船內部無線自組網(wǎng)，實現(xiàn)艦船內部視頻信息可靠傳輸，增強了艦船航行中發(fā)生突發(fā)事件時的遠程視頻調度指揮，減少財產損失和保障生命安全，為水上交通安全提供有力的支持和保障。

2 ZigBee網(wǎng)絡結構與特點

ZigBee是一種低成本、短距離、自組織的無線網(wǎng)絡、大容量的無線通信數(shù)據(jù)傳輸技術，每個Zig-Bee數(shù)傳模塊可以作為通信節(jié)點，通過移動路由節(jié)點進行組網(wǎng)，并實現(xiàn)短距離數(shù)據(jù)通信。一個ZigBee網(wǎng)絡包括個域網(wǎng)協(xié)調器、協(xié)調器或器件［2］，其中協(xié)調器主要功能是建立和配置網(wǎng)絡，它是網(wǎng)絡上第一個設備，協(xié)調器首先選擇一個信道和網(wǎng)絡標識，然后開始組建網(wǎng)絡，添加終端節(jié)點。網(wǎng)絡建立后，協(xié)調器可以脫離網(wǎng)絡，網(wǎng)絡依然可以正常工作。路由器允許其他節(jié)點加入網(wǎng)絡，完成多跳路由實現(xiàn)多終端通信。

ZigBee網(wǎng)絡最多包括有255個ZigBee網(wǎng)絡節(jié)點，其中一個為網(wǎng)絡控制節(jié)點，其余是從屬節(jié)點。每個網(wǎng)絡節(jié)點基本性能指標：發(fā)射功率僅為1mW；工作頻段為2.4GHz（250kbit/s）、868MHz（20kbit/s）和915MHz（40kbit/s）；通信距離為100米～3公里，并且支持無限擴展［3］。

ZigBee網(wǎng)絡依照IEEE 802.15.4標準作為MAC、PHY層標準，網(wǎng)絡的基本組成單元是在同一物理信道，由一個協(xié)調器、多個路由器和多個終端設備節(jié)點組成網(wǎng)絡框架。ZigBee網(wǎng)絡支持三種拓撲結構包括星型網(wǎng)絡、樹狀網(wǎng)絡以及網(wǎng)狀網(wǎng)絡結構，如上網(wǎng)絡拓撲結構圖1所示。其中，星型網(wǎng)絡圖主要包括協(xié)調器和終端節(jié)點，ZigBee協(xié)調器主要負責網(wǎng)絡中設備的初始化和控制整個網(wǎng)絡運行，終端節(jié)點通過協(xié)調器與其他終端節(jié)點進行通信。樹狀網(wǎng)絡主要包括協(xié)調器、路由器和終端節(jié)點，協(xié)調器主要負責形成網(wǎng)絡和選擇網(wǎng)絡主要參數(shù)，然后通過路由節(jié)點擴張網(wǎng)絡，路由節(jié)點使用等級路由節(jié)點制進行數(shù)據(jù)的傳輸和控制信息，該網(wǎng)絡可以使用信標使能的通信。網(wǎng)狀網(wǎng)絡主要包括協(xié)調器和終端節(jié)點，允許全對等通信，適合比較復雜的環(huán)境，網(wǎng)絡的自愈能力強［4］。

本文主要針對采用星型網(wǎng)絡拓撲結構，主要設計了協(xié)調器節(jié)點充當網(wǎng)絡中的中繼設備，保證多個終端節(jié)點的即時通信，構建了ZigBee無線通信網(wǎng)絡。

3 系統(tǒng)總體方案設計

3.1 系統(tǒng)總體結構設計與功能分析

本文設計ZigBee網(wǎng)絡為無線Mesh結構的艦船內部視頻無線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡由：視頻監(jiān)控前端、協(xié)調器、路由器和傳感器節(jié)點、視頻監(jiān)控后端組成，其系統(tǒng)構成如圖2所示。視頻監(jiān)控前端通過攝像頭采集艦船船體內部實時影像，進行影像信息壓縮編碼為H.264格式數(shù)據(jù)，然后通過無線網(wǎng)絡傳輸?shù)揭曨l監(jiān)控后端；由于視頻信息通過采集處理變?yōu)镮P流形式，采用ZigBee無線通信網(wǎng)絡發(fā)送數(shù)據(jù)，可以通過訪問終端節(jié)點鏈接到路由器中，每一個終端節(jié)點又作為其他終端節(jié)點的網(wǎng)絡路由器，為其他終端節(jié)點轉發(fā)數(shù)據(jù)信息，實現(xiàn)多節(jié)點數(shù)據(jù)通信。同時視頻監(jiān)控后端為數(shù)據(jù)處理中心與協(xié)調器節(jié)點相連接完成視頻數(shù)據(jù)接收、解碼、顯示與網(wǎng)絡管理監(jiān)視等功能［6］。

本設計采用星型網(wǎng)絡拓撲結構和ZigBee協(xié)議棧，將終端節(jié)點和協(xié)調器節(jié)點連接成無線信道構成無線傳感網(wǎng)絡，當終端節(jié)點在路由器節(jié)點的輻射范圍內（100～500m），雙方即可實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)通訊，并且每一個終端節(jié)點又作為其他終端節(jié)點的網(wǎng)絡路由器，為其他終端節(jié)點轉發(fā)數(shù)據(jù)信息，實現(xiàn)多節(jié)點數(shù)據(jù)通信解決方案。以下重點論述無線網(wǎng)絡中協(xié)調器節(jié)點與終端節(jié)點硬件設計，并針對其工作流程開展協(xié)議棧功能設計［7］。

3.2 系統(tǒng)硬件結構設計

本系統(tǒng)傳感器節(jié)點硬件電路，主要由3部分組成：射頻電路、電源管理電路和接口電路模塊。

1）射頻電路設計

CC2530的外圍電路如圖3所示。其完全兼容IEEE802.15.4標準和ZigBee標準。在空曠場合通信距離可達200m。其功耗很低，在睡眠模式下，電流低于1uA。在接收狀態(tài)下，電流消耗為24mA。在發(fā)送狀態(tài)下在1dBm輸出功率為29mA。

它具有通訊距離遠、抗干擾能力強、組網(wǎng)靈活、性能可靠穩(wěn)定等優(yōu)點和特性；可實現(xiàn)點對點、一點對多點、多點對多點之間的設備間數(shù)據(jù)的透明傳輸；可組成星型、樹型和蜂窩型網(wǎng)狀網(wǎng)絡結構。它可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的廣播方式發(fā)送、按照目標地址發(fā)送模式，除可實現(xiàn)一般的點對點數(shù)據(jù)通信功能外，還可實現(xiàn)多點之間的數(shù)據(jù)通訊［8］。

2）串口通信電路設計

在程序的下載和調試的過程中，都少不了要用到串口電路。而USB又因其簡單易用等特點，在現(xiàn)在編程過程中是比較常用的。這里用PL2303單芯片完成USB電路轉串口的設計，電路實現(xiàn)簡單方便。此外，該部分設計的電路還可以對模塊進行供電［9］。該部分設計如圖4所示。

3）電源電路設計

電源電路設計如圖5所示。模塊可以采用PC節(jié)點的USB接口或者使用3.7V的鋰電池供電。供電電路采用穩(wěn)壓器HT7533-1。它是一種3引腳的高電流低電壓穩(wěn)壓器，常用在CMOS技術中。它可以輸出100mA電流并允許輸入24V電壓，輸出電壓可以在3.0V到5.0V調節(jié)。其平均漏電電壓為100mV［10］，最高漏電電流為5μA，輸出電壓精度為± 3%。

3.3 系統(tǒng)軟件設計

基于ZigBee無線數(shù)據(jù)傳輸技術核心是其協(xié)議棧的設計，對于傳感器信號的采集處理也需要通過軟件來完成。本系統(tǒng)軟件設計涉及ZigBee傳感器節(jié)點和ZigBee協(xié)調器節(jié)點及路由器節(jié)點三部分。本系統(tǒng)設計，ZigBee協(xié)議棧底層軟件己由Z-Stack實現(xiàn)，本節(jié)將把論述放在應用層軟件設計上，論述應用層數(shù)據(jù)幀與無線傳感器數(shù)據(jù)處理設計相關的內容。

1）協(xié)調器軟件設計

協(xié)調器的主要作用是組網(wǎng)和接收數(shù)據(jù)。圖6（a）為協(xié)調器的程序設計流程圖。

（1）初始化，通過DEV_INIT（），APLINIT（）函數(shù)分別對CC2530及ZigBee協(xié)議棧進行初始化。

（2）打開中斷，關閉狀態(tài)指示信號，通過函數(shù)NLME_Network_FormationRequest（）初始化網(wǎng)絡。只有能夠擔當ZigBee協(xié)調器的、尚未加入到網(wǎng)絡中的全功能設備才能嘗試創(chuàng)建一個新網(wǎng)絡。創(chuàng)建網(wǎng)絡成功，則網(wǎng)絡層會向應用層返回NLME_Network_FormationConfirm（）函數(shù)，并包含協(xié)調器物理地址、新建網(wǎng)絡ID及信道號。

（3）調用應用層相關處理函數(shù)進入無線監(jiān)控狀態(tài)，監(jiān)測無線信號，等待節(jié)點加入。

（4）若有終端節(jié)點或路由器加入網(wǎng)絡，接收溫度信號，濾除錯誤信息，并經(jīng)過串口利用HalUARTWrite（）函數(shù)，將數(shù)據(jù)發(fā)送給計算節(jié)點并通過軟件顯示。

2）終端節(jié)點軟件設計

終端節(jié)點主要作用是實時采集艦船內部實時視頻數(shù)據(jù)。圖6（b）為終端節(jié)點程序設計流程圖：

（1）初始化，通過DEV_INIT（），APLINIT（）函數(shù)分別對CC2530及ZigBee協(xié)議棧進行初始化［11］。

（2）調用NLME_JoinRequest（）函數(shù)發(fā)送加入網(wǎng)絡請求，等待協(xié)調器響應。若成功，則返回函數(shù)ZDO_JoinConfirmCB（）函數(shù)。

（3）成功加入網(wǎng)絡后，傳感器節(jié)點將測試到的視頻數(shù)據(jù)通過AF_DataRequest（）函數(shù)發(fā)送到協(xié)調器［12］。

4 試驗驗證與性能分析

為了驗證本文研究的無線自組網(wǎng)在艦船內部視頻數(shù)據(jù)傳輸中的有效性，利用在封閉的艦船空間作為試驗環(huán)境，做系統(tǒng)的調試包括硬件和軟件測試。

1）硬件測試

系統(tǒng)硬件調試基礎為ZigBee無線模塊，根據(jù)設計的監(jiān)測LED燈的狀態(tài)進行初步調試，判斷其電源電路及復位電路是否正常。根據(jù)設計電路，模塊上電后LED燈應為全亮（包括LED、LED1、LED2、LED3）；按下復位鍵（RESET）時，只有電源指示燈（LED）亮。上電后效果如圖7。

2）軟件測試

在IAR Embedded Workbench軟件建立工程，并建立Coordinator、Sensor的源文件Coordinator.c與EndDevice.c，然后對編輯好的文件進行MAKE，對程序中的語法錯誤進行改正，當編譯無誤后將其分別下載到模塊中，注意Router模塊與Sensor公用源文件。

當程序下載后，Coordinator和Sensor模塊的LED3會閃爍。Coordinator的LED3閃爍證明協(xié)調器正在建立網(wǎng)絡，當網(wǎng)絡成功建立后，LED3會常亮；Sensor的LED3閃爍證明傳感器模塊還沒有加入網(wǎng)絡，只有當LED3常亮才代表傳感器成功加入網(wǎng)絡，并可以發(fā)送視頻數(shù)據(jù)。

具體接收到視頻效果圖如圖8所示。由于所有網(wǎng)絡節(jié)點的工作數(shù)據(jù)處理是相似的，故本系統(tǒng)只對艙室實時場景進行監(jiān)測。通過軟件解碼后可以看到艙室內部場景效果顯示清晰流暢基本滿足日常視頻監(jiān)測要求。

3）路徑損耗分析

本文構建自組網(wǎng)傳輸信道采用用于UHF信道，頻率范圍：300MHZ～3000MHZ，傳輸主要方式為視距傳輸。此時，令D表示發(fā)射端與接收端之間的距離（單位：m）。當射頻的收發(fā)平臺采用相同天線時，發(fā)射天線的增益為Gt，接收天線的增益Gr，則距離D接收信號功率為Pr（d），當信號傳輸路徑上遇到障礙物導致其中一部分信號被遮蔽，導致信號均值發(fā)生變化，從而產生陰影衰落現(xiàn)象。真實信道傳輸時陰影產生隨節(jié)點效應，統(tǒng)計特性服從對數(shù)正態(tài)分布，因此，當考慮距離一定，環(huán)境一定時情況，信道特性隨著接收平臺位置改變而改變，即使相同距離，每條路徑也會產生不同路徑衰落，信道此時產生衰減更加接近與對數(shù)正態(tài)分布。其中，令Xσ表示均值為0，標準差為σ的高斯隨節(jié)點變量。

信號路徑損耗：

測試條件：終端節(jié)點發(fā)射功率為2.6dBm。接收節(jié)點靈敏度的典型值為-97dBm。工作頻率最小為2.4GHz。本文采用室內環(huán)境影響因子1.6，此時工作頻率對應的2405MHz。根據(jù)自由空間傳輸損耗的公式，而當收發(fā)天線均為3dB時，由曲線可知傳輸距離d為1.23km。而在實際應用中，由于船艙內部墻體、障礙物等的影響，使傳輸距離遠低于該值，無障礙物時基本在500m左右。有障礙物時傳輸距離限制在120m以內。

因此，考慮仿真模型曲線較真實數(shù)據(jù)曲線有4dB～8dB波動，波動值均在合理范圍，信道損耗模型符合真實衰減趨勢，能夠滿足理論設計與研究需求。

5 結語

綜上所述，現(xiàn)今流行短距離無線通信技術，包括WiFi、藍牙、超寬帶（UWD）等。本文選擇ZigBee技術作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄐ欧桨?，考慮到其為低成本、低功耗、可靠性高、短時延、網(wǎng)絡容量大等優(yōu)點。本文采用ZigBee技術為無線數(shù)據(jù)自組網(wǎng)方案，采用CC2430芯片為數(shù)字信號處理硬件核心，針對網(wǎng)絡視頻數(shù)傳協(xié)議棧開展設計，實現(xiàn)艦船本地視頻信息數(shù)據(jù)無線傳輸功能，本文設計方案可為艦船內部無線通信系統(tǒng)設計提供重要借鑒價值。為艦船內部無線通信系統(tǒng)規(guī)劃與設計提供了有效的理論依據(jù)。

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Design of Wireless Data Transmission Method for Detection System of the Ship

MA JunkaiLIU HongboWANG Xianglei
（College of Electronic Engineering，Naval University of Engineering，Wuhan430033）

UVA data link，channel model，path loss，communication link

TN929.5

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.07.014

2017年1月10日，

2017年2月20日

馬俊凱，男，博士研究生，研究領域：數(shù)據(jù)鏈通信、無線通信系統(tǒng)。劉宏波，男，副教授，研究方向：通信與信息系統(tǒng)。王祥磊，男，研究方向：通信工程。

AbatractThe ship's internal video system is an important part of the ship's internal communication system，F(xiàn)or the needs of the wireless transmission of the ship monitoring video information reliability.This paper proposes a self-organizing wireless network with multi-hop based on ZigBee technology for ship internal video data transmission.This paper analyzes the structure and characteristics of ZigBee wireless communication network，designed the hardware structure and communication protocol of each node of the network，and realizes the highly-performance transmission between video wireless data based on H.264 format between the camera and the server，and leads to the transmission path and obstacle The results show that the scheme meets the performance requirements of power consumption and data transmission in the ship's internal video system，which have high practical value.