一種靜態(tài)圖像的采集傳輸系統(tǒng)

摘要：為實(shí)現(xiàn)低成本遠(yuǎn)程圖像監(jiān)控，文章設(shè)計(jì)了一套基于ZigBee和GPRS技術(shù)的遠(yuǎn)程圖像采集傳輸系統(tǒng)。以CC2430為節(jié)點(diǎn)控制攝像頭采集圖像數(shù)據(jù)，本地通信時(shí)，圖像數(shù)據(jù)通過ZigBee協(xié)調(diào)器直接和服務(wù)器通信；遠(yuǎn)程通信時(shí)，協(xié)調(diào)器將處理好的數(shù)據(jù)通過GPRS技術(shù)傳到監(jiān)控中心以實(shí)現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)的保存、讀取和顯示等目的。ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間采用網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的自組網(wǎng)方式，通過修改協(xié)議棧的緩沖機(jī)制和改變串口波特率提高數(shù)據(jù)的傳輸效率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該系統(tǒng)能夠很好地實(shí)現(xiàn)本地和遠(yuǎn)程靜態(tài)圖像的采集與快速傳輸，具有廣泛的應(yīng)用前景。
關(guān)鍵詞：ZigBee；無線傳感網(wǎng)絡(luò)；CC2430；圖像采集；GPRS

0 引言
    目前，無線圖像采集技術(shù)主要有藍(lán)牙、Wi-Fi、CDMA、GPRS和新興的3G技術(shù)。在實(shí)際運(yùn)用過程中，藍(lán)牙需要昂貴的認(rèn)證費(fèi)，傳輸距離短；其他技術(shù)的組網(wǎng)復(fù)雜、建設(shè)周期長。尤其是在偏遠(yuǎn)地區(qū)和惡劣的環(huán)境，這些技術(shù)建立的系統(tǒng)實(shí)時(shí)性、可靠性降低，受到環(huán)境因素的制約，用戶需要承擔(dān)費(fèi)用，一旦基站出現(xiàn)故障則整個(gè)網(wǎng)絡(luò)陷于癱瘓。
    ZigBee網(wǎng)絡(luò)可以很好地解決以上弊端。ZigBee是符合IEEE802.15.14標(biāo)準(zhǔn)，具有自組網(wǎng)、免執(zhí)照、低功耗、低成本、低誤碼率、抗干擾性強(qiáng)等特點(diǎn)的新興通信技術(shù)，理論上能夠提供250kb／S的傳輸速率，它不依靠任何基站和基礎(chǔ)設(shè)施。由于GPRS在信號覆蓋區(qū)域內(nèi)可接收到遠(yuǎn)距離傳輸過來的JPEG圖像，為了實(shí)現(xiàn)不同環(huán)境下的監(jiān)控，本文結(jié)合ZigBee和GPRS技術(shù)，設(shè)計(jì)出一套靜態(tài)圖像監(jiān)控系統(tǒng)，完成本地圖像的采集和遠(yuǎn)程圖像的傳輸。

1 系統(tǒng)架構(gòu)
    本系統(tǒng)包括ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)、監(jiān)控中心、圖像采集和遠(yuǎn)程傳輸四部分，其中遠(yuǎn)程圖像傳輸包括GPRS和Internet模塊，見圖1。

    ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)由一個(gè)協(xié)調(diào)器、若干個(gè)路由器和若干個(gè)終端節(jié)點(diǎn)組成。協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的組建和整個(gè)網(wǎng)絡(luò)與監(jiān)控中心的通信；路由器接收并轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)、獨(dú)立采集數(shù)據(jù)和接受協(xié)調(diào)器的命令；終端節(jié)點(diǎn)可采集、發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，但不能自動(dòng)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)有三種組網(wǎng)方式，星形網(wǎng)絡(luò)、樹形網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)。由于網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)在通信允許范圍內(nèi)相鄰節(jié)點(diǎn)間能相互通信，有較強(qiáng)的自組織、自愈功能，能組成極為復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)，有很大的路由深度和網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)規(guī)模，還能通過“多級跳”的方式來通信。因此，本系統(tǒng)采用網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)方式。
    監(jiān)控中心由具有服務(wù)器功能并安裝監(jiān)控軟件的PC組成。本地圖像采集時(shí)，監(jiān)控中心通過RS232串口線控制數(shù)據(jù)的采集和傳輸。遠(yuǎn)程圖像采集時(shí)，監(jiān)控中心通過GPRS與協(xié)調(diào)器通信。為了便于服務(wù)器的移動(dòng)，首先由GPRS1獲取服務(wù)器的IP并通過SMS方式發(fā)送至GPRS2，GPRS2根據(jù)獲取的IP和端口號連接到服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)ZigBee網(wǎng)絡(luò)與服務(wù)器的連接。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
2．1 數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)
    圖2為數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)的硬件系統(tǒng)框圖，包括圖像采集模塊、電源模塊、控制器發(fā)基本外圍電路。選用TI公司生產(chǎn)的CC2430為MCU，該芯片內(nèi)置ZigBee射頻前端、內(nèi)存和微控制器，專門用于IEEE802．15．4和ZigBee應(yīng)用程序，只需簡單的外圍電路即可工作。內(nèi)置溫度傳感器和電壓傳感器，檢測系統(tǒng)的工作環(huán)境。電源管理模塊使系統(tǒng)工作在不同的模式，最大限度降低系統(tǒng)功耗。串口攝像頭采集圖像，采用標(biāo)準(zhǔn)JPEG圖像壓縮算法壓縮圖像數(shù)據(jù)?？刂破魍ㄟ^RS232控制攝像頭。

2．2 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)
    協(xié)調(diào)器的硬件系統(tǒng)包括圖像采集模塊、GPRS模塊、電源模塊、控制器及基本外圍電路，GPRS模塊只存在于遠(yuǎn)程圖像傳輸系統(tǒng)，見圖3。G PRS選用華為GTM900-C模塊，ZigBee協(xié)調(diào)器通過AT指令控制GPRS模塊。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
3. 1 協(xié)調(diào)器的軟件流程
    圖4為系統(tǒng)的軟件流程，系統(tǒng)初始化后，協(xié)調(diào)器根據(jù)設(shè)定的信道建立網(wǎng)絡(luò)，ZigBee協(xié)調(diào)點(diǎn)選擇0x0000作為網(wǎng)絡(luò)地址并開始接受新節(jié)點(diǎn)的加入。為了減少網(wǎng)絡(luò)之間的信號干擾，本系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)之間的網(wǎng)絡(luò)中心采取不同的信道，每個(gè)中心節(jié)點(diǎn)之間的信道間隔20MHz。

    ZigBee協(xié)議棧通過事件觸發(fā)機(jī)制執(zhí)行任務(wù)，每個(gè)事件都有對應(yīng)的事件ID號和優(yōu)先級。正常運(yùn)行時(shí)，依據(jù)任務(wù)和事件的優(yōu)先級從高到低依次查詢各個(gè)事件并執(zhí)行；CPU收到緊急中斷，優(yōu)先執(zhí)行中斷任務(wù)。在該系統(tǒng)中，串口收發(fā)事件優(yōu)先級最高。協(xié)調(diào)器的串口配置為DMA工作方式和不使用流控，波特率為115200kbp／s，能確保數(shù)據(jù)及時(shí)收發(fā)。
    協(xié)調(diào)器收到服務(wù)器的命令并判斷系統(tǒng)的工作模式，遠(yuǎn)程通信時(shí)，協(xié)調(diào)器啟動(dòng)GPRS模塊。GPRS模塊與ZigBee的串口通信速率為115200kbp ／s，采用透明傳輸?shù)哪Ｊ剑瑢PRS不支持的十六進(jìn)制數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)義再發(fā)送；本地通信時(shí)，直接轉(zhuǎn)發(fā)命令給相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)。數(shù)據(jù)的接收與發(fā)送采用確認(rèn)握手機(jī)制。收到數(shù)據(jù)后，首先確認(rèn)數(shù)據(jù)包的序列號；若序列號錯(cuò)誤，則申請定時(shí)重發(fā)，以確保圖像數(shù)據(jù)的正確性。
3．2 數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)軟件流程
    數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)采用關(guān)聯(lián)的方式加入網(wǎng)絡(luò)，子節(jié)點(diǎn)通過掃描設(shè)定信道搜索它周圍存在的父節(jié)點(diǎn)，只有協(xié)調(diào)器或路由器可以作為父節(jié)點(diǎn)，應(yīng)用層從關(guān)聯(lián)表中選擇所發(fā)現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)并加入。子節(jié)點(diǎn)加入成功后，網(wǎng)絡(luò)層收到唯一的16位網(wǎng)絡(luò)地址。若是其中一個(gè)節(jié)點(diǎn)斷開網(wǎng)絡(luò)，則系統(tǒng)會(huì)根據(jù)最短跳數(shù)算法自動(dòng)尋找最優(yōu)路徑。
    數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)串口配置為中斷方式和不使用流控，優(yōu)先處理串口任務(wù)。為及時(shí)處理大量串口數(shù)據(jù)，串口設(shè)計(jì)雙緩存機(jī)制，開辟緩存otabuf和otabuf2。該系統(tǒng)支持640*480、320*240和160*120三種圖像的采集；若圖像數(shù)據(jù)超過預(yù)設(shè)值，則丟棄該圖像并重新拍照。物理層僅可傳輸小于127B的數(shù)據(jù)包，除去網(wǎng)絡(luò)層的封裝，MAC層和物理層最大數(shù)據(jù)是89B，因此，數(shù)據(jù)讀取時(shí)，應(yīng)用層采取分包傳輸，讀到的數(shù)據(jù)立即通過最近的路由方式發(fā)送到協(xié)調(diào)器。利用事件的周期性觸發(fā)，完成一張圖片的讀取。為了提高圖像的采集速度，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)化串口波特率。當(dāng)傳輸命令時(shí)，選用波特率115200kbp／s，快速發(fā)送數(shù)據(jù)命令和讀取相應(yīng)的返回參數(shù)；當(dāng)傳輸大量數(shù)據(jù)時(shí)，選用波特率38400kbp／s，使得CPU有更多的時(shí)間處理串口數(shù)據(jù)。
3．3 服務(wù)器軟件流程
    在接收終端對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行重組、恢復(fù)圖像。圖5為遠(yuǎn)程圖像采集系統(tǒng)監(jiān)控中心的界面，該平臺(tái)是采用Microsoft VC++6．0編寫的基于TCP／IP協(xié)議的Sockct通信軟件，該系統(tǒng)主要包括三個(gè)部分：圖像顯示部分，實(shí)時(shí)顯示遠(yuǎn)程圖像；命令發(fā)送部分，遠(yuǎn)程控制協(xié)調(diào)器；網(wǎng)絡(luò)連接部分，獲取本機(jī)IP和本地端口號。本地圖像采集系統(tǒng)的監(jiān)控中心界面是采用Microsoft VC++6．0編寫的串口通信軟件，見圖7。該界面主要包括三個(gè)部分：圖像顯示部分，實(shí)時(shí)顯示本地圖像；命令發(fā)送部分，控制協(xié)調(diào)器；串口通信部分。

4 測試與結(jié)果
    圖6為遠(yuǎn)程圖像采集系統(tǒng)的測試結(jié)果。選擇編號為FFFFFFFFFFFFFFF8的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行測試，設(shè)置圖像大小為320*240，壓縮后圖像大小約為12～13kb。將攝像頭和節(jié)點(diǎn)放在實(shí)驗(yàn)室1走廊上，攝像頭對著實(shí)驗(yàn)室1，GPRS2和協(xié)調(diào)器連接，監(jiān)控軟件裝在已連接公網(wǎng)的電腦實(shí)驗(yàn)室2，GPRS1通過串口和電腦連接，GPRS1通過短消息的方式將IP和端口號發(fā)送給GPRS2。點(diǎn)擊拍照，協(xié)調(diào)器即收到拍照指令并發(fā)送給路由節(jié)點(diǎn)，路由節(jié)點(diǎn)采集圖像并在服務(wù)器顯示，在室內(nèi)無障礙物的情況下測試，單跳節(jié)點(diǎn)之間的距離約為100m，由于GPRS模塊和Internet的入網(wǎng)連接延時(shí)1～3s，單跳時(shí)傳輸時(shí)間約為11s。目前中國移動(dòng)建成的GPRS網(wǎng)絡(luò)支持的最高理論速率為171．2 kb／s，實(shí)際接入速度大概在30kbps～40kbps，在使用數(shù)據(jù)加速系統(tǒng)后，速率大概可提高到60kbps～80kbps。因此，圖像理論最長時(shí)間為13×8／30+3=6．47s。造成理論與實(shí)際差異的原因可能有：1)分次讀取數(shù)據(jù)，累計(jì)延時(shí)長。2)采用確認(rèn)機(jī)制，累計(jì)驗(yàn)證時(shí)間長。3)串口讀取圖像數(shù)據(jù)，檢測每個(gè)數(shù)據(jù)包并去除非圖像數(shù)據(jù)，累計(jì)耗費(fèi)時(shí)間長。

    圖7為本地圖像采集系統(tǒng)的測試結(jié)果。選擇編號為FFFFFFFFFFFFFFF7的節(jié)點(diǎn)測試，設(shè)置圖像大小為640*480，壓縮后圖像大小約為48～50kb，協(xié)調(diào)器通過串口線與實(shí)驗(yàn)1的PC機(jī)相連，將攝像頭與路由器連接，在圖7同樣的測試環(huán)境下，打開串口，選擇COM1，本地采集傳輸時(shí)間約為32s。

5 結(jié)論
    利用ZigBee技術(shù)具有數(shù)據(jù)傳輸安全可靠、組網(wǎng)靈活、設(shè)備成本低、系統(tǒng)功耗低等獨(dú)特的優(yōu)勢，本文設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)ZigBee的靜態(tài)圖像采集系統(tǒng)，此系統(tǒng)主要對圖像采集、網(wǎng)絡(luò)傳輸、ZigBee網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)和服務(wù)器軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。采用可靠的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)方式，系統(tǒng)工作穩(wěn)定、性能優(yōu)良。從采集的圖像上看，通過ZigBee強(qiáng)大的自組網(wǎng)能力能夠?qū)?shù)據(jù)、圖像快速準(zhǔn)確采集并顯示在服務(wù)器上；此系統(tǒng)的用戶界面友好，可實(shí)時(shí)顯示遠(yuǎn)程圖像和數(shù)據(jù)，同時(shí)控制遠(yuǎn)程的協(xié)調(diào)器；對于實(shí)時(shí)性要求不是很高的場合具有廣泛的應(yīng)用前景，尤其是在艱苦或惡劣環(huán)境條件下，此系統(tǒng)具有傳統(tǒng)監(jiān)測技術(shù)不可比擬的優(yōu)勢，可結(jié)合太陽能光伏技術(shù)運(yùn)用在森林防火、油田、電力、井下等環(huán)境惡劣的場合。本地圖像傳輸系統(tǒng)可用于家庭、汽車、小區(qū)的安防監(jiān)控，或者軍事、救災(zāi)等現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)無法工作的領(lǐng)域。