吳婉陽 田云杰 曹聰 沙超

摘要：該文提出了基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的多跳圖像傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，該系統(tǒng)由三部分組成，即圖像采集模塊，路由傳輸模塊和圖像接收模塊。CMOS攝像頭和CC2420片上系統(tǒng)構(gòu)成了圖像傳輸系統(tǒng)的采集節(jié)點(diǎn)，利用Mesh型網(wǎng)絡(luò)的自組織和自愈功能，該系統(tǒng)允許多節(jié)點(diǎn)采集，并且遠(yuǎn)端的節(jié)點(diǎn)信息可以通過“多跳”的方式到達(dá)終端設(shè)備。此外，該多跳圖像傳輸系統(tǒng)具有設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、易于安裝、低價(jià)格、低功耗的特點(diǎn)，使得它可以在很多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)；ZigBee協(xié)議；多跳；圖像傳輸

中圖分類號(hào)：TP212文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1009-3044(2012)22-5329-05

Design of Multi-hop Image Transmission System Based on ZigBee Network

WU Wan-yang1,TIAN Yun-jie1,CAO Cong1, SHA Chao2

(1.College of Science, Nanjing University of Posts and Telecommunications, Nanjing 210046 China; 2. Jiangsu High Technology Research Key Laboratory for Wireless Sensor Networks, Jiangsu Province, Nanjing 210003, China)

Abstract: In this paper, a wireless image transmission system based on ZigBee network has been proposed. The system consists of three parts, namely image acquisition module, routing transmission module and image receiving module. The CMOS camera OV2640 and CC2420 wireless SoC chip constitute the image acquisition node. With the help of the Self-organizing and Self-healing functions that mesh network has, this dynamical network allows multi-node capture. As all the nodes form a mesh structure, information on the remote node can finally reach the terminal via multi-hop. Furthermore, the characteristics of simple structure, easy installation, low cost and low power for the designed system will make it be widely applied in many fields.

Key words: multimedia sensor networks; ZigBee protocol; multi-hop; image transmission

無線多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)WMSN[1]（Wireless Multimedia Sensor Networks）應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的廣泛應(yīng)用及低功耗多媒體信息處理的需求而生，是在傳統(tǒng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)[2]（WSN）的基礎(chǔ)上引入了音頻、視頻、圖像等多媒體信息感知功能的一種新型傳感器網(wǎng)絡(luò)。典型的無線多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)一般由多媒體傳感器節(jié)點(diǎn)(multimedia sensor node)、匯聚節(jié)點(diǎn)(sink node)和控制中心(control central)組成[1]，多媒體傳感器節(jié)點(diǎn)布設(shè)在指定的監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)，其采集的信息沿著其他多媒體傳感器節(jié)點(diǎn)，以無線的方式經(jīng)過“多跳”傳送到匯聚節(jié)點(diǎn)，最后到達(dá)控制中心，用戶通過控制中心對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行配置和管理，發(fā)布監(jiān)測(cè)任務(wù)以及收集監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。WMSN將WSN的自組織、無人值守等優(yōu)點(diǎn)和豐富的多媒體信息有機(jī)地結(jié)合起來，被廣泛應(yīng)用于分布式監(jiān)控、環(huán)境監(jiān)測(cè)、目標(biāo)跟蹤及交通監(jiān)控、智能家居等場(chǎng)合。

本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的能實(shí)現(xiàn)圖像多跳傳輸?shù)牡凸腤MSN系統(tǒng)，系統(tǒng)由遠(yuǎn)端采集節(jié)點(diǎn)，中繼節(jié)點(diǎn)和匯聚節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，采集節(jié)點(diǎn)采集到圖片信息，經(jīng)過該WMSN系統(tǒng)最終傳輸?shù)絇C機(jī)，用戶對(duì)終端的操作可以把控制信息反饋給傳感器網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)的控制和管理。

1系統(tǒng)分析與硬件設(shè)計(jì)

ZigBee技術(shù)[2]是一種面向自動(dòng)化和無線控制的低速率、低功耗、低價(jià)格的無線網(wǎng)絡(luò)方案，完整的ZigBee協(xié)議棧自上而下由應(yīng)用層、應(yīng)用匯聚層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層組成。物理層采用直接序列擴(kuò)頻（DSSS）技術(shù)，定義了三種流量等級(jí)，本文提出的方案中使用的頻段是2.4GHz,此時(shí)協(xié)議能夠提供250Kb/s的傳輸速率。ZigBee的網(wǎng)絡(luò)層支持3種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[2]：星型（Star）結(jié)構(gòu)，網(wǎng)狀（Mesh）結(jié)構(gòu),和簇樹（Cluster Mesh）結(jié)構(gòu)。Mesh型網(wǎng)絡(luò)[4]允許在通信范圍內(nèi)的實(shí)體都能進(jìn)行相互通信，對(duì)于沒有直接通路的兩個(gè)實(shí)體，還可以通過“多跳”的方式完成通信，除此之外，網(wǎng)絡(luò)還具有自組織和自愈功能，本文采用的是Mesh型網(wǎng)絡(luò)。其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 Mesh網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

網(wǎng)絡(luò)中的路由器是功能簡(jiǎn)化型設(shè)備，協(xié)調(diào)器是功能完善型設(shè)備，路由器的信息能夠直接或者以“多跳”方式傳輸?shù)絽f(xié)調(diào)器，并由協(xié)調(diào)器送達(dá)終端設(shè)備。

本文提出的多跳圖像傳輸系統(tǒng)主要由三部分組成：圖像采集節(jié)點(diǎn)、中繼節(jié)點(diǎn)和匯聚節(jié)點(diǎn)。其中圖像采集節(jié)點(diǎn)的功能是完成圖像采集和數(shù)據(jù)發(fā)送，圖像采集模塊由CMOS攝像頭OV2640、JPEG壓縮算法芯片及flash存儲(chǔ)芯片構(gòu)成，用于圖像的采集、壓縮，儲(chǔ)存等相關(guān)處理。中繼由ZigBee模塊即可完成，用于各節(jié)點(diǎn)之間的圖像的傳輸。而圖像接收部分即圖像監(jiān)控中心由ZigBee模塊+PC機(jī)完成，用串口通信的方式實(shí)現(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)和電腦連接，使節(jié)點(diǎn)將接收到的圖像傳入電腦，以便進(jìn)入后續(xù)的圖像分析等工作，實(shí)現(xiàn)電腦對(duì)整個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)的控制和管理。系統(tǒng)的工作示意圖如圖2所示。

圖2系統(tǒng)工作示意圖

1.1 ZigBee模塊的設(shè)計(jì)

ZigBee模塊，即路由傳輸模塊，處理器采用的是ATmega1281單片機(jī)，它是基于AVR RISC結(jié)構(gòu)的8位低功耗CMOS微處理器，由于其先進(jìn)的指令集及單周期指令系統(tǒng)，ATmega1281的數(shù)據(jù)吞吐率高達(dá)16MIPS[3]，從而可以減輕系統(tǒng)在低功耗和處理速度之間的矛盾，符合本文設(shè)計(jì)基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的低功耗WMSN系統(tǒng)的思路。射頻芯片采用的是CC2420射頻收發(fā)器，CC2420是TI公司推出的首款符合2.4GHz IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的射頻收發(fā)器，性能穩(wěn)定且功耗極低，只需要極少外部器件[3]。芯片本振信號(hào)既可由外部有源晶體提供，也可由內(nèi)部電路提供，由內(nèi)部電路提供時(shí)需外加晶體振蕩器和兩個(gè)負(fù)載電容。設(shè)計(jì)中可以使用單極天線也可使用雙極天線[5]。IEEE802系列標(biāo)準(zhǔn)將MAC分成邏輯鏈路控制(LLC)和媒介接入控制(MAC)2個(gè)子層[2]?？紤]到Zigbee MAC層的設(shè)計(jì)應(yīng)盡可能地降低成本、易于實(shí)現(xiàn)、數(shù)據(jù)傳輸可靠、短距離操作以及低功耗，因此，采用了簡(jiǎn)單靈活的協(xié)議，其幀有4種類型：數(shù)據(jù)幀，標(biāo)志幀，命令幀和確認(rèn)幀，結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 MAC幀結(jié)構(gòu)圖

CC2420與處理器的連接十分方便，它通過SPI接口（CSn、SO、SI、SCLK）交換數(shù)據(jù)，使用SFD、FIFO、FIFOP和CCA四個(gè)引腳表示收發(fā)數(shù)據(jù)的狀態(tài)[5]，另外，它使用RESETn引腳復(fù)位芯片，使用VERG_EN引腳使能CC2420的電壓調(diào)整器，從而使CC2420進(jìn)入正常工作的狀態(tài)。本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)CC2420模塊單獨(dú)成板[5]，采用標(biāo)準(zhǔn)2×6雙排接插件與微處理器連接。圖4給出了該插槽的電路圖。

為了實(shí)現(xiàn)可靠的圖像傳輸，本模塊采用Flash存儲(chǔ)芯片AT45DB161D實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)存儲(chǔ)，AT45DB161D采用串行接口，從而大大減少了可用引腳數(shù)量，同時(shí)也提高了系統(tǒng)可靠性，降低了開關(guān)噪聲，縮小了封裝體積。它可以通過#CS來進(jìn)行使能，并通過三線接口（SI、SO、SCK）進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

ATmega1281單片機(jī)中的SPI接口用來實(shí)現(xiàn)與CC2420射頻模塊的通信，兩組USART接口中，其中USART1被Flash芯片占用用來收發(fā)圖像信息，再加上電源電路和JTAG接口電路，ZigBee模塊的硬件設(shè)計(jì)完成，該模塊可以加上攝像頭采集信息，也可以單獨(dú)構(gòu)成通信模塊（中繼節(jié)點(diǎn)），加上串口和PC機(jī)構(gòu)成了系統(tǒng)的接收模塊。圖5為ZigBee模塊實(shí)物圖。

圖4 CC2420與處理器的接口電路

圖5 ZigBee模塊實(shí)物圖

1.2其他接口電路的設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)用到的接口電路有RS232串口接口電路和JTAG接口電路，串口通信模塊接單片機(jī)的USART0，采用MAX3232低功耗芯片[8]，這樣使整個(gè)無線節(jié)點(diǎn)能方便地工作在3.3V下，進(jìn)一步降低了系統(tǒng)的功耗。ATmega1281的JTAG接口是一個(gè)完全兼容IEEE 1149標(biāo)準(zhǔn)的4線控制接口，ATMEL的AVR單片機(jī)對(duì)此標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了擴(kuò)展，使之可以具有完全的編程能力和實(shí)時(shí)在線仿真特性[5]。

2軟件設(shè)計(jì)

2.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)由PC機(jī)、ZigBee模塊和攝像頭模塊組成。工作時(shí)的命令傳輸示意圖如圖6所示。

圖6命令傳輸圖

ZigBee模塊通過不斷的監(jiān)聽信道，如果接收到開始信號(hào)，那么開始存儲(chǔ)數(shù)據(jù)至Flash，當(dāng)接收到結(jié)束信號(hào)，則將數(shù)據(jù)從Flash存儲(chǔ)器中讀出轉(zhuǎn)發(fā)到下一個(gè)節(jié)點(diǎn)，具體方式見圖7流程圖。

圖7 ZigBee節(jié)點(diǎn)工作流程圖

2.2圖像的接收與發(fā)送

CC2420完全支持IEEE 802.15.4幀格式，其數(shù)據(jù)幀格式在1.1部分已有闡述，在接收模式中，CC2420通過0字符來進(jìn)行同步，并查找同步字中定義的SFD，如果同步字最低位是0XF，將會(huì)被忽略。默認(rèn)的設(shè)置是0XA70F，這樣會(huì)增加更多的0字符以便同步，同時(shí)也能降低噪聲的影響。

幀長(zhǎng)度說明了MPDU的長(zhǎng)度，CC2420在發(fā)送和接收數(shù)據(jù)時(shí)，都要使用幀長(zhǎng)度區(qū)，用于指示溢出。發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，先將CC2420設(shè)置為發(fā)送模式。將要發(fā)送的數(shù)據(jù)加上幀控制，幀序列號(hào)，目的地址等幀信息后封裝成數(shù)據(jù)幀。通過SPI總線將數(shù)據(jù)幀寫入到CC2420發(fā)送寄存器TXFIFO中，最后將數(shù)據(jù)幀發(fā)送到目的節(jié)點(diǎn)。

接收數(shù)據(jù)時(shí)，首先將CC2420設(shè)置為接收模式。CC2420接收寄存器RXFIFO接收到數(shù)據(jù)包之后觸發(fā)單片機(jī)的FIFOP中斷，單片機(jī)在中斷處理時(shí)，若芯片緩存未溢出且有可用的RAM空間，則啟動(dòng)讀RXFIFO任務(wù)將數(shù)據(jù)包讀入到單片機(jī)中再將RXFIFO清空，否則等待。

2.3圖像的存儲(chǔ)

我們選用的Flash芯片AT45DB161D最大可存儲(chǔ)2M字節(jié)，有兩個(gè)528K的緩沖區(qū)，對(duì)于Flash的讀寫就必須通過對(duì)緩沖區(qū)的操作來實(shí)現(xiàn)，下面給出Flash存儲(chǔ)的讀寫數(shù)據(jù)過程的算法流程：

中繼節(jié)點(diǎn)將接收到的數(shù)據(jù)包先存儲(chǔ)至Flash，待發(fā)送端數(shù)據(jù)發(fā)送完畢停止發(fā)送時(shí)，再從Flash中讀出數(shù)據(jù)包進(jìn)而轉(zhuǎn)發(fā)給接收節(jié)點(diǎn)，這樣有效的解決了信道的沖突問題，避免了其他無關(guān)信號(hào)對(duì)本節(jié)點(diǎn)的干擾。

3系統(tǒng)測(cè)試及分析

給系統(tǒng)中各節(jié)點(diǎn)上電并下載相應(yīng)的程序后，在改變圖像大小、傳輸距離、增添障礙物的情況下，對(duì)系統(tǒng)做了一系列測(cè)試。首先，選擇圖像大小為320×240時(shí)，改變兩節(jié)點(diǎn)之間的距離，記錄傳輸一幀圖像的誤碼率，接著選擇了圖像大小為480×320做了一組實(shí)驗(yàn)，傳輸距離最近選擇了10m，最遠(yuǎn)到200m，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8：

圖8傳輸距離-誤碼率曲線圖

由圖8可見，單跳最遠(yuǎn)無失真?zhèn)鬏斁嚯x為45米，距離再增加時(shí)，通信質(zhì)量迅速下降。設(shè)置采集節(jié)點(diǎn)和接收節(jié)點(diǎn)之間的距離為90m并在中點(diǎn)加一跳中繼的情況下，誤碼率仍然為0，因此以上結(jié)論得到驗(yàn)證，同時(shí)此時(shí)的傳輸時(shí)間由單跳時(shí)的6.0s增加至8.7s，這是因?yàn)閱翁膫鬏敃r(shí)間由圖像采集時(shí)間和CC2420發(fā)送時(shí)間構(gòu)成，兩跳時(shí)發(fā)送時(shí)間加倍，再加上一次采集時(shí)間，得知CC2420發(fā)送一張圖像的時(shí)間大致為2.7s。

以上的實(shí)驗(yàn)都是在空曠的場(chǎng)所進(jìn)行的，接下來我們?cè)诜忾]環(huán)境下對(duì)本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)進(jìn)行了進(jìn)一步測(cè)試。在相鄰的兩間教室里（墻厚約為30cm），單跳傳輸無任何誤碼，在相間的兩間教室時(shí)，平均誤碼率上升為0.013，但是30次實(shí)驗(yàn)中有22次是無誤碼傳輸，若在中間的教室加一個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)，平均誤碼率變?yōu)?。當(dāng)發(fā)送節(jié)點(diǎn)和接收節(jié)點(diǎn)之間間隔兩間教室（三面墻）時(shí)，平均誤碼率上升為0.069，此時(shí)30次實(shí)驗(yàn)中沒有出現(xiàn)無誤碼傳輸?shù)那闆r。可見該系統(tǒng)在面臨大障礙物時(shí)仍然能夠?qū)崿F(xiàn)有效通信，當(dāng)大障礙物較多時(shí)，可以通過“多跳”的方式實(shí)現(xiàn)圖像的無失真?zhèn)鬏?。誤碼率為0、0.013、0.069時(shí)，終端接收到的圖像對(duì)比如圖9所示。

圖9誤碼率-圖像質(zhì)量

4結(jié)論

經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，本文設(shè)計(jì)的基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的多跳圖像傳輸系統(tǒng)能夠正確有效地傳輸圖像，并且能夠?qū)崿F(xiàn)多點(diǎn)采集，構(gòu)成Mesh型網(wǎng)絡(luò)，從而實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)圖像信息的傳輸。節(jié)點(diǎn)采用電池供電，方便節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)，由于Mesh型網(wǎng)絡(luò)具有自組織和自愈功能，使網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成動(dòng)態(tài)的整體，可以隨時(shí)添加和刪減節(jié)點(diǎn)。該傳輸系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)始終以低功耗為原則，避免了頻繁地更換電池，為此它可以使用在一些惡劣的環(huán)境，在軍工、民用方面都能得到廣泛的應(yīng)用。在ZigBee模塊的設(shè)計(jì)中加入音頻管理芯片后，就能夠?qū)崿F(xiàn)視頻的傳輸，擴(kuò)展了本系統(tǒng)的功能，使之能得到更加廣泛的應(yīng)用，這項(xiàng)工作將在我們的后續(xù)工作中進(jìn)行。

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