王福生

（中國通號工程局集團有限公司天津分公司，天津 300240）

隨著武廣高鐵、哈大高鐵等一批高速客運專線的開通運營，我國進入了高鐵時代。在高鐵時代，鐵路信息化建設將發(fā)揮更加重要的作用。鐵路安防系統(tǒng)通過與信息技術相結(jié)合可以最大程度降低人為因素對行車安全的影響?；跓o線網(wǎng)絡技術的列車監(jiān)控圖像系統(tǒng)可以實現(xiàn)對列車車廂全覆蓋監(jiān)控。當列車重新編組時，系統(tǒng)能夠自動組網(wǎng)，無需人工干預。

1 ZigBee協(xié)議

1.1 ZigBee協(xié)議特點[1]

ZigBee是一種短距離、低速率無線網(wǎng)絡技術。ZigBee的物理層和低級MAC層以IEEE?802.15.4作為協(xié)議標準。ZigBee可以組成星狀、樹狀和網(wǎng)狀無線網(wǎng)絡，網(wǎng)絡以接力的方式高效地傳遞數(shù)據(jù)。

ZigBee有3種工作頻率，分別為2.4?GHz（全球通用）、868?MHz（歐洲）和 915?MHz（美國），相應的傳輸速率分別為250、20、40?kbit/s。網(wǎng)絡結(jié)點間的距離可以從標準的75?m，到擴展后的幾百m，甚至幾km。ZigBee協(xié)議主要有如下特點。

1）高可靠性。采用了CSMA/CA（載波監(jiān)聽多路訪問/碰撞避免）機制，同時預留專用的時隙用于需要固定帶寬的通信業(yè)務，避免了發(fā)送時數(shù)據(jù)的競爭和沖突；各節(jié)點模塊之間具有自組網(wǎng)功能，信息在整個ZigBee網(wǎng)絡中通過自動路由的方式傳輸，從而保證信息傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

2）高安全性，保密性。ZigBee提供了數(shù)據(jù)完整性檢查和鑒權(quán)功能，采用64位出廠編號并支持通用的AES-128加密算法。

3）網(wǎng)絡的自組織、自愈能力強。無需人工干預，網(wǎng)絡結(jié)點能感知其他結(jié)點的存在，并確定連接關系，組成結(jié)構(gòu)化的網(wǎng)絡。ZigBee網(wǎng)絡能夠增加、刪除或移動結(jié)點，結(jié)點發(fā)生故障時網(wǎng)絡能夠自我修復無需人工干預，保證整個系統(tǒng)仍然能正常工作。

1.2 ZigBee協(xié)議棧及網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)

ZigBee協(xié)議棧由一組子層構(gòu)成，每層為其上層提供一組特定的服務：一個數(shù)據(jù)實體提供數(shù)據(jù)傳輸服務，一個管理實體提供全部其他服務。每個服務實體通過一個服務接入點（SAP）為其上層提供服務接口，并且為每個SAP提供一系列的基本服務指令來實現(xiàn)相應的功能。ZigBee協(xié)議棧的體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。

ZigBee采用基于OSI-7的協(xié)議體系[2]，IEEE80.15.4標準制定了物理層和媒體介質(zhì)接入控制子層；網(wǎng)絡層和應用層由ZigBee聯(lián)盟負責制定。

ZigBee網(wǎng)絡中定義了3種類型設備，分別是網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器、全功能節(jié)點（FFD）和半功能節(jié)點（RFD）。網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器負責管理本網(wǎng)絡，有維護路由鏈表的能力，且每個網(wǎng)絡中只有一個網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器；全功能節(jié)點起到路由的作用，負責與所控制的子節(jié)點通信、匯集數(shù)據(jù)和發(fā)布控制；半功能節(jié)點指的是網(wǎng)絡中的終端節(jié)點。3種類型設備可以組成星狀、樹狀或網(wǎng)狀網(wǎng)絡。ZigBee網(wǎng)狀網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2 列車監(jiān)控圖像傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)主要由圖像采集系統(tǒng)、無線圖像傳輸網(wǎng)絡和列車監(jiān)控終端組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖像采集系統(tǒng)部分采用OmniVision公司的CMOS圖像傳感器芯片OV7648[3]和AD公司的高性能JPEG2000專用壓縮芯片ADV202，實現(xiàn)實時監(jiān)控圖像的采集、壓縮功能。圖像采集系統(tǒng)原理如圖4所示。

無線圖像傳輸網(wǎng)絡采用基于ZigBee協(xié)議的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，通過串行接口與ADV202相連接。終端子節(jié)點接收經(jīng)過ADV202壓縮后的圖像數(shù)據(jù)，通過ZigBee網(wǎng)絡傳輸至列車監(jiān)控中心。

列車監(jiān)控中心的ZigBee模塊作為網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器接收各車廂傳送的實時監(jiān)控圖像，圖像經(jīng)過ADV202解碼后送至顯示設備供監(jiān)控人員調(diào)用。

3 圖像處理算法及仿真

3.1 JPEG2000標準

JPEG2000是JPEG組織制定的新一代圖像壓縮標準。它放棄了JPEG標準所采用的以離散余弦變換（Discrete?Cosine?Transform，DCT）為主的區(qū)塊編碼方式，改用以離散小波變換（Discrete?Wavelet?Transform，DWT）為主的多解析編碼方式，同時支持無損壓縮和有損壓縮，漸進式傳輸?？蓪D像進行 ROI（Region?of?Interest）編碼，具有很高的壓縮效率和容錯性。JPEG2000編碼系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示。圖像壓縮算法仿真對比圖如圖6所示。

3.2 二維小波變換[4]

對二維圖像進行小波分解，首先定義尺度函數(shù)：

再定義3個方向的小波函數(shù)：

式中，j是尺度標號，m，n是位置標號，i代表水平H，垂直V和對角線方向D。則尺寸為M×N的函數(shù)f（x，y）的離散小波變換為：

式中：j0是任意的開始尺度；cj0（m，n）是在尺度j0的f（x，y）的近似。

當j≥j0，dj（m，n）附加了水平、垂直和對角線方向的細節(jié)。通常令j0=0，并且選擇N=M=2i，j=0，1，…，J-1；m、n=0，1，2，…，2j－ 1。f（x，y）可以通過離散逆小波變換得到。若二維變換的基核可分，則二維尺度函數(shù)Φ（x，y）和3個方向的小波函數(shù) ψH（x，y）、ψV（x，y）和 ψD（x，y）都是一維尺度函數(shù)Φ和相應的小波函數(shù)ψ的乘積。

ψH度量沿著列的變化，ψV響應沿著行的變化，?ψD對應對角線方向的變化。

4 高鐵沿線網(wǎng)絡

哈大高鐵390?km，沿途經(jīng)過沈陽站、遼陽站、鞍山站、海城站、大石橋站、鲅魚圈站、瓦房店站、大連北站、大連站，共9個高鐵站，兩個站間40多km，基于ZigBee協(xié)議的列車監(jiān)控圖像傳輸系統(tǒng)是無線網(wǎng)絡、物聯(lián)網(wǎng)技術的應用。該無線網(wǎng)絡布網(wǎng)很容易，具體實施時，每1?km左右設一節(jié)點，放在高架橋上，每個高鐵站設一服務器，負責處理相鄰高鐵站間無線網(wǎng)絡節(jié)點的處理，無線網(wǎng)絡節(jié)點可以和經(jīng)過它的動車通信，這樣地面高鐵站和動車建立了通信聯(lián)系。哈大高鐵9個高鐵站構(gòu)成有線局域網(wǎng)，采用雙環(huán)狀網(wǎng)。

5 結(jié)束語

本文設計的基于ZigBee協(xié)議的列車監(jiān)控圖像傳輸系統(tǒng)是鐵路安防系統(tǒng)的重要組成部分之一，可以有效地預防、打擊犯罪，同時起到客流量統(tǒng)計的作用。乘警可以通過本系統(tǒng)調(diào)取實時列車監(jiān)控圖像，辨認犯罪嫌疑人；列車集中控制中心（CTC）可以據(jù)此動態(tài)調(diào)整后續(xù)車站行車組織，合理地分流旅客，緩解旅客出行高峰。

[1]李文仲，段朝玉.ZigBee無線網(wǎng)絡技術入門與實戰(zhàn)[M].北京：北京航空航天大學出版社，2007.

[2] http://www.zigbee.org/Home.aspx

[3]尹湘源，朱忠杰，凌志浩，等.基于ZigBee協(xié)議的圖像無線傳輸系統(tǒng)設計[J].微計算機信息，2009，25（2）：32-33.

[4]全子一.圖像信源壓縮編碼及信道傳輸理論與新技術[M].北京：北京工業(yè)大學出版社，2006.

[5]王華，李有軍，劉建存.MATLAB電子仿真與應用教程[M].2版.北京：國防工業(yè)出版社，2007.

[6]郝燕玲，劉營.應用于JPEG2000的離散小波變換并行超大規(guī)模集成結(jié)構(gòu)[J].光學精密工程.2009，17（5）：1181-1186.

[7] Rafael C.Gonzalez，Richard E.Woods.Digital Image Processing Second Edition[M].北京：電子工業(yè)出版社，2006.