基于ZigBee的圖像采集傳輸系統的設計與實現*

高 韋，許耀華，胡艷軍，姜新紅，仇樂樂，師慶敏，魏海燕

（安徽大學 計算智能與信號處理教育部重點實驗室，安徽 合肥230039）

無線多媒體傳感器網絡WMSN(Wireless Multimedia Sensor Networks)[1]是隨著物聯網技術的廣泛應用及多媒體信息的需求而出現的。它在無線傳感器網絡中引入了低功耗多媒體信息處理。無線傳感器網絡WSN（Wireless Sensor Networks）[2]由部署在監測區域內大量的廉價微型傳感器節點組成，并通過無線通信方式形成的一個多跳、自組織的網絡系統，其目的是協作地感知、采集和處理網絡覆蓋區域中被感知對象的信息，并發送給觀察者。傳感器、感知對象和觀察者構成了無線傳感器網絡的三個要素。WMSN由于具有豐富的傳感信息已經成為一個研究熱點，被廣泛應用于分布式監控、環境監控、目標跟蹤及圖像注冊等場合。

本文設計并實現了一個能夠實現無線多點圖像采集的低功耗WMSN系統，系統由多種供電方式的遠端采集節點和匯聚網關節點構成。在數據中心完成所有數據的匯總、存儲、分析、演示等功能。

1 系統結構設計及實現

系統以典型的家居或樓宇監控為設計背景，實現多點或多方位的圖像采集并能夠實現無線多跳中繼傳輸的目標，同時還要滿足低功耗的要求。系統工作原理是：遠端采集節點的攝像頭周期性地采集并壓縮監控場景圖像，利用節點無線傳輸功能，基于無線傳感網的通信協議上傳數據，節點間具有多跳中繼的能力，最后匯聚到網關節點，實現信息數據的匯總，由監控計算機實現數據存儲、分析、展示功能，或者遠程處理信息。由于系統需要基于無線傳感器網絡在監測區域內大量部署，所以要通過無線通信方式形成一個多跳自組織網絡，要具有低功耗、低成本、分布式和自組織的特點。

1.1 系統實現過程

系統工作示意圖如圖1所示。當網關（協調器）上電以后，它會自動建立一個網絡，遠端節點會加入網絡并完成綁定，當系統通過ZigBee[3]協議組網完成以后，節點控制攝像頭周期性地采集圖像，無線上傳給中繼并最終無線上傳給網關，或者節點直接無線傳輸給網關，網關將匯聚到的多個節點圖像數據通過串口上傳給計算機。此外，系統還設計了手動向遠端節點發送拍攝指令的方式。系統組網簡單，可以實現近距離的數據傳輸，也可以通過中繼實現較遠距離的數據多跳傳輸。每個網關可以帶多個節點，同時每個節點也可以帶多個攝像頭。

1.2 射頻模塊設計

射頻模塊電路圖如圖2所示。主要由片上系統CC2530[4]及其外圍電路構成。射頻芯片CC2530在單個芯片上整合了ZigBee射頻(RF)前端、內存和微控制器，在接收和發射模式下，電流損耗分別為24 mA和29 mA。CC2530具有不同的運行模式，尤其適應超低功耗要求的系統，運行模式之間的轉換時間較短，進一步確保了低能消耗，因此，CC2530芯片尤其適合于要求電池壽命較長的應用場合。

1.3 節點和網關設計

遠端節點基于CC2530 SoC平臺，利用具有JPEG壓縮功能的CMOS攝像頭完成圖像采集，基于ZigBee無線傳感網通信協議實現無線多跳傳輸控制。ZigBee是IEEE 802.15.4協議的代名詞，采用全球通用的2.4 GHz ISM傳輸頻帶，是一種廉價、自組織、低功耗的近距離無線組網技術。

系統的硬件主要包括網關和節點兩個部分，完成硬件電路PCB[5]設計及控制程序的編寫、實現圖像的采集和無線傳輸。

1.3.1 節點

節點的主要部分電路原理圖如圖3所示。為了提高遠端節點應用的多樣性，采用了太陽能電池供電、安全帽照明鋰電池供電、通用普通電池供電、USB接口供電、仿真器直接供電5種供電方式。

對不同的供電方式要有相應的電壓轉換控制電路，其中太陽能電池供電方式、礦工安全帽鋰電池供電方式及USB接口供電方式都采用電壓轉換芯片TPS79533轉換為節點工作電壓。節點主要接口包括CC2530模塊接口、JTAG仿真器接口、串口攝像頭接口、電池底座接口、礦工帽直流電源接口、復位按鍵和雙排20針I/O擴展接口，這些擴展接口將芯片的硬件資源向外擴展出來，用戶可以根據自己的需要制作外圍設備，例如接溫度傳感器等。

1.3.2 網關

網關的功能就是通過系統構建的自組織網絡，對每個節點所采集到的信息進行匯聚，然后再上傳到上位機。主要功能模塊是如圖4所示的USB轉串口電路，及網關的電源轉換模塊，其電源模塊與節點的電源模塊類似，采用與遠端節點類似的4種供電方案：太陽能電池供電、普通電池供電、電腦USB供電、仿真器直接提供供電，由電壓轉換芯片將電壓轉換為核心控制器CC2530需要的3.3 V工作電壓。

1.4 系統數據中心軟件設計

系統軟件界面是基于Visual C++6.0[6]環境下編寫的，實現了參數設置、圖像瀏覽、拓撲結構顯示、數據分析和列表等功能。參數設置包括對采集周期、圖像大小（80×60、160×128、320×240、640×480）和發送方式(廣播或單播)的設置。為了方便用戶使用，圖像瀏覽功能不僅包括了一般的上下翻頁瀏覽，還可以對所拍攝的圖像進行定時自動瀏覽。拓撲結構顯示功能可以顯示節點和網關之間的拓撲關系?？梢栽跀祿治鲋袑δ骋粋€節點的信息進行具體分析。在數據列表中包含了節點、網關的物理地址和網絡地址、節點的溫度和電壓信息以及圖片的拍攝日期等。

2 系統測試、實驗結果及分析

對設計的系統硬件和軟件進行了實際環境測試，給網關和節點上電以后，以網關為中心建立一個網絡，節點會自動加入網關建立的網絡中。

以遠端節點太陽能電池供電為例進行測試，可以將節點和太陽能電池封裝在一起。采用監控計算機的USB數據線直接給網關供電，待節點加入網關建立的網絡之后，設置遠端節點的信息采集方式，即采集圖像的周期大小等參數。網關匯聚各遠端節點的無線傳輸數據，并傳給上位機進行信息處理。

在圖像大小選擇為320×240的情況下，單跳傳輸時間約為40 s，經室內環境和室外環境的測試，在單跳情況下的測試結果如下：

（1）最遠無失真的傳輸距離約為 30 m。

（2）在30 m～100 m之間，節點雖然可以加入網關建立的網絡，但是它上傳給網關的圖像會出現較嚴重的丟包現象，恢復之后的圖像效果較差，甚至無法恢復。

（3）當節點和網關的距離大于 100 m時，節點無法入網，需要在中間添加中繼來實現較遠距離的數據傳輸。在加入中繼的情況下，可以在不同樓層之間、不同樓棟之間實現圖像的多跳傳輸。實驗測試了樓層間多跳傳輸，將一樓工作的節點采集數據，通過二樓樓梯中間的中繼節點，實現了在二樓可以正常接收節點上傳的圖像，兩跳的距離約為50 m。

（4）在選擇其他分辨率的情況下，在室內環境也進行了單跳測試， 測試時間：80×60約為 15 s，160×128約為 30 s，640×480 約為 60 s。

（5）實驗還選擇了室內和室外兩種不同環境進行測試，初步顯示了在單跳情況下，傳輸距離在30 m以內時，圖像的恢復效果較好。

本文主要從硬軟件兩個方面介紹了基于ZigBee的圖像采集傳輸系統的設計，實現了網關和節點的原理圖設計和控制軟件的編寫，基于CC2530硬件模塊和Zig-Bee無線通信協議實現圖像數據的傳輸。由測試實驗結果可知，系統實現了多點圖像信息的獲取，并且可以無線多跳傳輸，擴展性能強。測試過程中也發現了如圖像數據丟包造成數據恢復較差的問題、下行控制有較大延時問題等。這些問題將在以后的研究工作中改進，并將語言等多媒體信息及檢測環境綜合信息等作為采集傳輸對象，實現無線多媒體傳感網的實際應用。

[1]馬超，葉湘濱，胡冰.無線多媒體傳感器網絡中相機節點的設計與實現[J].傳感器與微系統,2008，27(12)：79-81.

[2]POTTIE G.Wireless sensor networks[J].Information Theory Workshop，1998，22(10)：139-140.

[3]金純.ZigBee技術基礎及案例分析[M].北京：國防工業出版社，2008：16-52.

[4]CHOI S，CHA H，CHO S.A SoC-based sensor node：evaluation of RETOS-enabled CC2430[J].IEEE Secon，2007，20：132-141.

[5]鄭一力.Protel 99SE電路設計與制版入門與提高[M].北京：人民郵電出版社，2008：63-95.

[6]劉銳寧，梁水，宋坤.Visual C++程序開發范例寶典[M].北京：人民郵電出版社，2009：20-198.