基于ZigBee協議的列車監控圖像傳輸系統的設計

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揮更加重要的作用。鐵路安防系統通過與信息技術相結合可以最大程度降低人為因素對行車安全的影響。基于無線網絡技術的列車監控圖像系統可以實現對列車車廂全覆蓋監控。當列車重新編組時，系統能夠自動組網，無需人工干預。

1 ZigBee協議

1.1 ZigBee協議特點[1]

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

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。網絡結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協議主要有如下特點。

1）高可靠性。采用了CSMA/CA（載波監聽多路訪問/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務，避免了發送時數據的競爭和沖突；各節點模塊之間具有自組網功能，信息在整個ZigBee網絡中通過自動路由的方式傳輸，從而保證信息傳輸的可靠性。

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

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

1.2 ZigBee協議棧及網絡拓撲結構

ZigBee協議棧由一組子層構成，每層為其上層提供一組特定的服務：一個數據實體提供數據傳輸服務，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相應的功能。ZigBee協議棧的體系結構如圖1所示。

ZigBee采用基于OSI-7的協議體系[2]，IEEE80.15.4標準制定了物理層和媒體介質接入控制子層；網絡層和應用層由ZigBee聯盟負責制定。

ZigBee網絡中定義了3種類型設備，分別是網絡協調器、全功能節點（FFD）和半功能節點（RFD）。網絡協調器負責管理本網絡，有維護路由鏈表的能力，且每個網絡中只有一個網絡協調器；全功能節點起到路由的作用，負責與所控制的子節點通信、匯集數據和發布控制；半功能節點指的是網絡中的終端節點。3種類型設備可以組成星狀、樹狀或網狀網絡。ZigBee網狀網絡拓撲結構如圖2所示。

2 列車監控圖像傳輸系統結構

本系統主要由圖像采集系統、無線圖像傳輸網絡和列車監控終端組成。系統結構如圖3所示。

圖像采集系統部分采用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，實現實時監控圖像的采集、壓縮功能。圖像采集系統原理如圖4所示。

無線圖像傳輸網絡采用基于ZigBee協議的網狀結構，通過串行接口與ADV202相連接。終端子節點接收經過ADV202壓縮后的圖像數據，通過ZigBee網絡傳輸至列車監控中心。

列車監控中心的ZigBee模塊作為網絡協調器接收各車廂傳送的實時監控圖像，圖像經過ADV202解碼后送至顯示設備供監控人員調用。

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。可對圖像進行 ROI（Region?of?Interest）編碼，具有很高的壓縮效率和容錯性。JPEG2000編碼系統結構如圖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：

再定義3個方向的小波函數：

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。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Φ（x，y）和3個方向的小波函數 ψH（x，y）、ψV（x，y）和 ψD（x，y）都是一維尺度函數Φ和相應的小波函數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 高鐵沿線網絡

哈大高鐵390?km，沿途經過沈陽站、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協議的列車監控圖像傳輸系統是無線網絡、物聯網技術的應用。該無線網絡布網很容易，具體實施時，每1?km左右設一節點，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絡節點的處理，無線網絡節點可以和經過它的動車通信，這樣地面高鐵站和動車建立了通信聯系。哈大高鐵9個高鐵站構成有線局域網，采用雙環狀網。

5 結束語

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

[1]李文仲，段朝玉.ZigBee無線網絡技術入門與實戰[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協議的圖像無線傳輸系統設計[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模集成結構[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：電子工業出版社，2006.