基于WMSNs的圖像數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

張 伏， 劉紅梅， 張亞坤， 王 俊， 邱兆美

(河南科技大學(xué) 農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，河南 洛陽 471003)

基于WMSNs的圖像數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

張 伏， 劉紅梅， 張亞坤， 王 俊， 邱兆美

(河南科技大學(xué) 農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，河南 洛陽 471003)

無線多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)(WMSNs)節(jié)點(diǎn)存在功耗大、體積大和抗損毀性差等問題，且不適合大規(guī)模使用。該研究圍繞WMSNs節(jié)點(diǎn)的關(guān)鍵技術(shù)展開研究，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)圖像數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)牡凸摹⒏咝实南到y(tǒng)，該系統(tǒng)采用三層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行圖像數(shù)據(jù)無線傳輸，構(gòu)造了性能優(yōu)化、結(jié)構(gòu)優(yōu)良的WMSNs，以此解決了WMSNs的圖像傳輸關(guān)鍵問題。在搭建的開發(fā)與測(cè)試環(huán)境中，完成了節(jié)點(diǎn)通信距離的測(cè)試和節(jié)點(diǎn)功耗測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明：該測(cè)試平臺(tái)性能良好，能夠?qū)崿F(xiàn)圖像數(shù)據(jù)的可靠傳輸。該研究為WMSNs圖像數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供研究基礎(chǔ)和思路。

無線多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)； 圖像傳輸； 低功耗

0 引 言

無線多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)(WMSNs)隨著多媒體信息的需求而出現(xiàn)，其引入的音頻、視頻、圖像等多媒體信息，成為連通物理世界、人類社會(huì)和計(jì)算機(jī)語言的橋梁[1～3]。由于其處理的多媒體信息具有信息量大、壓縮難的特點(diǎn)，WMSNs中的傳感器比傳統(tǒng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSNs)中的節(jié)點(diǎn)消耗更多的能量[4,5]。為延長(zhǎng)節(jié)點(diǎn)生命周期，開發(fā)低成本、低功耗的傳感器節(jié)點(diǎn)，降低多媒體數(shù)據(jù)在傳輸過程中的能量損耗是考慮的主要因素之一。

目前，國(guó)內(nèi)外已開發(fā)出多種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，但對(duì)WMSNs及其應(yīng)用研究尚屬起步階段，主要集中于體系結(jié)構(gòu)上研究，搭建的WMSNs平臺(tái)多處于實(shí)驗(yàn)室階段，并未廣泛使用，或僅處理一些數(shù)據(jù)量小的文本信息[6～8]。本文研究的WMSNs節(jié)點(diǎn)采用軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)方法，將網(wǎng)絡(luò)管理和圖像數(shù)據(jù)處理相結(jié)合，和已有的WMSNs節(jié)點(diǎn)相比，大幅度降低了節(jié)點(diǎn)功耗、體積和成本，該研究為WMSNs圖像數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供研究基礎(chǔ)和思路。

1 圖像傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖像傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)包括傳感器節(jié)點(diǎn)、匯聚節(jié)點(diǎn)和控制管理中心。WMSNs結(jié)構(gòu)采用三層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，即數(shù)據(jù)采集層、系統(tǒng)通信層和管理層，三層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的層間協(xié)作提高了網(wǎng)絡(luò)的容錯(cuò)性和靈活性。傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 圖像傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本文研究的多媒體傳感器節(jié)點(diǎn)是由圖像采集模塊、無線通信模塊、微處理器模塊和電源模塊四部分組成，見圖2。圖像采集模塊對(duì)環(huán)境進(jìn)行圖像信息采集，同時(shí)對(duì)采集的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行初步處理；無線通信模塊負(fù)責(zé)與其他傳感器節(jié)點(diǎn)間的無線通信，交換控制信息和收發(fā)采集數(shù)據(jù)；微處理器模塊控制整個(gè)多媒體傳感器節(jié)點(diǎn)的行為，如存儲(chǔ)和處理自身采集的圖像數(shù)據(jù)；電源模塊為多媒體傳感器節(jié)點(diǎn)供應(yīng)能量。

圖2 多媒體傳感器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖

2.1 圖像采集模塊

圖像傳感器節(jié)點(diǎn)的圖像采集模塊采用圖像傳感器，本研究選擇CMOS傳感器。設(shè)計(jì)采用具有標(biāo)準(zhǔn)的三線式RS—232通信接口和簡(jiǎn)單的圖像傳輸協(xié)議的PTC08串口攝像頭對(duì)監(jiān)測(cè)環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控。硬件原理圖見圖3。

圖3 PTC08硬件原理圖

2.2 無線通信模塊

本設(shè)計(jì)采用射頻模塊(RFM)實(shí)現(xiàn)短距離無線通信。射頻模塊自身提供物理層的收發(fā)數(shù)據(jù)傳輸功能，可大幅度減少系統(tǒng)能耗。射頻芯片采用挪威Nordic公司的nRF905，工作于433 MHz的ISM頻段，能通過程序配置輸出功率和通信頻道。nRF905作為發(fā)射模塊，利用串行外設(shè)接口(SPI)實(shí)現(xiàn)雙向通信，見圖4。SPI支持高速數(shù)據(jù)傳輸，以此滿足射頻帶寬要求。

圖4 nRF905硬件原理圖

2.3 微處理器模塊

節(jié)點(diǎn)微處理器是整個(gè)節(jié)點(diǎn)的核心，本文采用通用的低功耗單片機(jī)MSP430F149作為主芯片，TI公司的MSP430系列單片機(jī)作為微處理器模塊，適合應(yīng)用于電池供電的場(chǎng)合。硬件原理圖見圖5。

圖5 MSP430F149硬件原理圖

2.4 能源供應(yīng)模塊

本設(shè)計(jì)無線模塊電路供電采用輸出3.3 V的低壓差電壓調(diào)節(jié)器，見圖6。LM1117—3.3不僅滿足系統(tǒng)要求，還具有封裝小，有效節(jié)約PCB板面積的優(yōu)點(diǎn)。

圖6 LM1117—3.3硬件原理圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 主程序設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)方法。圖像傳輸系統(tǒng)軟件需實(shí)現(xiàn)圖像采集、系統(tǒng)控制、無線通信、圖像顯示等功能。為減少損耗，程序設(shè)計(jì)采用中斷方式。主程序流程見圖7，在系統(tǒng)完成初始化后，進(jìn)入低功耗休眠模式，等待被中斷喚醒且執(zhí)行中斷程序，中斷執(zhí)行完畢后，系統(tǒng)回到終端前的狀態(tài)，繼續(xù)執(zhí)行低功耗模式。

圖7 主程序流程圖

3.2 圖像采集

WMSNs系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)程序由管理層的管理控制中心發(fā)出，攝像頭PTC08的參數(shù)設(shè)置通過I/O接口對(duì)相應(yīng)的寄存器做讀寫操作來實(shí)現(xiàn)，其實(shí)現(xiàn)了對(duì)攝像頭芯片進(jìn)行讀寫函數(shù)的封裝。圖像采集流程圖見圖8。

圖8 圖像采集流程圖

4 系統(tǒng)性能測(cè)試與分析

4.1 節(jié)點(diǎn)通信距離測(cè)試

系統(tǒng)測(cè)試在室內(nèi)和室外兩種環(huán)境下進(jìn)行，每種實(shí)驗(yàn)環(huán)境下每個(gè)通信距離測(cè)試5次，并取平均值，分別記錄發(fā)送字節(jié)數(shù)、接收字節(jié)數(shù)和丟失字節(jié)數(shù)，最后計(jì)算丟包率，確定最遠(yuǎn)通信距離。本次實(shí)驗(yàn)在通信相對(duì)較差的環(huán)境下進(jìn)行，天線高度僅為45 cm，發(fā)射功率設(shè)定為6 dBm，攝像頭波特率為38 400。

室內(nèi)以學(xué)校樓道走廊為場(chǎng)景，走廊寬2.5 m，在視距范圍內(nèi)無障礙物遮擋。室外以學(xué)校空地為實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1。

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)：室內(nèi)外傳輸圖片圖像的丟包率隨著通信距離增加而增加，合理設(shè)置網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的通信距離能提高整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的可靠性。圖像數(shù)據(jù)傳輸在節(jié)點(diǎn)通信有效的范圍內(nèi)能正常傳輸，在通信范圍外，節(jié)點(diǎn)丟包率很大，傳輸失效。

表1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

4.2 節(jié)點(diǎn)功耗測(cè)試

為測(cè)量節(jié)點(diǎn)能量損耗，系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)采用3節(jié)普通1.5 V電池供電，節(jié)點(diǎn)分別在5,10,20 min采集一次圖像數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)環(huán)境選在節(jié)點(diǎn)應(yīng)用最普遍的室外，每種頻率下進(jìn)行5次實(shí)驗(yàn)取平均值，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表2。

表2 節(jié)點(diǎn)功耗實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

由表2可以看出:工作電壓隨發(fā)送次數(shù)的增加而降低，降低發(fā)送頻率可增加使用壽命。

實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，能量損耗到一定程度后，接收到的圖像數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)將小于發(fā)送的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)，說明此時(shí)已不能正常工作，應(yīng)停止記錄數(shù)據(jù)。實(shí)際應(yīng)用中，可比較兩次采集的圖像數(shù)據(jù)，對(duì)于相似度大的圖像可不必重復(fù)傳輸，這不僅能減少能量損耗，還能最大限度的利用帶寬，提高數(shù)據(jù)的傳輸效率。

5 結(jié) 論

本文研究在對(duì)WMSNs分析的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了多媒體傳感器節(jié)點(diǎn)，該節(jié)點(diǎn)采用了MSP430微處理芯片、圖像傳感器PTC08串口攝像頭和射頻收發(fā)器nRF905，以此實(shí)現(xiàn)短距離無線通信。系統(tǒng)采用軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)的方法，大幅度降低節(jié)點(diǎn)功耗、體積和成本，較好地解決了傳感器節(jié)點(diǎn)存在功耗大、體積大的問題，采用的三層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)較好實(shí)現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)的無線傳輸。

[1] 李秋林, 郝 群,宋 勇, 等.面向WMSNs的圖像分層采樣多描述編碼研究[J].北京理工大學(xué)學(xué)報(bào), 2013, 33(6):594-599.

[2] 周春喜, 唐 軍, 金心字.面向目標(biāo)跟蹤的混合WMSNs設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用, 2011, 47(2):52-56.

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Design and realization of image data transmission

system based on WMSNs*ZHANG Fu, LIU Hong-mei, ZHANG Ya-kun, WANG Jun, QIU Zhao-mei

(College of Agricultural Engineering, Henan University of Science and Technology, Luoyang 471003, China)

Nodes of wireless multimedia sensor networks (WMSNs) has problems including large power consumption,large size and poor resistance to damage, which is not suitable for large-scale usage,an image data wireless transmission system of low power consumption and high efficiency is designed and realized based on research of key technology of WMSNs node,three-layer network structure is used for image data wireless transmission to form WMSNs with optimized performance and excellent structure, which solve key problems of image transmission of WMSNs.Communication distance test and power consumption test of nodes are completed in development and test system and environment.Test results show that performance of the test platform of is excellent, and image datas can be reliably transmitted.The research provides reaserch basis and ideas for design of WMSNs image data transmission system.

wireless multimedia sensor networks(WMSNs); image transmission; low power consumption

2014—09—09

河南省高校科技創(chuàng)新人才計(jì)劃資助項(xiàng)目(2012HSTIT015)；河南省教育廳科學(xué)技術(shù)研究重點(diǎn)項(xiàng)目(14B416004，13A416264)；河南省2012年博士后科研項(xiàng)目；河南科技大學(xué)2012年度自然科學(xué)領(lǐng)域創(chuàng)新能力培育基金資助項(xiàng)目(2013ZCX002)

10.13873/J.1000—9787(2015)04—0108—03

TP 919

A

1000—9787(2015)04—0108—03

張 伏(1978-)，男，河北邢臺(tái)人，博士，副教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事農(nóng)業(yè)電氣化與自動(dòng)化方面的研究和教學(xué)工作。