基于ZigBee網絡的多攝像頭圖像數據采集傳輸方法研究*

朱 黎，譚建軍，胡 濤，鐘志峰，徐鵬飛

(1. 湖北民族學院 信息工程學院，湖北 恩施 445000；2.湖北大學 計算機與信息學院，湖北 武漢 430062)

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基于ZigBee網絡的多攝像頭圖像數據采集傳輸方法研究*

朱 黎1，譚建軍1，胡 濤1，鐘志峰2，徐鵬飛1

(1. 湖北民族學院 信息工程學院，湖北 恩施 445000；2.湖北大學 計算機與信息學院，湖北 武漢 430062)

基于ZigBee協議的無線傳感器網絡(簡稱ZigBee網絡)因其工作環境的特殊要求，在設計時既要考慮電路的體積足夠小，又要特別考慮能耗足夠小，這就使得ZigBee網絡的可用資源十分有限。針對ZigBee網絡的低速率(250 KB/s)和極少內存(8 KB)資源的客觀條件，用分割法將傳感器網絡中攝像頭拍攝的一幅圖像數據切割成每64 B為一個數據段的若干數據段，然后將這些數據段封包并采用“選擇路由法”無線傳輸，當一幅圖像數據傳輸完成后，系統將自動規劃新的路由，采集傳輸下一幅圖像數據，直到把ZigBee網絡中所有攝像頭拍攝的圖像數據全部傳輸完。實驗證明，在ZigBee網絡中，該多攝像頭圖像數據采集傳輸方法采集傳輸一幅圖像大小為320×240的彩色圖像僅需要15 s，抗干擾力強，丟包率低，圖像效果良好。

ZigBee網絡；圖像數據；采集；傳輸

0 引言

由于ZigBee網絡的資源有限性，如數據傳輸速率低(最高250 KB/s)、內存小(8 KB)，使得ZigBee網絡在實際應用過程中受到一些限制[1-2]，特別是對于圖像數據和視頻流數據這種數據流量大、更新速度快的數據采集傳輸，ZigBee網絡無法直接采集傳輸這些數據。本文提出了一種用“數據分割法”采集圖像數據和用“選擇路由法”傳輸圖像數據的方案，并通過實驗進行了驗證。在實驗中，本文以CC2530以及PTC01攝像頭為主要設備搭建一定規模的實驗平臺，共設有20個節點end1～end20，2個路由器rout1和rout2，1個協調器coordinator，5個PTC01攝像頭。其中，20個節點中5個節點采集圖像數據，節點與攝像頭之間的連接采用RS232串口連接，其余15個節點用于采集電壓、電流數據。系統拓撲圖如圖1所示。

圖1 多攝像頭圖像數據傳輸示意圖

1 圖像數據的采集

本文圖像數據來源于PTC01系列攝像頭，PTC01系列是一款集圖像采集、拍攝控制、紅外補光、數據壓縮、串口傳輸于一體的工業級圖像采集處理設備,其內置的高性能數字信號處理芯片實現了對原始圖像的高比例壓縮,圖像輸出采用標準 JPEG格式[3]。其主要性能指標如表1所示。

該攝像頭在圖像尺寸設置為640×480時，其圖像數據為25 KB左右，圖像數據完整地保留在攝像頭數據緩存器里。讀取圖像數據可以一次完整地讀取整幅圖像，也可以劃分為多個地址段分別讀取。如果是一次性讀出整張圖像數據，則起始地址就是：00 00 00 00 ，讀出的圖像數據是以 FFD8 開頭，FF D9 結尾。 如果要分多次讀取圖像數據，則第一次讀的起始地址是：00 00 00 00 ，后幾次讀的起始地址就是上一次讀取數據的末尾地址。

表1 PTC01/A 串口攝像頭主要性能參數

圖2 CC2530芯片功能模塊結構框圖

本文中采集圖像數據使用的ZigBee網絡節點硬件是CC2530，其內部功能模塊結構如圖2所示。

該芯片具有256 KB的閃存，8 KB的RAM，由于RAM空間有限，給網絡管理分配了較多空間，因此留給用戶的空間非常小[4-5]。實驗中發現，用于緩存圖像數據的RAM空間最佳設置是64 B，鑒于這種情況，每一次讀取攝像頭數據緩存器中的數據就只能是64 B。研究過程中充分利用PTC01攝像頭中的圖像數據緩存器并結合ZigBee網絡芯片CC2530中資源的最佳配置，確定了ZigBee網絡中最大可采集傳輸數據長度為64 B，并以該數據長度為基準，將圖像傳感器數據緩存器中的圖像數據進行分割處理[6]，數據包長度描述如下式：

(1)

圖3 圖像數據采集流程圖

其中，K為完整圖像數據大小，Xi為第i個數據包的長度(均為64 B)。

采集節點每次讀取和發送的數據為ReadSensorData(uint8 *pData)，其中*pData=pData[Xi]。根據各數據段的起始地址與結束地址，可以建立地址尋址表，ZigBee網絡將依次對規劃好的圖像傳感器緩存器中的圖像數據進行采集，將地址數據、圖像數據、圖像數據長度等進行封包處理。采集圖像數據的流程圖如圖3所示。

2 圖像數據的傳輸

圖4 “選擇路由法”流程圖

圖像數據的傳輸是很重要的一個環節。由于本文所述圖像數據的傳輸環境是以CC2530芯片為硬件基礎構建的ZigBee網絡，網絡拓撲結構為Mesh網，當多點圖像數據以相同能量同時傳輸且采用AODV路由算法時[7-8]，多點圖像數據在網絡中的傳輸是順序交替進行的。當節點的信號能量不等時，能量最弱的節點圖像數據傳輸機會減少，時間延遲變大。在多個攝像頭采集的圖像數據需要傳輸時，會在網絡中形成嚴重的數據擁塞[9]，網絡就會癱瘓，協調器就不能接收到所有節點的圖像數據。

因此，網絡在這樣一種特定的應用情況下，首先要解決的問題是數據的擁塞，這意味著ZigBee網絡中采用“競爭”的方法傳遞數據是不可取的。要解決數據傳輸問題，只能探求新的方法。本文采用了一種“選擇路由法”來解決數據傳輸問題。所謂的“選擇路由法”就是在ZigBee網絡中從節點、路由器到協調器，數據在傳輸過程中其路徑是被優化的，不管數據經過多少“跳”路由。 “選擇路由法”流程圖如圖4所示。

3 實驗測試與分析

首先將ZigBee網絡中所有攝像頭編號，每個攝像頭的編號是固定不變的，這個編號也是該攝像頭圖像數據采集節點的地址編號。網絡協調器每次在全網絡中廣播一個編號，當網絡中的節點、路由器收到這個編號后，全網絡只允許這個編號對應的圖像數據傳輸。當一幅圖像數據沒有傳輸完時，其他攝像頭的圖像數據是被禁止在網絡中傳輸的，這樣就確保了一幅完整的圖像數據能夠在網絡中不受干擾不間斷地完成傳輸。由于受ZigBee協議算法和信道速率的限制[10-11]，每次信道傳輸的數據只能是zb_SendDataRequest( 0xFFFE, SENSOR_REPORT_CMD_ID, HEADLENGTH, pData, 0, 0, 0)，其中：*pData=pData[Xi]，每個數據包傳輸的延遲時間是Ti，總的延遲時間為T，如式(2)所示，實驗測試表明，每傳輸一個數據包時間延遲大約10 ms。

(2)

圖5所示為多攝像頭圖像傳輸信息抓包結果，其中圖5(a)為采用AODV路由算法情況下的抓包信息，圖5(b)為采用選擇路由算法情況下的抓包信息。從實驗結果可以看出看，采用AODV路由算法時，多點圖像數據在網絡中的傳輸是順序交替進行的。然而，采用選擇路由算法時，只有當一幅圖像數據傳輸完成后，網絡協調器再廣播下一個編號，網絡會自動規劃下一個新的路由，指向下一個攝像頭，以啟動新一輪的圖像數據傳輸任務，在網絡協調器的控制下，網絡中所有攝像頭拍攝的圖像數據依次循環傳輸。

圖5 多攝像頭圖像數據傳輸抓包圖

實驗測試結果表明，選擇路由法十分有效，不僅實現了用傳感器網絡傳輸多個攝像頭圖像數據的要求，而且，圖像數據傳輸的效能和可靠性也明顯提高，這使得采用低速窄帶寬的無線傳感器網絡完成多攝像頭圖像數據的傳輸得以實現。

4 結論

本文所述基于ZigBee網絡的多攝像頭圖像數據采集與傳輸方法是在通信頻道帶寬最大250 KB/s、節點內存8 KB的ZigBee網絡環境中研究實驗的，具有普遍代表性。實驗證明，在ZigBee網絡中圖像數據采集用“數據分割法”，圖像數據傳輸用“選擇路由法”，實現了多攝像頭圖像數據的采集和傳輸。本文提出的方法是切實可行的，且圖像數據采集傳輸可靠穩定，網絡抗干擾能力強。當畫面尺寸較小時，如大小為160×120的一幅彩色圖像采集傳輸時間不到5 s即可完成，大小為320×240的彩色圖像采集傳輸時間大約需要15 s，大小為640×480的彩色圖像采集傳輸時間大約為25 s。同時通過進一步的實驗發現，由于CC2530芯片資源不夠以及技術方面的原因，該無線傳感器網絡目前還無法采集與傳輸視頻數據流。

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Research on multi-camera image data acquisition and transmissionmethod based on ZigBee network

Zhu Li1, Tan Jianjun1, Hu Tao1, Zhong Zhifeng2, Xu Pengfei1

(1. School of Information Engineering, Hubei University for Nationalities 445000, China; 2. School of Computer and Information Engineering, Hubei University, Wuhan 430062, China)

Due to the special requirements of the working environment, wireless sensor network based on ZigBee protocol should be designed with some performances, such as not only small enough in the hardware circuit size, but also low enough in the energy consumption, which makes the ZigBee network resources are very limited. Based on low bit rate (250 KB/s) and little memory (8 KB) of ZigBee network, a multi-camera data acquisition and transmission method is proposed in this paper. Firstly, image data in the cache of camera is cut into several segments (64 B) using image segmentation algorithm. Then, the segments are encapsulated into packets and transferred in route selecting method. when an image data transfer is completed, the system will automatically plan a new route, collect and transmit the next image, until all the camera images in the ZigBee network transmitting finished. Experiments show that the color image(320×240) acquisition and transmission need only 15 seconds. Besides, the method has strong anti-interference, low packet loss rate, and good image effect.

ZigBee network; image data; acquisition; transmission

湖北省自然科學基金(2015CFC782)； 恩施州2016年科技計劃項目(XYJ2016000155)

TN60_34

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.14.011

朱黎，譚建軍，胡濤，等.基于ZigBee網絡的多攝像頭圖像數據采集傳輸方法研究[J].微型機與應用，2017,36(14)：32-34，42.

2017-03-29)

朱黎(1984-)，女，碩士，講師，主要研究方向：通信技術、無線傳感器網絡技術、圖形圖像處理。

譚建軍(1960-)，通信作者，男，本科，教授，主要研究方向：通信技術、無線傳感器網絡技術。

E-mail:es_tjj@qq.com。

胡濤(1984-)，男，碩士，講師，主要研究方向：圖形圖像處理、傳輸方法。