一種艦船內部視頻監控無線傳輸方法研究與設計

一種艦船內部視頻監控無線傳輸方法研究與設計

馬俊凱劉宏波王祥磊

（海軍工程大學電子工程學院武漢430033）

艦船內部視頻監控系統是艦船內部通信系統重要組成部分，針對于艦船視頻信息可靠性無線傳輸需求。論文提出一種基于ZigBee技術構建具有多跳的自組織無線網絡，用于艦船內部視頻數據傳輸。文中分析ZigBee無線通信組網結構與特點，設計網絡各節點硬件結構與通信協議，實現了艦船內部攝像頭與服務器之間H.264格式視頻高性能無線數據傳輸，并對節點路徑與障礙物導致傳輸損耗進行性能仿真分析，結果表明，該方案滿足了艦船內部視頻系統對功耗和數據傳輸的性能要求，有較高的實用價值。

無人機數據鏈；信道模型；路徑損耗；通信鏈路

Class NumberTN929.5

1 引言

隨著我國一帶一路遠洋戰略的逐步開展與實施，為滿足艦船內部設備監測維護能力提升需求，構建艦船內部可靠的、有效的視頻監控系統研究是艦船裝備信息現代化研究重要方向。目前我國遠洋船只內部視頻監控系統主要采用有線數據通信（光纖、以太網、RS-232等），由于艦艇內部艙室眾多，設備裝置位置分散、密閉等諸多原因，導致艦船內部引接有線電纜程序復雜，僅僅一些重點艙室才會安裝視頻監控保障設備，導致監控系統的節點數量極大制約問題［1］。針對上述問題，本文提出一種艦船內部視頻無線數據傳輸系統設計方案，本方案基本思想采用現代無線傳感網絡，利用其分布式控制、無中心和多跳等特點，設計了基于ZigBee艦船內部無線自組網，實現艦船內部視頻信息可靠傳輸，增強了艦船航行中發生突發事件時的遠程視頻調度指揮，減少財產損失和保障生命安全，為水上交通安全提供有力的支持和保障。

2 ZigBee網絡結構與特點

ZigBee是一種低成本、短距離、自組織的無線網絡、大容量的無線通信數據傳輸技術，每個Zig-Bee數傳模塊可以作為通信節點，通過移動路由節點進行組網，并實現短距離數據通信。一個ZigBee網絡包括個域網協調器、協調器或器件［2］，其中協調器主要功能是建立和配置網絡，它是網絡上第一個設備，協調器首先選擇一個信道和網絡標識，然后開始組建網絡，添加終端節點。網絡建立后，協調器可以脫離網絡，網絡依然可以正常工作。路由器允許其他節點加入網絡，完成多跳路由實現多終端通信。

ZigBee網絡最多包括有255個ZigBee網絡節點，其中一個為網絡控制節點，其余是從屬節點。每個網絡節點基本性能指標：發射功率僅為1mW；工作頻段為2.4GHz（250kbit/s）、868MHz（20kbit/s）和915MHz（40kbit/s）；通信距離為100米～3公里，并且支持無限擴展［3］。

ZigBee網絡依照IEEE 802.15.4標準作為MAC、PHY層標準，網絡的基本組成單元是在同一物理信道，由一個協調器、多個路由器和多個終端設備節點組成網絡框架。ZigBee網絡支持三種拓撲結構包括星型網絡、樹狀網絡以及網狀網絡結構，如上網絡拓撲結構圖1所示。其中，星型網絡圖主要包括協調器和終端節點，ZigBee協調器主要負責網絡中設備的初始化和控制整個網絡運行，終端節點通過協調器與其他終端節點進行通信。樹狀網絡主要包括協調器、路由器和終端節點，協調器主要負責形成網絡和選擇網絡主要參數，然后通過路由節點擴張網絡，路由節點使用等級路由節點制進行數據的傳輸和控制信息，該網絡可以使用信標使能的通信。網狀網絡主要包括協調器和終端節點，允許全對等通信，適合比較復雜的環境，網絡的自愈能力強［4］。

本文主要針對采用星型網絡拓撲結構，主要設計了協調器節點充當網絡中的中繼設備，保證多個終端節點的即時通信，構建了ZigBee無線通信網絡。

3 系統總體方案設計

3.1 系統總體結構設計與功能分析

本文設計ZigBee網絡為無線Mesh結構的艦船內部視頻無線數據傳輸網絡由：視頻監控前端、協調器、路由器和傳感器節點、視頻監控后端組成，其系統構成如圖2所示。視頻監控前端通過攝像頭采集艦船船體內部實時影像，進行影像信息壓縮編碼為H.264格式數據，然后通過無線網絡傳輸到視頻監控后端；由于視頻信息通過采集處理變為IP流形式，采用ZigBee無線通信網絡發送數據，可以通過訪問終端節點鏈接到路由器中，每一個終端節點又作為其他終端節點的網絡路由器，為其他終端節點轉發數據信息，實現多節點數據通信。同時視頻監控后端為數據處理中心與協調器節點相連接完成視頻數據接收、解碼、顯示與網絡管理監視等功能［6］。

本設計采用星型網絡拓撲結構和ZigBee協議棧，將終端節點和協調器節點連接成無線信道構成無線傳感網絡，當終端節點在路由器節點的輻射范圍內（100～500m），雙方即可實現實時數據通訊，并且每一個終端節點又作為其他終端節點的網絡路由器，為其他終端節點轉發數據信息，實現多節點數據通信解決方案。以下重點論述無線網絡中協調器節點與終端節點硬件設計，并針對其工作流程開展協議棧功能設計［7］。

3.2 系統硬件結構設計

本系統傳感器節點硬件電路，主要由3部分組成：射頻電路、電源管理電路和接口電路模塊。

1）射頻電路設計

CC2530的外圍電路如圖3所示。其完全兼容IEEE802.15.4標準和ZigBee標準。在空曠場合通信距離可達200m。其功耗很低，在睡眠模式下，電流低于1uA。在接收狀態下，電流消耗為24mA。在發送狀態下在1dBm輸出功率為29mA。

它具有通訊距離遠、抗干擾能力強、組網靈活、性能可靠穩定等優點和特性；可實現點對點、一點對多點、多點對多點之間的設備間數據的透明傳輸；可組成星型、樹型和蜂窩型網狀網絡結構。它可以實現數據的廣播方式發送、按照目標地址發送模式，除可實現一般的點對點數據通信功能外，還可實現多點之間的數據通訊［8］。

2）串口通信電路設計

在程序的下載和調試的過程中，都少不了要用到串口電路。而USB又因其簡單易用等特點，在現在編程過程中是比較常用的。這里用PL2303單芯片完成USB電路轉串口的設計，電路實現簡單方便。此外，該部分設計的電路還可以對模塊進行供電［9］。該部分設計如圖4所示。

3）電源電路設計

電源電路設計如圖5所示。模塊可以采用PC節點的USB接口或者使用3.7V的鋰電池供電。供電電路采用穩壓器HT7533-1。它是一種3引腳的高電流低電壓穩壓器，常用在CMOS技術中。它可以輸出100mA電流并允許輸入24V電壓，輸出電壓可以在3.0V到5.0V調節。其平均漏電電壓為100mV［10］，最高漏電電流為5μA，輸出電壓精度為± 3%。

3.3 系統軟件設計

基于ZigBee無線數據傳輸技術核心是其協議棧的設計，對于傳感器信號的采集處理也需要通過軟件來完成。本系統軟件設計涉及ZigBee傳感器節點和ZigBee協調器節點及路由器節點三部分。本系統設計，ZigBee協議棧底層軟件己由Z-Stack實現，本節將把論述放在應用層軟件設計上，論述應用層數據幀與無線傳感器數據處理設計相關的內容。

1）協調器軟件設計

協調器的主要作用是組網和接收數據。圖6（a）為協調器的程序設計流程圖。

（1）初始化，通過DEV_INIT（），APLINIT（）函數分別對CC2530及ZigBee協議棧進行初始化。

（2）打開中斷，關閉狀態指示信號，通過函數NLME_Network_FormationRequest（）初始化網絡。只有能夠擔當ZigBee協調器的、尚未加入到網絡中的全功能設備才能嘗試創建一個新網絡。創建網絡成功，則網絡層會向應用層返回NLME_Network_FormationConfirm（）函數，并包含協調器物理地址、新建網絡ID及信道號。

（3）調用應用層相關處理函數進入無線監控狀態，監測無線信號，等待節點加入。

（4）若有終端節點或路由器加入網絡，接收溫度信號，濾除錯誤信息，并經過串口利用HalUARTWrite（）函數，將數據發送給計算節點并通過軟件顯示。

2）終端節點軟件設計

終端節點主要作用是實時采集艦船內部實時視頻數據。圖6（b）為終端節點程序設計流程圖：

（1）初始化，通過DEV_INIT（），APLINIT（）函數分別對CC2530及ZigBee協議棧進行初始化［11］。

（2）調用NLME_JoinRequest（）函數發送加入網絡請求，等待協調器響應。若成功，則返回函數ZDO_JoinConfirmCB（）函數。

（3）成功加入網絡后，傳感器節點將測試到的視頻數據通過AF_DataRequest（）函數發送到協調器［12］。

4 試驗驗證與性能分析

為了驗證本文研究的無線自組網在艦船內部視頻數據傳輸中的有效性，利用在封閉的艦船空間作為試驗環境，做系統的調試包括硬件和軟件測試。

1）硬件測試

系統硬件調試基礎為ZigBee無線模塊，根據設計的監測LED燈的狀態進行初步調試，判斷其電源電路及復位電路是否正常。根據設計電路，模塊上電后LED燈應為全亮（包括LED、LED1、LED2、LED3）；按下復位鍵（RESET）時，只有電源指示燈（LED）亮。上電后效果如圖7。

2）軟件測試

在IAR Embedded Workbench軟件建立工程，并建立Coordinator、Sensor的源文件Coordinator.c與EndDevice.c，然后對編輯好的文件進行MAKE，對程序中的語法錯誤進行改正，當編譯無誤后將其分別下載到模塊中，注意Router模塊與Sensor公用源文件。

當程序下載后，Coordinator和Sensor模塊的LED3會閃爍。Coordinator的LED3閃爍證明協調器正在建立網絡，當網絡成功建立后，LED3會常亮；Sensor的LED3閃爍證明傳感器模塊還沒有加入網絡，只有當LED3常亮才代表傳感器成功加入網絡，并可以發送視頻數據。

具體接收到視頻效果圖如圖8所示。由于所有網絡節點的工作數據處理是相似的，故本系統只對艙室實時場景進行監測。通過軟件解碼后可以看到艙室內部場景效果顯示清晰流暢基本滿足日常視頻監測要求。

3）路徑損耗分析

本文構建自組網傳輸信道采用用于UHF信道，頻率范圍：300MHZ～3000MHZ，傳輸主要方式為視距傳輸。此時，令D表示發射端與接收端之間的距離（單位：m）。當射頻的收發平臺采用相同天線時，發射天線的增益為Gt，接收天線的增益Gr，則距離D接收信號功率為Pr（d），當信號傳輸路徑上遇到障礙物導致其中一部分信號被遮蔽，導致信號均值發生變化，從而產生陰影衰落現象。真實信道傳輸時陰影產生隨節點效應，統計特性服從對數正態分布，因此，當考慮距離一定，環境一定時情況，信道特性隨著接收平臺位置改變而改變，即使相同距離，每條路徑也會產生不同路徑衰落，信道此時產生衰減更加接近與對數正態分布。其中，令Xσ表示均值為0，標準差為σ的高斯隨節點變量。

信號路徑損耗：

測試條件：終端節點發射功率為2.6dBm。接收節點靈敏度的典型值為-97dBm。工作頻率最小為2.4GHz。本文采用室內環境影響因子1.6，此時工作頻率對應的2405MHz。根據自由空間傳輸損耗的公式，而當收發天線均為3dB時，由曲線可知傳輸距離d為1.23km。而在實際應用中，由于船艙內部墻體、障礙物等的影響，使傳輸距離遠低于該值，無障礙物時基本在500m左右。有障礙物時傳輸距離限制在120m以內。

因此，考慮仿真模型曲線較真實數據曲線有4dB～8dB波動，波動值均在合理范圍，信道損耗模型符合真實衰減趨勢，能夠滿足理論設計與研究需求。

5 結語

綜上所述，現今流行短距離無線通信技術，包括WiFi、藍牙、超寬帶（UWD）等。本文選擇ZigBee技術作為數據傳輸的通信方案，考慮到其為低成本、低功耗、可靠性高、短時延、網絡容量大等優點。本文采用ZigBee技術為無線數據自組網方案，采用CC2430芯片為數字信號處理硬件核心，針對網絡視頻數傳協議棧開展設計，實現艦船本地視頻信息數據無線傳輸功能，本文設計方案可為艦船內部無線通信系統設計提供重要借鑒價值。為艦船內部無線通信系統規劃與設計提供了有效的理論依據。

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Design of Wireless Data Transmission Method for Detection System of the Ship

MA JunkaiLIU HongboWANG Xianglei
（College of Electronic Engineering，Naval University of Engineering，Wuhan430033）

UVA data link，channel model，path loss，communication link

TN929.5

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.07.014

2017年1月10日，

2017年2月20日

馬俊凱，男，博士研究生，研究領域：數據鏈通信、無線通信系統。劉宏波，男，副教授，研究方向：通信與信息系統。王祥磊，男，研究方向：通信工程。

AbatractThe ship's internal video system is an important part of the ship's internal communication system，For the needs of the wireless transmission of the ship monitoring video information reliability.This paper proposes a self-organizing wireless network with multi-hop based on ZigBee technology for ship internal video data transmission.This paper analyzes the structure and characteristics of ZigBee wireless communication network，designed the hardware structure and communication protocol of each node of the network，and realizes the highly-performance transmission between video wireless data based on H.264 format between the camera and the server，and leads to the transmission path and obstacle The results show that the scheme meets the performance requirements of power consumption and data transmission in the ship's internal video system，which have high practical value.