無線多媒體傳感器網(wǎng)絡WMSN(Wireless Multimedia Sensor Networks)[1]是隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的廣泛應用及多媒體信息的需求而出現(xiàn)的。它在無線傳感器網(wǎng)絡中引入了低功耗多媒體信息處理。無線傳感器網(wǎng)絡WSN（Wireless Sensor Networks）[2]由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大量的廉價微型傳感器節(jié)點組成，并通過無線通信方式形成的一個多跳、自組織的網(wǎng)絡系統(tǒng)，其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡覆蓋區(qū)域中被感知對象的信息，并發(fā)送給觀察者。傳感器、感知對象和觀察者構(gòu)成了無線傳感器網(wǎng)絡的三個要素。WMSN由于具有豐富的傳感信息已經(jīng)成為一個研究熱點，被廣泛應用于分布式監(jiān)控、環(huán)境監(jiān)控、目標跟蹤及圖像注冊等場合。
    本文設計并實現(xiàn)了一個能夠?qū)崿F(xiàn)無線多點圖像采集的低功耗WMSN系統(tǒng)，系統(tǒng)由多種供電方式的遠端采集節(jié)點和匯聚網(wǎng)關(guān)節(jié)點構(gòu)成。在數(shù)據(jù)中心完成所有數(shù)據(jù)的匯總、存儲、分析、演示等功能。
1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計及實現(xiàn)
    系統(tǒng)以典型的家居或樓宇監(jiān)控為設計背景，實現(xiàn)多點或多方位的圖像采集并能夠?qū)崿F(xiàn)無線多跳中繼傳輸?shù)哪繕?，同時還要滿足低功耗的要求。系統(tǒng)工作原理是：遠端采集節(jié)點的攝像頭周期性地采集并壓縮監(jiān)控場景圖像，利用節(jié)點無線傳輸功能，基于無線傳感網(wǎng)的通信協(xié)議上傳數(shù)據(jù)，節(jié)點間具有多跳中繼的能力，最后匯聚到網(wǎng)關(guān)節(jié)點，實現(xiàn)信息數(shù)據(jù)的匯總，由監(jiān)控計算機實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲、分析、展示功能，或者遠程處理信息。由于系統(tǒng)需要基于無線傳感器網(wǎng)絡在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)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(wǎng)絡，要具有低功耗、低成本、分布式和自組織的特點。
1.1 系統(tǒng)實現(xiàn)過程
    系統(tǒng)工作示意圖如圖1所示。當網(wǎng)關(guān)（協(xié)調(diào)器）上電以后，它會自動建立一個網(wǎng)絡，遠端節(jié)點會加入網(wǎng)絡并完成綁定，當系統(tǒng)通過ZigBee[3]協(xié)議組網(wǎng)完成以后，節(jié)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(wǎng)關(guān)，或者節(jié)點直接無線傳輸給網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)將匯聚到的多個節(jié)點圖像數(shù)據(jù)通過串口上傳給計算機。此外，系統(tǒng)還設計了手動向遠端節(jié)點發(fā)送拍攝指令的方式。系統(tǒng)組網(wǎng)簡單，可以實現(xiàn)近距離的數(shù)據(jù)傳輸，也可以通過中繼實現(xiàn)較遠距離的數(shù)據(jù)多跳傳輸。每個網(wǎng)關(guān)可以帶多個節(jié)點，同時每個節(jié)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(tǒng)CC2530[4]及其外圍電路構(gòu)成。射頻芯片CC2530在單個芯片上整合了ZigBee射頻(RF)前端、內(nèi)存和微控制器，在接收和發(fā)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(tǒng)，運行模式之間的轉(zhuǎn)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(jié)點和網(wǎng)關(guān)設計
    遠端節(jié)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(wǎng)通信協(xié)議實現(xiàn)無線多跳傳輸控制。ZigBee是IEEE 802.15.4協(xié)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(wǎng)技術(shù)。
    系統(tǒng)的硬件主要包括網(wǎng)關(guān)和節(jié)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(xiàn)圖像的采集和無線傳輸。
1.3.1 節(jié)點
    節(jié)點的主要部分電路原理圖如圖3所示。為了提高遠端節(jié)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(zhuǎn)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(zhuǎn)換芯片TPS79533轉(zhuǎn)換為節(jié)點工作電壓。節(jié)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(yè)/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(jù)自己的需要制作外圍設備，例如接溫度傳感器等。
1.3.2 網(wǎng)關(guān)
    網(wǎng)關(guān)的功能就是通過系統(tǒng)構(gòu)建的自組織網(wǎng)絡，對每個節(jié)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(zhuǎn)串口電路，及網(wǎng)關(guān)的電源轉(zhuǎn)換模塊，其電源模塊與節(jié)點的電源模塊類似，采用與遠端節(jié)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(zhuǎn)換芯片將電壓轉(zhuǎn)換為核心控制器CC2530需要的3.3 V工作電壓。

1.4 系統(tǒng)數(shù)據(jù)中心軟件設計
    系統(tǒng)軟件界面是基于Visual C++ 6.0[6]環(huán)境下編寫的，實現(xiàn)了參數(shù)設置、圖像瀏覽、拓撲結(jié)構(gòu)顯示、數(shù)據(jù)分析和列表等功能。參數(shù)設置包括對采集周期、圖像大?。?0×60、160×128、320×240、640×480）和發(fā)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(jié)構(gòu)顯示功能可以顯示節(jié)點和網(wǎng)關(guān)之間的拓撲關(guān)系?？梢栽跀?shù)據(jù)分析中對某一個節(jié)點的信息進行具體分析。在數(shù)據(jù)列表中包含了節(jié)點、網(wǎng)關(guān)的物理地址和網(wǎng)絡地址、節(jié)點的溫度和電壓信息以及圖片的拍攝日期等。
2 系統(tǒng)測試、實驗結(jié)果及分析
    對設計的系統(tǒng)硬件和軟件進行了實際環(huán)境測試，給網(wǎng)關(guān)和節(jié)點上電以后，以網(wǎng)關(guān)為中心建立一個網(wǎng)絡，節(jié)點會自動加入網(wǎng)關(guān)建立的網(wǎng)絡中。
    以遠端節(jié)點太陽能電池供電為例進行測試，可以將節(jié)點和太陽能電池封裝在一起。采用監(jiān)控計算機的USB數(shù)據(jù)線直接給網(wǎng)關(guān)供電，待節(jié)點加入網(wǎng)關(guān)建立的網(wǎng)絡之后，設置遠端節(jié)點的信息采集方式，即采集圖像的周期大小等參數(shù)。網(wǎng)關(guān)匯聚各遠端節(jié)點的無線傳輸數(shù)據(jù)，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(jīng)室內(nèi)環(huán)境和室外環(huán)境的測試，在單跳情況下的測試結(jié)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(jié)點雖然可以加入網(wǎng)關(guān)建立的網(wǎng)絡，但是它上傳給網(wǎng)關(guān)的圖像會出現(xiàn)較嚴重的丟包現(xiàn)象，恢復之后的圖像效果較差，甚至無法恢復。
    （3）當節(jié)點和網(wǎng)關(guān)的距離大于100 m時，節(jié)點無法入網(wǎng)，需要在中間添加中繼來實現(xiàn)較遠距離的數(shù)據(jù)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(xiàn)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(jié)點采集數(shù)據(jù)，通過二樓樓梯中間的中繼節(jié)點，實現(xiàn)了在二樓可以正常接收節(jié)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(nèi)環(huán)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(nèi)和室外兩種不同環(huán)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(nèi)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(tǒng)的設計，實現(xiàn)了網(wǎng)關(guān)和節(jié)點的原理圖設計和控制軟件的編寫，基于CC2530硬件模塊和ZigBee無線通信協(xié)議實現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)的傳輸。由測試實驗結(jié)果可知，系統(tǒng)實現(xiàn)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(fā)現(xiàn)了如圖像數(shù)據(jù)丟包造成數(shù)據(jù)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(huán)境綜合信息等作為采集傳輸對象，實現(xiàn)無線多媒體傳感網(wǎng)的實際應用。
參考文獻
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