引言
        無線傳感器網(wǎng)絡(luò)綜合了傳感器技術(shù),、嵌入式計(jì)算技術(shù),、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)及無線通信技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)等,，能夠通過各類集成化的微型傳感器協(xié)作地實(shí)時(shí)監(jiān)測,、感知和采集各種環(huán)境或監(jiān)測對象的信息，這些信息通過無線方式被發(fā)送,，并以自組多跳的網(wǎng)絡(luò)方式傳送到用戶終端,，從而實(shí)現(xiàn)物理世界、計(jì)算世界以及人類社會三元世界的連通 ,，圖1所示為典型的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu) ,。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用前景廣闊，它在軍事國防 ,、災(zāi)害監(jiān)測 ,、智能樓宇等許多領(lǐng)域都有很大的實(shí)用價(jià)值，已引起國內(nèi)外學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注與重視,。
        實(shí)驗(yàn)心理學(xué)家Treicher通過大量實(shí)驗(yàn)證實(shí)：人類獲取信息83%來自視覺,。因此控制工程網(wǎng)版權(quán)所有，發(fā)展無線圖像傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù),，有很大的應(yīng)用潛力,，它為目標(biāo)識別、安全監(jiān)控等應(yīng)用領(lǐng)域提供了一個(gè)很好的解決途徑和技術(shù)方案,。目前圖像傳感器節(jié)點(diǎn)射頻部分傳輸速度都比較低(不超過250Kbps),，如美國UCLA設(shè)計(jì)的Cyclops節(jié)點(diǎn) 等。這些節(jié)點(diǎn)成本高,、功耗大,、傳輸速度慢、實(shí)用性不太高,。本文應(yīng)用nRF24L01作為節(jié)點(diǎn)無線收發(fā)器,，設(shè)計(jì)了一種實(shí)用性較強(qiáng)的圖像傳感器節(jié)點(diǎn)。該節(jié)點(diǎn)相比Telos,、Mica2,、MicaZ、Cyclops等節(jié)點(diǎn)具有傳輸快,、功耗低等優(yōu)點(diǎn),。
        1,、圖像傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)
        圖像信息數(shù)據(jù)量大，而傳統(tǒng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)射頻收發(fā)器的傳輸速度一般都較低,，無法滿足這種大數(shù)據(jù)量的數(shù)據(jù)傳輸,。傳感器節(jié)點(diǎn)往往采用電池供電CONTROL ENGINEERING China版權(quán)所有，電源能量十分有限,。因此控制工程網(wǎng)版權(quán)所有,，在進(jìn)行圖像傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)時(shí)必須遵循以下原則：1)盡可能降低節(jié)點(diǎn)能量消耗以最大限度地延長節(jié)點(diǎn)壽命;2)較快的傳輸速度以滿足數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性;3)增加節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的靈活性使其能適合更多的應(yīng)用場合。

        圖1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)

        1.1 節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)
        1.1.1 節(jié)點(diǎn)硬件架構(gòu)
        本文設(shè)計(jì)的圖像傳感器節(jié)點(diǎn)由五部分組成：微處理器模塊,、圖像傳感器模塊,、無線通信模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊和電源模塊,。圖2所示是無線圖像傳感器節(jié)點(diǎn)總體架構(gòu)示意圖,。

        圖2 圖像傳感器節(jié)點(diǎn)總體架構(gòu)圖

        該節(jié)點(diǎn)中微處理器是系統(tǒng)的控制中心，其功能是控制與調(diào)度其他器件的工作狀態(tài)與進(jìn)程,，以實(shí)現(xiàn)圖像采集,、存儲和無線組網(wǎng)傳輸?shù)裙δ堋Ｉ漕l模塊是節(jié)點(diǎn)的無線通信單元,，通過SPI總線與微處理器進(jìn)行通信,，實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中其他節(jié)點(diǎn)的通信以及數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ堋Ｎ⑻幚砥?、圖像傳感器和SRAM的數(shù)據(jù)總線是共用的，這樣可方便圖像數(shù)據(jù)在微處理器,、圖像傳感器和SRAM之間傳輸,，但同時(shí)也要求微處理器對圖像傳感器和SRAM的操作時(shí)序進(jìn)行嚴(yán)格控制，以避免數(shù)據(jù)總線操作沖突,。
        1.1.2 射頻模塊
        射頻模塊是傳感器節(jié)點(diǎn)的重要組成部分,，它是節(jié)點(diǎn)各部分中能量消耗最主要的部分 。現(xiàn)在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中常用的是支持802.15.4通信協(xié)議的無線通信芯片,。圖像傳感器節(jié)點(diǎn)要傳輸?shù)氖菆D像數(shù)據(jù),，數(shù)據(jù)量大，數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性高,。這就要求射頻模塊采用的無線通信芯片功耗低,、傳輸速度快。支持802.15.4通信協(xié)議的無線通信芯片傳輸速度較低,，一般不超過250Kbps,。本設(shè)計(jì)選用Noridc公司推出的高速、低功耗,、低成本無線通信芯片nRF24L01,。
        nRF24L01工作在2.4-2.5GHz ISM頻段,，通過SPI總線進(jìn)行工作模式設(shè)置，傳輸速度可達(dá)2Mbps ,。它功耗低,，在2Mbps速度下接收電流為12.3mA;在2Mbps速度下0dBm發(fā)送電流為11.3mA。本節(jié)點(diǎn)選用nRF24L01射頻芯片,，相比支持802.15.4通信協(xié)議的芯片而言,，用nRF24L01傳輸圖像數(shù)據(jù)功耗低，傳輸速度快,。
        1.1.3 CMOS圖像傳感器
        數(shù)字圖像傳感器主要分為兩大類：CCD圖像傳感器和CMOS圖像傳感器,。相比CCD圖像傳感器來說，CMOS圖像傳感器功耗低,、速度快,、成本較低、體積小,，但它獲取的圖像質(zhì)量相對較差 ,。如果將降低能耗和提高數(shù)據(jù)傳輸速度作為節(jié)點(diǎn)優(yōu)先的考慮，圖像質(zhì)量相對其次,，則設(shè)計(jì)應(yīng)選用CMOS圖像傳感器,。
        本設(shè)計(jì)選用OmniVision公司的OV7670圖像傳感器。OV7670是一款高性能,、低功耗,、30萬像素的VGA CMOS圖像傳感器，功耗為60mW,，輸出圖像最大分辨率為 ,。OV7670 通過SCCB總線進(jìn)行寄存器初始化配置，來設(shè)置圖像的輸出格式等,。它通過場時(shí)鐘信號VSYNC,、行時(shí)鐘信號HREF以及像素時(shí)鐘PCLK來控制圖像數(shù)據(jù)輸出。所以,，本設(shè)計(jì)必須選用一種具有多中斷源,，中斷可嵌套且中斷響應(yīng)時(shí)間短的微處理器，才能符合OV7670的數(shù)據(jù)輸出特點(diǎn),。
        1.1.4 微處理器
        選擇圖像傳感器節(jié)點(diǎn)的微處理器,，主要需要考慮微處理器的功耗、中斷源個(gè)數(shù)及特性和處理速度,。本節(jié)點(diǎn)選用TI公司的MSP430F149為微處理器,。它是一款16位超低功耗混合信號處理器，具有豐富的片內(nèi)外設(shè)，采用16位RISC結(jié)構(gòu),，中斷源較多,，可任意嵌套。而且,，它還具有5種低功耗工作模式控制工程網(wǎng)版權(quán)所有,，非常適合于進(jìn)行低功耗設(shè)計(jì)。
        1.1.5 SRAM存儲器
        圖像數(shù)據(jù)量大,，需外加存儲模塊以滿足圖像數(shù)據(jù)的存儲要求,。該節(jié)點(diǎn)采用電池供電，電壓為3Vwww.cechina.cn,，圖像傳感器為30萬像素,，數(shù)據(jù)輸出為8位。因此,，本節(jié)點(diǎn)采用TOSHIBA公司的TC55VCM208A芯片為存儲器,。它是一款8位512Kbyte的SRAM。
        1.2 節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)
        盡可能降低能耗是節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)的最主要原則,。在本節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)中,，對于各個(gè)模塊的時(shí)序要進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)CONTROL ENGINEERING China版權(quán)所有，不再用的電路模塊,，要盡快使其關(guān)閉或進(jìn)入低功耗狀態(tài),。本節(jié)點(diǎn)工作在星型結(jié)構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中時(shí),按照圖3、圖4所示流程圖進(jìn)行軟件設(shè)計(jì),。圖3為節(jié)點(diǎn)軟件總體流程圖,。在節(jié)點(diǎn)主程序中主要是完成系統(tǒng)的初始化以及網(wǎng)絡(luò)初始化的一些工作，而應(yīng)用程序主要是在中斷程序中進(jìn)行實(shí)現(xiàn),。圖4為中斷程序流程圖,，該中斷程序用來采集和傳輸圖像，并完成一些網(wǎng)絡(luò)操作工作,。在整個(gè)程序設(shè)計(jì)中,，對于各個(gè)模塊的工作時(shí)序進(jìn)行了嚴(yán)格控制,，系統(tǒng)大部分時(shí)間工作在低功耗模式CONTROL ENGINEERING China版權(quán)所有,，其他各個(gè)模塊在不用時(shí)也使其盡快進(jìn)入低功耗工作模式，從而降低了整個(gè)系統(tǒng)的能耗,。

        圖3 節(jié)點(diǎn)軟件總體流程圖

        圖4 中斷程序流程圖

        2,、無線圖像傳感器節(jié)點(diǎn)性能分析與應(yīng)用
        對圖像傳感器節(jié)點(diǎn)的性能分析主要集中在兩點(diǎn)：節(jié)點(diǎn)的能耗和圖像傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性。本文設(shè)計(jì)的圖像傳感器節(jié)點(diǎn)有五種工作模式：圖像獲取模式,、操作SRAM模式,、無線傳輸模式、MCU正常工作模式、Shutdown模式,。表1給出了本節(jié)點(diǎn)在各種工作模式下的功耗情況,。在正常情況下，節(jié)點(diǎn)在采集圖像并傳輸完成后會很快進(jìn)入Shutdown模式,，等待下一次采集圖像,，以降低能耗。
        節(jié)點(diǎn)能耗主要由其工作的狀態(tài)以及各狀態(tài)持續(xù)的時(shí)間來決定,。對于圖像傳感器來說,，它的工作持續(xù)時(shí)間由所采集圖像大小以及圖像傳感器的曝光時(shí)間決定，而曝光時(shí)間是與拍照時(shí)的環(huán)境光照有關(guān)的,。對于SRAM來說,，它的工作持續(xù)時(shí)間與要存儲或讀取的數(shù)據(jù)量有關(guān)。對于nRF24L01來說,，工作持續(xù)時(shí)間不僅與要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量有關(guān),，還與每個(gè)數(shù)據(jù)包的數(shù)據(jù)有效利用率有關(guān)。本文所做實(shí)驗(yàn)中,，節(jié)點(diǎn)用3V電池供電,，設(shè)置OV7670寄存器，使輸出圖像大小為 ,，輸出像素時(shí)鐘為10MHz的1/12,。無線傳輸中nRF24L01選用的數(shù)據(jù)包長為32byte，其中有24byte為有效圖像數(shù)據(jù),，其余8byte作為傳輸協(xié)議等的頭信息數(shù)據(jù),， 傳輸大小為 的圖像數(shù)據(jù)需1044個(gè)數(shù)據(jù)包，得到了表2中所示圖像采集傳輸能耗及耗時(shí),。
        表1 圖像傳感器節(jié)點(diǎn)工作模式功耗表, “S”表示處于Shutdown狀態(tài),，“√”表示處于工作狀態(tài)

        由表2可知，由于圖像分辨率較高,，本節(jié)點(diǎn)圖像傳輸消耗能量相對其他部分較大,，而且費(fèi)時(shí)。因此,，對于具體應(yīng)用,，應(yīng)選擇適當(dāng)?shù)膱D像分辨率，以最大程度的降低節(jié)點(diǎn)能耗,。表3是本節(jié)點(diǎn)與相關(guān)節(jié)點(diǎn)性能比較的結(jié)果,。由表3可知，本節(jié)點(diǎn)在傳輸速度和能耗方面較Telos,、Mica2,、MicaZ和Cyclops節(jié)點(diǎn)有明顯優(yōu)勢,。
        表2 采集傳輸圖像所需能耗與時(shí)間

        3、結(jié)論
        本文設(shè)計(jì)的圖像傳感器節(jié)點(diǎn),，能耗低,、傳輸速度快，可進(jìn)行圖像采集和快速無線傳輸,。我們詳細(xì)論述了它的硬件架構(gòu)和軟件設(shè)計(jì),，給出了它的功耗測試結(jié)果以及圖像采集傳輸時(shí)間性能，并將它的各項(xiàng)性能參數(shù)與Telos,、Mica2,、MicaZ和Cyclops節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了比較。實(shí)驗(yàn)表明,，本節(jié)點(diǎn)性能良好,，無線傳輸功耗低、傳輸速度快,、實(shí)用性較強(qiáng),，在環(huán)境監(jiān)測，目標(biāo)識別等場合有很好的應(yīng)用潛力,。