無(wú)線多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)WMSN(Wireless Multimedia Sensor Networks)[1]是隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的廣泛應(yīng)用及多媒體信息的需求而出現(xiàn)的,。它在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中引入了低功耗多媒體信息處理。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)WSN（Wireless Sensor Networks）[2]由部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)大量的廉價(jià)微型傳感器節(jié)點(diǎn)組成,，并通過(guò)無(wú)線通信方式形成的一個(gè)多跳,、自組織的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其目的是協(xié)作地感知,、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中被感知對(duì)象的信息,，并發(fā)送給觀察者。傳感器,、感知對(duì)象和觀察者構(gòu)成了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的三個(gè)要素。WMSN由于具有豐富的傳感信息已經(jīng)成為一個(gè)研究熱點(diǎn),，被廣泛應(yīng)用于分布式監(jiān)控,、環(huán)境監(jiān)控、目標(biāo)跟蹤及圖像注冊(cè)等場(chǎng)合,。
    本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)線多點(diǎn)圖像采集的低功耗WMSN系統(tǒng),，系統(tǒng)由多種供電方式的遠(yuǎn)端采集節(jié)點(diǎn)和匯聚網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成。在數(shù)據(jù)中心完成所有數(shù)據(jù)的匯總,、存儲(chǔ),、分析,、演示等功能。
1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)
    系統(tǒng)以典型的家居或樓宇監(jiān)控為設(shè)計(jì)背景,，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)或多方位的圖像采集并能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)線多跳中繼傳輸?shù)哪繕?biāo),，同時(shí)還要滿足低功耗的要求。系統(tǒng)工作原理是：遠(yuǎn)端采集節(jié)點(diǎn)的攝像頭周期性地采集并壓縮監(jiān)控場(chǎng)景圖像,，利用節(jié)點(diǎn)無(wú)線傳輸功能,，基于無(wú)線傳感網(wǎng)的通信協(xié)議上傳數(shù)據(jù)，節(jié)點(diǎn)間具有多跳中繼的能力,，最后匯聚到網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn),，實(shí)現(xiàn)信息數(shù)據(jù)的匯總，由監(jiān)控計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ),、分析,、展示功能，或者遠(yuǎn)程處理信息,。由于系統(tǒng)需要基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)大量部署,，所以要通過(guò)無(wú)線通信方式形成一個(gè)多跳自組織網(wǎng)絡(luò)，要具有低功耗,、低成本,、分布式和自組織的特點(diǎn)。
1.1 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)過(guò)程
    系統(tǒng)工作示意圖如圖1所示,。當(dāng)網(wǎng)關(guān)（協(xié)調(diào)器）上電以后,，它會(huì)自動(dòng)建立一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，遠(yuǎn)端節(jié)點(diǎn)會(huì)加入網(wǎng)絡(luò)并完成綁定,，當(dāng)系統(tǒng)通過(guò)ZigBee[3]協(xié)議組網(wǎng)完成以后,，節(jié)點(diǎn)控制攝像頭周期性地采集圖像，無(wú)線上傳給中繼并最終無(wú)線上傳給網(wǎng)關(guān),，或者節(jié)點(diǎn)直接無(wú)線傳輸給網(wǎng)關(guān),，網(wǎng)關(guān)將匯聚到的多個(gè)節(jié)點(diǎn)圖像數(shù)據(jù)通過(guò)串口上傳給計(jì)算機(jī)。此外,，系統(tǒng)還設(shè)計(jì)了手動(dòng)向遠(yuǎn)端節(jié)點(diǎn)發(fā)送拍攝指令的方式,。系統(tǒng)組網(wǎng)簡(jiǎn)單，可以實(shí)現(xiàn)近距離的數(shù)據(jù)傳輸,，也可以通過(guò)中繼實(shí)現(xiàn)較遠(yuǎn)距離的數(shù)據(jù)多跳傳輸,。每個(gè)網(wǎng)關(guān)可以帶多個(gè)節(jié)點(diǎn)，同時(shí)每個(gè)節(jié)點(diǎn)也可以帶多個(gè)攝像頭,。

1.2 射頻模塊設(shè)計(jì)
    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(gè)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(yùn)行模式,，尤其適應(yīng)超低功耗要求的系統(tǒng),，運(yùn)行模式之間的轉(zhuǎn)換時(shí)間較短，進(jìn)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(zhǎng)的應(yīng)用場(chǎng)合。

1.3 節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)
    遠(yuǎn)端節(jié)點(diǎn)基于CC2530 SoC平臺(tái),，利用具有JPEG壓縮功能的CMOS攝像頭完成圖像采集,，基于ZigBee 無(wú)線傳感網(wǎng)通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)無(wú)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(jià)、自組織,、低功耗的近距離無(wú)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(diǎn)兩個(gè)部分，完成硬件電路PCB[5]設(shè)計(jì)及控制程序的編寫,、實(shí)現(xiàn)圖像的采集和無(wú)線傳輸,。
1.3.1 節(jié)點(diǎn)
    節(jié)點(diǎn)的主要部分電路原理圖如圖3所示。為了提高遠(yuǎn)端節(jié)點(diǎn)應(yīng)用的多樣性,，采用了太陽(yáng)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(duì)不同的供電方式要有相應(yīng)的電壓轉(zhuǎn)換控制電路,，其中太陽(yáng)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(diǎn)工作電壓。節(jié)點(diǎn)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(fù)位按鍵和雙排20針I(yè)/O擴(kuò)展接口，這些擴(kuò)展接口將芯片的硬件資源向外擴(kuò)展出來(lái),，用戶可以根據(jù)自己的需要制作外圍設(shè)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(guò)系統(tǒng)構(gòu)建的自組織網(wǎng)絡(luò),，對(duì)每個(gè)節(jié)點(diǎn)所采集到的信息進(jìn)行匯聚,，然后再上傳到上位機(jī)。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(diǎn)的電源模塊類似，采用與遠(yuǎn)端節(jié)點(diǎn)類似的4種供電方案：太陽(yáng)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(shè)計(jì)
    系統(tǒng)軟件界面是基于Visual C++ 6.0[6]環(huán)境下編寫的，實(shí)現(xiàn)了參數(shù)設(shè)置,、圖像瀏覽,、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)顯示、數(shù)據(jù)分析和列表等功能,。參數(shù)設(shè)置包括對(duì)采集周期,、圖像大小（80×60,、160×128,、320×240、640×480）和發(fā)送方式(廣播或單播)的設(shè)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(yè)瀏覽，還可以對(duì)所拍攝的圖像進(jìn)行定時(shí)自動(dòng)瀏覽,。拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)顯示功能可以顯示節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)之間的拓?fù)潢P(guān)系,。可以在數(shù)據(jù)分析中對(duì)某一個(gè)節(jié)點(diǎn)的信息進(jìn)行具體分析,。在數(shù)據(jù)列表中包含了節(jié)點(diǎn),、網(wǎng)關(guān)的物理地址和網(wǎng)絡(luò)地址、節(jié)點(diǎn)的溫度和電壓信息以及圖片的拍攝日期等,。
2 系統(tǒng)測(cè)試,、實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析
    對(duì)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)硬件和軟件進(jìn)行了實(shí)際環(huán)境測(cè)試，給網(wǎng)關(guān)和節(jié)點(diǎn)上電以后,，以網(wǎng)關(guān)為中心建立一個(gè)網(wǎng)絡(luò),，節(jié)點(diǎn)會(huì)自動(dòng)加入網(wǎng)關(guān)建立的網(wǎng)絡(luò)中。
    以遠(yuǎn)端節(jié)點(diǎn)太陽(yáng)能電池供電為例進(jìn)行測(cè)試,，可以將節(jié)點(diǎn)和太陽(yáng)能電池封裝在一起,。采用監(jiān)控計(jì)算機(jī)的USB數(shù)據(jù)線直接給網(wǎng)關(guān)供電，待節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)關(guān)建立的網(wǎng)絡(luò)之后,，設(shè)置遠(yuǎn)端節(jié)點(diǎn)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(yuǎn)端節(jié)點(diǎn)的無(wú)線傳輸數(shù)據(jù)，并傳給上位機(jī)進(jìn)行信息處理,。
    在圖像大小選擇為320×240的情況下,，單跳傳輸時(shí)間約為40 s，經(jīng)室內(nèi)環(huán)境和室外環(huán)境的測(cè)試,，在單跳情況下的測(cè)試結(jié)果如下：
    （1）最遠(yuǎn)無(wú)失真的傳輸距離約為30 m,。
    （2）在30 m～100 m之間，節(jié)點(diǎn)雖然可以加入網(wǎng)關(guān)建立的網(wǎng)絡(luò),，但是它上傳給網(wǎng)關(guān)的圖像會(huì)出現(xiàn)較嚴(yán)重的丟包現(xiàn)象,，恢復(fù)之后的圖像效果較差，甚至無(wú)法恢復(fù),。
    （3）當(dāng)節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)的距離大于100 m時(shí),，節(jié)點(diǎn)無(wú)法入網(wǎng)，需要在中間添加中繼來(lái)實(shí)現(xiàn)較遠(yuǎn)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(shí)現(xiàn)圖像的多跳傳輸,。實(shí)驗(yàn)測(cè)試了樓層間多跳傳輸,，將一樓工作的節(jié)點(diǎn)采集數(shù)據(jù)，通過(guò)二樓樓梯中間的中繼節(jié)點(diǎn),，實(shí)現(xiàn)了在二樓可以正常接收節(jié)點(diǎn)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(jìn)行了單跳測(cè)試,，測(cè)試時(shí)間：80×60約為15 s，160×128約為30 s,，640×480約為60 s,。
    （5）實(shí)驗(yàn)還選擇了室內(nèi)和室外兩種不同環(huán)境進(jìn)行測(cè)試，初步顯示了在單跳情況下,，傳輸距離在30 m以內(nèi)時(shí),，圖像的恢復(fù)效果較好。
    本文主要從硬軟件兩個(gè)方面介紹了基于ZigBee的圖像采集傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì),，實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)關(guān)和節(jié)點(diǎn)的原理圖設(shè)計(jì)和控制軟件的編寫,，基于CC2530硬件模塊和ZigBee無(wú)線通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)的傳輸。由測(cè)試實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知,，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了多點(diǎn)圖像信息的獲取,，并且可以無(wú)線多跳傳輸，擴(kuò)展性能強(qiáng)。測(cè)試過(guò)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(fù)較差的問(wèn)題,、下行控制有較大延時(shí)問(wèn)題等,。這些問(wèn)題將在以后的研究工作中改進(jìn)，并將語(yǔ)言等多媒體信息及檢測(cè)環(huán)境綜合信息等作為采集傳輸對(duì)象,，實(shí)現(xiàn)無(wú)線多媒體傳感網(wǎng)的實(shí)際應(yīng)用。
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