基于ZigBee的图像采集传输系统的设计与实现*

高 韦，许耀华，胡艳军，姜新红，仇乐乐，师庆敏，魏海燕

（安徽大学 计算智能与信号处理教育部重点实验室，安徽 合肥230039）

无线多媒体传感器网络WMSN(Wireless Multimedia Sensor Networks)[1]是随着物联网技术的广泛应用及多媒体信息的需求而出现的。它在无线传感器网络中引入了低功耗多媒体信息处理。无线传感器网络WSN（Wireless Sensor Networks）[2]由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，并通过无线通信方式形成的一个多跳、自组织的网络系统，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中被感知对象的信息，并发送给观察者。传感器、感知对象和观察者构成了无线传感器网络的三个要素。WMSN由于具有丰富的传感信息已经成为一个研究热点，被广泛应用于分布式监控、环境监控、目标跟踪及图像注册等场合。

本文设计并实现了一个能够实现无线多点图像采集的低功耗WMSN系统，系统由多种供电方式的远端采集节点和汇聚网关节点构成。在数据中心完成所有数据的汇总、存储、分析、演示等功能。

1 系统结构设计及实现

系统以典型的家居或楼宇监控为设计背景，实现多点或多方位的图像采集并能够实现无线多跳中继传输的目标，同时还要满足低功耗的要求。系统工作原理是：远端采集节点的摄像头周期性地采集并压缩监控场景图像，利用节点无线传输功能，基于无线传感网的通信协议上传数据，节点间具有多跳中继的能力，最后汇聚到网关节点，实现信息数据的汇总，由监控计算机实现数据存储、分析、展示功能，或者远程处理信息。由于系统需要基于无线传感器网络在监测区域内大量部署，所以要通过无线通信方式形成一个多跳自组织网络，要具有低功耗、低成本、分布式和自组织的特点。

1.1 系统实现过程

系统工作示意图如图1所示。当网关（协调器）上电以后，它会自动建立一个网络，远端节点会加入网络并完成绑定，当系统通过ZigBee[3]协议组网完成以后，节点控制摄像头周期性地采集图像，无线上传给中继并最终无线上传给网关，或者节点直接无线传输给网关，网关将汇聚到的多个节点图像数据通过串口上传给计算机。此外，系统还设计了手动向远端节点发送拍摄指令的方式。系统组网简单，可以实现近距离的数据传输，也可以通过中继实现较远距离的数据多跳传输。每个网关可以带多个节点，同时每个节点也可以带多个摄像头。

1.2 射频模块设计

射频模块电路图如图2所示。主要由片上系统CC2530[4]及其外围电路构成。射频芯片CC2530在单个芯片上整合了ZigBee射频(RF)前端、内存和微控制器，在接收和发射模式下，电流损耗分别为24 mA和29 mA。CC2530具有不同的运行模式，尤其适应超低功耗要求的系统，运行模式之间的转换时间较短，进一步确保了低能消耗，因此，CC2530芯片尤其适合于要求电池寿命较长的应用场合。

1.3 节点和网关设计

远端节点基于CC2530 SoC平台，利用具有JPEG压缩功能的CMOS摄像头完成图像采集，基于ZigBee无线传感网通信协议实现无线多跳传输控制。ZigBee是IEEE 802.15.4协议的代名词，采用全球通用的2.4 GHz ISM传输频带，是一种廉价、自组织、低功耗的近距离无线组网技术。

系统的硬件主要包括网关和节点两个部分，完成硬件电路PCB[5]设计及控制程序的编写、实现图像的采集和无线传输。

1.3.1 节点

节点的主要部分电路原理图如图3所示。为了提高远端节点应用的多样性，采用了太阳能电池供电、安全帽照明锂电池供电、通用普通电池供电、USB接口供电、仿真器直接供电5种供电方式。

对不同的供电方式要有相应的电压转换控制电路，其中太阳能电池供电方式、矿工安全帽锂电池供电方式及USB接口供电方式都采用电压转换芯片TPS79533转换为节点工作电压。节点主要接口包括CC2530模块接口、JTAG仿真器接口、串口摄像头接口、电池底座接口、矿工帽直流电源接口、复位按键和双排20针I/O扩展接口，这些扩展接口将芯片的硬件资源向外扩展出来，用户可以根据自己的需要制作外围设备，例如接温度传感器等。

1.3.2 网关

网关的功能就是通过系统构建的自组织网络，对每个节点所采集到的信息进行汇聚，然后再上传到上位机。主要功能模块是如图4所示的USB转串口电路，及网关的电源转换模块，其电源模块与节点的电源模块类似，采用与远端节点类似的4种供电方案：太阳能电池供电、普通电池供电、电脑USB供电、仿真器直接提供供电，由电压转换芯片将电压转换为核心控制器CC2530需要的3.3 V工作电压。

1.4 系统数据中心软件设计

系统软件界面是基于Visual C++6.0[6]环境下编写的，实现了参数设置、图像浏览、拓扑结构显示、数据分析和列表等功能。参数设置包括对采集周期、图像大小（80×60、160×128、320×240、640×480）和发送方式(广播或单播)的设置。为了方便用户使用，图像浏览功能不仅包括了一般的上下翻页浏览，还可以对所拍摄的图像进行定时自动浏览。拓扑结构显示功能可以显示节点和网关之间的拓扑关系。可以在数据分析中对某一个节点的信息进行具体分析。在数据列表中包含了节点、网关的物理地址和网络地址、节点的温度和电压信息以及图片的拍摄日期等。

2 系统测试、实验结果及分析

对设计的系统硬件和软件进行了实际环境测试，给网关和节点上电以后，以网关为中心建立一个网络，节点会自动加入网关建立的网络中。

以远端节点太阳能电池供电为例进行测试，可以将节点和太阳能电池封装在一起。采用监控计算机的USB数据线直接给网关供电，待节点加入网关建立的网络之后，设置远端节点的信息采集方式，即采集图像的周期大小等参数。网关汇聚各远端节点的无线传输数据，并传给上位机进行信息处理。

在图像大小选择为320×240的情况下，单跳传输时间约为40 s，经室内环境和室外环境的测试，在单跳情况下的测试结果如下：

（1）最远无失真的传输距离约为 30 m。

（2）在30 m～100 m之间，节点虽然可以加入网关建立的网络，但是它上传给网关的图像会出现较严重的丢包现象，恢复之后的图像效果较差，甚至无法恢复。

（3）当节点和网关的距离大于 100 m时，节点无法入网，需要在中间添加中继来实现较远距离的数据传输。在加入中继的情况下，可以在不同楼层之间、不同楼栋之间实现图像的多跳传输。实验测试了楼层间多跳传输，将一楼工作的节点采集数据，通过二楼楼梯中间的中继节点，实现了在二楼可以正常接收节点上传的图像，两跳的距离约为50 m。

（4）在选择其他分辨率的情况下，在室内环境也进行了单跳测试， 测试时间：80×60约为 15 s，160×128约为 30 s，640×480 约为 60 s。

（5）实验还选择了室内和室外两种不同环境进行测试，初步显示了在单跳情况下，传输距离在30 m以内时，图像的恢复效果较好。

本文主要从硬软件两个方面介绍了基于ZigBee的图像采集传输系统的设计，实现了网关和节点的原理图设计和控制软件的编写，基于CC2530硬件模块和Zig-Bee无线通信协议实现图像数据的传输。由测试实验结果可知，系统实现了多点图像信息的获取，并且可以无线多跳传输，扩展性能强。测试过程中也发现了如图像数据丢包造成数据恢复较差的问题、下行控制有较大延时问题等。这些问题将在以后的研究工作中改进，并将语言等多媒体信息及检测环境综合信息等作为采集传输对象，实现无线多媒体传感网的实际应用。

[1]马超，叶湘滨，胡冰.无线多媒体传感器网络中相机节点的设计与实现[J].传感器与微系统,2008，27(12)：79-81.

[2]POTTIE G.Wireless sensor networks[J].Information Theory Workshop，1998，22(10)：139-140.

[3]金纯.ZigBee技术基础及案例分析[M].北京：国防工业出版社，2008：16-52.

[4]CHOI S，CHA H，CHO S.A SoC-based sensor node：evaluation of RETOS-enabled CC2430[J].IEEE Secon，2007，20：132-141.

[5]郑一力.Protel 99SE电路设计与制版入门与提高[M].北京：人民邮电出版社，2008：63-95.

[6]刘锐宁，梁水，宋坤.Visual C++程序开发范例宝典[M].北京：人民邮电出版社，2009：20-198.