水利工程安全监测网视频传感器节点的设计与实现

张美燕，蔡文郁

(1.浙江水利水电专科学校，浙江 杭州 310014;2.杭州电子科技大学，浙江 杭州 310018)

0 引言

20世纪90年代以来，我国水利基础设施建设迅速发展，投资规模不断扩大.“十五”期间，全国水利工程建设累计完成固定资产投资3615亿元，相当于1949－2000年全国水利固定投资的总量.“十一五”期间，我国每年水利工程在建项目的投资规模均超过5000亿元.面对如此大的建设和管理维护的工程规模，实现水利工程的远程视频监视非常重要.视频监视能将现场的实时图像信息准确、清晰、快速地传送到服务中心，工作人员能够实时、直接地了解和掌握现场情况，并直接根据现场情况做出相应的反应和处理，实时有效地管理水利工程.因此，水利工程中的视频监视，可及时对发生的汛情、险情、灾情进行动态监视，随时了解现场情况，为领导决策提供直观的图像信息，以便采取措施，确保水利设施安全运行，减少洪水灾害，保障人民生命财产的安全.同时，还可以改善观测、测量工作人员的工作环境，减少工作人员，做到无人值守、少人值班，从而在一定程度上消除管理人员缺少对工程管理正常开展产生的不利影响［1－3］.

目前，在水利工程的视频监视系统中，常用的传输介质主要是同轴电缆、双绞线和光纤等有线方式.由于部分水利工程地处偏僻，在某些恶劣环境下铺设有线网络并不合适，因此，如果能在水利工程中的某些特殊场合采用无线视频传感器网络技术，就能实现更大范围的精细监测和突发事件的实时监测.无线传感器网络(Wireless Sensor Network，简称WSN)［4－5］是由部署在监测区域中的大量传感器节点组成的多跳自组织的无线网络系统，它由各个传感器节点协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息，并将这些信息发送给感兴趣的用户.随着对监测对象中含有丰富信息的图像和视频数据的迫切需求，视频传感器网络(Video Wireless Sensor Network，简称 VWSN)［6－7］应运而生.视频传感器网络是指具有图像、视频等多媒体信息采集、处理、传输功能的无线传感器网络，因为采集处理传输的主要是图像和视频数据，与传统无线传感器网络相比，视频数据的采集、编码、压缩、处理和传输对于资源匮乏的传感器节点面临着很大的困难.I.DOWNES，etal［8］提出了一种基于CMOS摄像头和ARM7嵌入式CPU构建的视频传感器节点设计;Intel公司也提出了基于ARM7和XScale的传感器节点设计原型Imote和Imote2，这些方案为视频传感器节点设计提供了参考原型，但都处于初级开发阶段.

本文提出了一种适用于水利工程的基于Zigbee通信技术的视频传感器网络构架，在此基础上设计并实现了基于Zigbee通信协议［10］的视频传感器节点(Video Sensor Node)，同时设计并实现了基于GPRS/CDMA通信方式的汇聚节点(Sink Node).本文提出的视频传感器节点采用CMOS摄像头作为视频采集手段，采用嵌入式ARM9 CPU作为核心处理模块，采用CC2430作为Zigbee通信模块.

1 基于Zigbee技术的视频传感器网络

Zigbee无线通信技术作为目前发展最为迅速的短距离无线通信方式，具有低成本、传输距离远、低耗电、可靠、时延短、网络容量大、安全等优点.ZigBee技术的物理层和链路层协议主要采用IEEE802.15.4标准，IEEE802.15.4定义了两个基于DSSS直接序列扩频技术的物理层标准，在2.4GHz频段有16个信道，能够提供250 kB/s的传输速率，因此能够满足低帧率视频数据的传输需求.基于Zigbee通信技术的视频传感器网络构架见图1.视频监测节点之间采用无线Zigbee多跳传输方式将水利工程的视频数据发送到CDMA集中器终端，集中器终端一方面通过CDMA移动通信网络将视频数据发送给网络服务器或巡检员手持PDA上，一方面通过视频光端机利用光纤链路与传统的视频监测系统连接，实现整个工程视频监测系统得无缝整合.

图1 基于Zigbee通信的视频传感器网络构架

2 节点模块设计

2.1 CC2430 Zigbee无线模块设计

Zigbee无线通信模块设计采用了Chipcon公司的CC2430芯片.CC2430芯片在单个芯片上整合了射频前端、内存和微控制器，它集成了一个高性能和低功耗的8051微控制器、符合IEEE802.15.4标准的2.4 GHz的RF无线电收发机、14位模数转换的ADC、AES安全协处理器、2个支持几组协议的USART、一个符合IEEE802.15.4规范的MAC计时器，1个常规的16位计时器和2个8位计时器［8］.CC2430的选择性和敏感性指数超过了IEEE 802.15.4标准的要求，可确保短距离通信的有效性和可靠性.利用此芯片开发的无线通信设备支持数据传输率高达250 kB/s，可以实现多点对多点的快速组网.利用CC2430的强大功能，设计成SPI接口的Zigbee无线模块，便于模块化地应用于节点硬件系统中.

2.2 视频传感节点设计

视频传感器节点设计采用了嵌入式低功耗ARM9TDMI处理器S3C2410作为核心处理模块，配合 4MB NOR Flash、64MB NAND Flash 和 64 MB SDRAM存储单元构成了核心处理模块，节点操作系统采用了标准Linux内核 Linux－2.6.18.CMOS 摄像头采用了CMOS图像传感芯片OV7620完成视频摄取和A/D转换.OV7620是一款集成了一个640×480(30万象素)图像矩阵的彩色摄像芯片，在隔行扫描模式下工作频率可达60Hz，逐行扫描时为30帧/s，具有很强的摄像和控制功能.CPLD芯片EPM7128S完成视频数据缓存和转发控制.利用ARM9的IO口，视频传感器节点还具有温度、湿度等4路采集功能.ARM9处理器与CC2430无线模块之间的接口为SPI，见图2.

图2 视频传感节点原理图

2.3 汇聚节点设计

汇聚节点设计也采用了ARM9TDMI处理器S3C2410，ARM9处理器与CC2430无线模块之间的接口为SPI，与GPRS/CDMA之间的接口为RS232，这种模块的设计方式有利于整个系统的集成与更新.汇聚节点利用CC2430无线模块采集各个视频传感器节点的数据，通过CDMA无线数据传输单元(DTU)将视频传输到网络服务、手机视频或视频光端机，同时利用网络或手机还可以对汇聚节点进行参数设置和远程控制.汇聚节点硬件原理见图3.

图3 汇聚节点原理图

3 节点硬件实现与测试

视频传感节点和汇聚节点设计中使用的主要部分硬件原理见图4～图5.图4是ARM9处理器的外围接线和Flash和SDRAM扩展的接线原理，采用了4MB NOR Flash、64MB NAND Flash 和64Mb SDRAM作为存储单元.汇聚节点相比较于视频传感节点主要增加了双通道CDMA模块，图5是双通道CDMA电路的主要原理图，使用了AnyData公司的DTU-800X模块.CC2430无线射频模块根据芯片的参考设计，与节点核心处理模块之间通过SPI方式交互.

双通道CDMA模块的上行速率使用NetIQ的网络性能测试软件Chariot进行测试，图6和表1为双通道CDMA上行速率测试结果，可见双通道上行速率平均速率可达到133 kB/s，每秒钟能够传送一帧JPEG编码的图像(320×240@24bit)到网络服务器，因此能够满足低帧率视频数据的准实时传输.

图4 S3C2410处理器和存储器原理图

图5 双通道CDMA电路主要原理图

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4 结语

水利工程中的远程视频监视主要用于对重要区域或远程地点的可视化监控，通过摄像头等视频采集设备在监控点实时采集视频信号并传输给监控中心，实时动态地报告被监测点的情况，及时发现问题并进行处理，实现水利工程的一体化调度和网络化管理.本文提出了一种适合水利工程的基于Zigbee通信技术的视频传感器网络构架，在此基础上设计并实现了基于Zigbee通信协议的视频传感器节点和基于GPRS/CDMA通信方式的汇聚节点.视频传感器节点通过CMOS摄像头采集环境事件的视频信息，然后利用中继传感节点的无线多跳方式将视频数据传输到汇聚节点，汇聚节点融合多个传感器节点的视频数据，通过GPRS/CDMA移动通信将智能处理后的视频数据发往控制台主站，也可以传输到巡检员手机或PDA上进行实时监控.

［1］任庆海，陈海霞.视频监控系统在水利工程中的应用［J］.水利水文自动化，2004(1):19－22.

［2］李金平，王海玉.安徽水利远程视频监控系统组网方案［J］.通信世界，2007(24):16－17.

［3］林楚斌.东河水利枢纽图像监视系统远程传输方案［J］.人民珠江，2004(4):61.

［4］F.AKYILDIZ，W.SU，Y.SANKARASUBRAMANIAM，et al.A survey on sensor networks［C］.IEEE communication Magazine，Aug，2002:102 －114.

［5］孙利民，李建中，陈 渝，等.无线传感器网络［M］.北京:清华大学出版社.2005.

［6］P.KULKARNI，D.GANESAN，P.SHENOY，et al.SensEye:A multi-tier camera sensor network［C］.In:Zhang HJ，Chua T-S，eds.Proc.of the 13th Annual ACM international Conference on Multimedia'05.New York:ACM Press，2005:229 －238.

［7］W.FENG，B.CODE.Panoptes:A scalable architecture for video sensor networking applications［C］.In:Rowe L，Vin H，eds.Proc.of the ACM Int'l Conf.on Multimedia 2003.New York:ACM Press，2003:151 －167.

［8］I.DOWNES，L.B.RAD，H.AGHAJAN.Development of a mote for wireless image sensor networks［C］.In:Proc.of COGnitive systems with Interactive Sensors(COGIS)，Paris，France，2006.