基于ZigBee网络的多摄像头图像数据采集传输方法研究*

朱 黎，谭建军，胡 涛，钟志峰，徐鹏飞

(1. 湖北民族学院 信息工程学院，湖北 恩施 445000；2.湖北大学 计算机与信息学院，湖北 武汉 430062)



基于ZigBee网络的多摄像头图像数据采集传输方法研究*

朱 黎1，谭建军1，胡 涛1，钟志峰2，徐鹏飞1

(1. 湖北民族学院 信息工程学院，湖北 恩施 445000；2.湖北大学 计算机与信息学院，湖北 武汉 430062)

基于ZigBee协议的无线传感器网络(简称ZigBee网络)因其工作环境的特殊要求，在设计时既要考虑电路的体积足够小，又要特别考虑能耗足够小，这就使得ZigBee网络的可用资源十分有限。针对ZigBee网络的低速率(250 KB/s)和极少内存(8 KB)资源的客观条件，用分割法将传感器网络中摄像头拍摄的一幅图像数据切割成每64 B为一个数据段的若干数据段，然后将这些数据段封包并采用“选择路由法”无线传输，当一幅图像数据传输完成后，系统将自动规划新的路由，采集传输下一幅图像数据，直到把ZigBee网络中所有摄像头拍摄的图像数据全部传输完。实验证明，在ZigBee网络中，该多摄像头图像数据采集传输方法采集传输一幅图像大小为320×240的彩色图像仅需要15 s，抗干扰力强，丢包率低，图像效果良好。

ZigBee网络；图像数据；采集；传输

0 引言

由于ZigBee网络的资源有限性，如数据传输速率低(最高250 KB/s)、内存小(8 KB)，使得ZigBee网络在实际应用过程中受到一些限制[1-2]，特别是对于图像数据和视频流数据这种数据流量大、更新速度快的数据采集传输，ZigBee网络无法直接采集传输这些数据。本文提出了一种用“数据分割法”采集图像数据和用“选择路由法”传输图像数据的方案，并通过实验进行了验证。在实验中，本文以CC2530以及PTC01摄像头为主要设备搭建一定规模的实验平台，共设有20个节点end1～end20，2个路由器rout1和rout2，1个协调器coordinator，5个PTC01摄像头。其中，20个节点中5个节点采集图像数据，节点与摄像头之间的连接采用RS232串口连接，其余15个节点用于采集电压、电流数据。系统拓扑图如图1所示。

图1 多摄像头图像数据传输示意图

1 图像数据的采集

本文图像数据来源于PTC01系列摄像头，PTC01系列是一款集图像采集、拍摄控制、红外补光、数据压缩、串口传输于一体的工业级图像采集处理设备,其内置的高性能数字信号处理芯片实现了对原始图像的高比例压缩,图像输出采用标准 JPEG格式[3]。其主要性能指标如表1所示。

该摄像头在图像尺寸设置为640×480时，其图像数据为25 KB左右，图像数据完整地保留在摄像头数据缓存器里。读取图像数据可以一次完整地读取整幅图像，也可以划分为多个地址段分别读取。如果是一次性读出整张图像数据，则起始地址就是：00 00 00 00 ，读出的图像数据是以 FFD8 开头，FF D9 结尾。 如果要分多次读取图像数据，则第一次读的起始地址是：00 00 00 00 ，后几次读的起始地址就是上一次读取数据的末尾地址。

表1 PTC01/A 串口摄像头主要性能参数

图2 CC2530芯片功能模块结构框图

本文中采集图像数据使用的ZigBee网络节点硬件是CC2530，其内部功能模块结构如图2所示。

该芯片具有256 KB的闪存，8 KB的RAM，由于RAM空间有限，给网络管理分配了较多空间，因此留给用户的空间非常小[4-5]。实验中发现，用于缓存图像数据的RAM空间最佳设置是64 B，鉴于这种情况，每一次读取摄像头数据缓存器中的数据就只能是64 B。研究过程中充分利用PTC01摄像头中的图像数据缓存器并结合ZigBee网络芯片CC2530中资源的最佳配置，确定了ZigBee网络中最大可采集传输数据长度为64 B，并以该数据长度为基准，将图像传感器数据缓存器中的图像数据进行分割处理[6]，数据包长度描述如下式：

(1)

图3 图像数据采集流程图

其中，K为完整图像数据大小，Xi为第i个数据包的长度(均为64 B)。

采集节点每次读取和发送的数据为ReadSensorData(uint8 *pData)，其中*pData=pData[Xi]。根据各数据段的起始地址与结束地址，可以建立地址寻址表，ZigBee网络将依次对规划好的图像传感器缓存器中的图像数据进行采集，将地址数据、图像数据、图像数据长度等进行封包处理。采集图像数据的流程图如图3所示。

2 图像数据的传输

图4 “选择路由法”流程图

图像数据的传输是很重要的一个环节。由于本文所述图像数据的传输环境是以CC2530芯片为硬件基础构建的ZigBee网络，网络拓扑结构为Mesh网，当多点图像数据以相同能量同时传输且采用AODV路由算法时[7-8]，多点图像数据在网络中的传输是顺序交替进行的。当节点的信号能量不等时，能量最弱的节点图像数据传输机会减少，时间延迟变大。在多个摄像头采集的图像数据需要传输时，会在网络中形成严重的数据拥塞[9]，网络就会瘫痪，协调器就不能接收到所有节点的图像数据。

因此，网络在这样一种特定的应用情况下，首先要解决的问题是数据的拥塞，这意味着ZigBee网络中采用“竞争”的方法传递数据是不可取的。要解决数据传输问题，只能探求新的方法。本文采用了一种“选择路由法”来解决数据传输问题。所谓的“选择路由法”就是在ZigBee网络中从节点、路由器到协调器，数据在传输过程中其路径是被优化的，不管数据经过多少“跳”路由。 “选择路由法”流程图如图4所示。

3 实验测试与分析

首先将ZigBee网络中所有摄像头编号，每个摄像头的编号是固定不变的，这个编号也是该摄像头图像数据采集节点的地址编号。网络协调器每次在全网络中广播一个编号，当网络中的节点、路由器收到这个编号后，全网络只允许这个编号对应的图像数据传输。当一幅图像数据没有传输完时，其他摄像头的图像数据是被禁止在网络中传输的，这样就确保了一幅完整的图像数据能够在网络中不受干扰不间断地完成传输。由于受ZigBee协议算法和信道速率的限制[10-11]，每次信道传输的数据只能是zb_SendDataRequest( 0xFFFE, SENSOR_REPORT_CMD_ID, HEADLENGTH, pData, 0, 0, 0)，其中：*pData=pData[Xi]，每个数据包传输的延迟时间是Ti，总的延迟时间为T，如式(2)所示，实验测试表明，每传输一个数据包时间延迟大约10 ms。

(2)

图5所示为多摄像头图像传输信息抓包结果，其中图5(a)为采用AODV路由算法情况下的抓包信息，图5(b)为采用选择路由算法情况下的抓包信息。从实验结果可以看出看，采用AODV路由算法时，多点图像数据在网络中的传输是顺序交替进行的。然而，采用选择路由算法时，只有当一幅图像数据传输完成后，网络协调器再广播下一个编号，网络会自动规划下一个新的路由，指向下一个摄像头，以启动新一轮的图像数据传输任务，在网络协调器的控制下，网络中所有摄像头拍摄的图像数据依次循环传输。

图5 多摄像头图像数据传输抓包图

实验测试结果表明，选择路由法十分有效，不仅实现了用传感器网络传输多个摄像头图像数据的要求，而且，图像数据传输的效能和可靠性也明显提高，这使得采用低速窄带宽的无线传感器网络完成多摄像头图像数据的传输得以实现。

4 结论

本文所述基于ZigBee网络的多摄像头图像数据采集与传输方法是在通信频道带宽最大250 KB/s、节点内存8 KB的ZigBee网络环境中研究实验的，具有普遍代表性。实验证明，在ZigBee网络中图像数据采集用“数据分割法”，图像数据传输用“选择路由法”，实现了多摄像头图像数据的采集和传输。本文提出的方法是切实可行的，且图像数据采集传输可靠稳定，网络抗干扰能力强。当画面尺寸较小时，如大小为160×120的一幅彩色图像采集传输时间不到5 s即可完成，大小为320×240的彩色图像采集传输时间大约需要15 s，大小为640×480的彩色图像采集传输时间大约为25 s。同时通过进一步的实验发现，由于CC2530芯片资源不够以及技术方面的原因，该无线传感器网络目前还无法采集与传输视频数据流。

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Research on multi-camera image data acquisition and transmissionmethod based on ZigBee network

Zhu Li1, Tan Jianjun1, Hu Tao1, Zhong Zhifeng2, Xu Pengfei1

(1. School of Information Engineering, Hubei University for Nationalities 445000, China; 2. School of Computer and Information Engineering, Hubei University, Wuhan 430062, China)

Due to the special requirements of the working environment, wireless sensor network based on ZigBee protocol should be designed with some performances, such as not only small enough in the hardware circuit size, but also low enough in the energy consumption, which makes the ZigBee network resources are very limited. Based on low bit rate (250 KB/s) and little memory (8 KB) of ZigBee network, a multi-camera data acquisition and transmission method is proposed in this paper. Firstly, image data in the cache of camera is cut into several segments (64 B) using image segmentation algorithm. Then, the segments are encapsulated into packets and transferred in route selecting method. when an image data transfer is completed, the system will automatically plan a new route, collect and transmit the next image, until all the camera images in the ZigBee network transmitting finished. Experiments show that the color image(320×240) acquisition and transmission need only 15 seconds. Besides, the method has strong anti-interference, low packet loss rate, and good image effect.

ZigBee network; image data; acquisition; transmission

湖北省自然科学基金(2015CFC782)； 恩施州2016年科技计划项目(XYJ2016000155)

TN60_34

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.14.011

朱黎，谭建军，胡涛，等.基于ZigBee网络的多摄像头图像数据采集传输方法研究[J].微型机与应用，2017,36(14)：32-34，42.

2017-03-29)

朱黎(1984-)，女，硕士，讲师，主要研究方向：通信技术、无线传感器网络技术、图形图像处理。

谭建军(1960-)，通信作者，男，本科，教授，主要研究方向：通信技术、无线传感器网络技术。

E-mail:es_tjj@qq.com。

胡涛(1984-)，男，硕士，讲师，主要研究方向：图形图像处理、传输方法。