基于ZigBee网络的多跳图像传输系统的设计

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摘要：该文提出了基于zigbee网络的多跳图像传输系统的设计，该系统由三部分组成，即图像采集模块，路由传输模块和图像接收模块。CMOS摄像头和CC2420片上系统构成了图像传输系统的采集节点，利用Mesh型网络的自组织和自愈功能，该系统允许多节点采集，并且远端的节点信息可以通过“多跳”的方式到达终端设备。此外，该多跳图像传输系统具有设计简单、易于安装、低价格、低功耗的特点，使得它可以在很多领域得到广泛应用。

关键词：多媒体传感器网络；ZigBee协议；多跳；图像传输

中图分类号：TP212文献标识码：A文章编号：1009-3044(2012)22-5329-05

Design of Multi-hop Image Transmission System Based on ZigBee Network

WU Wan-yang1,TIAN Yun-jie1,CAO Cong1, SHA Chao2

(1.College of Science, Nanjing University of Posts and Telecommunications, Nanjing 210046 China; 2. Jiangsu High Technology Research Key Laboratory for Wireless Sensor Networks, Jiangsu Province, Nanjing 210003, China)

Abstract: In this paper, a wireless image transmission system based on ZigBee network has been proposed. The system consists of three parts, namely image acquisition module, routing transmission module and image receiving module. The CMOS camera OV2640 and CC2420 wireless SoC chip constitute the image acquisition node. With the help of the Self-organizing and Self-healing functions that mesh network has, this dynamical network allows multi-node capture. As all the nodes form a mesh structure, information on the remote node can finally reach the terminal via multi-hop. Furthermore, the characteristics of simple structure, easy installation, low cost and low power for the designed system will make it be widely applied in many fields.

Key words: multimedia sensor networks; ZigBee protocol; multi-hop; image transmission

无线多媒体传感器网络WMSN[1]（Wireless Multimedia Sensor Networks）应物联网技术的广泛应用及低功耗多媒体信息处理的需求而生，是在传统无线传感器网络[2]（WSN）的基础上引入了音频、视频、图像等多媒体信息感知功能的一种新型传感器网络。典型的无线多媒体传感器网络一般由多媒体传感器节点(multimedia sensor node)、汇聚节点(sink node)和控制中心(control central)组成[1]，多媒体传感器节点布设在指定的监测区域内，其采集的信息沿着其他多媒体传感器节点，以无线的方式经过“多跳”传送到汇聚节点，最后到达控制中心，用户通过控制中心对传感器网络进行配置和管理，监测任务以及收集监测数据。WMSN将WSN的自组织、无人值守等优点和丰富的多媒体信息有机地结合起来，被广泛应用于分布式监控、环境监测、目标跟踪及交通监控、智能家居等场合。

本文设计并实现了一个基于ZigBee网络的能实现图像多跳传输的低功耗WMSN系统，系统由远端采集节点，中继节点和汇聚节点构成，采集节点采集到图片信息，经过该WMSN系统最终传输到PC机，用户对终端的操作可以把控制信息反馈给传感器网络，实现对传感器网络的控制和管理。

1系统分析与硬件设计

ZigBee技术[2]是一种面向自动化和无线控制的低速率、低功耗、低价格的无线网络方案，完整的ZigBee协议栈自上而下由应用层、应用汇聚层、网络层、数据链路层和物理层组成。物理层采用直接序列扩频（DSSS）技术，定义了三种流量等级，本文提出的方案中使用的频段是2.4GHz,此时协议能够提供250Kb/s的传输速率。ZigBee的网络层支持3种拓扑结构[2]：星型（Star）结构，网状（Mesh）结构,和簇树（Cluster Mesh）结构。Mesh型网络[4]允许在通信范围内的实体都能进行相互通信，对于没有直接通路的两个实体，还可以通过“多跳”的方式完成通信，除此之外，网络还具有自组织和自愈功能，本文采用的是Mesh型网络。其网络结构如图1所示。

图1 Mesh网络拓扑图

网络中的路由器是功能简化型设备，协调器是功能完善型设备，路由器的信息能够直接或者以“多跳”方式传输到协调器，并由协调器送达终端设备。

本文提出的多跳图像传输系统主要由三部分组成：图像采集节点、中继节点和汇聚节点。其中图像采集节点的功能是完成图像采集和数据发送，图像采集模块由CMOS摄像头OV2640、JPEG压缩算法芯片及flash存储芯片构成，用于图像的采集、压缩，储存等相关处理。中继由ZigBee模块即可完成，用于各节点之间的图像的传输。而图像接收部分即图像监控中心由ZigBee模块+PC机完成，用串口通信的方式实现传感器节点和电脑连接，使节点将接收到的图像传入电脑，以便进入后续的图像分析等工作，实现电脑对整个传感器网络的控制和管理。系统的工作示意图如图2所示。

图2系统工作示意图

1.1 ZigBee模块的设计

ZigBee模块，即路由传输模块，处理器采用的是ATmega1281单片机，它是基于AVR RISC结构的8位低功耗CMOS微处理器，由于其先进的指令集及单周期指令系统，ATmega1281的数据吞吐率高达16MIPS[3]，从而可以减轻系统在低功耗和处理速度之间的矛盾，符合本文设计基于ZigBee网络的低功耗WMSN系统的思路。射频芯片采用的是CC2420射频收发器，CC2420是TI公司推出的首款符合2.4GHz IEEE 802.15.4标准的射频收发器，性能稳定且功耗极低，只需要极少外部器件[3]。芯片本振信号既可由外部有源晶体提供，也可由内部电路提供，由内部电路提供时需外加晶体振荡器和两个负载电容。设计中可以使用单极天线也可使用双极天线[5]。IEEE802系列标准将MAC分成逻辑链路控制(LLC)和媒介接入控制(MAC)2个子层[2]。考虑到Zigbee MAC层的设计应尽可能地降低成本、易于实现、数据传输可靠、短距离操作以及低功耗，因此，采用了简单灵活的协议，其帧有4种类型：数据帧，标志帧，命令帧和确认帧，结构如图3所示。

图3 MAC帧结构图

CC2420与处理器的连接十分方便，它通过SPI接口（CSn、SO、SI、SCLK）交换数据，使用SFD、FIFO、FIFOP和CCA四个引脚表示收发数据的状态[5]，另外，它使用RESETn引脚复位芯片，使用VERG_EN引脚使能CC2420的电压调整器，从而使CC2420进入正常工作的状态。本文设计的系统CC2420模块单独成板[5]，采用标准2×6双排接插件与微处理器连接。图4给出了该插槽的电路图。

为了实现可靠的图像传输，本模块采用Flash存储芯片AT45DB161D实现实时存储，AT45DB161D采用串行接口，从而大大减少了可用引脚数量，同时也提高了系统可靠性，降低了开关噪声，缩小了封装体积。它可以通过#CS来进行使能，并通过三线接口（SI、SO、SCK）进行数据通信。

ATmega1281单片机中的SPI接口用来实现与CC2420射频模块的通信，两组USART接口中，其中USART1被Flash芯片占用用来收发图像信息，再加上电源电路和JTAG接口电路，ZigBee模块的硬件设计完成，该模块可以加上摄像头采集信息，也可以单独构成通信模块（中继节点），加上串口和PC机构成了系统的接收模块。图5为ZigBee模块实物图。

图4 CC2420与处理器的接口电路

图5 ZigBee模块实物图

1.2其他接口电路的设计

本系统用到的接口电路有RS232串口接口电路和JTAG接口电路，串口通信模块接单片机的USART0，采用MAX3232低功耗芯片[8]，这样使整个无线节点能方便地工作在3.3V下，进一步降低了系统的功耗。ATmega1281的JTAG接口是一个完全兼容IEEE 1149标准的4线控制接口，ATMEL的AVR单片机对此标准进行了扩展，使之可以具有完全的编程能力和实时在线仿真特性[5]。

2软件设计

2.1系统结构设计

本文设计的系统由PC机、ZigBee模块和摄像头模块组成。工作时的命令传输示意图如图6所示。

图6命令传输图

ZigBee模块通过不断的监听信道，如果接收到开始信号，那么开始存储数据至Flash，当接收到结束信号，则将数据从Flash存储器中读出转发到下一个节点，具体方式见图7流程图。

图7 ZigBee节点工作流程图

2.2图像的接收与发送

CC2420完全支持IEEE 802.15.4帧格式，其数据帧格式在1.1部分已有阐述，在接收模式中，CC2420通过0字符来进行同步，并查找同步字中定义的SFD，如果同步字最低位是0XF，将会被忽略。默认的设置是0XA70F，这样会增加更多的0字符以便同步，同时也能降低噪声的影响。

帧长度说明了MPDU的长度，CC2420在发送和接收数据时，都要使用帧长度区，用于指示溢出。发送数据时，先将CC2420设置为发送模式。将要发送的数据加上帧控制，帧序列号，目的地址等帧信息后封装成数据帧。通过SPI总线将数据帧写入到CC2420发送寄存器TXFIFO中，最后将数据帧发送到目的节点。

接收数据时，首先将CC2420设置为接收模式。CC2420接收寄存器RXFIFO接收到数据包之后触发单片机的FIFOP中断，单片机在中断处理时，若芯片缓存未溢出且有可用的RAM空间，则启动读RXFIFO任务将数据包读入到单片机中再将RXFIFO清空，否则等待。

2.3图像的存储

我们选用的Flash芯片AT45DB161D最大可存储2M字节，有两个528K的缓冲区，对于Flash的读写就必须通过对缓冲区的操作来实现，下面给出Flash存储的读写数据过程的算法流程：

中继节点将接收到的数据包先存储至Flash，待发送端数据发送完毕停止发送时，再从Flash中读出数据包进而转发给接收节点，这样有效的解决了信道的冲突问题，避免了其他无关信号对本节点的干扰。

3系统测试及分析

给系统中各节点上电并下载相应的程序后，在改变图像大小、传输距离、增添障碍物的情况下，对系统做了一系列测试。首先，选择图像大小为320×240时，改变两节点之间的距离，记录传输一帧图像的误码率，接着选择了图像大小为480×320做了一组实验，传输距离最近选择了10m，最远到200m，实验结果如图8：

图8传输距离-误码率曲线图

由图8可见，单跳最远无失真传输距离为45米，距离再增加时，通信质量迅速下降。设置采集节点和接收节点之间的距离为90m并在中点加一跳中继的情况下，误码率仍然为0，因此以上结论得到验证，同时此时的传输时间由单跳时的6.0s增加至8.7s，这是因为单跳的传输时间由图像采集时间和CC2420发送时间构成，两跳时发送时间加倍，再加上一次采集时间，得知CC2420发送一张图像的时间大致为2.7s。

以上的实验都是在空旷的场所进行的，接下来我们在封闭环境下对本文设计的系统进行了进一步测试。在相邻的两间教室里（墙厚约为30cm），单跳传输无任何误码，在相间的两间教室时，平均误码率上升为0.013，但是30次实验中有22次是无误码传输，若在中间的教室加一个中继节点，平均误码率变为0。当发送节点和接收节点之间间隔两间教室（三面墙）时，平均误码率上升为0.069，此时30次实验中没有出现无误码传输的情况。可见该系统在面临大障碍物时仍然能够实现有效通信，当大障碍物较多时，可以通过“多跳”的方式实现图像的无失真传输。误码率为0、0.013、0.069时，终端接收到的图像对比如图9所示。

图9误码率-图像质量

4结论

经过实验验证，本文设计的基于ZigBee网络的多跳图像传输系统能够正确有效地传输图像，并且能够实现多点采集，构成Mesh型网络，从而实现多点图像信息的传输。节点采用电池供电，方便节点的移动，由于Mesh型网络具有自组织和自愈功能，使网络构成动态的整体，可以随时添加和删减节点。该传输系统的硬件设计始终以低功耗为原则，避免了频繁地更换电池，为此它可以使用在一些恶劣的环境，在军工、民用方面都能得到广泛的应用。在ZigBee模块的设计中加入音频管理芯片后，就能够实现视频的传输，扩展了本系统的功能，使之能得到更加广泛的应用，这项工作将在我们的后续工作中进行。

参考文献：

[1]王汝传,孙力娟.无线多媒体传感器网络技术[M].北京:人民邮电出版社,2011:1-7.

[2]许毅.无线传感器网络原理及方法[M].北京:清华大学出版社,2012:162-168.

[3]赵东风,丁洪伟,李远壮,等.无线传感器网络实验教程[M].昆明:云南大学出版社,2010.

[4]尹湘源,朱忠杰,凌志浩,等.基于ZigBee协议的图像无线传输系统设计[J].微计算机信息，2009，25(52)：32-33.

[5]陈彦明.基于ZigBee的无线网络传感器节点设计及其应用开发[D].哈尔滨:哈尔滨理工大学,2009.

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