基于ZigBee的图像采集传输系统的设计与实现

摘  要： 介绍了一种基于ZigBee的图像采集传输无线多媒体传感网络系统的设计与实现。系统采用JPEG压缩摄像头及CC2530无线SoC芯片构成节点，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，能够实现图像的采集和无线传输。系统具有自组织组网、多种供电方式、功耗低、稳定性强、可扩展性好等特点。
关键词： 无线多媒体传感网；ZigBee；JPEG；CC2530
   
     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。