張美燕，蔡文郁

(1.浙江水利水電?？茖W(xué)校，浙江 杭州 310014;2.杭州電子科技大學(xué)，浙江 杭州 310018)

0 引言

20世紀(jì)90年代以來(lái)，我國(guó)水利基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)迅速發(fā)展，投資規(guī)模不斷擴(kuò)大.“十五”期間，全國(guó)水利工程建設(shè)累計(jì)完成固定資產(chǎn)投資3615億元，相當(dāng)于1949－2000年全國(guó)水利固定投資的總量.“十一五”期間，我國(guó)每年水利工程在建項(xiàng)目的投資規(guī)模均超過(guò)5000億元.面對(duì)如此大的建設(shè)和管理維護(hù)的工程規(guī)模，實(shí)現(xiàn)水利工程的遠(yuǎn)程視頻監(jiān)視非常重要.視頻監(jiān)視能將現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)圖像信息準(zhǔn)確、清晰、快速地傳送到服務(wù)中心，工作人員能夠?qū)崟r(shí)、直接地了解和掌握現(xiàn)場(chǎng)情況，并直接根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況做出相應(yīng)的反應(yīng)和處理，實(shí)時(shí)有效地管理水利工程.因此，水利工程中的視頻監(jiān)視，可及時(shí)對(duì)發(fā)生的汛情、險(xiǎn)情、災(zāi)情進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)視，隨時(shí)了解現(xiàn)場(chǎng)情況，為領(lǐng)導(dǎo)決策提供直觀的圖像信息，以便采取措施，確保水利設(shè)施安全運(yùn)行，減少洪水災(zāi)害，保障人民生命財(cái)產(chǎn)的安全.同時(shí)，還可以改善觀測(cè)、測(cè)量工作人員的工作環(huán)境，減少工作人員，做到無(wú)人值守、少人值班，從而在一定程度上消除管理人員缺少對(duì)工程管理正常開展產(chǎn)生的不利影響［1－3］.

目前，在水利工程的視頻監(jiān)視系統(tǒng)中，常用的傳輸介質(zhì)主要是同軸電纜、雙絞線和光纖等有線方式.由于部分水利工程地處偏僻，在某些惡劣環(huán)境下鋪設(shè)有線網(wǎng)絡(luò)并不合適，因此，如果能在水利工程中的某些特殊場(chǎng)合采用無(wú)線視頻傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，就能實(shí)現(xiàn)更大范圍的精細(xì)監(jiān)測(cè)和突發(fā)事件的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè).無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Network，簡(jiǎn)稱WSN)［4－5］是由部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域中的大量傳感器節(jié)點(diǎn)組成的多跳自組織的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，它由各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中感知對(duì)象的信息，并將這些信息發(fā)送給感興趣的用戶.隨著對(duì)監(jiān)測(cè)對(duì)象中含有豐富信息的圖像和視頻數(shù)據(jù)的迫切需求，視頻傳感器網(wǎng)絡(luò)(Video Wireless Sensor Network，簡(jiǎn)稱 VWSN)［6－7］應(yīng)運(yùn)而生.視頻傳感器網(wǎng)絡(luò)是指具有圖像、視頻等多媒體信息采集、處理、傳輸功能的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，因?yàn)椴杉幚韨鬏數(shù)闹饕菆D像和視頻數(shù)據(jù)，與傳統(tǒng)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)相比，視頻數(shù)據(jù)的采集、編碼、壓縮、處理和傳輸對(duì)于資源匱乏的傳感器節(jié)點(diǎn)面臨著很大的困難.I.DOWNES，etal［8］提出了一種基于CMOS攝像頭和ARM7嵌入式CPU構(gòu)建的視頻傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì);Intel公司也提出了基于ARM7和XScale的傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)原型Imote和Imote2，這些方案為視頻傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)提供了參考原型，但都處于初級(jí)開發(fā)階段.

本文提出了一種適用于水利工程的基于Zigbee通信技術(shù)的視頻傳感器網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于Zigbee通信協(xié)議［10］的視頻傳感器節(jié)點(diǎn)(Video Sensor Node)，同時(shí)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于GPRS/CDMA通信方式的匯聚節(jié)點(diǎn)(Sink Node).本文提出的視頻傳感器節(jié)點(diǎn)采用CMOS攝像頭作為視頻采集手段，采用嵌入式ARM9 CPU作為核心處理模塊，采用CC2430作為Zigbee通信模塊.

1 基于Zigbee技術(shù)的視頻傳感器網(wǎng)絡(luò)

Zigbee無(wú)線通信技術(shù)作為目前發(fā)展最為迅速的短距離無(wú)線通信方式，具有低成本、傳輸距離遠(yuǎn)、低耗電、可靠、時(shí)延短、網(wǎng)絡(luò)容量大、安全等優(yōu)點(diǎn).ZigBee技術(shù)的物理層和鏈路層協(xié)議主要采用IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，IEEE802.15.4定義了兩個(gè)基于DSSS直接序列擴(kuò)頻技術(shù)的物理層標(biāo)準(zhǔn)，在2.4GHz頻段有16個(gè)信道，能夠提供250 kB/s的傳輸速率，因此能夠滿足低幀率視頻數(shù)據(jù)的傳輸需求.基于Zigbee通信技術(shù)的視頻傳感器網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架見(jiàn)圖1.視頻監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)之間采用無(wú)線Zigbee多跳傳輸方式將水利工程的視頻數(shù)據(jù)發(fā)送到CDMA集中器終端，集中器終端一方面通過(guò)CDMA移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)將視頻數(shù)據(jù)發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器或巡檢員手持PDA上，一方面通過(guò)視頻光端機(jī)利用光纖鏈路與傳統(tǒng)的視頻監(jiān)測(cè)系統(tǒng)連接，實(shí)現(xiàn)整個(gè)工程視頻監(jiān)測(cè)系統(tǒng)得無(wú)縫整合.

圖1 基于Zigbee通信的視頻傳感器網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架

2 節(jié)點(diǎn)模塊設(shè)計(jì)

2.1 CC2430 Zigbee無(wú)線模塊設(shè)計(jì)

Zigbee無(wú)線通信模塊設(shè)計(jì)采用了Chipcon公司的CC2430芯片.CC2430芯片在單個(gè)芯片上整合了射頻前端、內(nèi)存和微控制器，它集成了一個(gè)高性能和低功耗的8051微控制器、符合IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的2.4 GHz的RF無(wú)線電收發(fā)機(jī)、14位模數(shù)轉(zhuǎn)換的ADC、AES安全協(xié)處理器、2個(gè)支持幾組協(xié)議的USART、一個(gè)符合IEEE802.15.4規(guī)范的MAC計(jì)時(shí)器，1個(gè)常規(guī)的16位計(jì)時(shí)器和2個(gè)8位計(jì)時(shí)器［8］.CC2430的選擇性和敏感性指數(shù)超過(guò)了IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的要求，可確保短距離通信的有效性和可靠性.利用此芯片開發(fā)的無(wú)線通信設(shè)備支持?jǐn)?shù)據(jù)傳輸率高達(dá)250 kB/s，可以實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的快速組網(wǎng).利用CC2430的強(qiáng)大功能，設(shè)計(jì)成SPI接口的Zigbee無(wú)線模塊，便于模塊化地應(yīng)用于節(jié)點(diǎn)硬件系統(tǒng)中.

2.2 視頻傳感節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

視頻傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)采用了嵌入式低功耗ARM9TDMI處理器S3C2410作為核心處理模塊，配合 4MB NOR Flash、64MB NAND Flash 和 64 MB SDRAM存儲(chǔ)單元構(gòu)成了核心處理模塊，節(jié)點(diǎn)操作系統(tǒng)采用了標(biāo)準(zhǔn)Linux內(nèi)核 Linux－2.6.18.CMOS 攝像頭采用了CMOS圖像傳感芯片OV7620完成視頻攝取和A/D轉(zhuǎn)換.OV7620是一款集成了一個(gè)640×480(30萬(wàn)象素)圖像矩陣的彩色攝像芯片，在隔行掃描模式下工作頻率可達(dá)60Hz，逐行掃描時(shí)為30幀/s，具有很強(qiáng)的攝像和控制功能.CPLD芯片EPM7128S完成視頻數(shù)據(jù)緩存和轉(zhuǎn)發(fā)控制.利用ARM9的IO口，視頻傳感器節(jié)點(diǎn)還具有溫度、濕度等4路采集功能.ARM9處理器與CC2430無(wú)線模塊之間的接口為SPI，見(jiàn)圖2.

圖2 視頻傳感節(jié)點(diǎn)原理圖

2.3 匯聚節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

匯聚節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)也采用了ARM9TDMI處理器S3C2410，ARM9處理器與CC2430無(wú)線模塊之間的接口為SPI，與GPRS/CDMA之間的接口為RS232，這種模塊的設(shè)計(jì)方式有利于整個(gè)系統(tǒng)的集成與更新.匯聚節(jié)點(diǎn)利用CC2430無(wú)線模塊采集各個(gè)視頻傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，通過(guò)CDMA無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸單元(DTU)將視頻傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)服務(wù)、手機(jī)視頻或視頻光端機(jī)，同時(shí)利用網(wǎng)絡(luò)或手機(jī)還可以對(duì)匯聚節(jié)點(diǎn)進(jìn)行參數(shù)設(shè)置和遠(yuǎn)程控制.匯聚節(jié)點(diǎn)硬件原理見(jiàn)圖3.

圖3 匯聚節(jié)點(diǎn)原理圖

3 節(jié)點(diǎn)硬件實(shí)現(xiàn)與測(cè)試

視頻傳感節(jié)點(diǎn)和匯聚節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)中使用的主要部分硬件原理見(jiàn)圖4～圖5.圖4是ARM9處理器的外圍接線和Flash和SDRAM擴(kuò)展的接線原理，采用了4MB NOR Flash、64MB NAND Flash 和64Mb SDRAM作為存儲(chǔ)單元.匯聚節(jié)點(diǎn)相比較于視頻傳感節(jié)點(diǎn)主要增加了雙通道CDMA模塊，圖5是雙通道CDMA電路的主要原理圖，使用了AnyData公司的DTU-800X模塊.CC2430無(wú)線射頻模塊根據(jù)芯片的參考設(shè)計(jì)，與節(jié)點(diǎn)核心處理模塊之間通過(guò)SPI方式交互.

雙通道CDMA模塊的上行速率使用NetIQ的網(wǎng)絡(luò)性能測(cè)試軟件Chariot進(jìn)行測(cè)試，圖6和表1為雙通道CDMA上行速率測(cè)試結(jié)果，可見(jiàn)雙通道上行速率平均速率可達(dá)到133 kB/s，每秒鐘能夠傳送一幀JPEG編碼的圖像(320×240@24bit)到網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，因此能夠滿足低幀率視頻數(shù)據(jù)的準(zhǔn)實(shí)時(shí)傳輸.

圖4 S3C2410處理器和存儲(chǔ)器原理圖

圖5 雙通道CDMA電路主要原理圖

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4 結(jié)語(yǔ)

水利工程中的遠(yuǎn)程視頻監(jiān)視主要用于對(duì)重要區(qū)域或遠(yuǎn)程地點(diǎn)的可視化監(jiān)控，通過(guò)攝像頭等視頻采集設(shè)備在監(jiān)控點(diǎn)實(shí)時(shí)采集視頻信號(hào)并傳輸給監(jiān)控中心，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)地報(bào)告被監(jiān)測(cè)點(diǎn)的情況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)水利工程的一體化調(diào)度和網(wǎng)絡(luò)化管理.本文提出了一種適合水利工程的基于Zigbee通信技術(shù)的視頻傳感器網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于Zigbee通信協(xié)議的視頻傳感器節(jié)點(diǎn)和基于GPRS/CDMA通信方式的匯聚節(jié)點(diǎn).視頻傳感器節(jié)點(diǎn)通過(guò)CMOS攝像頭采集環(huán)境事件的視頻信息，然后利用中繼傳感節(jié)點(diǎn)的無(wú)線多跳方式將視頻數(shù)據(jù)傳輸?shù)絽R聚節(jié)點(diǎn)，匯聚節(jié)點(diǎn)融合多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的視頻數(shù)據(jù)，通過(guò)GPRS/CDMA移動(dòng)通信將智能處理后的視頻數(shù)據(jù)發(fā)往控制臺(tái)主站，也可以傳輸?shù)窖矙z員手機(jī)或PDA上進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控.

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