鄧伯韜，孫 濤

(武漢大學(xué)電子信息學(xué)院，湖北 武漢，430072)

基于無線傳感網(wǎng)的圖像監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

鄧伯韜，孫 濤

(武漢大學(xué)電子信息學(xué)院，湖北 武漢，430072)

針對(duì)觀測(cè)傳感網(wǎng)中的災(zāi)害應(yīng)急監(jiān)測(cè)，設(shè)計(jì)一套基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的圖像監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)的感知層與傳輸層由攝像頭模塊、無線傳輸模塊、MCU控制模塊和電源模塊組成；采用低功耗CC2430為主控芯片，實(shí)現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)的采集與傳輸；通過SIFT特征匹配算法實(shí)現(xiàn)來源于應(yīng)用層多種終端設(shè)備的監(jiān)測(cè)圖片的拼接。本系統(tǒng)具有簡(jiǎn)單、組網(wǎng)靈活、低功耗、低成本等優(yōu)勢(shì)，適用于地面無基礎(chǔ)設(shè)施或?yàn)?zāi)后應(yīng)急的圖像監(jiān)測(cè)，是空天地多平臺(tái)、多傳感器的協(xié)同觀測(cè)系統(tǒng)的有效補(bǔ)充。

災(zāi)害應(yīng)急監(jiān)測(cè)；ZigBee；無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；圖像傳輸；圖像拼接

對(duì)地觀測(cè)傳感網(wǎng)是對(duì)地觀測(cè)領(lǐng)域的新方法，它將具有感知、計(jì)算和通信能力的傳感器以及傳感器網(wǎng)絡(luò)與萬維網(wǎng)進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，使分布式資源整合為一個(gè)獨(dú)立、自主、任務(wù)可定制、動(dòng)態(tài)適應(yīng)并可重新配置的協(xié)同觀測(cè)系統(tǒng)。對(duì)地觀測(cè)技術(shù)在國土資源、農(nóng)業(yè)規(guī)劃、作物估產(chǎn)、工業(yè)布局、城鄉(xiāng)建設(shè)、國防工程、污染防治、災(zāi)害預(yù)警、災(zāi)害應(yīng)急等眾多領(lǐng)域具有十分重要的應(yīng)用價(jià)值和不可估量的應(yīng)用潛力[1-3]。傳統(tǒng)的視頻監(jiān)測(cè)系統(tǒng)成本高，增加新節(jié)點(diǎn)須改變物理線路，維護(hù)成本也高。而一般的無線傳輸系統(tǒng)采用GPRS的方案實(shí)現(xiàn)圖像遠(yuǎn)距離傳輸，這種方式依賴于基站，建立與維護(hù)基站的難度大，而且在災(zāi)害性天氣情況下，容易出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)癱瘓的狀況。為此，本文結(jié)合ZigBee[4]和WIFI技術(shù)，設(shè)計(jì)一套基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的對(duì)地觀測(cè)傳感網(wǎng)圖像監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，以期實(shí)現(xiàn)地面無基礎(chǔ)設(shè)施或?yàn)?zāi)后應(yīng)急狀況下的圖像監(jiān)測(cè)。

1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

對(duì)地觀測(cè)傳感網(wǎng)的系統(tǒng)框架如圖1所示。系統(tǒng)共有三個(gè)層次，第一層是感知數(shù)據(jù)的感知層，第二層是數(shù)據(jù)傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)層，第三層是內(nèi)容應(yīng)用層。感知層由無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)和接入網(wǎng)關(guān)組成，節(jié)點(diǎn)感知環(huán)境信息(溫度、濕度、圖像等)，并自行組網(wǎng)傳遞到上層網(wǎng)關(guān)接入點(diǎn)，由網(wǎng)關(guān)將收集到的環(huán)境信息通過網(wǎng)絡(luò)層提交到上層處理。網(wǎng)絡(luò)層建立在現(xiàn)有的移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)和互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上，通過各種接入設(shè)備與移動(dòng)通信網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)相連。應(yīng)用層處理和分析來自感知層的數(shù)據(jù)，為用戶提供個(gè)性化的定制服務(wù)。

按照上述的架構(gòu)模型，本系統(tǒng)由若干個(gè)基于ZigBee的匯聚節(jié)點(diǎn)、圖像采集節(jié)點(diǎn)、WIFI模塊、服務(wù)器和Android終端組成。為了保證數(shù)據(jù)的可靠傳輸和組網(wǎng)的簡(jiǎn)單性，在感知層的匯聚節(jié)點(diǎn)與采集節(jié)點(diǎn)組成單跳的星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)完成監(jiān)測(cè)任務(wù)，采集節(jié)點(diǎn)與CMOS攝像頭通過RS-232通信，攝像頭具有采集和壓縮圖像功能，采用標(biāo)準(zhǔn)的JPEG圖像壓縮算法，輸出JPEG格式圖像。在網(wǎng)絡(luò)層，匯聚節(jié)點(diǎn)通過RS-232與WIFI模塊連接，完成ZigBee網(wǎng)絡(luò)與WIFI網(wǎng)絡(luò)之間的轉(zhuǎn)換。應(yīng)用層實(shí)現(xiàn)圖像拼接和顯示功能，各類終端如Android手機(jī)、PC機(jī)等都可以接收?qǐng)D像序列。此外，用戶通過終端將控制信息反饋給ZigBee網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)對(duì)采集節(jié)點(diǎn)的控制和管理。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 圖像采集節(jié)點(diǎn)

圖像采集節(jié)點(diǎn)采用模塊化的結(jié)構(gòu)，包括圖像采集模塊、MCU控制器、無線通信模塊和電源模塊，如圖2所示。

圖像采集節(jié)點(diǎn)的芯片使用TI公司的CC2430。CC2430支持IEEE802.15.4/ZigBee協(xié)議，可以用來實(shí)現(xiàn)嵌入式ZigBee應(yīng)用的片上系統(tǒng)。它具有一個(gè)增強(qiáng)的8051內(nèi)核，功能強(qiáng)大，而且只需要采用兩節(jié)1.5 V干電池供電。CC2430正常工作時(shí)，最大發(fā)射電流為25 mA，最大接收電流為27 mA，休眠狀態(tài)下電流為1 μA[5-6]，很好地滿足了系統(tǒng)低功耗的要求。

圖像采集模塊使用譜泰通信科技有限公司的PTC08串口攝像頭。該模塊集合了圖像采集、拍攝控制、圖像數(shù)據(jù)壓縮、串口傳輸?shù)裙δ?。模塊的工作電壓為5 V，工作電流為75 mA，采用通用的3線制TTL電平UART通信接口，可以方便地與CC2430通信。

2.2 網(wǎng)關(guān)

匯聚節(jié)點(diǎn)連接ZigBee網(wǎng)絡(luò)與WIFI網(wǎng)絡(luò)，起到網(wǎng)關(guān)的作用，實(shí)現(xiàn)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)與數(shù)據(jù)傳輸。網(wǎng)關(guān)使用RS-232串口連接WIFI模塊，其結(jié)構(gòu)模型如圖3所示。CC2430模塊接收采集節(jié)點(diǎn)的圖像數(shù)據(jù)，通過RS-232串口上傳給WIFI模塊，最終發(fā)送到服務(wù)器或手機(jī)終端。同時(shí)，服務(wù)器和手機(jī)終端也可以發(fā)送采集控制指令，反向傳輸給采集節(jié)點(diǎn)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)軟件分成3個(gè)部分：圖像采集節(jié)點(diǎn)軟件、匯聚節(jié)點(diǎn)軟件、服務(wù)器或Android手機(jī)端軟件。整個(gè)系統(tǒng)工作時(shí)序如圖4所示。

3.1 圖像采集節(jié)點(diǎn)軟件

圖像采集節(jié)點(diǎn)軟件采用C語言編程，在IAR開發(fā)環(huán)境下進(jìn)行編譯和調(diào)試。由于IEEE 802.15.4協(xié)議中規(guī)定物理層只能傳輸不超過127字節(jié)的數(shù)據(jù)幀，除去協(xié)議定義的應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)層、MAC層幀首及幀尾，實(shí)際上每幀傳輸數(shù)據(jù)信息不超過89字節(jié)[7-9]，故需對(duì)應(yīng)用層采集的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行分組傳輸。為了提高傳輸?shù)男?，本系統(tǒng)在TI公司提供的Basic RF傳輸實(shí)例基礎(chǔ)上進(jìn)行修改，設(shè)計(jì)了一個(gè)簡(jiǎn)單圖像數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，規(guī)定每幀圖像傳輸?shù)臄?shù)據(jù)長(zhǎng)度為96字節(jié)，幀格式如表1所示。

為了便于分組傳輸圖像，將每幅圖像P的數(shù)據(jù)表示為P={P1，P2，…，Pn}。其中n為圖像數(shù)據(jù)分組序列號(hào)；P1表示第一幀圖像數(shù)據(jù)，以兩個(gè)固定字節(jié)0xFF和0xD8開頭；Pn為最后一幀圖像數(shù)據(jù)，以兩個(gè)固定字節(jié)0xFF和0xD9結(jié)尾。圖像采集節(jié)點(diǎn)首先加入?yún)R聚節(jié)點(diǎn)建立的ZigBee網(wǎng)絡(luò)，然后通過串口向攝像頭發(fā)送控制命令或接收?qǐng)D像數(shù)據(jù)，最后將圖像數(shù)據(jù)發(fā)送到ZigBee網(wǎng)絡(luò)中，軟件流程如圖5所示。

3.2 匯聚節(jié)點(diǎn)軟件

匯聚節(jié)點(diǎn)的軟件主要包含兩個(gè)部分：ZigBee網(wǎng)絡(luò)的建立和數(shù)據(jù)的透明傳輸。設(shè)計(jì)方法與采集節(jié)點(diǎn)類似。匯聚節(jié)點(diǎn)接收來自服務(wù)器或手機(jī)的下行控制指令，解析轉(zhuǎn)換后發(fā)到相應(yīng)的圖像采集節(jié)點(diǎn)，也接收采集節(jié)點(diǎn)上傳的圖片數(shù)據(jù)，并轉(zhuǎn)發(fā)至服務(wù)器或手機(jī)。

3.3 服務(wù)器和Android手機(jī)端軟件

服務(wù)器和Android手機(jī)端軟件使用Java開發(fā)，遠(yuǎn)程控制采集節(jié)點(diǎn)，對(duì)接收數(shù)據(jù)進(jìn)行重組、存儲(chǔ)并顯示圖像。軟件設(shè)計(jì)主線程和圖像傳輸2個(gè)線程，如圖6所示。主線程負(fù)責(zé)圖形顯示界面、監(jiān)控按鈕和啟動(dòng)圖像傳輸線程。圖像傳輸線程負(fù)責(zé)創(chuàng)建Socket連接、發(fā)送拍照指令和讀取圖片文件。多線程技術(shù)可以使顯示與傳輸過程獨(dú)立，保證界面交互的響應(yīng)時(shí)間。以兩個(gè)采集節(jié)點(diǎn)為例，圖7所示為服務(wù)器軟件界面，圖8所示為Android手機(jī)端軟件界面。

Fig.6 Software flow chart of the server/android mobile phone

4 無線傳感網(wǎng)絡(luò)圖像拼接方案

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的圖像采集節(jié)點(diǎn)通常會(huì)有許多個(gè)，相鄰節(jié)點(diǎn)采集的信息存在冗余性，即圖像間有重疊的區(qū)域。如果將多幅具有重疊區(qū)域的圖像拼接起來，組成寬視角的圖像，不僅可以滿足監(jiān)測(cè)的要求，而且可以降低無線網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)量，從而延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生命周期[10]。

圖像拼接一般包括圖像預(yù)處理、圖像匹配和圖像縫合三大步驟。由于無線傳感網(wǎng)中采集節(jié)點(diǎn)的資源有限，而預(yù)處理中圖像去噪和圖像增強(qiáng)計(jì)算量較大，故本系統(tǒng)中對(duì)采集的圖像不作預(yù)處理。在圖像匹配方面，采用國內(nèi)外特征點(diǎn)匹配研究領(lǐng)域熱點(diǎn)的SIFT(Scale Invariant Feature Transform)特征匹配算法，其匹配能力較強(qiáng)，可以處理兩幅圖像之間發(fā)生平移、旋轉(zhuǎn)變換情況下的匹配問題，甚至在某種程度上對(duì)任意角度拍攝的圖像也具備較為穩(wěn)定的特征匹配能力。SIFT算法首先在尺度空間進(jìn)行特征檢測(cè)，并確定關(guān)鍵點(diǎn)的位置和關(guān)鍵點(diǎn)所處的尺度，然后使用關(guān)鍵點(diǎn)鄰域梯度的主方向作為該點(diǎn)的方向特征，以實(shí)現(xiàn)算子對(duì)尺度和方向的無關(guān)性。

5 系統(tǒng)實(shí)測(cè)效果驗(yàn)證

在系統(tǒng)的測(cè)試中，選取兩個(gè)采集節(jié)點(diǎn)和一個(gè)匯聚節(jié)點(diǎn)組成ZigBee網(wǎng)絡(luò)，采集320×240分辨率的JPEG圖像，壓縮后約為12 KB。智能手機(jī)使用的Android版本為4.1。

5.1 ZigBee網(wǎng)絡(luò)圖像監(jiān)測(cè)結(jié)果

在整個(gè)系統(tǒng)中，影響圖像傳輸速率的主要因素是ZigBee網(wǎng)絡(luò)的傳輸速率和串口傳輸速率，因此，將串口攝像頭與采集節(jié)點(diǎn)、匯聚節(jié)點(diǎn)與WIFI模塊的串口通信波特率都設(shè)置為最大的115 200 bps。ZigBee網(wǎng)絡(luò)的理論傳輸速率為250 000 bps，從串口攝像頭采集一張12 KB的圖像到圖像在終端顯示(忽略數(shù)據(jù)在WIFI網(wǎng)絡(luò)中的傳輸時(shí)間)，理論上最短時(shí)間約為12×8÷115.2+128÷250+12×8÷115.2=2.05 s，而由圖8中可見實(shí)際傳輸時(shí)間為5.32 s，兩者相差較大，其原因可能是：①ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的實(shí)際傳輸速率并沒有達(dá)到理論值；②數(shù)據(jù)采用分包傳輸，各包數(shù)據(jù)傳輸間隔累計(jì)延時(shí)的時(shí)間較長(zhǎng)；③RS232串口的傳輸效率只有80%。

圖像大小對(duì)傳輸時(shí)間有重要影響，對(duì)攝像頭采集的原始圖像進(jìn)行壓縮，可以有效減短傳輸時(shí)間。在本系統(tǒng)中可以通過修改終端節(jié)點(diǎn)的程序設(shè)置圖像壓縮指令56 00 31 05 01 01 12 04 XX中的XX，改變傳輸圖像的大小，控制圖像傳輸時(shí)間。串口波特率為115 200 bps，同一個(gè)采集節(jié)點(diǎn)設(shè)置不同壓縮率時(shí)圖像的傳輸時(shí)間如表2所示。由表2中可見，提高壓縮率(XX值)，系統(tǒng)的平均傳輸時(shí)間會(huì)變短，但圖像的清晰度也會(huì)降低。因此，在具體應(yīng)用中，需要綜合考慮傳輸時(shí)間和圖像清晰度來設(shè)置XX的值。

5.2 圖像數(shù)據(jù)拼接結(jié)果

本文選取兩個(gè)節(jié)點(diǎn)(安裝在相鄰位置的傳感器)采集的圖像，在Matlab上進(jìn)行圖像拼接的仿真實(shí)驗(yàn)。攝像頭從不同角度對(duì)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行監(jiān)測(cè)，圖9中，(a)、(b)為通過系統(tǒng)采集到的320×340分辨率的JPEG格式圖像，(c)為兩幅圖像拼接后的效果圖。由圖9中可見，拼接的圖像組成寬視角的圖像，降低了相鄰節(jié)點(diǎn)采集的信息的冗余性。

6 結(jié)語

本文利用了ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)成本低、功耗小、系統(tǒng)簡(jiǎn)單、組網(wǎng)靈活等特點(diǎn)，結(jié)合WIFI技術(shù)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)一套基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的圖像監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，完成了圖像采集、傳輸和多種終端顯示功能與控制功能。該系統(tǒng)是進(jìn)行空天地多平臺(tái)、多傳感器協(xié)同觀測(cè)系統(tǒng)的一個(gè)補(bǔ)充，在缺乏基礎(chǔ)設(shè)施和環(huán)境惡劣的場(chǎng)合有廣泛的應(yīng)用前景。

[1] 李德仁.對(duì)地觀測(cè)與抗震救災(zāi)[J].測(cè)繪科學(xué)，2009，34(1):8-10.

[2] 李德仁.論空天地一體化對(duì)地觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)[J].地球信息科學(xué)學(xué)報(bào)，2012，14(4):419-425.

[3] 陳澤強(qiáng). 傳感網(wǎng)整合關(guān)鍵技術(shù)研究[D].武漢：武漢大學(xué)，2012:6-14.

[4] ShanhinFarahani.ZigBeewirelessnetworksandtransceivers[M].USA: Elsevier,2008:1-12.

[5] TexasInstrument.CC2430datasheet[EB/OL].(2007-06-06)[2013-10-04]. http://www.ti.com/lit/ds/symlink/cc2430.pdf.

[6] TexasInstrument.Poweringlow-powerRFproducts[EB/OL].(2009-09-18)[2013-10-04].http://www.ti.com/lit/an/swra173b/swra173b.pdf.

[7] IEEE802.15.4-2006.Wirelessmediumaccesscontrol (MAC) and physical layer (PHY) specifications for low-rate wireless personal area networks (WPANs)[S].

[8] 高守瑋，吳燦陽. ZigBee技術(shù)實(shí)踐教程——基于CC2430/31的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)解決方案[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2009：27-41.

[9] 熊迎軍，沈明霞，孫玉文，等.農(nóng)田圖像采集與無線傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2011，42(3):184-187.

[10]熊哲源，樊曉平，劉少強(qiáng)，等.一種適用于多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)的圖像拼接算法[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究，2012，29(5):1970-1973.

[責(zé)任編輯 鄭淑芳]

Design and implementation of image monitoring system based on wireless sensor network

DengBotao,SunTao

(School of Electronic Information, Wuhan University, Wuhan 430072, China)

For disaster emergency monitoring in intelligent earth observation system, a wireless image monitoring system is proposed based on ZigBee technology. The perception layer and transport layer of the proposed system are made up of camera module, wireless transmission module, micro controller unit and power module. A low-powered CC2430 microprocessor is used as main control chip to collect and transmit image data. The image sequence can be

and pieced together by a variety of terminal devices in the application layer of the proposed system. Laboratory tests show that the proposed system can be applied to infrastructure-less or disaster emergency image monitoring with the advantages of simplicity, flexibility, easy installation, low-power consumption and low cost. It provides an effective supplement for the space-air-ground collaborative observation system of multiple platforms and multiple sensors.

disaster emergency monitoring; ZigBee; wireless sensor network; image transmission; image mosaic

2014-10-12

國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃)資助項(xiàng)目(2011CB707106).

鄧伯韜(1988-)，男，武漢大學(xué)碩士生.E-mail:elegant0@163.com

孫 濤(1974-)，男，武漢大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師.E-mail:suntaowhu@gmail.com

TN919.8；TP399

A

1674-3644(2015)02-0138-05