龐偉棟

(淮北礦業(yè)有限責任公司楊莊煤礦，安徽 淮北 235000)

基于無線Mesh網(wǎng)絡(luò)的視頻傳感器節(jié)點研究與設(shè)計

龐偉棟

(淮北礦業(yè)有限責任公司楊莊煤礦，安徽 淮北 235000)

視頻信息傳輸對救災、應急通信和特殊區(qū)域監(jiān)控有著重要意義，網(wǎng)絡(luò)的適應性和帶寬問題是限制視頻監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)展的重要因素。無線Mesh網(wǎng)絡(luò)具有帶寬高、易組網(wǎng)等優(yōu)點，能夠提供實時的視頻傳輸服務。首先完成對基于Mesh網(wǎng)絡(luò)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)整體架構(gòu)設(shè)計，通過實驗仿真的方法對比幾種常用的Mesh網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議性能，根據(jù)仿真結(jié)果和應用需求，選擇AODV作為路由協(xié)議方案。然后在DM365硬件平臺和嵌入式Linux操作系統(tǒng)平臺之上完成視頻傳感器節(jié)點設(shè)計。最后對無線Mesh網(wǎng)絡(luò)多跳帶寬性能進行測試，測試結(jié)果表明系統(tǒng)可以滿足應用需求。

無線Mesh網(wǎng)絡(luò)；視頻傳感器節(jié)點；AODV；嵌入式Linux

由于視頻信號具有直觀、豐富與時序性的信息內(nèi)涵，在傳達信息方面有著其他信號無法達到的效果，所以視頻采集和傳輸技術(shù)對人們生產(chǎn)和生活有著重大意義。近些年，視頻監(jiān)控系統(tǒng)得到了廣泛的應用，無線視頻監(jiān)控更是當前視頻監(jiān)控發(fā)展的重要方向，由于不需要架設(shè)相關(guān)線路，無線視頻傳輸在應急救援或特殊地理環(huán)境如山地、湖泊、林區(qū)等應用場景中體現(xiàn)出更好的靈活性和適應性[1]。然而無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)也面臨很多的挑戰(zhàn)，視頻信號信息量大，帶寬受限是無線視頻監(jiān)控發(fā)展的重要限制因素[2]，所以需要合理地設(shè)計無線網(wǎng)絡(luò)來解決這些問題。

無線Mesh網(wǎng)絡(luò)(Wireless Mesh Network，WMN)是一種與傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)完全不同的新型無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，可以看成是多跳的移動Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)與單跳的傳統(tǒng)無線局域網(wǎng)(Wireless LAN，WLAN)的融合，并且發(fā)揮了兩者的優(yōu)勢[3]。WMN具有高速率、大容量、長距離傳輸、自組網(wǎng)等優(yōu)勢和特點，將無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)和WMN相結(jié)合，可以在一定程度上解決視頻傳輸?shù)膸捠芟迒栴}。本文首先對WMN網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進行分析，完成基于WMN的視頻監(jiān)控系統(tǒng)整體架構(gòu)設(shè)計，然后在DM365硬件平臺和嵌入式Linux軟件平臺之上，完成視頻傳感器節(jié)點軟、硬件設(shè)計，最后給出實驗測試結(jié)果。

1 視頻監(jiān)控系統(tǒng)整體設(shè)計

1.1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

以WMN為基礎(chǔ)傳輸網(wǎng)絡(luò)設(shè)計視頻監(jiān)控系統(tǒng)，根據(jù)節(jié)點不同的功能及其組合方式，可以將WMN的結(jié)構(gòu)分為3種類型：骨干的Mesh網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、客戶機結(jié)構(gòu)、混合式結(jié)構(gòu)[4]。骨干Mesh網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，具有網(wǎng)橋或者網(wǎng)關(guān)的路由器能夠連接外部Internet網(wǎng)絡(luò)，其他路由器也能夠依靠這些路由器訪問Internet網(wǎng)絡(luò)，客戶機則是以WLAN形式接入Mesh路由器?？蛻魴C結(jié)構(gòu)Mesh網(wǎng)絡(luò)主要由具有路由轉(zhuǎn)發(fā)功能的Mesh客戶機組成。客戶機之間能夠直接進行點對點通信，每個客戶機都是對等的，構(gòu)成對等網(wǎng)絡(luò)，即Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)?；旌鲜浇Y(jié)構(gòu)中，Mesh客戶機能夠通過骨干網(wǎng)鏈接到外部Internet，也可以為其他客戶機提供路由服務，客戶機的路由功能增強了WMN的覆蓋范圍和鏈接性。系統(tǒng)選擇混合結(jié)構(gòu)的WMN，視頻傳感器節(jié)點可以直接接入Mesh骨干網(wǎng)絡(luò)，通過骨干網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到服務器，同時也可以為其他傳感器節(jié)點提供路由服務，為其他節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)整體架構(gòu)

1.2 網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議選擇

無線Mesh網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議可以分為3種類型：先應式路由協(xié)議、按需路由協(xié)議和混合式路由協(xié)議[5]。先應式路由協(xié)議(表驅(qū)動路由協(xié)議)中，所有的路由節(jié)點都需要維護網(wǎng)絡(luò)的路由，一旦網(wǎng)絡(luò)中有節(jié)點移動或者發(fā)生故障，導致拓撲結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，發(fā)現(xiàn)拓撲變化的路由節(jié)點，就會通知其他路由節(jié)點更新路由，網(wǎng)絡(luò)中所有路由節(jié)點也就會更新路由，建立新的路由信息，如DSDV路由協(xié)議、WRP路由協(xié)議、GSR路由協(xié)議等。反應式路由協(xié)議(按需路由協(xié)議)中，只有節(jié)點需要發(fā)送數(shù)據(jù)時，才會尋找合適的路由進行數(shù)據(jù)傳輸，都是按需建立網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)和生成路由表信息，網(wǎng)絡(luò)拓撲和路由表可能只是網(wǎng)絡(luò)的一部分，如AODV路由協(xié)議、DSR路由協(xié)議、TORA路由協(xié)議。混合式路由協(xié)議是對兩種類型協(xié)議的綜合，但在應用中仍然存在一定的難點需要解決。通過實驗仿真分析，對比典型路由協(xié)議的特點，根據(jù)對仿真結(jié)果的分析來選擇適合于系統(tǒng)的路由協(xié)議。

仿真軟件采用Linux下的NS2 2.3.4 版本，MAC層基于IEEE 802.11協(xié)議，通過cbrgen工具產(chǎn)生數(shù)據(jù)流，設(shè)置節(jié)點個數(shù)、數(shù)據(jù)流類型(TCP流或CBR流)、最大聯(lián)機數(shù)、每秒發(fā)送數(shù)據(jù)包個數(shù)。針對不同網(wǎng)絡(luò)規(guī)模對DSR，AODV，DSDV，WRP四種路由協(xié)議性能進行分析，通過setdest工具分別設(shè)置節(jié)點的個數(shù)為10，20，30，40，50，進行仿真，得到不同路由協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)規(guī)模下的平均端到端延時、網(wǎng)絡(luò)路由開銷、分組成功投遞率，結(jié)果如圖2～4所示。

圖2 節(jié)點數(shù)目對平均端到端時延的影響

圖3 節(jié)點數(shù)目對路由開銷的影響

圖4 節(jié)點數(shù)目對分組成功投遞率的影響

通過圖2可以發(fā)現(xiàn)，幾種路由協(xié)議的平均端到端時延對于網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的增加沒有明顯的規(guī)律，按需路由協(xié)議時延相對較大。由圖4可知，4種路由協(xié)議的路由開銷也都隨網(wǎng)絡(luò)規(guī)模增大而增大，網(wǎng)絡(luò)規(guī)模變大，路由發(fā)現(xiàn)和維護所需要的網(wǎng)絡(luò)資源越大，仍以先應式協(xié)議路由開銷增幅最大。由圖5可知，隨著場景中的節(jié)點數(shù)目越大，4種路由協(xié)議的分組成功投遞率都有所下降，以AODV協(xié)議變化相對緩和。

圖5 無線視頻傳感器節(jié)點結(jié)構(gòu)框圖

因此，從上節(jié)的協(xié)議仿真中可以發(fā)現(xiàn)，在網(wǎng)絡(luò)規(guī)模較大時，先應式路由協(xié)議的端到端時延雖小，但分組成功投遞率和路由開銷這兩方面的性能都不如反應式AODV路由協(xié)議表現(xiàn)好。這是因為先應式路由協(xié)議需要周期性地更新路由表，隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的增大，節(jié)點更新路由表所占資源越大，影響網(wǎng)絡(luò)的吞吐量。而AODV協(xié)議不需更新路由表，在需要發(fā)送數(shù)據(jù)時，才進行路由發(fā)現(xiàn)過程，節(jié)省了大量的帶寬資源。救援、應急救援通信系統(tǒng)中，現(xiàn)場離調(diào)度中心距離較遠，網(wǎng)絡(luò)規(guī)模比較大，雖然對視頻質(zhì)量要求不是很高，但是視頻本身信息量大，又需要多跳傳輸，對網(wǎng)絡(luò)帶寬也提出了較高要求，綜合無線視頻通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模、吞吐量等方面的需求和對實驗結(jié)果的分析，系統(tǒng)最終選擇AODV協(xié)議作為Mesh網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議。

2 視頻傳感器節(jié)點硬件設(shè)計

視頻傳感器節(jié)點需要能夠?qū)D像數(shù)據(jù)進行采集，實時編碼，并進行實時傳輸，這就對節(jié)點硬件的計算能力提出了較高的要求，同時，節(jié)點本身能量有限，有需要盡可能地降低節(jié)點的能耗，所以合適的硬件平臺選擇對節(jié)點在井下的應用有著重要影響。節(jié)點選用TI的DaVinci低功耗、高性能多媒體處理器TMS320DM365做主控芯片[6]，DM365集成了ARM926EJ-S內(nèi)核和H.264高清編解碼協(xié)處理器HDVICP[7]，能夠完成視頻采集和壓縮編碼工作。CMOS圖像傳感器模塊具有低功耗、高集成度的優(yōu)點，選擇支持較低照度的MT9V136感光芯片的CMOS攝像頭可以滿足應用的需求。

節(jié)點硬件平臺主要由以下幾個部分構(gòu)成：主處理器、CMOS攝像頭模塊、存儲器、WiFi無線模塊、供電部分等。硬件系統(tǒng)的整體架構(gòu)如圖5所示。節(jié)點由CMOS影像傳感器將光學影像轉(zhuǎn)換為電信號，再通過視頻ADC芯片TVP5146處理為BT.601/BT.656數(shù)字YCbCr4∶2∶2(8/16 bit)標準信號的原始視頻序列傳送到DM365進行H.264視頻壓縮編碼；編碼過后的數(shù)據(jù)打包成統(tǒng)一IP以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包通過USB轉(zhuǎn)WiFi通信模塊傳輸?shù)組esh網(wǎng)絡(luò)[8]。

3 視頻傳感器節(jié)點軟件設(shè)計

視頻傳感器節(jié)點軟件在嵌入式Linux平臺上開發(fā)，Linux具有高度的靈活性，內(nèi)核小、效率高，可以進行裁剪以滿足各種不同的應用需求[9]，這里需要移植內(nèi)核與驅(qū)動程序，并編寫視頻采集、編碼和傳輸應用程序。攝像頭驅(qū)動程序和視頻采集應用程序是基于V4L2(Video for Linux 2)架構(gòu)的，V4L2是Linux操作系統(tǒng)為視頻設(shè)備建立的統(tǒng)一的平臺驅(qū)動[9]，只需要按照標準去定義驅(qū)動層接口函數(shù)，應用平臺就可以不考慮具體攝像頭型號，直接調(diào)用V4L2提供的標準操作函數(shù)來獲取攝像頭數(shù)據(jù)。攝像頭驅(qū)動程序的主要工作是配置DM365的ISIF控制器并通過I2C總線驅(qū)動配置TVP1546內(nèi)部寄存器使其工作在合適的狀態(tài)，利用ISIF控制器按照設(shè)定的方式獲取原始圖像數(shù)據(jù)。利用Linux的V4L2層進行圖像數(shù)據(jù)采集的應用程序流程如圖6所示。視頻編碼模塊利用TI提供的Linux下的Codec Engine開發(fā)包實現(xiàn)對原始視頻數(shù)據(jù)的編碼工作，Codec Engine是連接ARM和DSP或協(xié)處理器的橋梁，是介于應用層(ARM側(cè)的應用程序)和信號處理層(協(xié)處理器層的算法)之間的軟件模塊[10]。應用程序調(diào)用Codec Engine 的API并傳遞視頻原始數(shù)據(jù)就可以完成對原始視頻數(shù)據(jù)的H.264編碼工作，視頻采集模塊和視頻編碼模塊之間采用共享內(nèi)存的方式，以減少數(shù)據(jù)傳遞帶來的系統(tǒng)開銷。

圖6 視頻數(shù)據(jù)采集的流程

系統(tǒng)AODV路由協(xié)議的實現(xiàn)采用愛立信公司和Uppsala大學聯(lián)合發(fā)布的AODV-UU協(xié)議棧，AODV-UU協(xié)議棧是基于Linux操作系統(tǒng)的NetFilter框架開發(fā)的[11]，可以被直接編譯進入Linux內(nèi)核，也可以作為模塊的形式動態(tài)加載。AODV-UU利用NetFilter提供的接口來獲取并處理通過相應網(wǎng)絡(luò)接口發(fā)送和接收的報文，NetFilter在Linux內(nèi)核協(xié)議棧中注冊了相關(guān)鉤子函數(shù)，通過這些鉤子函數(shù)，NetFilter可以實現(xiàn)對進出Linux系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包進行過濾、修改和轉(zhuǎn)發(fā)等功能。AODV-UU啟動后，會創(chuàng)建一個守護進程，負責完成同其他節(jié)點間控制信息的交互以及路由表的建立和維護。

4 系統(tǒng)測試

通過搭建實驗平臺，測試系統(tǒng)端到端傳輸帶寬與跳數(shù)之間的關(guān)系，來分析無線Mesh網(wǎng)絡(luò)提供視頻傳輸服務的能力，在樓宇之間空曠區(qū)域布置視頻傳感器節(jié)點，相鄰節(jié)點之間的距離為75 m，當節(jié)點不經(jīng)過路由節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)，直接與下一跳節(jié)點進行數(shù)據(jù)傳輸時，網(wǎng)絡(luò)會保持8 Mbit/s的傳輸帶寬，但隨著數(shù)據(jù)流傳輸?shù)奶鴶?shù)增加，網(wǎng)絡(luò)帶寬會急劇下降，在數(shù)據(jù)傳輸跳數(shù)到5跳后，網(wǎng)絡(luò)吞吐量下降到1 Mbit/s左右，測試結(jié)果如圖7所示。視頻傳感器節(jié)點采集480p、25 f/s(幀/秒)的視頻，經(jīng)過H.264編碼后，輸出碼率在1 Mbit/s左右，根據(jù)吞吐量實驗結(jié)果，480p、25 f/s質(zhì)量級別的視頻可以在5跳以內(nèi)的無線Mesh網(wǎng)絡(luò)中傳輸，在實際應用中，降低視頻信號的分辨率或幀率還可以支持更多跳數(shù)的傳輸。

圖7 無線Mesh網(wǎng)絡(luò)吞吐量與節(jié)點跳數(shù)的關(guān)系

為提高視頻流服務質(zhì)量，視頻傳感器節(jié)點采用RTP/RTCP(Realtime Transport Protocol/Realtime Transport Control Protocol)協(xié)議完成視頻流數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)，在節(jié)點嵌入式Linux環(huán)境中移植支持RTP/RTCP協(xié)議的LiveMedia開源流媒體服務器和Boa Web服務器，在PC客戶端通過瀏覽器的VLC播放器插件直接訪問傳感器節(jié)點的視頻流服務，H.264視頻流經(jīng)過5跳傳輸之后，在客戶端訪問到的視頻流效果如圖8所示。根據(jù)以上對實驗仿真結(jié)果及測試結(jié)果的分析，基于AODV路由協(xié)議的無線Mesh網(wǎng)絡(luò)視頻傳感器節(jié)點能夠滿足實際應用的需求。

5 總結(jié)和展望

首先提出無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)在實際應用中面臨的挑戰(zhàn)，提出將無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)和WMN相結(jié)合來解決無線視頻傳輸系統(tǒng)中的帶寬受限問題。分析多種不同的Mesh網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議，通過實驗仿真方法對比幾種典型Mesh網(wǎng)絡(luò)路由算法的性能。根據(jù)仿真結(jié)果，選擇AODV路由協(xié)議作為系統(tǒng)的Mesh網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)方案。結(jié)合對實際應用場景的分析，在對視頻傳感器節(jié)點對硬件平臺的計算能力、傳輸帶寬等方面的需求分析的基礎(chǔ)上，完成基于Mesh網(wǎng)絡(luò)的視頻傳感器節(jié)點軟、硬件設(shè)計。最后進行系統(tǒng)測試，測試結(jié)果表明系統(tǒng)能夠滿足實際應用需求。課題下一步將對視頻編碼算法進行研究，研究如何提高視頻數(shù)據(jù)編碼效率，從而降低視頻輸出碼率，進一步提高無線網(wǎng)絡(luò)的帶寬利用率。

圖8 Web客戶端顯示效果(截屏)

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Research and Design of Video Sensor Node Based on Wireless Mesh Network

PANG Weidong

(HuaibeiMiningCo.,Ltd.YangzhuangCoalMine,AnhuiHuaibei235000,China)

Video information transmission plays an important role in disaster relief, emergency communications and special regional monitoring. However, adaptability and network bandwidth are important factors to restrict the development of video monitoring system. Wireless Mesh network with high bandwidth, easy networking and other advantages, can provide real-time video transmission services. In this article, the framework design of video monitoring system is completed based on WMN and the performance of several kinds of WMN routing methods are compared through simulation. It selects AODV as the routing protocol based on the simulation results and application requirements. Then, it realized the DVC theory-based encoding scheme on the video sensor node based on DM365 and embedded Linux operating system. At last, It test the bandwidth performance of multi-hop wireless Mesh network and testing results show that the system can complete the appropriate functionality to meet the application requirements.

wireless Mesh network; video sensor node; AODV; embedded Linux

TN919.8; TP391

A

10.16280/j.videoe.2015.05.022

2014-06-17

【本文獻信息】龐偉棟.基于無線Mesh網(wǎng)絡(luò)的視頻傳感器節(jié)點研究與設(shè)計[J].電視技術(shù),2015，39(5).

龐偉棟(1972— )，副總工程師，從事信號處理、控制方面研究工作。

責任編輯：許 盈