吳蓬勃， 王賀珍， 張志平

(石家莊郵電職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 電信工程系， 石家莊 050021)

0 引 言

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Network, WSN)深刻地改變了人類與自然的交互方式[1-3]，并廣泛應(yīng)用于軍事、工業(yè)、醫(yī)療、環(huán)境監(jiān)測(cè)等諸多領(lǐng)域[4,5]。隨著人們對(duì)物理世界認(rèn)識(shí)的加深和環(huán)境日趨復(fù)雜，傳統(tǒng)WSN節(jié)點(diǎn)所獲取的簡單數(shù)據(jù)已經(jīng)無法滿足人們實(shí)現(xiàn)全面環(huán)境監(jiān)測(cè)的需求，迫切需要將圖像、音頻等媒體信息引入到無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中來，實(shí)現(xiàn)更精準(zhǔn)、細(xì)微的監(jiān)測(cè)，無線多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Multimedia Sensor Networks，WMSN)由此應(yīng)運(yùn)而生[6]。

相對(duì)WSN而言，多媒體信息的引入使WMSN的數(shù)據(jù)處理速度、網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)容量、網(wǎng)絡(luò)傳輸、能量供應(yīng)等方面顯著增強(qiáng)，可完成傳統(tǒng)WSN無法實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜任務(wù)[7-8]，滿足人們對(duì)環(huán)境監(jiān)測(cè)的多樣化需求?；赯igBee網(wǎng)絡(luò)，將串口攝像頭模塊采集的圖像數(shù)據(jù)通過ZigBee節(jié)點(diǎn)發(fā)送到協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器再通過串口上傳到PC機(jī)[9]。經(jīng)實(shí)驗(yàn)研究證實(shí)，節(jié)點(diǎn)電量大小、圖像傳輸距離、圖像數(shù)據(jù)多跳數(shù)量都會(huì)影響圖像的傳輸質(zhì)量[9]；由于其在整個(gè)過程中均采用串口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，使得其傳輸?shù)膯螏瑘D像分辨率較低。文獻(xiàn)[9]的研究結(jié)果也證實(shí)了，基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行非壓縮圖像的傳輸是不可靠、不實(shí)用的。文獻(xiàn)[10-11]中對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的圖像壓縮技術(shù)進(jìn)行了深入的研究，經(jīng)其證實(shí)，無線多媒體圖像感知節(jié)點(diǎn)的能量消耗中，圖像壓縮所占比例最高[11]。因此,提出的多點(diǎn)協(xié)同分布式圖像壓縮算法，基于多媒體圖像感知節(jié)點(diǎn)的多個(gè)鄰節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)分布式圖像壓縮，經(jīng)過仿真實(shí)驗(yàn)證實(shí)，確實(shí)可以平衡網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的能耗，延長網(wǎng)絡(luò)生命周期[10-11]。但該分布式圖像壓縮算法要求圖像采集節(jié)點(diǎn)必須有足夠的鄰節(jié)點(diǎn)，而且距離要近。然而，實(shí)際的工作環(huán)境往往千變?nèi)f化，圖像節(jié)點(diǎn)附近不一定有足夠的節(jié)點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)分布式編碼，而且這些節(jié)點(diǎn)的性能不一定能夠滿足圖像編碼的要求。此外，目前絕大部分的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，為了保證低功耗、低成本，普遍計(jì)算能力較弱.文獻(xiàn)[12]中為降低系統(tǒng)功耗、滿足圖像采集需要，專門設(shè)計(jì)的無線圖像采集專用MSENS SoC采用了8051內(nèi)核[12]。

綜上，現(xiàn)有的ZigBee網(wǎng)絡(luò)不適合實(shí)現(xiàn)多媒體信息的可靠有效傳輸。而WiFi(802.11)擁有很高的網(wǎng)絡(luò)吞吐能力，可以提供高品質(zhì)的視頻圖像質(zhì)量和較好的通信實(shí)時(shí)性；但其組網(wǎng)能力低，擴(kuò)展空間受限，不易實(shí)現(xiàn)大范圍的信號(hào)覆蓋。其特性正好與ZigBee網(wǎng)絡(luò)的“自組織網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、覆蓋范圍廣、功耗低、網(wǎng)絡(luò)帶寬有限”的特性相互補(bǔ)。

因此，本系統(tǒng)基于WiFi和ZigBee協(xié)議，設(shè)計(jì)了可連接WiFi和ZigBee網(wǎng)絡(luò)的多媒體感知節(jié)點(diǎn)和可連接ZigBee網(wǎng)絡(luò)的普通感知節(jié)點(diǎn)，構(gòu)建基于混合通信協(xié)議的WMSN進(jìn)行環(huán)境監(jiān)測(cè)。另外，傳統(tǒng)多媒體感知節(jié)點(diǎn)多為固定方位感知，無法對(duì)熱點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行動(dòng)態(tài)感知。為此，本文設(shè)計(jì)了一種多媒體感知節(jié)點(diǎn)與普通節(jié)點(diǎn)聯(lián)動(dòng)機(jī)制，當(dāng)某個(gè)普通感知節(jié)點(diǎn)區(qū)域出現(xiàn)異常情況時(shí)，多媒體感知節(jié)點(diǎn)可自動(dòng)調(diào)整感知方向，從而對(duì)異常區(qū)域現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境實(shí)現(xiàn)更加豐富的感知。

1 WMSN系統(tǒng)整體方案

WMSN系統(tǒng)框架如圖1所示?；谝蕴W(wǎng)、無線路由器、無線網(wǎng)橋，在需進(jìn)行環(huán)境監(jiān)測(cè)的骨干網(wǎng)絡(luò)區(qū)域構(gòu)建WiFi覆蓋。同時(shí)，在監(jiān)測(cè)區(qū)域構(gòu)建ZigBee無線傳感網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度、濕度等標(biāo)量數(shù)據(jù)的采集。然后，根據(jù)環(huán)境監(jiān)測(cè)需要，選擇部分ZigBee網(wǎng)絡(luò)中能量供應(yīng)充足的路由器和協(xié)調(diào)器，增加圖像、語音采集功能，其所采集的多媒體數(shù)據(jù)和附近普通感知節(jié)點(diǎn)上傳的標(biāo)量數(shù)據(jù)，一起經(jīng)過WiFi網(wǎng)絡(luò)上傳到服務(wù)器。對(duì)多媒體數(shù)據(jù)是否開啟采集，以及采集的頻率，可由服務(wù)器設(shè)置，也可設(shè)置為由普通感知節(jié)點(diǎn)觸發(fā)，在實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵信息采集的同時(shí)，降低網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸負(fù)擔(dān)、降低系統(tǒng)功耗。

圖1 WMSN系統(tǒng)架構(gòu)圖

2 WMSN節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

WMSN系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)主要包括兩種：基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的普通無線感知節(jié)點(diǎn)、基于WiFi+ZigBee網(wǎng)絡(luò)的多媒體無線感知節(jié)點(diǎn)。

2.1 普通無線感知節(jié)點(diǎn)

普通無線感知節(jié)點(diǎn)用于標(biāo)量信息的周期性采集和上報(bào)，這里的標(biāo)量(即：只有大小沒有方向的量)信息指環(huán)境溫度、濕度、煙霧、人體探測(cè)值等點(diǎn)式數(shù)據(jù)信息，此種信息數(shù)據(jù)量小、數(shù)據(jù)傳輸速率低[13]。所以，更適合采用傳統(tǒng)的WSN網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)。

本系統(tǒng)中采用CC2530+Sensor的方案實(shí)現(xiàn)標(biāo)量數(shù)據(jù)的采集。其中，對(duì)需要多媒體節(jié)點(diǎn)進(jìn)行定向監(jiān)測(cè)的普通感知節(jié)點(diǎn)，需要安裝GPS模塊。當(dāng)普通感知節(jié)點(diǎn)檢測(cè)到異常時(shí)，通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳送自身GPS經(jīng)緯度到附近多媒體感知節(jié)點(diǎn)，多媒體感知節(jié)點(diǎn)調(diào)整云臺(tái)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)異常區(qū)域的多媒體信息采集。

2.2 多媒體無線感知節(jié)點(diǎn)

多媒體無線感知節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)，如圖2所示。該節(jié)點(diǎn)主要包括：由CMOS Camera MT9D111、語音采集與播放模塊、WiFi MCU CC3200 構(gòu)成的多媒體信息采集與傳輸部分；由ZigBee MCU CC2530構(gòu)成的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集傳輸部分；由GPS模塊、6軸姿態(tài)傳感器MPU6050、舵機(jī)構(gòu)成的定向感知控制部分；由電源管理單元、可充電電池、太陽能板構(gòu)成的系統(tǒng)電源保障部分。本部分重點(diǎn)對(duì)多媒體信息采集與傳輸部分做詳細(xì)介紹。

CC3200為TI公司面向物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用推出的一款無線MCU，其內(nèi)部集成了WiFi網(wǎng)絡(luò)處理器和運(yùn)行頻率為80 MHz的Cortex-M4內(nèi)核，并具有快速并行攝像頭接口、音頻I2S、UART等多種外設(shè)[14]。CC3200支持基站STA、訪問點(diǎn)AP和WiFi直連模式，內(nèi)置TCP/IP、HTTP等多種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議[14]。CC3200部分電路圖如圖3所示，CC3200的程序運(yùn)行在外部串行Flash中，采用40 MHz外部晶振做主時(shí)鐘，32.768 kHz外部晶振做實(shí)時(shí)時(shí)鐘。在本系統(tǒng)中，CC3200主要實(shí)現(xiàn)圖像、音頻數(shù)據(jù)采集與播放和WiFi數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ堋?/p>

圖2 多媒體無線感知節(jié)點(diǎn)

圖像采集部分采用的是1/3.2英寸200萬像素CMOS攝像頭MT9D111。MT9D111可選擇輸出ITU-R BT.601(YCbCr)、565RGB、JPEG4:2:2、JPEG4:2:0和10bit Raw等多種格式的圖像數(shù)據(jù)。CC3200通過并行攝像頭接口與MT9D111連接，實(shí)現(xiàn)圖像快速采集。其電路原理圖如圖4所示。

音頻采集與播放部分，通過采用內(nèi)嵌可編程 miniDSP 的超低功耗立體聲音頻編解碼器TLV320AIC3254實(shí)現(xiàn)音頻采集編碼和音頻解碼，通過MIC進(jìn)行語音采集，耳機(jī)接口可連接外部功放，其電路原理圖如圖5所示。

3 WMSN系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

WMSN系統(tǒng)軟件部分，主要包括：普通感知節(jié)點(diǎn)、多媒體感知節(jié)點(diǎn)和服務(wù)器端的軟件設(shè)計(jì)。普通感知節(jié)點(diǎn)為傳統(tǒng)標(biāo)量數(shù)據(jù)采集，在此不再熬述。本部分重點(diǎn)對(duì)多媒體感知節(jié)點(diǎn)和服務(wù)器端管理軟件部分進(jìn)行詳細(xì)介紹。

圖4 多媒體感知節(jié)點(diǎn)——圖像采集電路圖

3.1 多媒體感知節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

3.1.1圖像的采集與傳輸

圖像采集與傳輸部分，基于CC3200的8位并行Camera接口和CMOS攝像頭MT9D111進(jìn)行圖像采集，使用WiFi進(jìn)行圖像傳輸。具體工作流程(見圖6)包括：

(1) 配置CC3200的中斷向量表、時(shí)鐘和DMA，配置DMA 為ping-pong模式，以提高圖像采集效率。

(2) 配置CC3200的I2C接口和8位并行Camera接口；其中CC3200通過I2C接口對(duì)CMOS攝像頭MT9D111的寄存器進(jìn)行配置，包括：圖像尺寸、工作頻率、幀率、JPEG壓縮率；對(duì)8位并行Camera接口的配置包括：時(shí)鐘配置、行場(chǎng)時(shí)鐘極性配置等。

(3) 配置CC3200為WiFi Station模式，啟動(dòng)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，連接到路由器，與服務(wù)器創(chuàng)建TCP連接。

(4) 當(dāng)捕獲到一幀圖像后，為其創(chuàng)建JFIF格式JPEG頭。CC3200基于TCP連接將JPEG格式的圖像發(fā)送到服務(wù)器。同時(shí)CC3200通過串口接收ZigBee網(wǎng)絡(luò)的傳感器數(shù)據(jù)，將這些數(shù)據(jù)打包后發(fā)送到服務(wù)器。

圖6 CC3200圖像采集與傳輸工作流程

3.1.2音頻采集播放與傳輸

音頻采集播放與傳輸部分的工作流程圖，如圖7所示。首先，初始化CC3200的I2C接口，為語音采集與播放創(chuàng)建環(huán)形緩沖區(qū)，用于臨時(shí)存儲(chǔ)語音數(shù)據(jù)。然后，通過I2C接口對(duì)音頻編解碼芯片TLV320AIC3254進(jìn)行參數(shù)配置，其中包括：設(shè)置立體聲、16位、16 kHz采樣率、設(shè)置錄音和放音音量等參數(shù)的配置。然后，初始化CC3200的I2S語音傳輸接口；初始化DMA，并通過DMA建立I2S接口與環(huán)形緩沖區(qū)之間的連接。由于語音采集播放涉及到了多個(gè)實(shí)時(shí)的任務(wù)，所以此部分使用了TI的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)TI-RTOS，共計(jì)創(chuàng)建了網(wǎng)絡(luò)連接、語音播放、語音采集等3個(gè)任務(wù)，主要實(shí)現(xiàn)：啟動(dòng)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)并連接到路由器、與服務(wù)器創(chuàng)建UDP連接、接收UDP數(shù)據(jù)進(jìn)行語音播放、語音的采集和UDP上傳幾項(xiàng)功能[16]。

圖7 CC3200語音采集播放與傳輸工作流程

3.1.3定向感知功能設(shè)計(jì)

本部分主要實(shí)現(xiàn)多媒體感知節(jié)點(diǎn)對(duì)附近異常告警節(jié)點(diǎn)的動(dòng)態(tài)定向監(jiān)測(cè)。當(dāng)多媒體節(jié)點(diǎn)附近有節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)異常告警時(shí)，異常節(jié)點(diǎn)會(huì)向多媒體節(jié)點(diǎn)發(fā)送告警信息和自身GPS經(jīng)緯度。多媒體節(jié)點(diǎn)通過6軸姿態(tài)傳感器MPU6050獲取自身方位角，通過將自身GPS經(jīng)緯度與異常節(jié)點(diǎn)GPS經(jīng)緯度的對(duì)比，判定云臺(tái)應(yīng)該旋轉(zhuǎn)的角度，控制舵機(jī)動(dòng)作，使得多媒體節(jié)點(diǎn)能夠采集到異常節(jié)點(diǎn)的圖像信息，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)異常區(qū)域的動(dòng)態(tài)定向感知。

在此需要說明，GPS經(jīng)緯度對(duì)應(yīng)的是地理坐標(biāo)，配合電子羅盤使用是最合適的。但是，在實(shí)際使用中電子羅盤會(huì)受到舵機(jī)等設(shè)備的磁場(chǎng)干擾，出現(xiàn)較大誤差，而且各地的地磁偏角又有所不同，這些都可能導(dǎo)致系統(tǒng)可靠性降低。所以本系統(tǒng)選擇了姿態(tài)傳感器進(jìn)行自身方位角感知。MPU6050本身輸出的是載體坐標(biāo)系，所以需要將MPU6050的坐標(biāo)系轉(zhuǎn)化為東-北-天坐標(biāo)系，以便與GPS經(jīng)緯度坐標(biāo)系一致。

現(xiàn)建立坐標(biāo)系，如圖8所示，中間灰色矩形為多媒體感知節(jié)點(diǎn)盒子，盒子中間安裝有姿態(tài)傳感器，盒子右側(cè)的箭頭為攝像頭安裝位置，灰色扇形區(qū)域?yàn)閿z像頭視覺區(qū)域，盒子豎向中心線與北緯緯度重合，橫向中心線與東經(jīng)經(jīng)度線重合。由于進(jìn)行舵機(jī)旋轉(zhuǎn)角度運(yùn)算的是具有8051內(nèi)核的CC2530，進(jìn)行三角函數(shù)運(yùn)算會(huì)增加系統(tǒng)負(fù)擔(dān)。所以，本系統(tǒng)結(jié)合攝像頭視域?yàn)樯刃蔚奶攸c(diǎn)，將盒子周圍360°區(qū)域分成8個(gè)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域?yàn)?5°，盒子下面270°云臺(tái)舵機(jī)處于中間位置(舵機(jī)角度135°)。通過運(yùn)算，控制舵機(jī)上面的攝像頭旋轉(zhuǎn)到異常節(jié)點(diǎn)所在區(qū)域即可采集到圖像信息。

圖8 圖像采集區(qū)域劃分(盒子與N緯度軸重合)

以盒子上面的GPS模塊經(jīng)緯度為原點(diǎn)，通過異常節(jié)點(diǎn)GPS經(jīng)緯度與盒子自身GPS經(jīng)緯度差值作為位置區(qū)域判斷依據(jù)。計(jì)算攝像頭當(dāng)前所在區(qū)域和目標(biāo)區(qū)域的夾角，即可得到舵機(jī)云臺(tái)需要旋轉(zhuǎn)的角度。而實(shí)際的安裝過程中，盒子豎向中心線不一定和北緯緯度線重合，會(huì)存在一定的夾角，如圖9中所示夾角NA。所以在計(jì)算舵機(jī)旋轉(zhuǎn)角度時(shí)，需將夾角NA考慮進(jìn)去。

圖9 圖像采集區(qū)域劃分 (盒子從N緯度軸逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)NA角)

由于于舵機(jī)旋轉(zhuǎn)角度限制(最大270°)，攝像頭的觀察范圍存在約45°的視覺盲區(qū)，此問題可通過選擇360°的舵機(jī)得到解決。但考慮到實(shí)際環(huán)境監(jiān)測(cè)中，多媒體節(jié)點(diǎn)一般固定安裝在建筑物或植物上，節(jié)點(diǎn)后側(cè)45°區(qū)域是被遮擋的區(qū)域，所以本系統(tǒng)仍然采用了270°舵機(jī)。

3.2 服務(wù)端管理軟件設(shè)計(jì)

為增加移動(dòng)性，本系統(tǒng)的服務(wù)端管理軟件基于Android系統(tǒng)，在PAD上運(yùn)行。PAD與多媒體感知節(jié)點(diǎn)通過路由器建立WiFi連接；基于TCP協(xié)議實(shí)現(xiàn)圖像傳輸和顯示；基于UDP協(xié)議實(shí)現(xiàn)語音采集傳輸和播放；同時(shí)基于TCP協(xié)議實(shí)現(xiàn)ZigBee網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的接收和顯示。此外，還可設(shè)置報(bào)警閾值和多傳感器數(shù)據(jù)組觸發(fā)報(bào)警等。

4 測(cè)試驗(yàn)證

4.1 系統(tǒng)樣機(jī)試制

根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，進(jìn)行了樣機(jī)試制。圖10是系統(tǒng)樣機(jī)實(shí)物圖，從左到右依次為：帶太陽能板、攝像頭、語音采集播放的多媒體感知節(jié)點(diǎn)、ZigBee煙霧感知節(jié)點(diǎn)、ZigBee人體感知節(jié)點(diǎn)、ZigBee溫濕度感知節(jié)點(diǎn)和PAD端管理軟件。

圖10 系統(tǒng)樣機(jī)實(shí)物圖

4.2 系統(tǒng)測(cè)試

為測(cè)試系統(tǒng)各項(xiàng)功能，本系統(tǒng)在校園內(nèi)進(jìn)行了環(huán)境監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)。圖11所示為系統(tǒng)測(cè)試場(chǎng)景，測(cè)試區(qū)域?yàn)榻虒W(xué)樓與學(xué)生公寓之間的區(qū)域，在教學(xué)樓東門口附近放置多媒體感知節(jié)點(diǎn)、在學(xué)生宿舍前面街道分別放置：煙霧感知節(jié)點(diǎn)、溫濕度感知節(jié)點(diǎn)和人體感知節(jié)點(diǎn)。

圖12分別是煙霧感知節(jié)點(diǎn)告警、人體感知節(jié)點(diǎn)告警時(shí)，多媒體節(jié)點(diǎn)通過WiFi傳送到PAD端管理軟件的圖像和數(shù)據(jù)信息截屏，可知系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了各傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集和顯示、實(shí)現(xiàn)了對(duì)異常區(qū)域定向圖像采集的目的。

(a) 煙霧(b) 人體

圖12 感知節(jié)點(diǎn)告警

5 結(jié) 語

針對(duì)環(huán)境監(jiān)測(cè)中進(jìn)行細(xì)粒度、重點(diǎn)區(qū)域監(jiān)測(cè)的實(shí)際需要，設(shè)計(jì)開發(fā)了一種基于無線多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。設(shè)計(jì)了普通ZigBee無線感知節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)普通標(biāo)量數(shù)據(jù)的感知和傳輸?；赯igBee和WiFi設(shè)計(jì)了多媒體感知節(jié)點(diǎn)，在實(shí)現(xiàn)標(biāo)量數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐瑫r(shí)，實(shí)現(xiàn)了環(huán)境圖像、語音數(shù)據(jù)采集；同時(shí)添加了舵機(jī)云臺(tái)、姿態(tài)感知和GPS定位系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)于異常區(qū)域的圖像、語音數(shù)據(jù)采集。試驗(yàn)證明，本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)環(huán)境的細(xì)粒度感知和異常區(qū)域定向監(jiān)測(cè)，具有很好的實(shí)用價(jià)值。