面向環(huán)境監(jiān)測的定向感知無線多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

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)測等諸多領(lǐng)域[4,5]。隨著人們對物理世界認識的加深和環(huán)境日趨復(fù)雜，傳統(tǒng)WSN節(jié)點所獲取的簡單數(shù)據(jù)已經(jīng)無法滿足人們實現(xiàn)全面環(huán)境監(jiān)測的需求，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，實現(xiàn)更精準、細微的監(jiān)測，無線多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Multimedia Sensor Networks，WMSN)由此應(yīng)運而生[6]。

相對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)存儲容量、網(wǎng)絡(luò)傳輸、能量供應(yīng)等方面顯著增強，可完成傳統(tǒng)WSN無法實現(xiàn)的復(fù)雜任務(wù)[7-8]，滿足人們對環(huán)境監(jiān)測的多樣化需求?；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)點發(fā)送到協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器再通過串口上傳到PC機[9]。經(jīng)實驗研究證實，節(jié)點電量大小、圖像傳輸距離、圖像數(shù)據(jù)多跳數(shù)量都會影響圖像的傳輸質(zhì)量[9]；由于其在整個過程中均采用串口進行數(shù)據(jù)傳輸，使得其傳輸?shù)膯螏瑘D像分辨率較低。文獻[9]的研究結(jié)果也證實了，基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)進行非壓縮圖像的傳輸是不可靠、不實用的。文獻[10-11]中對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的圖像壓縮技術(shù)進行了深入的研究，經(jīng)其證實，無線多媒體圖像感知節(jié)點的能量消耗中，圖像壓縮所占比例最高[11]。因此,提出的多點協(xié)同分布式圖像壓縮算法，基于多媒體圖像感知節(jié)點的多個鄰節(jié)點，實現(xiàn)分布式圖像壓縮，經(jīng)過仿真實驗證實，確實可以平衡網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的能耗，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)點必須有足夠的鄰節(jié)點，而且距離要近。然而，實際的工作環(huán)境往往千變?nèi)f化，圖像節(jié)點附近不一定有足夠的節(jié)點來實現(xiàn)分布式編碼，而且這些節(jié)點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，為了保證低功耗、低成本，普遍計算能力較弱.文獻[12]中為降低系統(tǒng)功耗、滿足圖像采集需要，專門設(shè)計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)量和較好的通信實時性；但其組網(wǎng)能力低，擴展空間受限，不易實現(xiàn)大范圍的信號覆蓋。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。

因此，本系統(tǒng)基于WiFi和ZigBee協(xié)議，設(shè)計了可連接WiFi和ZigBee網(wǎng)絡(luò)的多媒體感知節(jié)點和可連接ZigBee網(wǎng)絡(luò)的普通感知節(jié)點，構(gòu)建基于混合通信協(xié)議的WMSN進行環(huán)境監(jiān)測。另外，傳統(tǒng)多媒體感知節(jié)點多為固定方位感知，無法對熱點區(qū)域進行動態(tài)感知。為此，本文設(shè)計了一種多媒體感知節(jié)點與普通節(jié)點聯(lián)動機制，當(dāng)某個普通感知節(jié)點區(qū)域出現(xiàn)異常情況時，多媒體感知節(jié)點可自動調(diào)整感知方向，從而對異常區(qū)域現(xiàn)場環(huán)境實現(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，在需進行環(huán)境監(jiān)測的骨干網(wǎng)絡(luò)區(qū)域構(gòu)建WiFi覆蓋。同時，在監(jiān)測區(qū)域構(gòu)建ZigBee無線傳感網(wǎng)，實現(xiàn)對溫度、濕度等標量數(shù)據(jù)的采集。然后，根據(jù)環(huán)境監(jiān)測需要，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)點上傳的標量數(shù)據(jù)，一起經(jīng)過WiFi網(wǎng)絡(luò)上傳到服務(wù)器。對多媒體數(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)點觸發(fā)，在實現(xiàn)關(guān)鍵信息采集的同時，降低網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸負擔(dān)、降低系統(tǒng)功耗。

圖1 WMSN系統(tǒng)架構(gòu)圖

2 WMSN節(jié)點硬件設(shè)計

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

2.1 普通無線感知節(jié)點

普通無線感知節(jié)點用于標量信息的周期性采集和上報，這里的標量(即：只有大小沒有方向的量)信息指環(huán)境溫度、濕度、煙霧、人體探測值等點式數(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)實現(xiàn)。

本系統(tǒng)中采用CC2530+Sensor的方案實現(xiàn)標量數(shù)據(jù)的采集。其中，對需要多媒體節(jié)點進行定向監(jiān)測的普通感知節(jié)點，需要安裝GPS模塊。當(dāng)普通感知節(jié)點檢測到異常時，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，多媒體感知節(jié)點調(diào)整云臺狀態(tài)，實現(xiàn)對異常區(qū)域的多媒體信息采集。

2.2 多媒體無線感知節(jié)點

多媒體無線感知節(jié)點結(jié)構(gòu)，如圖2所示。該節(jié)點主要包括：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。本部分重點對多媒體信息采集與傳輸部分做詳細介紹。

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的程序運行在外部串行Flash中，采用40 MHz外部晶振做主時鐘，32.768 kHz外部晶振做實時時鐘。在本系統(tǒng)中，CC3200主要實現(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

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實現(xiàn)音頻采集編碼和音頻解碼，通過MIC進行語音采集，耳機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

WMSN系統(tǒng)軟件部分，主要包括：普通感知節(jié)點、多媒體感知節(jié)點和服務(wù)器端的軟件設(shè)計。普通感知節(jié)點為傳統(tǒng)標量數(shù)據(jù)采集，在此不再熬述。本部分重點對多媒體感知節(jié)點和服務(wù)器端管理軟件部分進行詳細介紹。

圖4 多媒體感知節(jié)點——圖像采集電路圖

3.1 多媒體感知節(jié)點軟件設(shè)計

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進行圖像采集，使用WiFi進行圖像傳輸。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CMOS攝像頭MT9D111的寄存器進行配置，包括：圖像尺寸、工作頻率、幀率、JPEG壓縮率；對8位并行Camera接口的配置包括：時鐘配置、行場時鐘極性配置等。

(3) 配置CC3200為WiFi Station模式，啟動網(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)，用于臨時存儲語音數(shù)據(jù)。然后，通過I2C接口對音頻編解碼芯片TLV320AIC3254進行參數(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實時的任務(wù)，所以此部分使用了TI的實時操作系統(tǒng)TI-RTOS，共計創(chuàng)建了網(wǎng)絡(luò)連接、語音播放、語音采集等3個任務(wù)，主要實現(xiàn)：啟動網(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)進行語音播放、語音的采集和UDP上傳幾項功能[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

本部分主要實現(xiàn)多媒體感知節(jié)點對附近異常告警節(jié)點的動態(tài)定向監(jiān)測。當(dāng)多媒體節(jié)點附近有節(jié)點出現(xiàn)異常告警時，異常節(jié)點會向多媒體節(jié)點發(fā)送告警信息和自身GPS經(jīng)緯度。多媒體節(jié)點通過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GPS經(jīng)緯度的對比，判定云臺應(yīng)該旋轉(zhuǎn)的角度，控制舵機動作，使得多媒體節(jié)點能夠采集到異常節(jié)點的圖像信息，從而實現(xiàn)對異常區(qū)域的動態(tài)定向感知。

在此需要說明，GPS經(jīng)緯度對應(yīng)的是地理坐標，配合電子羅盤使用是最合適的。但是，在實際使用中電子羅盤會受到舵機等設(shè)備的磁場干擾，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)傳感器進行自身方位角感知。MPU6050本身輸出的是載體坐標系，所以需要將MPU6050的坐標系轉(zhuǎn)化為東-北-天坐標系，以便與GPS經(jīng)緯度坐標系一致。

現(xiàn)建立坐標系，如圖8所示，中間灰色矩形為多媒體感知節(jié)點盒子，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)域為攝像頭視覺區(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。由于進行舵機旋轉(zhuǎn)角度運算的是具有8051內(nèi)核的CC2530，進行三角函數(shù)運算會增加系統(tǒng)負擔(dān)。所以，本系統(tǒng)結(jié)合攝像頭視域為扇形的特點，將盒子周圍360°區(qū)域分成8個區(qū)域，每個區(qū)域為45°，盒子下面270°云臺舵機處于中間位置(舵機角度135°)。通過運算，控制舵機上面的攝像頭旋轉(zhuǎn)到異常節(jié)點所在區(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，通過異常節(jié)點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)。計算攝像頭當(dāng)前所在區(qū)域和目標區(qū)域的夾角，即可得到舵機云臺需要旋轉(zhuǎn)的角度。而實際的安裝過程中，盒子豎向中心線不一定和北緯緯度線重合，會存在一定的夾角，如圖9中所示夾角NA。所以在計算舵機旋轉(zhuǎn)角度時，需將夾角NA考慮進去。

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

由于于舵機旋轉(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°的舵機得到解決。但考慮到實際環(huán)境監(jiān)測中，多媒體節(jié)點一般固定安裝在建筑物或植物上，節(jié)點后側(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。

3.2 服務(wù)端管理軟件設(shè)計

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

4 測試驗證

4.1 系統(tǒng)樣機試制

根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計方案，進行了樣機試制。圖10是系統(tǒng)樣機實物圖，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、ZigBee煙霧感知節(jié)點、ZigBee人體感知節(jié)點、ZigBee溫濕度感知節(jié)點和PAD端管理軟件。

圖10 系統(tǒng)樣機實物圖

4.2 系統(tǒng)測試

為測試系統(tǒng)各項功能，本系統(tǒng)在校園內(nèi)進行了環(huán)境監(jiān)測實驗。圖11所示為系統(tǒng)測試場景，測試區(qū)域為教學(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、在學(xué)生宿舍前面街道分別放置：煙霧感知節(jié)點、溫濕度感知節(jié)點和人體感知節(jié)點。

圖12分別是煙霧感知節(jié)點告警、人體感知節(jié)點告警時，多媒體節(jié)點通過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)實現(xiàn)了各傳感器節(jié)點的數(shù)據(jù)采集和顯示、實現(xiàn)了對異常區(qū)域定向圖像采集的目的。

(a) 煙霧(b) 人體

圖12 感知節(jié)點告警

5 結(jié) 語

針對環(huán)境監(jiān)測中進行細粒度、重點區(qū)域監(jiān)測的實際需要，設(shè)計開發(fā)了一種基于無線多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。設(shè)計了普通ZigBee無線感知節(jié)點，實現(xiàn)普通標量數(shù)據(jù)的感知和傳輸。基于ZigBee和WiFi設(shè)計了多媒體感知節(jié)點，在實現(xiàn)標量數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐瑫r，實現(xiàn)了環(huán)境圖像、語音數(shù)據(jù)采集；同時添加了舵機云臺、姿態(tài)感知和GPS定位系統(tǒng)，實現(xiàn)了對于異常區(qū)域的圖像、語音數(shù)據(jù)采集。試驗證明，本系統(tǒng)實現(xiàn)了對環(huán)境的細粒度感知和異常區(qū)域定向監(jiān)測，具有很好的實用價值。