基于ZigBee和H.264的無線視頻傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

游張華

(深圳市華海聯(lián)能科技有限公司，廣東 深圳 518100)

基于ZigBee和H.264的無線視頻傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

游張華

(深圳市華海聯(lián)能科技有限公司，廣東 深圳 518100)

ZigBee是以IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)的一種低成本、低功耗的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù),通過ZigBee協(xié)議棧，可將各ZigBee節(jié)點(diǎn)形成一個(gè)節(jié)點(diǎn)容量大、通信范圍廣的ZigBee網(wǎng)絡(luò)。而H.264是當(dāng)今最好的視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)，具有碼流率低、圖像質(zhì)量高、容錯(cuò)能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。使用ZigBee網(wǎng)絡(luò)來傳輸H.264視頻碼流，是實(shí)現(xiàn)無線視頻傳輸系統(tǒng)的一種好方案。通過具體開發(fā)實(shí)例，從硬件和軟件兩個(gè)方面討論了該方案的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

ZigBee；H.264；無線視頻傳輸系統(tǒng)

0 引言

ZigBee是以IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)[1]為基礎(chǔ)的一種低成本、低功耗、網(wǎng)絡(luò)容量大、通信范圍廣的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)[2]，可支持多達(dá)65 000個(gè)節(jié)點(diǎn)。ZigBee的工作頻段有3個(gè)，分別是868 MHz、915 MHz、2.4 GHz,當(dāng)工作于2.4 GHz時(shí)，其擁有最高的傳輸速率250 KB/s。在存儲(chǔ)量盡可能小的情況下獲得好的圖像質(zhì)量和低帶寬圖像快速傳輸已成為視頻壓縮的兩大難題。為此ISO/IEC和ITU-T兩大國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織聯(lián)手制定了新一代視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)H.264[3]。H264具有圖像質(zhì)量好、連續(xù)性強(qiáng)、動(dòng)態(tài)圖像質(zhì)量高、壓縮比高、碼流速率可調(diào)等優(yōu)點(diǎn)。本文從硬件和軟件兩個(gè)方面討論使用帶H.264硬件編解碼器、ARM9 CPU核的i.MX27和帶ZigBee協(xié)議棧的微處理器CC2430來共同組建無線視頻傳輸系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)圖

系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)如圖1所示，整個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)由一個(gè)ZigBee協(xié)調(diào)器、多個(gè) ZigBee路由器和ZigBee無線視頻終端組成[4]。由于CC2430集成了2.4 GHz DSSS射頻收發(fā)器和單片機(jī)控制器，因此ZigBee設(shè)備可以使用CC2430單芯片來實(shí)現(xiàn)。ZigBee協(xié)調(diào)器用于組建最初的ZigBee網(wǎng)絡(luò)，并為加入網(wǎng)絡(luò)的每個(gè)ZigBee路由器和ZigBee無線視頻終端分配16位網(wǎng)絡(luò)短地址。ZigBee路由器在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中扮演路由和中繼的角色，為各ZigBee無線視頻終端傳輸數(shù)據(jù)并擴(kuò)大無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆秶igBee無線視頻終端根據(jù)分配得到的16位網(wǎng)絡(luò)短地址可以相互之間進(jìn)行雙向無線數(shù)據(jù)通信[5]。i.MX27上采用Linux操作系統(tǒng)，在Linux下通過對(duì)采集的圖像進(jìn)行硬件壓縮編碼，各ZigBee無線視頻終端之間的數(shù)據(jù)以H.264碼流的形式進(jìn)行無線傳輸。

2 ZigBee無線視頻終端的硬件設(shè)計(jì)

考慮到H.264軟件編解碼需要消耗大量的CPU資源，故本方案中選擇了具有H.264硬件編解碼器及ARM9 CPU核的Freescale微處理器i.MX27。ARM9 CPU核一方面負(fù)責(zé)將攝像頭采集到的YUV圖像數(shù)據(jù)送入H.264硬件編碼器，并將硬件編碼器輸出的H.264碼流通過ZigBee微處理器CC2430無線發(fā)送出去。另一方面通過CC2430接收H.264碼流并送入H.264硬件解碼器，然后將硬件解碼器輸出的YUV圖像數(shù)據(jù)顯示到液晶屏上。ZigBee微處理器CC2430負(fù)責(zé)H.264碼流的收發(fā)工作，并通過SPI接口與i.MX27進(jìn)行通信。 ZigBee無線視頻終端的硬件組成如圖2所示。

圖2 硬件基本結(jié)構(gòu)圖

為了實(shí)現(xiàn)圖像的采集，本方案采用含有OV9650芯片的CMOS攝像頭，采集到的圖像通過i.MX27的CSI接口傳輸?shù)紿.264硬件編碼器中。對(duì)于圖像的顯示，則選擇群創(chuàng)AT070TN83-V.1(16 ∶9，800×480)7英寸TFT液晶屏。該屏支持18位數(shù)字RGB接口，格式為RGB666，即每個(gè)像素由6 bit紅、6 bit綠、6 bit藍(lán)構(gòu)成18 bit數(shù)據(jù)。該屏與i.MX27的LCDC控制器主要通過18根數(shù)據(jù)線(LD[17:0])、幀同步(VSYNC)、行同步(HSYSNC)、時(shí)鐘(LSCLK)進(jìn)行連接。采用一片三星的K9F2G08R0A NAND Flash芯片(256 M×8 bit)來儲(chǔ)存系統(tǒng)的Bootloader(RedBoot),Linux內(nèi)核，文件系統(tǒng)和視頻程序。由兩片Infineon Technologies的HYB18M512160AF-7.5芯片(4 Bank×8 M×16 bit)構(gòu)成128 MB的DDR，主要用于加載Linux操作系統(tǒng)和運(yùn)行視頻編解碼程序。

設(shè)計(jì)一個(gè)10針的JTAG接口，用來燒寫系統(tǒng)的Bootloader、Linux內(nèi)核和文件系統(tǒng)。使用MAX3232構(gòu)成UART接口，用來將調(diào)試信息返回到MiniCom上顯示。因處理器內(nèi)核需要1.8 V、1.5 V電壓，而存儲(chǔ)器和外部I/O需要3.3 V電壓，故把整個(gè)系統(tǒng)的輸入電壓設(shè)為5 V，經(jīng)過DC-DC轉(zhuǎn)換器可完成到3.3 V、1.8 V、1.5 V的電壓轉(zhuǎn)換。采用26 MHz的有源晶振，晶振經(jīng)過i.MX27片內(nèi)的PLL電路倍頻后最高可達(dá)到400 MHz。

ZigBee通信模塊以CHIPCON公司的CC2430微處理器為核心。將CC2430的SPI接口與i.MX27的SPI接口連接，H.264碼流通過SPI接口進(jìn)行傳輸。

3 ZigBee無線視頻終端的軟件設(shè)計(jì)

3.1 圖像采集

CSI(CMOS Sensor Interface)是i.MX27中的CMOS圖像傳感器接口。圖像的采集可通過CSI接口、圖像傳感器芯片OV9650和Linux下視頻設(shè)備的內(nèi)核驅(qū)動(dòng)V4L2來實(shí)現(xiàn)，所以需要加載CSI驅(qū)動(dòng)mx27_csi.ko、ov9650驅(qū)動(dòng)ov9650_cam.ko和V4L2驅(qū)動(dòng)mx27_v4l2_capture.ko。這樣應(yīng)用程序在打開V4L2后，就可以進(jìn)行圖像數(shù)據(jù)采集了。

3.2 圖像顯示

LCDC(Liquid Crystal Display Controller)是i.MX27中的液晶顯示控制器。可通過LCDC接口來控制圖像的顯示，故需要加載LCDC驅(qū)動(dòng)mxcfb_modedb.ko和mxcfb.ko及幀緩沖驅(qū)動(dòng)。使用幀緩沖設(shè)備時(shí)，可將顯示緩沖區(qū)直接映射到Linux用戶空間。這樣在Linux用戶空間，應(yīng)用程序可按照預(yù)先設(shè)置好的R、G、B位數(shù)和偏移量，將圖像數(shù)據(jù)直接寫到經(jīng)過mmap()映射后的顯示緩沖區(qū)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)圖像的顯示。

3.3 H.264編解碼

VPU(Video Processing Unit)是i.MX27中的視頻處理單元，主要用于H.264 BP、MPEG-4 SP、H.263 P3格式的硬件編解碼[6]。為了用戶能夠使用VPU的硬件編解碼器，F(xiàn)reescale提供了一套Linux下的基于i.MX27 VPU的庫(kù)文件。不論是編碼還是解碼，首先都必須調(diào)用vpu_Init()函數(shù)對(duì)VPU硬件進(jìn)行初始化。

對(duì)于H.264編碼，需要執(zhí)行以下步驟：(1)調(diào)用vpu_EncOpen()函數(shù)對(duì)VPU編碼器初始化；(2)調(diào)用vpu_EncGetInitialInfo()函數(shù)獲取編碼初始化信息；(3)調(diào)用vpu_EncRegisterFrameBuffer()函數(shù)注冊(cè)編碼幀緩沖；(4)調(diào)用vpu_EncStartOneFrame()函數(shù)，將編碼幀緩沖中的每一幀圖像數(shù)據(jù)送入VPU編碼器編碼，并將編碼得到的H.264碼流存放到指定的位流緩沖區(qū)中；(5)當(dāng)需要結(jié)束編碼操作時(shí)，只需調(diào)用vpu_EncClose()函數(shù)。H.264編碼的執(zhí)行流程如圖3所示。

圖3 H.264編碼執(zhí)行流程圖

圖4 H.264解碼執(zhí)行流程圖

對(duì)于H.264解碼，需要執(zhí)行以下步驟：(1)調(diào)用vpu_DecOpen()函數(shù)對(duì)VPU解碼器初始化；(2)調(diào)用vpu_DecGetInitialInfo()函數(shù)獲取解碼初始化信息；(3)調(diào)用vpu_DecRegisterFrameBuffer()函數(shù)注冊(cè)解碼幀緩沖；(4)為了獲取需解碼的H.264碼流，可調(diào)用vpu_DecGetBitstreamBuffer()函數(shù)；(5)調(diào)用vpu_DecStartOneFrame()函數(shù)，將H.264碼流送入VPU解碼器進(jìn)行解碼，并將得到的圖像數(shù)據(jù)存放到解碼幀緩沖中；(6)當(dāng)需要結(jié)束解碼操作時(shí)，只需調(diào)用vpu_DecClose()函數(shù)。H.264解碼的執(zhí)行流程如圖4所示。

3.4 H.264無線傳輸

要進(jìn)行H.264碼流無線接收和發(fā)送，首先需要加載i.MX27的SPI接口驅(qū)動(dòng)mx27_spi.ko。通過SPI接口，i.MX27可以將H.264碼流[7]傳輸?shù)紺C2430中并無線發(fā)送出去，也可以將CC2430無線接收的H.264碼流輸入到i.MX27中。

由于ZigBee在2.4 GHz工作頻段和250 KB/s的傳輸速度下,物理層每次最多只能傳輸127 B的數(shù)據(jù)包。除去物理層和MAC層的網(wǎng)絡(luò)包頭，ZigBee每次傳輸?shù)膶?shí)際數(shù)據(jù)最多只有89 B[8]。由于ZigBee網(wǎng)絡(luò)層不能對(duì)H.264碼流進(jìn)行分割和重組，而傳輸?shù)腍.264碼流遠(yuǎn)多于89 B，因此必須在ZigBee協(xié)議的應(yīng)用層將H.264碼流分割為等于或小于89 B的數(shù)據(jù)包進(jìn)行傳輸。在接收端需要對(duì)這些分解的數(shù)據(jù)包進(jìn)行重組，以形成正確的H.264碼流。由于在無線數(shù)據(jù)傳輸過程中被分割的數(shù)據(jù)包可能會(huì)丟失，這將直接影響接收端的數(shù)據(jù)重組，因此需要建立一個(gè)重傳機(jī)制來重傳數(shù)據(jù)傳輸過程中丟失的數(shù)據(jù)包。下面給出分組傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包的格式。

數(shù)據(jù)發(fā)送之前，先執(zhí)行握手協(xié)議[9]。ZigBee發(fā)送端先發(fā)送請(qǐng)求包，告訴ZigBee接收端即將發(fā)送的一幀H.264數(shù)據(jù)將被分割為幾個(gè)數(shù)據(jù)包以及第一個(gè)數(shù)據(jù)包的編號(hào)。編號(hào)字段定義為4 B，能對(duì)4 GB的數(shù)據(jù)進(jìn)行編號(hào)，這樣可以保證當(dāng)編號(hào)重復(fù)時(shí)，舊編號(hào)的數(shù)據(jù)包早已在網(wǎng)絡(luò)中消失。

ZigBee接收端接收到請(qǐng)求包后，將返回一個(gè)確認(rèn)包，表示ZigBee接收端接受ZigBee發(fā)送端的請(qǐng)求。ZigBee發(fā)送端接收到確認(rèn)包后，同樣也返回一個(gè)確認(rèn)包，這樣握手協(xié)議完成。接下來就是實(shí)際的數(shù)據(jù)通信了。握手協(xié)議的執(zhí)行流程如圖5所示。

圖5 握手協(xié)議執(zhí)行流程圖

握手協(xié)議完成后，ZigBee接收端將根據(jù)分割數(shù)據(jù)包的數(shù)量來分配接收緩沖區(qū)大小。將接收到的每個(gè)數(shù)據(jù)包按照數(shù)據(jù)包的編號(hào)依次存放到接收緩沖區(qū)對(duì)應(yīng)的位置處，并將該位置的標(biāo)志置1，表示接收到了對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)包。如果接收緩沖區(qū)中某些位置的標(biāo)志為0并且對(duì)應(yīng)的定時(shí)器超時(shí)，則表示該位置沒有接收到對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)包，數(shù)據(jù)包在無線傳輸?shù)倪^程中丟失。ZigBee接收端需要向ZigBee發(fā)送端發(fā)送一個(gè)重傳包，請(qǐng)求將丟失的數(shù)據(jù)包重新傳遞過來。本傳輸協(xié)議規(guī)定，若針對(duì)某位置連續(xù)3次發(fā)送重傳包后，定時(shí)器連續(xù)4次超時(shí)，則表示傳輸失敗。ZigBee接收端將發(fā)送重新開始包，命令ZigBee發(fā)送端對(duì)下一幀H.264數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸。協(xié)議重傳的執(zhí)行流程如圖6所示。

圖6 協(xié)議重傳執(zhí)行流程圖

4 系統(tǒng)測(cè)試

為了測(cè)試ZigBee發(fā)送端是否將每一幀H.264數(shù)據(jù)成功地傳輸?shù)搅薢igBee接收端，現(xiàn)在在ZigBee發(fā)送端和接收端之間依次放置1～4個(gè)ZigBee路由器，對(duì)100幀H.264數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸測(cè)試。無線傳輸H.264圖像的測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 無線傳輸H.264圖像的測(cè)試結(jié)果

可見，圖像從ZigBee發(fā)送端無線傳輸?shù)絑igBee接收端所經(jīng)過的路由器越少，傳輸?shù)某晒β试礁?。?shí)際測(cè)試時(shí)，每秒能傳輸約14幀H.264圖像數(shù)據(jù)，基本上達(dá)到了無線視頻傳輸?shù)囊蟆?/p>

5 結(jié)論

本文詳細(xì)地介紹了基于ZigBee和H.264的無線視頻傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，文中所設(shè)計(jì)的方案不僅能用于無線數(shù)字視頻傳輸，也可以應(yīng)用到無線數(shù)字音頻傳輸，具有很強(qiáng)的通用性。

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[8] 盛先剛. 基于RTP的H.264視頻傳輸系統(tǒng)研究[D]. 西安：西安電子科技大學(xué)，2006.

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Design and realization of wireless video transmission system based on ZigBee and H.264

You Zhanghua

(Shenzhen Huahai Liannet Technology Co., Ltd. , Shenzhen 518100, China)

ZigBee is a low-cost and low-power wireless network technology based on IEEE 802.15.4 standard. A large capacity and wide range ZigBee communication network can be formed using various ZigBee nodes through the ZigBee protocol stack. H.264 is currently the best video compression standard with a low stream rate, high image quality and high fault-tolerant capability etc. It’s a good scheme to realize wireless video transmission system using the ZigBee network to transmit H.264 video stream. The design and realization of hardware and software are discussed through a representative example.

ZigBee; H.264; wireless video transmission system

TP393.0

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2016.24.016

游張華. 基于ZigBee和H.264的無線視頻傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2016,35(24)：54-56，60.

2016-07-29)

游張華(1980-)，男，碩士，中級(jí)工程師，主要研究方向：嵌入式系統(tǒng)。