基于IPv6的WSN圖像監(jiān)控系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

摘 要:為拓展無線傳感器網(wǎng)絡的應用，設計并實現(xiàn)了一種基于IPv6無線傳感器網(wǎng)絡的圖像監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)在IPv6的環(huán)境中實現(xiàn)了紅外傳感器節(jié)點控制，圖像傳感器節(jié)點以ARM作為處理器，在嵌入式Linux中設計V4L程序實現(xiàn)采集實時圖像，圖像匯聚到網(wǎng)關后，網(wǎng)關利用多種Internet接入方式將信息返回到客戶端。網(wǎng)絡中融合了多種類型的數(shù)據(jù)，系統(tǒng)分別采用IEEE802.15.4和WiFi方式進行傳輸，可以提高網(wǎng)絡傳輸效率與可靠性，并能夠方便地用于入侵檢測等多媒體圖像監(jiān)控方面。

關鍵詞:無線傳感器網(wǎng)絡; 圖像監(jiān)控; 入侵檢測; IPv6

中圖分類號:TN911.73; TP393 文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)14-0162-05

Design and Implementation of Image Monitoring System Based on WSN of IPv6

CUI Jie1，2， ZHOU Hua-chun1，2， GAO De-yun1，2， ZHENG Tao1，2

(1.School of Electronics and Information Engineering， Beijing Jiaotong University， Beijing 100044， China;

2.National Engineering Laboratory for Next Generation Internet Interconnection Devices， Beijing 100044， China)

Abstract: A kind of image monitoring system based on wireless sensor network of IPv6 was designed and implemented to expand the application of wireless sensor networks. The system realized infrared sensor nodes controlling in the environment of IPv6， and the image sensor nodes made ARM as processors， and captured current images by V4L program in embedded Linux. When the gateway collected the images， it would send the information to client through multi-Internet access methods. Due to different types of data included in the networks， the IEEE802.15.4 and WiFi transmission were used by the system could enhance transmission efficiency and reliability of the networks. The system can be easily applied in multimedia image monitoring such as intrusion detection.

Keywords: wireless sensor networks; image monitoring; intrusion detection; IPv6

0 引 言

無線傳感器網(wǎng)絡[1] (wireless sensor network， WSN)是由大規(guī)模部署的微型傳感器節(jié)點以自組織的方式構成的網(wǎng)絡。最終實現(xiàn)了人與物理世界的信息交互，大大擴展了人類的感知范圍。經(jīng)裁剪和優(yōu)化的IPv6協(xié)議可以很好地與無線傳感器網(wǎng)絡融合。在新型網(wǎng)絡IPv6無線傳感器網(wǎng)絡的基礎上搭建圖像監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)了在Internet上的客戶端可以獲取遠程傳感器網(wǎng)絡的周邊狀況的實時圖像，了解無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的工作狀態(tài)。圖像傳感器節(jié)點能夠同時與其他節(jié)點協(xié)同工作，滿足不同的需求。

由于無線傳感器網(wǎng)絡的能量和資源受限，其與多媒體的融合有很多地方值得研究。如何在傳感器網(wǎng)絡多媒體數(shù)據(jù)傳輸過程中減少傳輸時間，降低能量消耗以及服務質量保證成為了現(xiàn)在WSN的研究重點[2] 。其中，圖像壓縮[3] 、多媒體數(shù)據(jù)網(wǎng)內處理、有效節(jié)能的路由機制在多媒體傳感器網(wǎng)絡中都取得了一定進展。另一方面，傳統(tǒng)圖像監(jiān)控系統(tǒng)多是基于模擬信號的有線傳輸，且監(jiān)控范圍有限，擴展性差[4] 。

本文提出一種基于IPv6無線傳感器網(wǎng)絡的圖像監(jiān)控系統(tǒng)，結合無線傳感器網(wǎng)絡的特性，圖像傳感器節(jié)點隨WSN部署在監(jiān)測區(qū)域，具有更強的環(huán)境適應性，通用性，降低能耗，配合其他類型傳感器節(jié)點的使用，使得傳感器網(wǎng)絡在智能建筑、災難預警、環(huán)境監(jiān)測等應用[5] 中更加廣泛。

不同于傳統(tǒng)的圖像傳感器網(wǎng)絡，本系統(tǒng)在現(xiàn)有無線傳感器網(wǎng)絡的基礎上，融合了多種類型信息，以圖像數(shù)據(jù)為主體。根據(jù)不同類型信息，采用不同的傳輸方式，圖像數(shù)據(jù)則采用WiFi方式傳輸，用以保證傳輸?shù)乃俣龋瑫r避免了IEEE802.15.4協(xié)議下大數(shù)據(jù)量分段及多跳傳輸造成的能耗和低可靠性。另外采取圖像的硬件壓縮方式也可以減少圖像傳感器節(jié)點的處理時間。

1 圖像監(jiān)控系統(tǒng)的體系結構

基于IPv6無線傳感器網(wǎng)絡的圖像監(jiān)控系統(tǒng)主要由用戶，網(wǎng)關以及圖像傳感器節(jié)點和其他節(jié)點(如溫濕度傳感器節(jié)點、紅外傳感器節(jié)點等)組成。基于IPv6無線傳感器網(wǎng)絡的圖像監(jiān)控系統(tǒng)的體系結構如圖1所示。

圖1 圖像監(jiān)控系統(tǒng)體系結構

2 系統(tǒng)硬件組成

2.1 普通節(jié)點

根據(jù)無線傳感器網(wǎng)絡的特殊性與局限性，普通節(jié)點采用低端微控制器，包含傳感模塊、控制模塊、能量供應模塊和無線通信模塊，如圖2所示。普通節(jié)點功能簡單，但能耗很小。與溫度、濕度和人體紅外等傳感器結合，使普通節(jié)點具備了不同的功能。

圖2 普通節(jié)點硬件結構圖

2.2 圖像傳感器節(jié)點

圖像傳感器節(jié)點在普通節(jié)點的基礎上，圖像采集器作為傳感模塊，圖像采集器主要包括圖像傳感器和主控芯片。圖像傳感器節(jié)點硬件結構圖如圖3所示。

圖3 圖像傳感器節(jié)點硬件結構圖

圖像采集器中主控芯片為中星微公司生產(chǎn)的ZC0301芯片。ZC0301是一款廉價的DSP控制芯片，集成了控制器、圖像信號處理器(image signal processor， ISP)、圖像子采樣光柵、JPEG編碼器以及USB設備控制器[5] ，輸出圖片格式可直接定義為JPEG格式。圖像傳感器采用鎂光MI360，具有30萬像素，通過主控芯片提供的CMOS圖像傳感器總線接口，圖像傳感器與主控芯片可以實現(xiàn)無縫連接。

與普通節(jié)點不同的是，圖像傳感器節(jié)點的主處理器采用S3C2440。三星公司推出的16位/32位RISC微處理器S3C2440采用了ARM920T的內核。S3C2440的性能特點是:具有400 MHz的高速頻率，獨立的16 KB指令Cache和16 KB數(shù)據(jù)Cache，以及高達1 GB的地址空間[6] 。

對于無線通信通信模塊，圖像傳感器節(jié)點具有2種無線通信模式:一種是采用CC2420射頻芯片，CC2420是一款符合IEEE 802.15.4標準的無線收發(fā)芯片，具有集成度高，體積小，能耗低的特點，通過SPI接口與S3C2440連接;另一種采用無線網(wǎng)卡，本系統(tǒng)使用的是WL-167G無線網(wǎng)卡，其USB無線網(wǎng)卡芯片為rt73，支持IEEE802.11b協(xié)議標準，最高傳輸速率可達54 Mb/s。兩種通信模式分別用于控制信息和圖像信息等不同類型數(shù)據(jù)的傳輸。

2.3 網(wǎng)關

網(wǎng)關是連接遠程Internet主機服務器和底層無線傳感器網(wǎng)絡的媒介樞紐設備，承擔著不同協(xié)議間的轉換功能。S3C2440通過提供一套完整的通用系統(tǒng)外設，是作為網(wǎng)關不錯的選擇[7] 。網(wǎng)關的硬件結構如圖4所示。

圖4 網(wǎng)關硬件結構圖

通過提供2種無線端口，網(wǎng)關實現(xiàn)與各節(jié)點間的通信。網(wǎng)關與各節(jié)點之間的通信主要是通過CC2420射頻芯片進行的，負責節(jié)點入網(wǎng)，網(wǎng)絡控制等信息的傳輸。另外，網(wǎng)關與圖像傳感器節(jié)點之間的圖像數(shù)據(jù)傳輸則采用無線網(wǎng)卡，保證了數(shù)據(jù)量較大情況下數(shù)據(jù)的快速高效傳輸。

網(wǎng)關與服務器之間的通信既可以采用有線方式，也可以采用無線方式。以太網(wǎng)通信的芯片采用CS8900A，該芯片是Cirrus Logic公司生產(chǎn)的一種局域網(wǎng)處理芯片。另外借助USB Host接口連接USB無線網(wǎng)卡，則實現(xiàn)WiFi方式無線Internet的接入。

3 系統(tǒng)軟件組成

整個系統(tǒng)軟件包括控制模塊、信號接收模塊、圖像采集模塊、傳輸模塊以及底層驅動，工作流程如圖5所示。

當普通傳感器節(jié)點檢測到異常時，便構造指定類型的數(shù)據(jù)報，通過CC2420向圖像傳感器節(jié)點發(fā)送該類型的控制信號數(shù)據(jù)報，圖像傳感器節(jié)點的信號接收模塊接收到該類型數(shù)據(jù)報后，調用圖像采集模塊，采集監(jiān)控區(qū)域圖像，最終經(jīng)由網(wǎng)關通過傳輸模塊將圖像返回用戶端。

圖5 系統(tǒng)的工作流程圖

3.1 軟件平臺及底層驅動

3.1.1 軟件平臺

系統(tǒng)的軟件平臺主要指S3C2440的軟件平臺，這是建立在由Bootloader，Linux操作系統(tǒng)內核和文件系統(tǒng)組成的嵌入式系統(tǒng)之上。

網(wǎng)關和節(jié)點中操作系統(tǒng)的加入大大地擴展了網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)處理能力和功能的添加，網(wǎng)關集成性的加強也進一步提高了無線傳感器網(wǎng)絡的性能。對于無線傳感器網(wǎng)絡的特殊性要求，Linux的開源性和穩(wěn)定性為節(jié)點和網(wǎng)關提供了多功能性和高可靠性的保證。

在S3C2440上進行Bootloader、內核和文件系統(tǒng)的移植[7] 。本系統(tǒng)采用的內核是Linux-2.6.24，配置內核時根據(jù)S3C2440和功能需求選擇相應的選項，并且要添加IPv6協(xié)議棧。移植內核時需要特別注意的是:Linux-2.6.24/arch/arm/plat-s3c24xx/common-smdk.c中Hand Flash分區(qū)設置應該與Bootloader的Hand Flash保持一致;設備配置選擇為，以支持各驅動模塊。文件系統(tǒng)用的是日志閃存文件系統(tǒng)(Journalling Flash FileSystem ，JFFS)，支持硬鏈接、數(shù)據(jù)壓縮和多種節(jié)點類型，方便讀寫操作。最后將Bootloader、編譯生成的內核映像文件以及文件系統(tǒng)映像燒寫到S3C2440的相應分區(qū)。

S3C2440嵌入式系統(tǒng)由于局限性缺少很多命令工具如wireless-tools和庫文件等。需要用Busy-box交叉編譯后下載到開發(fā)板。

3.1.2 底層驅動

在嵌入式Linux中，底層驅動屏蔽了上層對硬件的直接操作，對上層應用提供對硬件控制的接口。不同于PC機的Linux系統(tǒng)，S3C2440的驅動要針對嵌入式的要求做相應的修改。

CS8900以太網(wǎng)卡驅動以太網(wǎng)接入的基礎。與CS8900相應的S3C2440寄存器是EINT9，添加對IO空間的物理地址和虛擬地址的映射: CS8900的物理地址映射到S3C2440虛擬內存頁上的地址是0xE00000000，0x19000000是實際CS8900所在的物理地址，設置CS8900申請的虛擬內存空間的大小為1 MB;

rt73無線網(wǎng)卡驅動網(wǎng)關與圖像傳感器節(jié)點通信的基礎。本系統(tǒng)中選用的驅動版本是2009_0206_RT73_Linux_STA_Drv1.1.0.2;

通用攝像頭設備軟件包(generic softwares pack-age for camera adapters，gspca)用于支持圖像采集模塊。根據(jù)設備的Vendor ID:Product ID、DSP芯片型號以及圖像傳感器型號在gspca_core.c中聲明定義。并且在該驅動加載時，將在文件系統(tǒng)中自動建立/dev/video0設備節(jié)點，這也是采用可讀寫的JFFS2文件系統(tǒng)的原因之一;

IEEE 802.15.4MAC層驅動普通節(jié)點與S3C-2440的MAC層通信的基礎。采用實驗室研發(fā)的無線傳感器網(wǎng)絡MAC驅動，將精簡的IEEE802.15.4MAC層協(xié)議以驅動的形式在嵌入式Linux上實現(xiàn)，完成了WSN中節(jié)點信息交互、入網(wǎng)等復雜的物理層操作。該驅動借助了Linux內核中任務調度等各種機制，運用內核線程管理各項任務。在S3C2440端MAC層收發(fā)的數(shù)據(jù)報均可以通過內核協(xié)議棧利用UDP與系統(tǒng)上層進行通信。

以上驅動可以設置為動態(tài)或靜態(tài)地加載，為方便后續(xù)開發(fā)，本文采取make modules的動態(tài)加載方式，生成XXX.ko文件，在開發(fā)板上通過insmod完成動態(tài)加載的操作。

3.2 控制模塊與信號接收模塊

控制模塊是基于IEEE 802.15.4MAC層驅動的，其他傳感器節(jié)點感應外界觸發(fā)后，向圖像傳感器節(jié)點發(fā)送一個指定類型的數(shù)據(jù)報，圖像傳感器節(jié)點接收到的數(shù)據(jù)報格式如圖6所示。

圖6 控制信號數(shù)據(jù)報格式

圖中03之后即MAC層數(shù)據(jù)報的數(shù)據(jù)凈荷，根據(jù)不同值可判斷不同類型的控制信號。控制模塊通過普通節(jié)點與圖像傳感器節(jié)點的CC2420，經(jīng)由驅動提供的接口將信號送往嵌入式Linux的上層。而后，這個數(shù)據(jù)報進入圖像傳感器節(jié)點的信號接收模塊，該模塊基于UDP Socket，經(jīng)過數(shù)據(jù)報的解析判斷，根據(jù)其類型，圖像傳感器節(jié)點采取不同的操作。

3.3 圖像采集模塊

V4L(video for linux)是Linux圖像與嵌入式結合的基礎，在程序中調用V4L的API接口函數(shù)即可實現(xiàn)對攝像頭設備的操作。首先需要在文件系統(tǒng)中建立/dev/video0與/dev/v4l/vedio0之間的鏈接，使得設備節(jié)點具有通用性。V4L獲取圖像的方式有2種:內存映射方式(mmap)和直接讀取方式(read)，本文中采用的是內存映射方式，這種方式無需讀取緩存，而是將文件直接映射到內存中，利用指針讀取，讀取速度更快。圖像采集過程如圖7所示。

圖7 圖像采集過程

因為圖像采集芯片ZC0301包含圖像的JPEG壓縮功能，可以直接輸出JPEG流，所以圖片格式設置時，可直接定義為JPEG格式。若芯片不支持JPEG壓縮，可等圖像采集完成后由節(jié)點處理器再進行壓縮，以減少傳輸時間。圖像采集器對圖像硬件壓縮時間與S3C2440完成圖像軟件壓縮相比，硬件壓縮的時間更短。

采集到的圖像以當前系統(tǒng)時間進行命名，記錄圖像的時間信息，至此圖像采集模塊的工作完成。下一步即將圖像通過網(wǎng)關傳送給服務器。

3.4 傳輸模塊

傳輸模塊緊隨在圖像采集模塊后被調用。傳輸模塊采用TCP套接字，鑒于TCP是通過3次握手實現(xiàn)連接的，使數(shù)據(jù)段的發(fā)送和接受同步，保證了傳輸?shù)目煽啃訹8] 。網(wǎng)關對接收的數(shù)據(jù)采取本地處理或轉發(fā)。由于為圖像數(shù)據(jù)指定了WiFi端口，因此網(wǎng)關監(jiān)聽該端口有數(shù)據(jù)時，即判斷要轉發(fā)。指定網(wǎng)關WiFi接收端口為2599，與服務器以太網(wǎng)通信端口為1500。

分別使用read和write函數(shù)接收和發(fā)送數(shù)據(jù)，只要文件讀取不為空，就會循環(huán)發(fā)送，直到圖片文件讀取為空時，即整個文件已經(jīng)發(fā)送到服務器，用戶端可以通過JSP界面觀測到采集回來的數(shù)據(jù)。

圖像傳感器節(jié)點部分涉及到的3個模塊，可以創(chuàng)建線程分別進行管理。最后編寫成守護進程，獨立于前臺控制，以便添加更多的多媒體應用。

4 系統(tǒng)測試

系統(tǒng)測試基于實驗室的IPv6無線傳感器網(wǎng)絡平臺。以紅外傳感器節(jié)點作為普通節(jié)點為例，在房間檢測區(qū)域放置紅外傳感器節(jié)點，通過調節(jié)攝像頭的高度和角度拍攝需要的圖像，達到監(jiān)控入侵的目的。測試環(huán)境如圖8所示。

圖8 系統(tǒng)測試環(huán)境

地址配置情況如下:

紅外傳感器節(jié)點:3ffe:3240:8007:1004::1009

圖像傳感器節(jié)點:3ffe:3240:8007:1004::1112

網(wǎng)關:3ffe:3240:8007:1004::10

服務器:3ffe:3240:8007:1004::220

實驗結果:當發(fā)生入侵后，紅外傳感器由低電平轉為高電平，上升沿觸發(fā)紅外傳感器節(jié)點發(fā)送類型為3的數(shù)據(jù)報，圖像傳感器節(jié)點接收數(shù)據(jù)報判斷為紅外傳感數(shù)據(jù)后隨即做出反應，采集圖像，并發(fā)送給網(wǎng)關，網(wǎng)關判斷為圖像數(shù)據(jù)后決定轉發(fā)，最后圖像在服務器端得界面顯示。采集的圖片時間延時最長不超過1 s。而用戶在服務器端也可以馬上觀察到圖像信息，如圖9所示。

5 結 語

鑒于IPv6無線傳感器網(wǎng)絡的良好發(fā)展前景，本文提出了一種基于IPv6無線傳感器網(wǎng)絡的圖像監(jiān)控系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)。圖像是一種重要的信息，利用無線傳感器網(wǎng)絡獲取的圖像信息大大擴展了人類的視野范圍。圖像傳感器節(jié)點不僅可以單獨使用，也可以與其他類型的傳感器節(jié)點結合使用，擴展了傳感器網(wǎng)絡的應用范圍。另一方面，該系統(tǒng)受到環(huán)境條件的限制較小，同樣適用于一些不便于人力安裝和惡劣的環(huán)境中。在此系統(tǒng)研究的基礎上，后續(xù)將結合實際應用增添更多功能以適應于更多的場合。

圖9 服務器端顯示

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