基于ZigBee的圖像傳輸系統設計與實現

李 達，謝真良，李坤明，陳詩華

（1湖北工業大學機械工程學院，湖北 武漢430068；2湖北省農業機械研究設計院，湖北 武漢430068）

目前已經有不少無線傳感器網絡的應用實例，但其應用僅局限于溫度、濕度、光照等少量物理數據信息的獲取和傳遞。隨著技術的發展，人們已經無法滿足從環境中獲取簡單的信息，渴望獲得圖像等更加感性和豐富的信息。在此大背景下，無線多媒體傳感器網絡（Wireless Multimedia Sensor Net-Work）也就應運而生［1］。相比傳統無線傳感器網絡而言，無線多媒體傳感器網絡更多地關注復雜多樣的信息（尤其是視頻圖像等大量數據信息）的采集和處理，利用壓縮、識別、融合和重建等多種技術處理采集到的圖像信息，實現比傳統傳感器更全面的監控。ZigBee技術具有低成本、低功耗和自組網能力強等優點，但是ZigBee無線網絡數據傳輸速率較低，不適合傳輸有大量數據的圖像信息。本文就ZigBee技術實現圖像信息傳輸開展研究。

1 圖像采集傳輸系統總體方案

基于ZigBee技術圖像采集傳輸系統是由圖像采集節點、路由節點、協調器節點以及上位機等組成，其中圖像采集節點端的數據量大，數據處理復雜。本文提出該節點采用S3C2440ARM微處理器，USB攝像頭和CC2430ZigBee模塊相連，并采用WinCE［2］作為節點的操作系統。該節點具有體積小、功能強大等優點，便于采用合理的圖像壓縮方法，減少圖像傳輸數據量，以實現圖像數據傳輸。與主機相連的CC2530ZigBee模塊作為協調器，主要完成網絡組建、控制終端節點加入、接收路由節點和終端節點發送過來的數據，當接收到數據后，通過串口輸出到PC機。由于圖像數據量大，一次傳輸圖像數據比分組多次傳輸圖像丟失數據包概率大，而且長時間占用信道會造成阻塞，影響WSN其他信息的傳輸。而且單節點頻繁發送大數據量圖像信息也會大大消耗節點能量，甚至造成節點死機，降低網絡通信質量。為了使整個WSN負載均衡，避免單條路徑上節點能量集中消耗，本文結合圖像傳輸的特點，提出將采集的圖像經壓縮處理并分塊，采用多信道多路徑傳輸體系，經多串口、多線程［3］以達到數據高速傳輸，從而獲得良好圖像。系統總體框架結構如圖1所示。

圖1 系統總體框架圖

2 圖像采集節點設計

2.1 圖像采集節點硬件設計

圖像采集節點硬件主要包括S3C2440ARM微處理器、USB攝像頭和多個支持ZigBee協議的CC2430模塊組成，其硬件原理如圖2所示。

2.2 圖像采集節點端程序設計

2.2.1 圖像采集驅動程序設計 使用USB接口攝像頭采集圖像。由于S3C2440下USB設備驅動開發只提供一些底層支持，尚未提供WinCE下USB攝像頭驅動，因此需進行USB攝像頭驅動開發。

流式驅動［4］是 WinCE驅動程序的一種常規方式，應用程序通過文件系統，透過設備管理器以訪問文件的形式訪問驅動程序，調用IOCTL向驅動程序下達指令，從而訪問驅動程序及操作硬件。所有的流式驅動程序都需實現一組統一的接口。流式驅動框架如圖3所示。

圖2 圖像采集節點硬件原理圖

圖3 流式接口驅動框架

USB攝像頭驅動函數編寫，通過添加CAM＿Close，CAM＿Deinit，CAM＿Init，CAM＿IOControl，CAM＿Open，CAM＿PowerDown，CAM＿PowerUp，CAM＿Read，CAM＿Seek及CAM＿Write函數實現對USB攝像頭的操作。

由于ZigBee數據速率比較低，在2.4GHz的頻段只有250Kb/s，而且這只是鏈路上的速率，除掉信道競爭應答和重傳等消耗，真正能被利用的速率可能不足100Kb/s，并且余下的速率可能要被鄰近多個節點和同一個節點的多個應用所瓜分［2］。在不適合做圖像傳輸情況下，本文通過對圖像進行MJPEG圖像壓縮，最大程度減小了圖像的體積，以便于圖像傳輸。開發軟件平臺為EVC＋＋，核心代碼如下:

f＝ DeviceIoControl（CAMdriver，IOCTL＿CAMERA＿DEVICE＿GETSTILLIMAGE，＆vf，

sizeof （VIDFORMATSTRUCT）， ＊ ppData，dwBuff，＆dwBytes，NULL）；

∥ 打開驅動調用獲取圖像

HANDLE hFile ＝ CreateFile （lpszName，GENERIC＿WRITE｜GENERIC＿READ，0，NULL，CREATE＿ALWAYS，0，NULL）；

WriteFile （hFile，bHdr，sizeof （bHdr）， ＆dwBytes，NULL）；∥ 為文件寫入DHT顏色段

WriteFile（hFile，MJPGDHTSeg，sizeof（MJPGDHTSeg），＆dwBytes，NULL）；

∥從圖像中移走AVI頭

2.2.2 ZigBee圖像傳輸程序設計 本文提出多串口多線程通信實現圖像信息傳輸。根據S3C2440擴展多個串口，在主線程里面完成串口初始化，并通過串口發送圖像基本信息，新建3個子線程以查詢方式接收數據，并按照圖像數據協議回發圖像數據。

本文無線模塊協采用TI公司的Z-Stack［5］協議棧，支持ZigBee2006與ZigBee2007協議混合通信，其實現方式為修改2006協議棧里面的安全模式、通信信道和PANID等3個位置，和ZigBee2007保持一致就能解決混合節點通信的問題。在2006f8wConfig.cfg中修改為:

－DZDAPP＿CONFIG＿PAN＿ID＝0x00FF；∥網絡標識符

－DDEFAULT＿CHANLIST＝0x00008000；∥修改通信信道

－DSECURE＝0∥使安全性為0；

由于ZigBee傳輸能力有限，當采集到視頻圖像后將圖像分塊并編號，按照相應的數據傳輸協議進行多路徑高速傳輸。第一次發送圖像數據時，發送圖像整體大小、子節點信息（表1）。圖像傳輸節點根據接收上位機數據指令發送下一塊數據和相應的編號，循環流式發送圖像，圖像采集節點與協調器節點通信流程如圖4和圖5所示。

由于ZigBee在物理層傳輸的每幀數據最大為127個字節［6］，且其中還包括應用層、網絡層、MAC層、物理層的幀頭以及校驗位，因此實際傳輸數據時，每幀數據只有約90個字節，本文則采用80個字節。由于幀頭要有兩個字節做應答以確定幀的類型，因此，每幀傳輸的有效數據為78位。當兩個設備建立聯系并初始化串口后，設備將開始從串口讀取數據并將數據存入緩沖區中，當數據達到80個字節或者是發送圖像數據最后剩余字節時，將數據發送到消息隊列，然后通過消息發送機制將這幀數據發送到指定的設備，并將緩沖區尾指針指向區頭。為了避免發送相同圖像信息占用寶貴帶寬，先發送圖像幀描述信息，然后再發送圖像數據信息，其數據包結構分別如表1和2所示。

圖4 協調器接收端

圖5 圖像采集端

Typedef struct ImageData

｛ unsigned short Image＿number；∥圖像編號

unsigned char Image＿data［78］；∥圖像數據

｝Image＿Block

表1 圖像幀描述數據包結構

表2 圖像數據包結構

圖像采集節點通過多串口連接多個無線模塊協作發送分塊圖像數據包。當上位機接收到的圖像信息小于圖像整體大小，或收到數據信息有錯誤，就回發圖像數據結構體中應答編號給相應串口以請求重新發送該組數據，如果沒有錯誤就繼續發送下一組圖像數據，直到完全接收圖片信息。當上位機接收到全部圖像信息，發送圖像接收完成確認應答給圖像采集端，并請求發送下一幀圖像數據。圖像采集節點發送數據代碼如下:

static void rxCB （uint8port，uint8event）

｛

HalUARTRead（0，uartbuf，80）； ∥ZigBee讀串口數據

形制的新發展主要體現在：蓋、碗組合基礎上，碗托加入，形成固定的三件結構。功能同從古至今的盞托作用一樣，故使得三件式蓋碗相比兩件式蓋碗，更添了防燙便于端拿，茶湯溢出有所承接的優勢。

osal＿set＿event（GenericApp＿TaskID，SEND＿DATA＿EVENT）；

∥發送端ZigBee對應程序當有數據的時候設置事件

｝

if（events＆SEND＿DATA＿EVENT）

｛

afAddrType＿t my＿DstAddr； ∥節點信息結構體

my＿DstAddr.addrMode＝（afAddrMode＿t）Addr16Bit；∥單播方式發送數據

my＿DstAddr.endPoint＝GENERICAPP＿ENDPOINT；∥節點為終端節點

my＿DstAddr.addr.shortAddr＝0x0000；∥協調器網絡地址AF＿DataRequest（＆my＿DstAddr，＆GenericApp＿epDesc，GENERICAPP＿CLUSTERID，

80，uartbuf，＆GenericApp＿TransID，AF＿DISCV＿ROUTE，AF＿DEFAULT＿RADIUS）；

∥節點信息數據發送函數

return（events＾SEND＿DATA＿EVENT）；∥事件異或，將處理完事件清除

｝

CC2430模塊通過串口每次接收由ARM板發送的80個字節，并加上節點其他信息，將這些字節以單播的方式發送給網絡地址為0x0000的協調器節點。當發送節點接收到協調器返回來編號指令后，接著發送下一塊圖像數據，直至整幅圖像數據發送完畢。

3 上位機測試程序設計

當協調器發送圖像請求指令給圖像采集終端節點后，終端節點將該節點類型、網絡地址、父節點信息以及傳感器采集到的圖像信息打包，通過無線傳感器網絡傳給上位機，采用VC＋＋的MFC繪制節點網絡拓撲圖并將獲得的圖像數據塊數據融合后顯示在PC機的界面上。

由于圖像數據量大，需要分塊傳輸，為了提高傳輸穩定性，獲得完整圖像，需要在PC端制訂好數據接收、確認和重傳機制協議。由于確認幀ACK在WSN中代價過高，傳統的TCP/UDP協議無法滿足圖像傳輸。為此，本文結合TCP和UDP傳輸協議，在保證傳輸可靠性的同時也避免浪費帶寬，提出了適合WSN圖像傳輸協議。上位機接收到圖像描述信息后，給全局變量動態申請內存，通過多串口接收圖像數據，當接收到圖像數據錯誤時，對該圖像數據塊進行處理并發送該數據塊編號到終端節點，請求該數據重傳。當接收數據正確則提取數據填充到全局變量數組中。

PC機通過多串口接收多個協調器數據，在MFC中引入Mscomm控件，初始化多個串口。當對應串口中達到80個字節，則通過串口事件消息處理函數解析數據包，提取信息；當收到結束標志位時即獲得完整的數據塊，將接收到數據塊融合成圖片，在界面上顯示。對于非圖像數據信息，采用 MSFlexGrid控件實時顯示傳感器采集數據信息，通過ADO對Access2003數據庫操作，以保存信息。通過圖像采集信息表和節點狀態信息表，能將圖像信息和節點狀態信息保存在PC硬盤中，便于之后的研究分析，圖像采集界面如圖6所示。

圖6 PC端圖像采集界面

4 系統性能分析

采用單串口傳輸，從圖像采集節點傳輸一張分辨率為160×120，3747字節圖像，每次傳輸數據塊設置為80字節，ZigBee理論傳輸速率為250Kb/s，則完成一次完整圖像傳輸理論最短時間為:2×（48×80＋5）×8/115200＋（48×118＋43）×8/250000＝0.7166s。

當采用本文提出的多串口協作并行通信傳輸，傳輸時間理論上應大幅減少。在此搭建實驗平臺，兩個ZigBee串口終端作為圖像傳輸節點，兩個Zig－Bee節點作為匯聚節點與PC交互，無路由節點。設置串口與ZigBee連接端波特率為115200bps，每次傳輸數據塊為80字節，通過實驗做50次傳輸，統計接收圖像成功次數以及每次圖像傳輸時間。結果成功接收48張，失效2張，接收成功率為96%，傳輸的50張圖像，平均每張1.156s。雖理論上每張圖像最短傳輸時間為0.3583s，因為圖像是多串口分組并行傳輸，在單核處理器中，并行傳輸在實際運行過程中還是串行執行的，而且圖像采集節點連續向協調器傳輸大量數據會造成信道擁塞，可靠信差，為了獲得完整可靠的圖像建立的反饋、重發機制也占用了一定時間。造成傳輸失效的主要原因是Zig－Bee網絡不穩定，以及傳輸過程的擁塞。

5 結論

本文構建了基于WinCE系統下ZigBee的無線傳感器網絡的圖像傳輸平臺，在此平臺下實現了圖像采集、傳輸、存儲、顯示。通過設計硬件節點及其軟件，與常規的無線傳感器網絡的數據傳輸方式相比，性能有所提高，但傳輸效率仍較低，其性能還有待進一步完善。

［1］ 劉 磊.基于無線傳感器網絡的視頻傳輸技術研究［D］.北京:華北電力大學，2012.

［2］ Muench C.The windows ce technology tutorial:solutions for the developer［M］.北京:中國電力出版社，2001.

［3］ 李 勇.一個多串口多線程數據采集系統軟件的設計與實現［J］.微計算機信息，2006（16）:152-154.

［4］ 周立功.ARM＆WinCE實驗與實踐—基于S3C2410［M］.北京:北京航空航天大學出版社 ，2007.

［5］ 王小強，歐陽駿，黃寧淋.無線傳感器網絡設計與實現［M］.北京:化學工業出版社，2012.

［6］ ZigBee Alliance.EEE 802.15.4－2003Wireless Medium Access Control（MAC）and Physical Layer（PHY）Specifications for Low Rate Wireless Personal Area Networks［S］.2003.