面向環境監測的定向感知無線多媒體傳感器網絡設計

吳蓬勃， 王賀珍， 張志平

(石家莊郵電職業技術學院， 電信工程系， 石家莊 050021)

0 引 言

無線傳感器網絡(Wireless Sensor Network, WSN)深刻地改變了人類與自然的交互方式[1-3]，并廣泛應用于軍事、工業、醫療、環境監測等諸多領域[4,5]。隨著人們對物理世界認識的加深和環境日趨復雜，傳統WSN節點所獲取的簡單數據已經無法滿足人們實現全面環境監測的需求，迫切需要將圖像、音頻等媒體信息引入到無線傳感器網絡中來，實現更精準、細微的監測，無線多媒體傳感器網絡(Wireless Multimedia Sensor Networks，WMSN)由此應運而生[6]。

相對WSN而言，多媒體信息的引入使WMSN的數據處理速度、網絡存儲容量、網絡傳輸、能量供應等方面顯著增強，可完成傳統WSN無法實現的復雜任務[7-8]，滿足人們對環境監測的多樣化需求。基于ZigBee網絡，將串口攝像頭模塊采集的圖像數據通過ZigBee節點發送到協調器，協調器再通過串口上傳到PC機[9]。經實驗研究證實，節點電量大小、圖像傳輸距離、圖像數據多跳數量都會影響圖像的傳輸質量[9]；由于其在整個過程中均采用串口進行數據傳輸，使得其傳輸的單幀圖像分辨率較低。文獻[9]的研究結果也證實了，基于ZigBee網絡進行非壓縮圖像的傳輸是不可靠、不實用的。文獻[10-11]中對無線傳感器網絡中的圖像壓縮技術進行了深入的研究，經其證實，無線多媒體圖像感知節點的能量消耗中，圖像壓縮所占比例最高[11]。因此,提出的多點協同分布式圖像壓縮算法，基于多媒體圖像感知節點的多個鄰節點，實現分布式圖像壓縮，經過仿真實驗證實，確實可以平衡網絡節點的能耗，延長網絡生命周期[10-11]。但該分布式圖像壓縮算法要求圖像采集節點必須有足夠的鄰節點，而且距離要近。然而，實際的工作環境往往千變萬化，圖像節點附近不一定有足夠的節點來實現分布式編碼，而且這些節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絡節點，為了保證低功耗、低成本，普遍計算能力較弱.文獻[12]中為降低系統功耗、滿足圖像采集需要，專門設計的無線圖像采集專用MSENS SoC采用了8051內核[12]。

綜上，現有的ZigBee網絡不適合實現多媒體信息的可靠有效傳輸。而WiFi(802.11)擁有很高的網絡吞吐能力，可以提供高品質的視頻圖像質量和較好的通信實時性；但其組網能力低，擴展空間受限，不易實現大范圍的信號覆蓋。其特性正好與ZigBee網絡的“自組織網絡結構、覆蓋范圍廣、功耗低、網絡帶寬有限”的特性相互補。

因此，本系統基于WiFi和ZigBee協議，設計了可連接WiFi和ZigBee網絡的多媒體感知節點和可連接ZigBee網絡的普通感知節點，構建基于混合通信協議的WMSN進行環境監測。另外，傳統多媒體感知節點多為固定方位感知，無法對熱點區域進行動態感知。為此，本文設計了一種多媒體感知節點與普通節點聯動機制，當某個普通感知節點區域出現異常情況時，多媒體感知節點可自動調整感知方向，從而對異常區域現場環境實現更加豐富的感知。

1 WMSN系統整體方案

WMSN系統框架如圖1所示?；谝蕴W、無線路由器、無線網橋，在需進行環境監測的骨干網絡區域構建WiFi覆蓋。同時，在監測區域構建ZigBee無線傳感網，實現對溫度、濕度等標量數據的采集。然后，根據環境監測需要，選擇部分ZigBee網絡中能量供應充足的路由器和協調器，增加圖像、語音采集功能，其所采集的多媒體數據和附近普通感知節點上傳的標量數據，一起經過WiFi網絡上傳到服務器。對多媒體數據是否開啟采集，以及采集的頻率，可由服務器設置，也可設置為由普通感知節點觸發，在實現關鍵信息采集的同時，降低網絡數據傳輸負擔、降低系統功耗。

圖1 WMSN系統架構圖

2 WMSN節點硬件設計

WMSN系統的節點主要包括兩種：基于ZigBee網絡的普通無線感知節點、基于WiFi+ZigBee網絡的多媒體無線感知節點。

2.1 普通無線感知節點

普通無線感知節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)信息指環境溫度、濕度、煙霧、人體探測值等點式數據信息，此種信息數據量小、數據傳輸速率低[13]。所以，更適合采用傳統的WSN網絡實現。

本系統中采用CC2530+Sensor的方案實現標量數據的采集。其中，對需要多媒體節點進行定向監測的普通感知節點，需要安裝GPS模塊。當普通感知節點檢測到異常時，通過ZigBee網絡傳送自身GPS經緯度到附近多媒體感知節點，多媒體感知節點調整云臺狀態，實現對異常區域的多媒體信息采集。

2.2 多媒體無線感知節點

多媒體無線感知節點結構，如圖2所示。該節點主要包括：由CMOS Camera MT9D111、語音采集與播放模塊、WiFi MCU CC3200 構成的多媒體信息采集與傳輸部分；由ZigBee MCU CC2530構成的無線傳感器網絡數據采集傳輸部分；由GPS模塊、6軸姿態傳感器MPU6050、舵機構成的定向感知控制部分；由電源管理單元、可充電電池、太陽能板構成的系統電源保障部分。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公司面向物聯網應用推出的一款無線MCU，其內部集成了WiFi網絡處理器和運行頻率為80 MHz的Cortex-M4內核，并具有快速并行攝像頭接口、音頻I2S、UART等多種外設[14]。CC3200支持基站STA、訪問點AP和WiFi直連模式，內置TCP/IP、HTTP等多種網絡協議[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。在本系統中，CC3200主要實現圖像、音頻數據采集與播放和WiFi數據傳輸的功能。

圖2 多媒體無線感知節點

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據。CC3200通過并行攝像頭接口與MT9D111連接，實現圖像快速采集。其電路原理圖如圖4所示。

音頻采集與播放部分，通過采用內嵌可編程 miniDSP 的超低功耗立體聲音頻編解碼器TLV320AIC3254實現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系統軟件設計

WMSN系統軟件部分，主要包括：普通感知節點、多媒體感知節點和服務器端的軟件設計。普通感知節點為傳統標量數據采集，在此不再熬述。本部分重點對多媒體感知節點和服務器端管理軟件部分進行詳細介紹。

圖4 多媒體感知節點——圖像采集電路圖

3.1 多媒體感知節點軟件設計

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，啟動網絡服務，連接到路由器，與服務器創建TCP連接。

(4) 當捕獲到一幀圖像后，為其創建JFIF格式JPEG頭。CC3200基于TCP連接將JPEG格式的圖像發送到服務器。同時CC3200通過串口接收ZigBee網絡的傳感器數據，將這些數據打包后發送到服務器。

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建環形緩沖區，用于臨時存儲語音數據。然后，通過I2C接口對音頻編解碼芯片TLV320AIC3254進行參數配置，其中包括：設置立體聲、16位、16 kHz采樣率、設置錄音和放音音量等參數的配置。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接口與環形緩沖區之間的連接。由于語音采集播放涉及到了多個實時的任務，所以此部分使用了TI的實時操作系統TI-RTOS，共計創建了網絡連接、語音播放、語音采集等3個任務，主要實現：啟動網絡服務并連接到路由器、與服務器創建UDP連接、接收UDP數據進行語音播放、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定向感知功能設計

本部分主要實現多媒體感知節點對附近異常告警節點的動態定向監測。當多媒體節點附近有節點出現異常告警時，異常節點會向多媒體節點發送告警信息和自身GPS經緯度。多媒體節點通過6軸姿態傳感器MPU6050獲取自身方位角，通過將自身GPS經緯度與異常節點GPS經緯度的對比，判定云臺應該旋轉的角度，控制舵機動作，使得多媒體節點能夠采集到異常節點的圖像信息，從而實現對異常區域的動態定向感知。

在此需要說明，GPS經緯度對應的是地理坐標，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備的磁場干擾，出現較大誤差，而且各地的地磁偏角又有所不同，這些都可能導致系統可靠性降低。所以本系統選擇了姿態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的坐標系轉化為東-北-天坐標系，以便與GPS經緯度坐標系一致。

現建立坐標系，如圖8所示，中間灰色矩形為多媒體感知節點盒子，盒子中間安裝有姿態傳感器，盒子右側的箭頭為攝像頭安裝位置，灰色扇形區域為攝像頭視覺區域，盒子豎向中心線與北緯緯度重合，橫向中心線與東經經度線重合。由于進行舵機旋轉角度運算的是具有8051內核的CC2530，進行三角函數運算會增加系統負擔。所以，本系統結合攝像頭視域為扇形的特點，將盒子周圍360°區域分成8個區域，每個區域為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到異常節點所在區域即可采集到圖像信息。

圖8 圖像采集區域劃分(盒子與N緯度軸重合)

以盒子上面的GPS模塊經緯度為原點，通過異常節點GPS經緯度與盒子自身GPS經緯度差值作為位置區域判斷依據。計算攝像頭當前所在區域和目標區域的夾角，即可得到舵機云臺需要旋轉的角度。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角度時，需將夾角NA考慮進去。

圖9 圖像采集區域劃分 (盒子從N緯度軸逆時針旋轉NA角)

由于于舵機旋轉角度限制(最大270°)，攝像頭的觀察范圍存在約45°的視覺盲區，此問題可通過選擇360°的舵機得到解決。但考慮到實際環境監測中，多媒體節點一般固定安裝在建筑物或植物上，節點后側45°區域是被遮擋的區域，所以本系統仍然采用了270°舵機。

3.2 服務端管理軟件設計

為增加移動性，本系統的服務端管理軟件基于Android系統，在PAD上運行。PAD與多媒體感知節點通過路由器建立WiFi連接；基于TCP協議實現圖像傳輸和顯示；基于UDP協議實現語音采集傳輸和播放；同時基于TCP協議實現ZigBee網絡數據的接收和顯示。此外，還可設置報警閾值和多傳感器數據組觸發報警等。

4 測試驗證

4.1 系統樣機試制

根據系統的設計方案，進行了樣機試制。圖10是系統樣機實物圖，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點、ZigBee煙霧感知節點、ZigBee人體感知節點、ZigBee溫濕度感知節點和PAD端管理軟件。

圖10 系統樣機實物圖

4.2 系統測試

為測試系統各項功能，本系統在校園內進行了環境監測實驗。圖11所示為系統測試場景，測試區域為教學樓與學生公寓之間的區域，在教學樓東門口附近放置多媒體感知節點、在學生宿舍前面街道分別放置：煙霧感知節點、溫濕度感知節點和人體感知節點。

圖12分別是煙霧感知節點告警、人體感知節點告警時，多媒體節點通過WiFi傳送到PAD端管理軟件的圖像和數據信息截屏，可知系統實現了各傳感器節點的數據采集和顯示、實現了對異常區域定向圖像采集的目的。

(a) 煙霧(b) 人體

圖12 感知節點告警

5 結 語

針對環境監測中進行細粒度、重點區域監測的實際需要，設計開發了一種基于無線多媒體傳感器網絡的環境監測系統。設計了普通ZigBee無線感知節點，實現普通標量數據的感知和傳輸?；赯igBee和WiFi設計了多媒體感知節點，在實現標量數據傳輸的同時，實現了環境圖像、語音數據采集；同時添加了舵機云臺、姿態感知和GPS定位系統，實現了對于異常區域的圖像、語音數據采集。試驗證明，本系統實現了對環境的細粒度感知和異常區域定向監測，具有很好的實用價值。