CN102238758A - 一种无线多媒体宽带传感器网络节点装置及其运行方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种无线多媒体宽带传感器网络节点装置，包括处理器单元(1)、存储单元(2)、视频单元(3)、音频单元(4)、显示单元(5)、无线通信单元(6)、调试单元(7)以及电源单元(8)，视频单元(3)采集视频信号；音频单元(4)采集和播放音频信号；无线通信单元(6)用于发送和接收信号；调试单元(7)用于无线多媒体宽带传感器网络节点装置的程序调试；电源单元(8)为整个设备提供工作电压。本发明有效解决了传统无线传感器网络系统不能有效采集和传输音视频信号、处理能力较弱和带宽窄等问题，并且其投资成本低、性价比高、实时性好、安全可靠、使用和维护方便。

Description

一种无线多媒体宽带传感器网络节点装置及其运行方法

技术领域

本发明涉及一种无线多媒体宽带传感器网络节点装置及其运行方法，属于无线传感器网络技术领域，适用于工业装备和危险源及污染源监控、大型会议场馆监控、大型体育场馆监控、智能家居监控和畜禽规模设施养殖环境监控等的工业、农业、军事、交通、物流、水利、医疗、环境、家居、公益事业领域。

背景技术

随着通信技术、嵌入式计算技术和传感器技术的飞速发展和日益成熟，具有感知能力、计算能力和通信能力的微型传感器开始出现，并且引起了人们的极大关注。这种传感器网络能够协调地感知、采集和处理网络覆盖区域内的各种环境或监测对象信息，并发布给需要这些信息的用户。传感器网络将逻辑上的信息世界与真实的物理世界融合在一起，深刻地改变了人与自然的交互方式，可以广泛地应用于军事、工农业控制、生物医疗、环境监测等诸多领域。

从大量的文献报道来看，目前对无线传感器网络的研究主要从节点系统设计、通信协议、信息处理、节点部署、节点定位、时间同步、网络覆盖、网络安全等各个方面展开。研究的重点放在媒体访问协议(MAC协议)和路由协议等方面。研究的一个重要方面是在能量严重受限的微型节点上如何实现简单环境数据(如温度、湿度、振动、光强等)的采集、处理与传输，也取得了很多研究成果。其中的节点如国外典型的Smart dust，Mote，Telos，WeC，Renee，JN513x，国内典型的Gain Z，而基站包括MIB500，MIB510，MIB520，MIB600，Stargate，等等。在这些节点(包括传感节点、网关(节点)和汇聚节点(或称基站))中，最大的无线传输速率也只有250kb/s，根本谈不上可以以2Mb/s宽带速率(按现在的科技水平，1Mb/s以上的无线数据传输速率即为宽带)传输视频、图像和语音数据且无线传输距离可达900米的无线传感器网络节点了。而随着无线传感器网络及其传感网产业链的形成和发展，多媒体宽带无线传感器网络在诸如石油化工企业装备及危险源和污染源监控、大型会议场馆监控、大型体育场馆监控、智能家居监控和畜禽规模设施养殖环境监控的工业、农业、军事、交通、物流、水利、医疗、环境、家居、公益事业等诸多领域将迫切的需求和广泛的应用。人们迫切需要将信息量丰富的图像、音频、视频等多媒体信息引入到以传感器网络为基础的环境监测活动中来，实现细粒度、精准信息的环境监测。

因此，基于传统的无线传感器网络，研究一种新型的具有音频、图像、视频等多媒体信息获取、处理与传输功能的传感器网络就显得非常重要。在目前的国内外相关领域研究报道和检索中未见与本专利相同或类似的设计。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于针对传统无线传感器网络系统不能有效采集和传输音视频信号、处理能力较弱和带宽窄等问题，提供一种处理能力强的无线多媒体宽带传感器网络节点装置。

本发明的另一目的在于提供这种无线多媒体宽带传感器网络节点装置的运行方法。

技术方案：本发明所述的无线多媒体宽带传感器网络节点装置，包括处理器单元、存储单元、视频单元、音频单元、显示单元、无线通信单元、调试单元以及电源单元，视频单元采集视频信号；音频单元采集和播放音频信号；无线通信单元用于发送和接收信号；调试单元用于无线多媒体宽带传感器网络节点装置的程序调试；电源单元为整个设备提供工作电压。

处理器单元主要由处理器U1、复位芯片U2、启动设置开关S1组成，所述处理器U1是无线多媒体宽带传感器网络节点装置的控制、处理和分析中心；处理器U1采用arm11处理器S3C6410，处理器U1的最高主频可达800MHz、具有移动图象处理和显示控制及图像缩放的2D或3D硬件加速器(4M/s三角形生成率)、支持MPEG4/H.263/H.264实时编解码和VC1实时解码；所述复位芯片U2对装置进行复位处理，当按下启动设置开关S1时，复位芯片U2对装置进行复位；启动设置开关S1设置无线多媒体宽带传感器网络节点装置的启动方式。

存储单元用于存储数据，其由SD存储卡、SD卡槽及其外围电路组成。

所述视频单元由视频采集模块1^*和连接端口J2组成。

所述音频单元由音频播放模块2^*、音频采集模块3^*、连接端口J3和连接端口J4组成及其外围电路组成。

所述显示单元由LCD显示模块4^*和连接端口J5组成；LCD显示模块4^*通过连接端口J5与处理器U1相连。

所述无线通信单元6由无线通信芯片U3和天线接口J6组成，无线通信芯片U3与处理器U1通过同步串行通信接口SPI接口相连。无线通信单元的工作频段采用2.4GHz、数据通讯速率为125-2Mbps可选、最远通讯距离能够达到900米。

调试单元用于无线多媒体宽带传感器网络节点装置的程序调试，其由串行端口J7、JTAG口J8、MinUSB口J9及其外围电路组成。串口由串口芯片U4、串行端口J7及其外围电路组成；MinUSB端口由芯片U5、MinUSB口J9及其外围电路组成。无线多媒体宽带传感器网络节点装置通过串口J7将程序运行状况传送到PC机上，便于调试；MinUSB口J9将程序或者数据传送到无线多媒体宽带传感器网络节点装置上；PC机通过JTAG口J8对程序进行仿真调试。

电源单元为整个设备提供工作电压，其由电源管理芯片U6、电源管理芯片U7、钮扣电池及其外围电路组成。电源管理芯片U6将+5伏的电压转换成+3.3伏的电压，电源管理芯片U7将+5伏的电压转换成+2.5伏的电压。

无线多媒体宽带传感器网络节点装置的运行方法，包括如下步骤：

(1)装置通电后，处理器单元先完成初始化任务，对内部存储器和寄存器初始化，I/O端口初使化，应用程序组件初始化；

(2)处理器单元处理由同步串行通信接口SPI接口接收的数据包：

(2-1)如果收到数据包的地址是本节点装置的ID号，长度是CONTROL_SIZE且特定数据位数值为1，则是基站启动指令，此时准备启动视频单元、音频单元转入步骤(3)；

(2-2)如果收到数据包的地址不是本节点装置的ID号，返回步骤(2)；

(2-3)如果收到数据包的地址是本节点装置的ID号，长度是CONTROL_SIZE且特定数据位数值为0，则是基站停止指令，返回步骤(2)；

(3)处理器单元采集音视频信号，同时将采集到的音视频信号通过同步串行通信接口SPI接口发送到基站并将该信号进行本地存储：

(3-1)如果处理器单元收到由同步串行通信接口SPI接口传来的命令操作，返回步骤(2)；

(3-2)如果处理器单元收到本地播放指令，则同时启动显示单元(5)，音频单元(4)进行本地播放；

(3-3)如果处理器单元收到停止播放指令，则停止进行本地播放。

本发明与现有技术相比，其有益效果是：

1、无线多媒体宽带传感器网络节点装置按无线传感器网络分布性、实时性、网络化、自组织性、动态可重构性、扩展性、鲁棒性和环境适应性功能要求设计，既可传输和处理标量数据，又可传输和处理矢量数据(如视频、图像、语音等)，无线通信工作频段采用2.4GHz，数据通讯速率可达2Mbps，最远通讯距离能够达到900米，arm11处理器最高主频可达800MHz、具有移动图象处理和显示控制及图像缩放的2D或3D硬件加速器、支持MPEG4/H.263/H.264实时编解码和VC1实时解码；

2、本发明有效解决了传统无线传感器网络系统不能有效采集和传输音视频信号、处理能力较弱和带宽窄等问题，并且其投资成本低、性价比高、实时性好、安全可靠、使用和维护方便；

3、本发明集处理器单元、存储单元、视频单元、音频单元、显示单元、无线通信单元、调试单元和电源单元为一个整体，处理器单元是无线多媒体宽带传感器网络节点装置的控制、处理和分析中心，处理器单元中的处理器最高主频可达800MHz、具有移动图象处理和显示控制及图像缩放的2D或3D硬件加速器(4M/s三角形生成率)、支持MPEG4/H.263/H.264实时编解码和VC1实时解码；存储单元用于存储数据；视频单元采集视频信号；音频单元采集和播放音频信号；显示单元用于本地显示和播放视频图像信号；无线通信单元用于发送和接收信号；调试单元用于无线多媒体宽带传感器网络节点装置的程序调试；电源单元为整个设备提供工作电压，这样既极大提高了整个无线多媒体宽带传感器网络节点的实用性，也方便了维护；

4、本发明在无线通信单元中，无线通信芯片U3的工作频段采用2.4GHz，芯片的数据通讯速率可达2Mbps，最远通讯距离能够达到900米；

5、本发明在电源单元中，电源管理芯片U6将+5伏的电压转换成+3.3伏的电压，电源管理芯片U7将+5伏的电压转换成+2.5伏的电压；用一个电源单元提供多种直流电源电压，以满足应用要求；

6、本发明在设计中由于采用了实用性设计，在充分考虑到其装置在实际应用中适用性的同时，尽量减小其成本，注意到其牢固性，部署前焊牢，并注意焊接点的密封性，使得其装置在潮湿、灰尘等环境中都能正常工作，而不会发生腐蚀、线路短路或漏电故障等现象；

7、本发明由于采用的各元器件的工作温度范围大，使其装置可以在-20℃到+70℃正常工作，这样可使本发明适合于世界的绝大多数国家和地区；

8、本发明由于具有上面6)、7)中所述的特点，能够抵抗一般强度的高湿、高低温、风沙、撞击和腐蚀等，极大地增强了其装置在恶劣环境下的适应能力；

9、本发明在设计制作上将其装置与AC-DC转换供电电源板分开，并保证足够的物理距离，并且对无线收发模块上的无线收发芯片采用金属壳封装，AC-DC转换的直流稳压电源亦采用金属壳封装，这样既减少了电源板对无线收发模块的干扰，也增强了无线收发模块的抗干扰能力，从而提高了无线收发的性能；

10、本发明采用JTAG接口可以使终端对其装置进行调试和编程以及烧写程序；不仅能够控制执行设备，还可以检测执行设备的状态并发出通知，其功能有效并且可靠。

附图说明

图1是本发明无线多媒体宽带传感器网络节点装置总体框图。

图2是本发明无线多媒体宽带传感器网络节点装置处理器单元1原理图。

图3是本发明无线多媒体宽带传感器网络节点装置处理器单元1中的处理器U1功能框图。

图4是本发明无线多媒体宽带传感器网络节点装置存储单元2的SD卡槽及其外围电路原理图。

图5是本发明无线多媒体宽带传感器网络节点装置视频单元3的连接端口J2及其外围电路原理图。

图6是本发明无线多媒体宽带传感器网络节点装置音频单元4的连接端口J3、连接端口J4及其外围电路原理图。

图7是本发明无线多媒体宽带传感器网络节点装置显示单元5的连接端口J5及其外围电路原理图。

图8是本发明无线多媒体宽带传感器网络节点装置无线通信单元6原理图。

图9是本发明无线多媒体宽带传感器网络节点装置调试单元7原理图。

图10是本发明无线多媒体宽带传感器网络节点装置电源单元8原理图。

图11是本发明无线多媒体宽带传感器网络节点装置工作流程图。

具体实施方式

下面对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。

实施例：如图1所示，本发明无线多媒体宽带传感器网络节点装置，其包括处理器单元1、存储单元2、视频单元3、音频单元4、显示单元5、无线通信单元6、调试单元7和电源单元8。

如图2所示，处理器单元1由处理器U1及其外围电路组成。它采用C语言构建软件平台，并主要完成信号控制、数据转换、数据运算、协议通信、音视频处理和算法处理等。处理器U1采用arm11处理器S3C6410，它的正常工作温度范围为-40℃到+85℃；处理器U1最高主频可达800MHz、具有移动图象处理和显示控制及图像缩放的2D或3D硬件加速器、支持MPEG4/H.263/H.264实时编解码和VC1实时解码。

如图3所示，根据在本装置实现的功能，可将处理器U1分为：

1)同步串行通信接口SPI接口功能模块，其通过管脚“SPI_SSN、SPI1_MOSI、SPI1_SCK、SPI1_MISO”与无线通信单元6相连，用于缓存由无线通信单元6接收到的数据包以及将要发送的数据包。

2)处理器内核功能模块，它能够访问存储器、执行运算、控制外设以及处理中断。

3)音视频处理功能模块，用于处理音视频信号。

存储单元2主要用于存储数据和烧写uboot，其由SD存储卡、SD卡槽及其外围电路组成。SD存储卡可采用2G的金士顿SD存储卡或者2G的SanDISK SD存储卡。SD卡槽及其外围电路如图4所示，SD卡槽引脚“nCD、WP、DAT1、DAT0、VSS2、CLK、VDD、VSS1、CMD、DAT3、DAT2”分别与处理器U1的“SD1_CD、SD1_D1、SD1_D0、SD1_CLK、SD1_CMD、SD1_D3、SD1_D2”引脚相连。

视频单元3采集视频信号，其由视频采集模块1^*和连接端口J2组成。视频采集模块1^*通过连接端口J2与处理器U1相连。视频采集模块1^*为130W像素的CMOS摄像头模块OV9650，或300W像素的CMOS摄像头模块OV3640。连接端口J2及其外围电路如图5所示。

音频单元4采集和播放音频信号，其由音频播放模块2^*、音频采集模块3^*、连接端口J3、连接端口J4及其外围电路组成。音频播放模块2^*通过PJ327A接口连接端口J3与处理器U1的“ROUT、LOUT”引脚相连。连接端口J3可接高度2.5mm的耳机。音频播放模块2^*为高度2.5mm的耳机。音频采集模块3^*通过PJ327A接口连接端口J4与处理器U1的“MIC1”引脚相连。音频采集模块3^*为PJ327A接口的单声道或立体声麦克风。连接端口J3、连接端口J4及其外围电路如图6所示。

显示单元5由LCD显示模块4^*和连接端口J4及其外围电路组成；LCD显示模块4^*采用东华影像的WXCAT43-TG3#001_V1.2带Touch的LCD，其分辩率为480*272，支持24位的RGB。连接端口J4及其外围电路如图7所示，LCD通过连接端口J5与处理器U1相连。

如图8所示，无线通信单元6用于发送和接收信号，其由无线通信芯片U3和天线接口J6组成，无线通信芯片U3采用具有20dBm射频功率的nanoPAN5375，它的工作频段采用2.4GHz，芯片的数据通讯速率为125-2Mbps可选，最远通讯距离能够达到900米，正常工作温度范围为-40℃到+85℃。nanoPAN5375与处理器U1通过同步串行通信接口SPI接口相连。

如图9所示，调试单元7用于无线多媒体宽带传感器网络节点装置的程序调试，其由串行端口J7、JTAG口J8、MinUSB口J9及其外围电路组成。串口由串口芯片U4、串行端口J7及其外围电路组成，串口芯片U4采用MAX3232，串行端口J7采用公座的DB9接口；MAX3232的正常工作温度范围为-65℃到+150℃；JTAG口J8的引脚“3、5、7、9、11、13、15”分别与处理器U1的“XTRST、XTD1、XTMS、XYCK、XRTCK、XTDO、nRESET”引脚相连；MinUSB端口由芯片U5、MinUSB口J9及其外围电路组成，芯片U5采用场效应管FDC6331L，场效应管FDC6331L的正常工作温度范围为-55℃到+150℃，MinUSB口J9的引脚“D-、D+、ID”分别与处理器U1的“OTG_D-、OTG_D+、OTG_ID”引脚相连。无线多媒体宽带传感器网络节点装置通过串口J7将程序运行状况传送到PC机上，便于调试；MinUSB口J9将程序或者数据传送到无线多媒体宽带传感器网络节点装置上；PC机通过JTAG口J8对程序进行仿真调试。

如图10所示，电源单元8为整个设备提供工作电压，其由电源管理芯片U6、电源管理芯片U7、钮扣电池及其外围电路组成。电源管理芯片U6采用低功耗正向电压调节器SPX1117-3.3，它将+5伏的电压转换成+3.3伏的电压，电源管理芯片U7采用低功耗正向电压调节器SPX1117-2.5，它将+5伏的电压转换成+2.5伏的电压。SPX1117的正常工作温度范围为-40℃到+125℃。

根据本实施例所选用的芯片和连接方式，上述的无线多媒体宽带传感器网络节点装置的工作流程如图11所示，它包括：

步骤1处理器单元1完成初始化任务，包括内部存储器和寄存器初始化、I/O端口初使化、应用程序组件初始化(视频单元3、音频单元4、显示单元5和无线通信单元6)等。

步骤2处理器单元1处理由同步串行通信接口SPI接口接收的数据包。

1)如果收到数据包的地址是本节点装置的ID号，长度是CONTROL_SIZE(2)且特定数据位数值为1，则是基站启动指令。此时准备启动视频单元3、音频单元4转入步骤3。

2)如果收到数据包的地址不是本节点装置的ID号，返回步骤2。

3)如果收到数据包的地址是本节点装置的ID号，长度是CONTROL_SIZE(2)且特定数据位数值为0，则是基站停止指令。返回步骤2。

步骤3处理器单元1采集音视频信号，同时将采集到的音视频信号通过同步串行通信接口SPI接口发送到基站并将该信号进行本地存储。

1)如果处理器单元1收到由同步串行通信接口SPI接口传来的命令操作，返回步骤2。

2)如果处理器单元1收到本地播放指令，则同时启动显示单元5，音频单元4等进行本地播放。

3)如果处理器单元1收到停止播放指令，则停止进行本地播放。

如上所述，尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本发明，但其不得解释为对本发明自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上作出各种变化。

Claims (7)

1.一种无线多媒体宽带传感器网络节点装置，其特征在于：包括处理器单元(1)、存储单元(2)、视频单元(3)、音频单元(4)、显示单元(5)、无线通信单元(6)、调试单元(7)以及电源单元(8)，视频单元(3)采集视频信号；音频单元(4)采集和播放音频信号；无线通信单元(6)用于发送和接收信号；调试单元(7)用于无线多媒体宽带传感器网络节点装置的程序调试；电源单元(8)为整个设备提供工作电压。

2.根据权利要求1所述的无线多媒体宽带传感器网络节点装置，其特征在于：所述处理器单元(1)主要由处理器U1、复位芯片U2、启动设置开关S1组成，所述处理器U1是无线多媒体宽带传感器网络节点装置的控制、处理和分析中心；所述复位芯片U2对装置进行复位处理，当按下启动设置开关S1时，复位芯片U2对装置进行复位；启动设置开关S1设置无线多媒体宽带传感器网络节点装置的启动方式。

3.根据权利要求1所述的无线多媒体宽带传感器网络节点装置，其特征在于：所述视频单元(3)由视频采集模块(1^*)和连接端口(J2)组成。

4.根据权利要求1所述的无线多媒体宽带传感器网络节点装置，其特征在于：所述音频单元(4)由音频播放模块(2^*)、音频采集模块(3^*)、连接端口(J3)和连接端口(J4)组成。

5.根据权利要求2所述的无线多媒体宽带传感器网络节点装置，其特征在于：所述显示单元(5)由LCD显示模块(4^*)和连接端口(J5)组成；LCD显示模块(4^*)通过连接端口(J5)与处理器U1相连。

6.根据权利要求2所述的无线多媒体宽带传感器网络节点装置，其特征在于：所述无线通信单元(6)由无线通信芯片U3和天线接口J6组成，无线通信芯片U3与处理器U1通过同步串行通信接口SPI接口相连。

7.根据权利要求1～6中任一权利要求所述的无线多媒体宽带传感器网络节点装置的运行方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)装置通电后，处理器单元(1)先完成初始化任务，对内部存储器和寄存器初始化，I/O端口初使化，应用程序组件初始化；

(2)处理器单元(1)处理由同步串行通信接口SPI接口接收的数据包：

(2-1)如果收到数据包的地址是本节点装置的ID号，长度是CONTROL_SIZE且特定数据位数值为1，则是基站启动指令，此时准备启动视频单元(3)、音频单元(4)转入步骤(3)；

(2-2)如果收到数据包的地址不是本节点装置的ID号，返回步骤(2)；

(2-3)如果收到数据包的地址是本节点装置的ID号，长度是CONTROL_SIZE且特定数据位数值为0，则是基站停止指令，返回步骤(2)；

(3)处理器单元(1)采集音视频信号，同时将采集到的音视频信号通过同步串行通信接口SPI接口发送到基站并将该信号进行本地存储：

(3-1)如果处理器单元(1)收到由同步串行通信接口SPI接口传来的命令操作，返回步骤(2)；

(3-2)如果处理器单元(1)收到本地播放指令，则同时启动显示单元(5)，音频单元(4)进行本地播放；

(3-3)如果处理器单元(1)收到停止播放指令，则停止进行本地播放。

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