CN102404875B - 一种分布式智能无线图像传感器网络节点设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种分布式智能无线图像传感器网络节点设备，由红外监测模块、图像采集模块、存储器、ARM处理器、无线通信模块和电源模块构成。传感器节点设备通过红外监测模块检测监控区域中出现的目标入侵，并触发图像采集模块采集场景图像，继而利用ARM处理器对图像进行分析和处理，最后将处理结果通过无线方式传输到其它节点或网关节点。本发明采用了高性能的ARM处理芯片和分层感知方式，具有更强的智能处理能力和更低的功耗，可用于复杂环境的智能监控。

Description

一种分布式智能无线图像传感器网络节点设备

技术领域

本发明涉及无线传感器网络技术领域，尤其涉及一种基于高性能ARM处理器的智能无线图像传感器网络节点设备。

背景技术

近年来随着通信技术、嵌入式计算技术和传感器技术的飞速发展和日益成熟，以无线多媒体传感器网络为代表的新型网络技术已成为新一代无线传感器网络发展的主要方向和研究热点。与传统传感器网络相比，无线多媒体传感器网络能够获取监控区域的视频、图像、声音等复杂信息，具有更为强大的场景感知和分析能力，在军事、自然灾害搜救、生态环境监测、空间探测、智能楼宇、医疗监护等方面有着广泛的应用前景。

无线图像传感器网络作为无线多媒体传感器网络的一种，是由一组具有感知、计算和通信功能的图像传感器节点组成的分布式感知网络。无线图像传感器网络要求能够利用传感器节点获取监控区域的图像信息，并利用节点的处理能力对场景图像进行分布式处理，然后通过无线方式将处理结果传送到其它节点或网关节点。这一技术特点，为医疗监护、安全监控等应用提供了一个能够满足快速部署、自主运行需求的技术途径和解决方案。

目前已有的无线图像传感器网络节点设备，大多数并不具备对场景图像的智能分析和处理能力。当图像传感器获得场景图像后，传感器节点仅对图像进行简单编码(甚至不作处理)便直接由无线通信模块将图像信息发送到其它节点或远端接收机。由于图像信息的数据量巨大，直接进行图像数据传输时需要很大的通信带宽和功耗。一方面，无线传感器网络节点设备通常由电池供电，在功耗很大的情况下很难实现网络的长期无人值守运行；另一方面，无线传感器网络节点设备普遍采用Zigbee技术进行无线通信，其最大传输速率为250kbs，难以实时传输信息量巨大的图像信息。这种仅具备图像感知和数据传输功能的传感器节点设备很难满足目标识别、安全监控等领域对环境感知的实时性和长期性的要求，难以在实际问题中得到广泛应用。因此，需要开发一种低功耗、具有分布式处理能力、能够长期无人值守运行的智能无线图像传感器网络节点设备。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有分布式处理能力、低功耗的智能无线图像传感器网络节点设备。该节点设备能够感知进入监控区域中的目标，并采集场景图像，经过分布式处理后将处理结果以无线方式发送到其它节点或网关节点。

为实现上述发明目的，本发明所述的无线图像传感器网络节点设备由红外监测模块、图像采集模块、ARM处理器、存储器、无线通信模块和电源模块构成。红外监测模块由安装了菲涅尔透镜的热释电红外传感器组成，可检测监控区域的目标入侵；图像采集模块采用低功耗的CMOS图像传感器芯片，能够对场景图像进行采集；高性能的ARM处理器控制各硬件模块协调工作，并执行图像处理功能；存储器包括一片Nand Flash芯片和两片SDRAM芯片，为操作系统、主控程序、图像处理应用程序、数据等提供存储空间；无线通信模块采用内嵌8位微处理器的无线射频芯片，通过运行Zigbee通信协议栈进行数据传输；电源模块采用电池组为节点设备各个硬件模块供电。

本发明的ARM处理器通过地址总线、数据总线和控制总线与Nand Flash芯片和SDRAM芯片连接；ARM处理器通过CAMIF相机专用接口与图像采集模块连接；ARM处理器通过通用I/O管脚与红外监测模块的输出管脚连接；ARM处理器通过SPI串行接口与无线通信模块连接；上述各模块通过电源线和地线与电源模块连接。

本发明采用以下工作流程：

第一步：系统上电，启动电源使传感器节点设备各模块处于上电状态；

第二步：ARM处理器加载Linux操作系统，并自动运行主控程序，完成系统初始化；

第三步：主控程序对各个器件进行初始化设置；

第四步：红外监测模块检测监控区域内是否有目标入侵；

第五步：主控程序检测是否有红外监测模块的中断输入，若没有，则控制图像采集模块和无线通信模块进入休眠模式，ARM处理器进入IDLE模式，并等待红外监测模块的中断触发；

第六步：主控程序检测到红外监测模块的中断输入，唤醒图像采集模块，启动CMOS图像传感器对监控区域进行拍照，并把采集的图像信息传送到存储器；

第七步：主控程序调用图像处理应用程序对图像进行处理；

第八步：主控程序唤醒无线通信模块，将处理结果传输至其它节点或网关节点；

第九步：红外监测模块检测到目标离开监控区域，产生中断；

第十步：主控程序接收到中断信号，跳转到第四步重复上述操作。

本发明可以大量部署在户外或楼宇内，构成无线图像传感器网络。当监控区域内有目标入侵时，红外监测模块产生中断信号触发ARM处理器启动图像传感器对场景图像进行采集和处理，并将处理结果通过无线通信模块发送到其它节点或网关节点，网关节点再把处理结果传送到其它设备，从而实现对监控区域的实时、自主监控。

本发明的有益效果是：

1、功耗低：采用了功耗极低的热释电红外传感器结合低功耗CMOS图像传感器构成分层感知模式，工作时由热释电红外传感器负责监控区域的目标入侵监测，功耗较大的ARM处理器、图像传感器和无线通信模块大部分时间处于低功耗休眠模式，大幅降低了节点的平均功耗，延长了网络的使用寿命。

2、分布式处理：采用计算能力强大的ARM处理器作为主控芯片，真正实现了对场景图像的分布式实时处理。

3、可扩展性：加载运行裁剪的嵌入式Linux操作系统，通过编写应用程序可以实现多种功能，具有很强的适应能力。

附图说明

图1分布式智能无线图像传感器网络节点设备系统结构示意图

图2红外监测模块结构示意图

图3红外监测模块电路原理图

图4图像采集模块结构示意图

图5图像采集模块电路原理图

图6ARM与SDRAM芯片连接示意图

图7ARM与Nand Flash芯片连接示意图

图8无线通信模块电路原理图

图9ARM与无线通信模块连接示意图

图10ARM处理器与各模块连接示意图

图11节点设备各板块连接示意图

图12节点设备工作流程图

具体实施方式

以下结合附图，对本发明做进一步的详细描述。

如图1所示，本发明包括红外监测模块、图像采集模块、ARM处理器、存储器、无线通信模块和电源模块。

红外监测模块采用型号为“RE200B”的热释电红外传感器作为红外感应器件。为提高设备对目标红外辐射的采集能力，在红外传感器上安装了菲涅尔透镜，将目标发射的红外线汇聚于热释电红外传感器的探测面上。目标的红外辐射使热释电红外传感器产生弱电流，弱电流经过信号放大电路后作为ARM处理器的中断触发信号。上述信号放大电路采用BISS0001作为信号放大芯片，BISS0001的信号输出管脚“PIR_O”作为中断触发信号输出端口与ARM处理器连接，当“PIR_O”由低电平跳到高电平时，产生中断触发信号。BISS0001的“A”管脚可将触发方式设置为“可重复触发”和“不可重复触发”两种模式。当“A”为高电平时，触发模式为“可重复触发”模式，可持续检测监控区域内入侵目标的红外辐射；当“A”为低电平时，触发模式为“不可重复触发”模式，在红外触发后的延时时间内忽略其它的红外触发。红外监测模块的结构示意图和电路原理图分别如图2和图3所示。

图像采集模块采用Omni Vision公司型号为“OV9650”的高性能、低功耗CMOS图像采集芯片作为图像传感器。该芯片对低光照环境敏感性很强，支持SCGA、VGA、QVGA等模式，输出图像最大分辨率为1300×1028，带有自动曝光、增益控制、自动白平衡以及自动黑级校准等自动图像控制功能，还具有白像素消除和噪声消除等图像质量控制功能。CMOS图像采集芯片OV9650通过CAMIF接口与支持该接口的ARM处理器连接，ARM处理器提供时钟信号PCLK、场时钟信号VSYNC、行时钟信号HREF来控制图像数据输出，并通过IIC接口设置OV9650芯片寄存器的初始化参数、图像的输出窗口大小、图像帧频等。图像采集模块的结构示意图和电路原理图分别如图4和图5所示。

存储器模块包括一片Samsung公司型号为“K9F2G08UXA”的Nand Flash芯片和两片Eorex公司型号为EM48AM1684VTB的SDRAM芯片，为操作系统、主控程序、图像处理应用程序、数据等提供存储空间。SDRAM芯片EM48AM1684VTB数据位宽为16位，每片容量32MB，通过两片EM48AM1684VTB并接来实现32位的数据位宽和64MB的内存容量，图6给出了ARM处理器与SDRAM芯片的连接示意图。Nand Flash芯片K9F2G08UXA为操作系统、应用程序、图像数据提供了256MB的数据存储空间，图7给出了ARM处理器与Nand Flash芯片的连接示意图。

无线通信模块采用TI公司型号为“CC2430”的无线射频芯片。CC2430集成了高性能的2.4GHz DSSS(直接序列扩频)射频收发器核心与IEEE802.15.4/ZigBee协议。图8给出了无线通信模块的电路原理图。天线采用棒状的2.4G天线，电路使用巴伦电路(在图8中由L321、L331、L341、C341组成)，以达到最佳收发效果。无线通信模块通过4路SPI接口(SI，SO，SCLK和CSn)与ARM处理器进行通信。ARM处理器与CC2430通信时，ARM处理器作为主设备，CC2430作为从设备。图9给出了无线通信模块与ARM处理器的连接示意图。

ARM处理器是整个节点设备的控制模块，用于处理数据和协调其余各模块工作，图10给出了ARM处理器与其它各模块的连接示意图。ARM处理器采用Samsung公司型号为“S3C2440A”的32位微处理器。S3C2440A集成了ARM920T处理器内核，具有功耗低、计算速度高等特点。S3C2440A主频为400MHz(内核供电为1.3v)，最高可达到533MHz，在处理大量数据时比8位、16位等低速率微处理器具有更高的处理速度。S3C2440A提供了4种电源管理模式：NORMAL模式、SLOW模式、IDLE模式和SLEEP模式。NORMAL模式下，ARM核运行在峰值频率(400MHz)，所有的外围设备能够正常工作，此时能量消耗最大；SLOW模式下，由外部时钟直接作为S3C2440A的主频时钟FCLK，此时能源消耗仅依赖于外部时钟频率；IDLE模式下，时钟控制逻辑单元将ARM核的主频时钟FCLK断开，但仍然继续提供其它外围设备的时钟，因而IDLE模式减少了ARM核的能源消耗，同时任何中断请求都能将ARM核唤醒到NORMAL模式；SLEEP模式下，除了唤醒单元，ARM核和内部单元都被关闭，此时处理器处于最低功耗状态，外部中断和RTC中断可以唤醒S3C2440A到NORMAL模式。

本发明由传感器板、处理器板、无线通信板、电池组四个部分组成，如图11所示。其中传感器板包括图像采集模块和红外监测模块；处理器板包括ARM处理器与存储器，ARM处理器通过地址总线、数据总线和控制总线与存储器连接；无线通信板包括无线射频芯片CC2430、外围电路、天线匹配电路、数模滤波电路和天线；传感器板和无线通信板分别通过双排插针与处理器板连接；电池组采用四节1.5V电池直接为处理器板供电，处理器板通过双排插针的电源管脚给传感器板和无线通信板供电。

本发明在工作时的具体流程如图12所示：

系统上电后，ARM处理器S3C2440A首先加载嵌入式Linux操作系统。操作系统加载完毕后自动运行主控程序，主控程序对各器件进行初始化设置：对S3C2440A的GPIO管脚进行初始化设置；设置红外检测模块为可重复触发模式；通过IIC接口配置OV9650各寄存器，检测OV9650是否能够正常识别，并设置OV9650的拍照模式为Preview模式、图像分辨率为320×240；通过SPI接口向CC2430发送初始化命令，CC2430内嵌的8051单片机对CC2430各寄存器进行初始化配置，启动无线射频单元扫描并加入存在的ZigBee网络，配置完毕后向S3C2440A发回初始化完成消息。

初始化结束后，设备进入正常工作状态。主控程序先检查ARM处理器S3C2440A是否有中断输入，若没有，S3C2440A向CMOS图像传感器芯片OV9650的PWDN管脚输出高电平，使OV9650进入低功耗的StandBy模式。接着S3C2440A向CC2430发送休眠命令，CC2430进入休眠状态。最后S3C2440A进入IDLE模式，断开ARM核的时钟FCLK，但仍然继续提供其它外围设备的电平输出。

当红外监测模块检测到监控区域内有目标入侵时，RE200B感知目标的红外辐射并产生弱电流，弱电流经信号放大电路放大后，由信号处理芯片BISS0001的PIR_O管脚输出高电平，并作为中断触发信号输入ARM处理器S3C2440A的GPIO管脚。S3C2440A检测到中断后，将ARM核唤醒到NORMAL模式，然后向OV9650的PWDN管脚输出低电平，使OV9650进入工作模式。接着S3C2440A通过IIC接口配置OV9650相应寄存器，开始对监控区域进行场景图像捕获。完成场景图像捕获后OV9650发出一个帧同步信号CAMVSYNC，ARM处理器S3C2440A接收到此信号后通过CAMIF接口接收场景图像数据，并以ppm文件形式保存在Nand Flash芯片上。

主控程序调用图像处理应用子程序，对Nand Flash芯片上存储的场景图像进行分析处理。处理完毕后，ARM处理器S3C2440A向CC2430发送唤醒命令，CC2430从休眠模式进入正常工作模式。然后S3C2440A将处理结果通过SPI接口传输至CC2430，保存在内嵌8051单片机的RAM中，并启动无线射频单元将处理结果传输至其它节点或网关节点。

红外监测模块检测到目标离开监控区域后，BISS0001的PIR_O管脚从高电平跳回低电平。ARM处理器S3C2440A检测到电平变化后，控制各器件重新进入休眠模式并等待红外监测模块的下一次触发。

Claims (1)

1.一种分布式智能无线图像传感器网络节点设备，其特征在于，包括红外监测模块、图像

采集模块、ARM处理器、存储器、无线通信模块和电源模块，其中，

红外监测模块对监控区域进行持续不间断监测，检测到监控区域有目标入侵时产生中断触发信号，红外监测模块采用型号为“RE200B”的热释电红外传感器作为红外感应器件，为提高设备对目标红外辐射的采集能力，在红外传感器上安装了菲涅尔透镜，将目标发射的红外线汇聚于热释电红外传感器的探测面上，目标的红外辐射使热释电红外传感器产生弱电流，弱电流经过信号放大电路后作为ARM处理器的中断触发信号，上述信号放大电路采用BISS0001作为信号放大芯片，BISS0001的信号输出管脚“PIR_O”作为中断触发信号输出端口与ARM处理器连接，当“PIR_O”由低电平跳到高电平时，产生中断触发信号，BISS0001的“A”管脚可将触发方式设置为“可重复触发”和“不可重复触发”两种模式，当“A”为高电平时，触发模式为“可重复触发”模式，可持续检测监控区域内入侵目标的红外辐射；当“A”为低电平时，触发模式为“不可重复触发”模式，在红外触发后的延时时间内忽略其它的红外触发；

图像采集模块采用Omni Vision公司型号为“OV9650”的高性能、低功耗CMOS图像采集芯片作为图像传感器，该芯片对低光照环境敏感性很强，支持SCGA、VGA、QVGA模式，输出图像最大分辨率为1300×1028，带有自动曝光、增益控制、自动白平衡以及自动黑级校准功能，还具有白像素消除和噪声消除控制功能，CMOS图像采集芯片OV9650通过CAMIF接口与支持该接口的ARM处理器连接，ARM处理器提供时钟信号PCLK、场时钟信号VSYNC、行时钟信号HREF来控制图像数据输出，并通过IIC接口设置OV9650芯片寄存器的初始化参数、图像的输出窗口大小、图像帧频；

ARM处理器采用Samsung公司型号为“S3C2440A”的32位微处理器，S3C2440A集成了ARM920T处理器内核，功耗低、计算速度高，S3C2440A主频为400MHz，在处理大量数据时比8位、16位低速率微处理器具有更高的处理速度，S3C2440A提供了4种电源管理模式：NORMAL模式下，ARM核运行在峰值频率400MHz，所有的外围设备能够正常工作，此时能量消耗最大，SLOW模式下，由外部时钟直接作为S3C2440A的主频时钟FCLK，此时能源消耗仅依赖于外部时钟频率，IDLE模式下，时钟控制逻辑单元将ARM核的主频时钟FCLK断开，但仍然继续提供其它外围设备的时钟，因而IDLE模式减少了ARM核的能源消耗，同时任何中断请求都能将ARM核唤醒到NORMAL模式，SLEEP模式下，除了唤醒单元，ARM核和内部单元都被关闭，此时处理器处于最低功耗状态，外部中断和RTC中断可以唤醒S3C2440A到NORMAL模式，ARM处理器用于协调控制各硬件模块的工作，并对各模块采集或接收的数据进行处理；

存储器模块包括一片Samsung公司型号为“K9F2G08UXA”的Nand Flash芯片和两片Eorex公司型号为EM48AM1684VTB的SDRAM芯片，为操作系统、主控程序、图像处理应用程序、数据提供存储空间，SDRAM芯片EM48AM1684VTB数据位宽为16位，每片容量32MB，通过两片EM48AM1684VTB并接来实现32位的数据位宽和64MB的内存容量，NandFlash芯片K9F2G08UXA为操作系统、应用程序、图像数据提供了256MB的数据存储空间；

无线通信模块采用TI公司型号为“CC2430”的无线射频芯片，CC2430集成了高性能的2.4GHz DSSS(直接序列扩频)射频收发器核心与IEEE802.15.4/ZigBee协议，天线采用棒状的2.4G天线，电路使用巴伦电路，以达到最佳收发效果，无线通信模块通过4路SPI接口(SI，SO，SCLK和CSn)与ARM处理器进行通信，ARM处理器与CC2430通信时，ARM处理器作为主设备，CC2430作为从设备无线通信模块用于与其它传感器节点或网关节点进行通信；

电源模块为传感器节点设备其它各模块供电；

该分布式智能无线图像传感器网络节点设备采用以下工作方式：

第一步：系统上电，启动电源使传感器节点设备各模块处于上电状态；

第二步：ARM处理器S3C2440A首先加载嵌入式Linux操作系统，操作系统加载完毕后自动运行主控程序，主控程序对各器件进行初始化设置：对S3C2440A的GPIO管脚进行初始化设置，设置红外检测模块为可重复触发模式，通过IIC接口配置OV9650各寄存器，检测OV9650是否能够正常识别，并设置OV9650的拍照模式为Preview模式、图像分辨率为320×240，通过SPI接口向CC2430发送初始化命令，CC2430内嵌的8051单片机对CC2430各寄存器进行初始化配置，启动无线射频单元扫描并加入存在的ZigBee网络，配置完毕后向S3C2440A发回初始化完成消息；

第三步：主控程序对各个器件进行初始化设置，首先检查ARM处理器S3C2440A是否有中断输入，若没有，S3C2440A向CMOS图像传感器芯片OV9650的PWDN管脚输出高电平，使OV9650进入低功耗的StandBy模式，接着S3C2440A向CC2430发送休眠命令，CC2430进入休眠状态，最后S3C2440A进入IDLE模式，断开ARM核的时钟FCLK，但仍然继续提供其它外围设备的电平输出；

第四步：红外监测模块检测监控区域内是否有目标入侵；

第五步：主控程序检测是否有红外监测模块的中断输入，若没有，则控制图像采集模块和无线通信模块进入休眠模式，ARM处理器进入IDLE模式，并等待红外监测模块的中断触发；

第六步：主控程序检测到红外监测模块的中断输入，RE200B感知目标的红外辐射并产生弱电流，弱电流经信号放大电路放大后，由信号处理芯片BISS0001的PIR_O管脚输出高电平，并作为中断触发信号输入ARM处理器S3C2440A的GPIO管脚，S3C2440A检测到中断后，将ARM核唤醒到NORMAL模式，然后向OV9650的PWDN管脚输出低电平，使OV9650进入工作模式，接着S3C2440A通过IIC接口配置OV9650相应寄存器，开始对监控区域进行场景图像捕获，完成场景图像捕获后OV9650发出一个帧同步信号CAMVSYNC，ARM处理器S3C2440A接收到此信号后通过CAMIF接口接收场景图像数据，并以ppm文件形式保存在Nand Flash芯片上；

第七步：主控程序调用图像处理应用程序对图像进行处理；

第八步：主控程序唤醒无线通信模块，将处理结果传输至其它节点或网关节点；

第九步：红外监测模块检测到目标离开监控区域，产生中断；

第十步：主控程序接收到中断信号，跳转到第四步重复上述操作。