CN102546338A - 基于can总线的多媒体智能传感器网络系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于CAN总线的多媒体智能传感器网络系统及方法。网络中的多媒体智能传感器具有音视频监控、温湿度采集和数据智能分析的作用，利用CAN总线把智能传感器网络节点以及上位机连接为子网络系统，并进一步用以太网方式将各个上位机与监控中心的服务器组网从而构成总体的智能网络系统，能有效满足节点分布广而分散分布式采集和实时监控的需求。每个智能节点都由电源模块、数据采集模块、数据处理模块和网络接口模块组成，实现方法上按数据通信协议和相关流程实现状态参数设置和查询、温湿度监控、音视频采集编码传输、视频智能分析的功能。以低成本、低功耗、小型化、高效化的智能节点构建一个功能全而成本低廉的多媒体智能传感器网络。
Description
技术领域
本发明涉及多媒体智能传感器网络系统，特别涉及一种基于CAN总线的多媒体智能传感器网络系统及方法。
背景技术
网络技术的发展使得远程监控和数据采集得到了普及。而智能传感器通常以微处理器为核心，通过传感器能够实现对输入信号进行检测，根据输入信号数值并进行判断和制定决策；通过软件控制设置和实现不同的功能；并通过标准输入输出接口与上位机进行信息交换。智能传感器网络使传感器由单一功能和单一检测发展为多功能和多点检测；从被动检测发展为主动进行信息处理；从就地测量发展为远程实时在线测控。网络化使得传感器可以就近接入网络，传感器与测控设备间再无需点对点连接，大大简化了连接线路，易于系统的维护和扩充。
如今的智能传感器大多以采集文本格式数据为主，如温度、湿度、光照强度、电磁辐射强度、烟雾浓度等等。随着多媒体技术的迅猛发展，视频监控技术在工农业、电力、交通、安防等领域的应用越来越广泛。嵌入式集成音视频监控系统具有很大的发展潜力，以嵌入式处理器为中心，对获取的音视频进行有效编码和传输。结合音视频采集和其它传感器数据采集为一体的智能传感器，更能有效反映出现场环境的真实情况。
目前，对多媒体数据的传输主要以以太网为传输方式。但是用以太网建立较多节点的传感器网络，以太网的CSMA /CD协议无法保证数据传输的实时性要求，其采用超时重发机制，单点的故障容易扩散，造成整个传感器网络系统的瘫痪，对某些恶劣的工业环境的适应能力较差。并且，针对一些传感器节点分布范围较广较分散的场景，布设以太网所需成本较高，节点接入网络不方便。而针对一些无需连续地频繁地采集视频数据并进行大量数据传输的场合，以太网的网速优势并不能完全发挥出来。
发明内容
本发明的目的是克服已有技术的不足，提出基于CAN总线的多媒体智能传感器网络系统及方法。
基于CAN总线的多媒体智能传感器网络系统是：多个上位机通过以太网适配卡与多媒体传感器网络监控中心服务器用以太网的方式相连接，每个上位机分别通过CAN总线适配卡以CAN总线的方式与CAN总线多媒体传感器子网络相连接，每个CAN总线多媒体传感器子网络由多个多媒体智能传感器节点通过节点上的网络接口模块以CAN总线方式连接；所述的多媒体智能传感器节点由电源模块、数据采集模块、数据处理模块和网络接口模块构成；数据采集模块电路由温度湿度传感器芯片、外置模拟摄像头、PAL模拟信号视频解码器、麦克风、差分电路构成，摄像头模拟视频信号输出与视频解码器相接，麦克风信号输出与差分电路相接，数据处理模块电路以数字多媒体SoC处理器、DDR存储器和NAND Flash存储器构成，数字多媒体SoC处理器通过DDR接口与DDR存储器相接，通过AEMIF接口与NAND Flash存储器相接，网络接口模块电路由CAN总线控制器与带电源和信号隔离的CAN总线收发驱动器构成，CAN总线控制器的数据收发数据线与CAN总线收发驱动器相连，CAN总线收发驱动器的CAN信号线与CAN总线相连，嵌入式数字媒体SoC处理器通过I2C接口和Video Port接口与视频解码器相接，通过MIC Port接口与差分电路相连，通过GPIO通用输入输出口与温度湿度传感器相连，通过SPI接口与CAN总线控制器相连，电源模块为其它模块的各个部分提供电源，摄像头的模拟视频信号输入到视频解码器，视频解码器将视频信号进行数模转换并将数字视频信号传送到SoC处理器的Video Port接口，SoC处理器通过I2C总线控制视频解码器，麦克风采集的音频信号经过差分电路输入到SoC处理器的MIC Port接口，SoC处理器通过GPIO以温度湿度传感器的读写时序读取温湿度数据，通过SPI接口与CAN总线控制器之间进行数据的发送和接收，每个智能传感器节点都具有现场音视频和温湿度进行采集、处理和分析的功能。
基于CAN总线的多媒体智能传感方法的步骤如下：
1）多媒体智能传感器网络节点设定独有的CAN ID地址，上位机按照数据通信协议通过节点的独有CAN ID地址访问节点，对节点发送执行各种功能的命令，并依据ID地址接收各节点发送的现场数据；
2）上位机按照数据通信协议通过CAN总线发送命令进行查询和设置多媒体智能传感器节点的各种状态参数和功能参数，即节点ID地址、系统时钟、图象采集分辨率、音视频参数、CAN通信速率、视频OSD、报警情况；
3）上位机按照数据通信协议通过CAN总线发送温湿度采集相关命令，多媒体智能传感器节点依据接收到的命令，采集现场即时温度和湿度，对温湿度数据进行智能分析和产生报警信号，处理后的数据和结果通过CAN总线按照数据通信协议上传到上位机；
4）上位机按照数据通信协议通过CAN总线发送图像拍摄相关命令，多媒体智能传感器节点依据接收到的命令，采集即时单帧图像进行压缩编码，按单帧图像采集上传流程上传图像至上位机；
5）上位机按照数据通信协议通过CAN总线发送音视频录像相关命令，多媒体智能传感器节点依据接收到的命令，采集图像序列、声音进行压缩编码，并保存在节点本地存储器内，智能传感器节点按音视频采集上传流程传送数据至上位机；
6）上位机按照数据通信协议通过CAN总线发送即时图像序列采集相关命令，多媒体智能传感器节点依据接收到的命令，采集即时图像序列进行压缩编码，并立即按即时图像传输流程流程上传图像至上位机；
7）上位机按照数据通信协议通过CAN总线发送视频智能分析相关命令，多媒体智能传感器节点依据接收到的命令，采集图像序列进行智能分析和产生报警信号，处理后的数据和结果通过CAN总线按照数据通信协议上传到上位机。
所述的数据通信协议为：
每次通信一固定格式的数据帧为单位，数据帧格式如下：
数据帧以1字节的帧头开始，以0x80表示；帧头后面为4字节的命令控制头；命令控制头后面为N字节的数据部分，N为本帧的有效数据的字节数，不超过1023字节；数据部分后面为1字节的校验字节，校验字节是由控制命令头和数据部分的所有字节之和的最低字节；校验字节后面是帧尾，以0xEF表示。
4字节命令控制头的格式从最高位MSB到最低位LSB如下：
最高位1bit为传送方向，0指数据帧从上位机发送至节点,1指数据帧从节点发送至上位机；传送方向后为10bit的节点ID地址，ID地址每个节点的独有地址，0x3FF是广播地址；节点ID地址后为7bit命令码，作为命令的唯一功能标识；命令码后为4bit标志位，作为应答数据帧的标志，如果该字段非0x00，则表明最近收到的命令无法处理或出错，命令发起方收到对方应答标志非0x00的应答后，对数据帧的“数据部分”不解析、不处理；标志位后为10bit的数据帧数据长度，标识数据帧中的数据部分的实际长度，最大为1023。
所述的步骤4）为：
（1）PC上位机发送启动图像拍摄的命令数据帧给某一智能传感器节点；节点收到命令数据帧后，启动图像采集功能线程并对图像压缩编码，完成后对PC上位机返回说明图像数据大小的数据帧；
（2）PC上位机收到返回的数据帧后，发送分包读取图像数据的命令数据帧，数据帧中表明要读取第几包数据，节点收到后根据包序号返回装载图像分包数据的数据帧；
（3）重复步骤（2），直到最后一包数据传送完毕；
（4） PC上位机发送表示确认数据读取完成数据帧，节点再返回一个确认的数据帧。整个图像拍摄过程完成。
所述的步骤5）为：
（1）PC上位机发送开始录制音视频的命令数据帧开启某一智能传感器节点音视频录制功能；智能传感器节点收到后，启动音视频录制功能线程，并返回响应数据帧表明开启成功与否。线程对图像序列和声音进行压缩编码，并将数据保存于节点存储器上；
（2）当节点收到停止录制音视频的命令数据帧后，结束音视频录制功能线程，返回响应数据帧表明节点成功停止录制与否；
（3）PC上位机收到响应数据帧后，发送分包读取录像数据的命令数据帧，数据帧中表明要读取第几包数据，节点收到后根据包序号返回装载录像分包数据的数据帧；
（4）重复步骤（3），直到最后一包数据传送完毕；
（5）PC上位机发送表示确认数据读取完成数据帧，节点再返回一个确认的数据帧。整个音视频录制过程完成。
所述的步骤6）为：
（1）PC上位机发送启动即时图像传输的命令数据帧开启某一智能节点的即时图像传输功能；智能传感器节点收到后，启动即时图像传输功能线程，并返回响应数据帧表明成功开启与否。线程对图像序列进行压缩编码；
（2）PC上位机收到响应数据帧，立即开始接收实时图像码流，不作任何确认；
（3）节点对每帧图像编码后，将编码数据分包放入数据帧中，数据帧中标识此包数据是本图像第几包数据，并向PC上位机发送发送；
（4）PC上位机在需要关闭即时图像传输时发送停止即时图像传输的命令数据帧；节点收到命令数据帧后，结束即时图像传输功能线程，返回响应命令数据帧。
本发明与现有技术相比具有的有益效果：
1、智能传感器能直接执行多种传感、采集、控制、报警和计算功能。
2、采用CAN总线通信控制方式，在硬件上减少走线，软件上利用其完整的通信协议规约，加强了系统的实时性、提高了系统的高可靠性与安全性，降低了系统的成本。
3、采用群对点的布设方式，使得网络系统布线方便简单、安全可靠，最主要的是大大节省了布设成本。
4、网络功能易扩展，其它功能的带CAN接口类型的智能传感器可方便接入网络，使得网络系统功能更为全面。
5、适用于节点分布广而分散的分布式数据采集和监控的场景，特别是针对于在以太网建网不方便而且无需频繁访问节点的场合下，使用本发明的方法能做到低成本、低功耗、小型化、高效化。
附图说明
图1为本发明的CAN总线多媒体智能传感器网络拓扑结构示意图；
图2为本发明的多媒体智能传感器节点的硬件设计示意图；
图3为本发明的应用程序主线程流程图。
具体实施方式
基于CAN总线的多媒体智能传感器网络系统是：多个上位机通过以太网适配卡与多媒体传感器网络监控中心服务器用以太网的方式相连接，每个上位机分别通过CAN总线适配卡以CAN总线的方式与CAN总线多媒体传感器子网络相连接，每个CAN总线多媒体传感器子网络由多个多媒体智能传感器节点通过节点上的网络接口模块以CAN总线方式连接；所述的多媒体智能传感器节点由电源模块、数据采集模块、数据处理模块和网络接口模块构成；数据采集模块电路由温度湿度传感器芯片、外置模拟摄像头、PAL模拟信号视频解码器、麦克风、差分电路构成，摄像头模拟视频信号输出与视频解码器相接，麦克风信号输出与差分电路相接，数据处理模块电路以数字多媒体SoC处理器、DDR存储器和NAND Flash存储器构成，数字多媒体SoC处理器通过DDR接口与DDR存储器相接，通过AEMIF接口与NAND Flash存储器相接，网络接口模块电路由CAN总线控制器与带电源和信号隔离的CAN总线收发驱动器构成，CAN总线控制器的数据收发数据线与CAN总线收发驱动器相连，CAN总线收发驱动器的CAN信号线与CAN总线相连，嵌入式数字媒体SoC处理器通过I2C接口和Video Port接口与视频解码器相接，通过MIC Port接口与差分电路相连，通过GPIO通用输入输出口与温度湿度传感器相连，通过SPI接口与CAN总线控制器相连，电源模块为其它模块的各个部分提供电源，摄像头的模拟视频信号输入到视频解码器，视频解码器将视频信号进行数模转换并将数字视频信号传送到SoC处理器的Video Port接口，SoC处理器通过I2C总线控制视频解码器，麦克风采集的音频信号经过差分电路输入到SoC处理器的MIC Port接口，SoC处理器通过GPIO以温度湿度传感器的读写时序读取温湿度数据，通过SPI接口与CAN总线控制器之间进行数据的发送和接收，每个智能传感器节点都具有现场音视频和温湿度进行采集、处理和分析的功能。
基于CAN总线的多媒体智能传感方法的步骤如下：
1）多媒体智能传感器网络节点设定独有的CAN ID地址，上位机按照数据通信协议通过节点的独有CAN ID地址访问节点，对节点发送执行各种功能的命令，并依据ID地址接收各节点发送的现场数据；
2）上位机按照数据通信协议通过CAN总线发送命令进行查询和设置多媒体智能传感器节点的各种状态参数和功能参数，即节点ID地址、系统时钟、图象采集分辨率、音视频参数、CAN通信速率、视频OSD、报警情况；
3）上位机按照数据通信协议通过CAN总线发送温湿度采集相关命令，多媒体智能传感器节点依据接收到的命令，采集现场即时温度和湿度，对温湿度数据进行智能分析和产生报警信号，处理后的数据和结果通过CAN总线按照数据通信协议上传到上位机；
4）上位机按照数据通信协议通过CAN总线发送图像拍摄相关命令，多媒体智能传感器节点依据接收到的命令，采集即时单帧图像进行压缩编码，按单帧图像采集上传流程上传图像至上位机；
5）上位机按照数据通信协议通过CAN总线发送音视频录像相关命令，多媒体智能传感器节点依据接收到的命令，采集图像序列、声音进行压缩编码，并保存在节点本地存储器内，智能传感器节点按音视频采集上传流程传送数据至上位机；
6）上位机按照数据通信协议通过CAN总线发送即时图像序列采集相关命令，多媒体智能传感器节点依据接收到的命令，采集即时图像序列进行压缩编码，并立即按即时图像传输流程流程上传图像至上位机；
7）上位机按照数据通信协议通过CAN总线发送视频智能分析相关命令，多媒体智能传感器节点依据接收到的命令，采集图像序列进行智能分析和产生报警信号，处理后的数据和结果通过CAN总线按照数据通信协议上传到上位机，即。
所述的数据通信协议为：
每次通信一固定格式的数据帧为单位，数据帧格式如下描述：
数据帧以1字节的帧头开始，以0x80表示；帧头后面为4字节的命令控制头；命令控制头后面为N字节的数据部分，N为本帧的有效数据的字节数，不超过1023字节；数据部分后面为1字节的校验字节，校验字节是由控制命令头和数据部分的所有字节之和的最低字节；校验字节后面是帧尾，以0xEF表示。
4字节命令控制头的格式从最高位MSB到最低位LSB如下描述：
最高位1bit为传送方向，0指数据帧从上位机发送至节点,1指数据帧从节点发送至上位机；传送方向后为10bit的节点ID地址，ID地址每个节点的独有地址，0x3FF是广播地址；节点ID地址后为7bit命令码，作为命令的唯一功能标识；命令码后为4bit标志位，作为应答数据帧的标志，如果该字段非0x00，则表明最近收到的命令无法处理或出错，命令发起方收到对方应答标志非0x00的应答后，对数据帧的“数据部分”不解析、不处理；标志位后为10bit的数据帧数据长度，标识数据帧中的数据部分的实际长度，最大为1023。
所述的步骤4）为：
（1）PC上位机发送启动图像拍摄的命令数据帧给某一智能传感器节点；节点收到命令数据帧后，启动图像采集功能线程并对图像压缩编码，完成后对PC上位机返回说明图像数据大小的数据帧；
（2）PC上位机收到返回的数据帧后，发送分包读取图像数据的命令数据帧，数据帧中表明要读取第几包数据，节点收到后根据包序号返回装载图像分包数据的数据帧；
（3）重复步骤（2），直到最后一包数据传送完毕；
（4） PC上位机发送表示确认数据读取完成数据帧，节点再返回一个确认的数据帧。整个图像拍摄过程完成。
所述的在于所述的步骤5）为：
（1）PC上位机发送开始录制音视频的命令数据帧开启某一智能传感器节点音视频录制功能；智能传感器节点收到后，启动音视频录制功能线程，并返回响应数据帧表明开启成功与否。线程对图像序列和声音进行压缩编码，并将数据保存于节点存储器上；
（2）当节点收到停止录制音视频的命令数据帧后，结束音视频录制功能线程，返回响应数据帧表明节点成功停止录制与否；
（3）PC上位机收到响应数据帧后，发送分包读取录像数据的命令数据帧，数据帧中表明要读取第几包数据，节点收到后根据包序号返回装载录像分包数据的数据帧；
（4）重复步骤（3），直到最后一包数据传送完毕；
（5）PC上位机发送表示确认数据读取完成数据帧，节点再返回一个确认的数据帧。整个音视频录制过程完成。
所述的步骤6）为：
（1）PC上位机发送启动即时图像传输的命令数据帧开启某一智能节点的即时图像传输功能；智能传感器节点收到后，启动即时图像传输功能线程，并返回响应数据帧表明成功开启与否。线程对图像序列进行压缩编码；
（2）PC上位机收到响应数据帧，立即开始接收实时图像码流，不作任何确认；
（3）节点对每帧图像编码后，将编码数据分包放入数据帧中，数据帧中标识此包数据是本图像第几包数据，并向PC上位机发送发送；
（4）PC上位机在需要关闭即时图像传输时发送停止即时图像传输的命令数据帧；节点收到命令数据帧后，结束即时图像传输功能线程，返回响应命令数据帧。
实施例
本发明采用以嵌入式微处理器为核心对音视频和温湿度进行采集、处理和分析的多媒体智能传感器来组建传感器网络的系统，以基于数字多媒体SoC微处理器和CAN总线控制器为核心构成智传感器节点电路，并且CAN总线网络系统中现场数据的采集和分析由智能传感器完成。图l为CAN总线多媒体智能传感器网络拓扑结构示意图，主要由监控中心服务器、PC上位机和各节点组成，PC上位机和其子网络上的节点皆用CAN总线相连，各个PC上位机则以太网方式与监控中心的服务器组成整个多媒体智能传感器网络。单个节点由电源模块、数据采集模块、数据处理模块和网络接口模块构成，通过网络接口模块上的CAN控制和CAN收发器接入CAN总线。监控中心服务器和各PC上位机通过以太网进行数据交互。各PC上位机通过节点ID地址访问其子网络上的节点，对节点发送执行各种功能的命令，并接收各节点发送的现场数据。各节点的嵌入式微处理器执行主机发送的各项命令，采集现场的音视频和温湿度数据并做出分析，并将处理结果返回PC上位机。
CAN多媒体智能传感器节点是整个网络系统中分布于现场的一个子系统，图2是多媒体智能传感器节点的硬件设计示意图。
嵌入式微处理器与DDR、NAND Flash组成节点的数据处理模块，负责节点子系统的信号处理、存储管理及对外围各种设备的控制。嵌入式微处理器使用基于达芬奇技术的数字媒体SoC的ARM处理器。
数据采集模块的温湿度采集部分用温度湿度传感器芯片（可以采用SHT10）实现，温度湿度传感器采用二线串行接口与嵌入式微处理器的通用IO口相接，通信时序较为简单，通过对IO的读写操作模拟通信时序，从而读取实时的温度和湿度信息。视频采集部分由提供PAL制视频输出的摄像头以及模拟PAL信号视频解码器组成。视频解码器将PAL制模拟信号转换成BT656标准的4:2:2 YCrCr数字视频信号，嵌入式微处理器（ARM处理器）通过I2C接口控制视频解码器，并通过8位数字视频口读取视频解码器输出的数据。音频采集部分通过差分接入电路，将外置麦克风的电信号输入到嵌入式微处理器的MIC接口。
网络接口模块由CAN总线控制器（可以采用MPC2510）和收发驱动器（可以采用CTM1040T）构成。CAN收发器与其它模块电路之间需要采用DC/DC电源隔离和数字信号光耦隔离。本发明中，CAN总线控制器通过SPI接口与ARM处理器进行数据传输，通过二线制数据收发接口直连CAN收发驱动器。CAN总线收发器采用的CTM1040T内部自带DC/DC电源隔离和信号光电隔离的电路，可以简化CAN总线驱动电路设计，其通过CAN信号线直接接入CAN总线网络。
电源模块负责为整个子系统提供稳定的电源，考虑到消除数字电源与模拟电源之间的干扰，本发明采用不同芯片分别产生数字和模拟部分所需的电源。电源模块对外置摄像头提供的电源，可由数据处理模块中的嵌入式微处理器通过电源跟随器来控制其电源输出。
本发明中，多媒体智能传感器与上位机之间的数据交互按照以下表1的数据帧进行，即所发送的命令和数据按照下表所列的格式组成数据帧，当节点接收到完整的一帧数据帧后，对数据帧中的命令控制头和数据部分进行解析，并依据解析出的命令和数据执行下一步操作。
表1
| 帧头（0x80） | 命令控制头 | 数据部分 | 校验字节 | 帧尾（0xEF） |
| 1字节 | 4字节 | N字节数据 | 1字节 | 1字节 |
每一完整的数据帧都以0x80开始，以0xEF结束。
命令控制头占数据帧4字节，其格式从左边高位到右边低位如下表2所示：
表2
| 方向 | 节点ID地址 | 命令 | 标志位 | 数据帧数据长度 |
| 1 bit | 10 bit | 7 bit | 4 bit | 10 bit |
方向位：0指数据帧从上位机发送至节点,1指数据帧从节点发送至上位机。
节点ID地址位：每个节点的独有地址。0x3FF是广播地址。
命令位：命令编号,命令的唯一功能标识。系统命令码如表3所示。
表3
| 命令码 | 含义 | 命令码 | 含义 |
| 0000000 | 节点地址设置/响应 | 0001011 | 音视频停止录制/响应 |
| 0000001 | 时钟参数设置/响应 | 0001100 | 图像视频数据读取/响应 |
| 0000010 | 温湿度查询/响应 | 0001101 | 数据读取完成确认/响应 |
| 0000011 | 温湿度报警参数设置/响应 | 0001110 | 即时图像传输启动/响应 |
| 0000100 | 温湿度报警上传 | 0001111 | 即时图像传输停止/响应 |
| 0000101 | 图像参数设置/响应 | 0010000 | 视频码流数据上传 |
| 0000110 | 图像拍摄启动/响应 | 0010001 | 视频智能分析设置/响应 |
| 0000111 | 视频参数设置/响应 | 0010010 | 视频智能分析开启/响应 |
| 0001000 | 音频参数设置/响应 | 0010011 | 视频智能分析停止/响应 |
| 0001001 | OSD参数设置/响应 | 0010100 | 视频智能报警上传 |
| 0001010 | 音视频开始录制/响应 | 其它 | 保留 |
节点对上位机命令的响应帧的命令码与上位机发送的命令码相同。
标志位：作为命令的主动发起方，该字段为0x00。若作为应答消息，该字段作为应答标志。如果该字段非0x00，则表明最近收到的命令无法处理或出错。主发起方收到对方应答标志非0x00的应答后，对数据帧的“数据部分”不解析、不处理，如表4所示。
表4
| 0000 | 0001 | 0010 | … | 1111 |
| 正常 | 错误的命令 | 错误的帧格式 | 未定义 | 未知错误 |
数据帧数据长度：标识数据帧中的数据部分的实际长度，以字节为单位，最大为1023字节。
数据帧的数据部分根据不同命令自定义不同的数据格式。数据部分长度不超过1023字节。这里对几个主要命令的具体数据格式以表格形式表述。对各个命令，从PC上位机到节点的传送方向的数据帧是上位机对节点发送的，从节点到PC上位机的传送方向的数据帧是节点向上位机发送的数据或响应帧。
（1）节点地址设置/响应：
传送方向：上位机到节点
| 字段名 | 字节数 | 描述 |
| 节点ID地址 | 2 | 0表示查询节点ID，1-1022表示设置新的ID |
传送方向：节点到上位机
| 字段名 | 字节数 | 描述 |
| 节点ID地址 | 2 | 本节点ID号 |
（2）时钟参数设置/响应
传送方向：上位机到节点
| 字段名 | 字节数 | 描述 |
| 年 | 2 | 16进制整数，低字节在前 |
| 月 | 1 | 16进制整数 |
| 日 | 1 | 16进制整数 |
| 时 | 1 | 16进制整数 |
| 分 | 1 | 16进制整数 |
| 秒 | 1 | 16进制整数 |
传送方向：节点到上位机
| 字段名 | 字节数 | 描述 |
| 年 | 2 | 16进制整数，低字节在前 |
| 月 | 1 | 16进制整数 |
| 日 | 1 | 16进制整数 |
| 时 | 1 | 16进制整数 |
| 分 | 1 | 16进制整数 |
| 秒 | 1 | 16进制整数 |
（3）温湿度查询/响应
传送方向：上位机到节点
| 字段名 | 字节数 | 描述 |
| 空字节 | 1 |
传送方向：节点到上位机
| 字段名 | 字节数 | 描述 |
| 温度值 | 1 | 16进制整数，单位：℃ |
| 温度值符号 | 1 | D0:0-整数，1-负数 |
| 相对湿度 | 1 | 16进制整数，单位：RH% |
（4）图像拍摄启动/响应
传送方向：上位机到节点
传送方向：节点到上位机
| 字段名 | 字节数 | 描述 |
| 图像数据总长度 | 4 | 图像数据总长度，为0表示图像采集失败 |
（5）音视频开始录制/响应
传送方向：上位机到节点
传送方向：节点到上位机
| 字段名 | 字节数 | 描述 |
| 结果码 | 1 | 0-失败，1-成功 |
（6）音视频停止录制/响应
传送方向：上位机到节点
| 字段名 | 字节数 | 描述 |
| 空字节 | 1 |
传送方向：节点到上位机
| 字段名 | 字节数 | 描述 |
| 结果码 | 1 | 0-失败，1-成功 |
| 录象长度 | 4 | 为0表示录制失败 |
（7）图像视频数据读取/响应
传送方向：上位机到节点
| 字段名 | 字节数 | 描述 |
| 包序号 | 2 | 包序号 |
| 类型 | 1 | 0x00-图片数据；0x01-录像数据； |
传送方向：节点到上位机
| 字段名 | 字节数 | 描述 |
| 类型 | 1 | 0x00-图片数据；0x01-录像数据； |
| 包序号 | 2 | 包序号，0x0000-0xF0EF，0xF0F0表示最后一帧 |
| 数据长度 | 2 | 该包数据中图像数据长度，最大1018字节 |
| 图像数据 | 数据长度 | 图像数据 |
（8）数据读取完成确认/响应
传送方向：双向
| 字段名 | 字节数 | 描述 |
| OK_WORD | 1 | 0x00-确认图像，0x10-确认录象… |
（9）即时图像传输启动/响应
传送方向：上位机到节点
| 字段名 | 字节数 | 描述 |
| 编码比特率 | 2 | 10进制整数，单位Kbit/s（32-6000） |
传送方向：节点到上位机
| 字段名 | 字节数 | 描述 |
| 结果码 | 1 | 0-失败，1-成功 |
（10）视频码流数据上传
传送方向：节点到上位机
| 字段名 | 字节数 | 描述 |
| 包序号 | 2 | 包序号，0x0000-0xF0EF，一帧图像的第一包序号为0 |
| 数据长度 | 2 | 该包数据中图像数据长度，最大1021 |
| 图像数据 | 数据长度 | 图像数据 |
（11）视频停止录制/响应
传送方向：上位机到节点
| 字段名 | 字节数 | 描述 |
| 空字节 | 1 |
传送方向：节点到上位机
| 字段名 | 字节数 | 描述 |
| 结果码 | 1 | 0-失败，1-成功 |
数据帧的校验字节是由控制命令头和数据部分的所有字节之和的最低字节。
本发明的多媒体智能传感器根据上位机通过CAN总线发送过来的命令，进行各种设置、数据采集及处理分析等操作。实现功能较多，因此为提高应用程序执行效率，保证各功能模块的实时性，程序开发中宜采用多线程编程。节点的数字媒体SoC处理器采用ARM+DSP双核结构DaVinci技术，ARM端作为主处理器，运行在嵌入式Linux系统下，主线程通过CAN总线驱动程序监听上位机，不断接收上位机发送过来的命令数据并对其进行解析，然后主线程创建新的子线程以实现命令所要求的功能操作。这样CPU可以不停地在各线程间切换，由于各线程的执行时间非常短，充分利用了系统资源，提高系统的性能，使采集、编码传输、智能分析等功能同时进行。应用程序主线程流程图如图4所示。
依据命令创建的功能子线程主要有温湿度实时采集线程、图像拍摄线程、音视频录制线程、即时图像编码传输线程、智能视频分析线程。
图像拍摄流程如下所述：
（1）PC上位机发送“图像拍摄启动”命令数据帧给某一智能传感器节点；节点收到命令数据帧后，启动图像采集功能线程并JPEG编码，完成后返回“图像拍摄响应”命令数据帧；
（2）PC上位机收到“图像拍摄响应”命令数据帧后，发送“图像视频数据读取”（其中包序号为0）命令数据帧，节点收到后根据包序号返回“图像视频数据响应”数据帧；
（3）PC上位机收到图像数据，发送“图像视频数据读取”（序号递加）命令数据帧，节点收到后根据包序号返回“图像视频数据响应”数据帧；
（4）重复步骤（3），直到最后一包；
（5） PC上位机发送“数据读取完成确认”数据帧，节点返回“数据读取完成响应”数据帧。
音视频录制流程如下所述：
（1）PC上位机发送“音视频开始录制”命令数据帧开启某一智能传感器节点的音视频录制功能；智能传感器节点收到后，启动音视频录制功能线程，并返回“音视频开始响应”数据帧。线程对图像序列进行H264编码，对声音进行G711编码，并将数据保存于节点存储器上；
（2）节点收到“音视频停止录制”命令数据帧后，结束音视频录制功能线程，返回“音视频停止录制响应”数据帧；
（3）PC上位机收到“音视频停止响应”数据帧，发送“图像视频数据读取”（其中包序号为0）命令数据帧，节点收到后根据包序号返回“图像视频数据响应”数据帧；
（4）重复步骤（3），直到最后一包；
（5）PC上位机发送“数据读取完成确认”数据帧，节点返回“数据读取完成响应”数据帧。
即时图像传输流程如下所述：
（1）PC上位机发送“即时图像传输启动” 命令数据帧开启某一智能传感器节点的即时图像传输功能；智能传感器节点收到后，启动即时图像传输功能线程，并返回“即时图像传输启动响应”数据帧。线程对图像序列进行H264编码；
（2）PC上位机收到“即时图像传输启动响应”数据帧，立即开始接收实时图像码流。不作任何确认；
（3）节点对每帧图像编码后，将编码数据放入“视频码流数据上传”数据帧（序号从0递加）命令，并向PC上位机发送发送；
（4）PC上位机在需要关闭即时图像传输时发送“即时图像传输停止”命令数据帧；节点收到命令数据帧后，结束即时图像传输功能线程，返回“即时图像传输停止响应”命令数据帧。
数字媒体SoC处理器的DSP端作为协处理器，对视频应用程序提供了视频（语音、图像）处理引擎模块，如视频或图像的编解码引擎，应用其提供的优化编码器可方便对H.264、JPEG等算法进行调用。同时，可以利用DSP端开发工具封装视频智能分析算法，并对ARM端提供算法处理引擎，以实现在ARM端的应用程序中调用算法接口，对接口输入图像并在DSP端运行算法，对DSP返回的处理结果做进一步的操作。智能分析算法，采用背景差分的方法对图像内的运动物体进行识别检测，从而对检测区域内的可疑物体及人的运动方向和移动位置进行及时的预判，并准确的采集检测区域内的视频信息，依据通信协议传送给上位机。
本实施例中每个节点的智能传感器，其具有如下功能：
1、状态参数设置和查询，包括节点ID、系统时钟、图象分辨率 (QCIF、CIF、D1)以及其它功能参数的设置和查询。
2、数据接口：通过CAN总线接入网络，通信速率通过功能1进行设置。与上位机的交互按照一定的数据通信协议进行。
3、温湿度监控，具体功能如下：
（1）接收上位机的温湿度查询命令，并采集温湿度数据；
（2）温湿度实时监控，每5秒采集一次温湿度数据，若与前一次采集温湿度的变化量超过某阈值（如温度变化1度，湿度变化1%），或当前温湿度高于或低于某阈值，则对上位机发送报警数据帧。阈值可通过功能1进行设置。
4、单帧图像采集。接收上位机的拍照命令，对当前图像采集、JPEG编码并保存为JPEG文件。采集和编码参数通过功能1进行设置。上位机通过功能2中的协议读取此文件。
5、音视频录制。接收上位机的音视频开始录制命令，对现场的图像和声音进行采集和编码，对图像采用H264编码，对声音采用G711编码，并保存为AVI文件。当接收到上位机的停止录制命令或录制时间已到1分钟时停止录制。录制参数如图像分辨率、帧率、编码比特率、是否携带音频、音频音量可通过功能1设置，视频可选择嵌入OSD以显示当前时间和温湿度，录制结束后上位机通过功能2中的协议读取此文件。
6、即时视频传输。接收上位机的即时图像传输命令，开始对现场的图像进行采集和H264编码，按功能2中的协议将码流数据发送至上位机，直至接收到上位机的停止采集命令。视频码流参数如图像分辨率、编码比特率可通过功能1设置，视频可选择嵌入OSD以显示当前时间和温湿度。
7、视频智能分析。接收上位机的开启智能分析命令，实时采集图像，在图像上设置固定的检测区域，对检测区域做智能分析算法，当满足报警条件时，向上位机发送报警帧，并将当前图像序列进行H264编码录制成avi文件，直到条件不再满足，或收到上位机的停止录制命令，或录制时间已到1分钟。报警条件如下：（1）有目标进入或离开检测区域；（2）有目标在区域内运动；（3）按有目标在区域内向特定方向运动。检测区域，报警条件以及录制参数如图像分辨率、帧率、编码比特率可通过功能1设置，录制结束后上位机通过功能2中的协议读取录像文件。
8、电源管理与控制。电源模块将输入的直流12V转为其他各模块提供所需的各种电压电源。对视频采集前端提供的直流12V电源由数据处理模块中的嵌入式处理器控制，当功能4、5、6、7中的图像采集功能执行前的100ms内，打开图像采集前端的电源，当上述功能执行完后关闭此电源以降低功耗。
Claims (6)
1.一种基于CAN总线的多媒体智能传感器网络系统，其特征在于多个上位机通过以太网适配卡与多媒体传感器网络监控中心服务器用以太网的方式相连接，每个上位机分别通过CAN总线适配卡以CAN总线的方式与CAN总线多媒体传感器子网络相连接，每个CAN总线多媒体传感器子网络由多个多媒体智能传感器节点通过节点上的网络接口模块以CAN总线方式连接；所述的多媒体智能传感器节点由电源模块、数据采集模块、数据处理模块和网络接口模块构成；数据采集模块电路由温度湿度传感器芯片、外置模拟摄像头、PAL模拟信号视频解码器、麦克风、差分电路构成，摄像头模拟视频信号输出与视频解码器相接，麦克风信号输出与差分电路相接，数据处理模块电路以数字多媒体SoC处理器、DDR存储器和NAND Flash存储器构成，数字多媒体SoC处理器通过DDR接口与DDR存储器相接，通过AEMIF接口与NAND Flash存储器相接，网络接口模块电路由CAN总线控制器与带电源和信号隔离的CAN总线收发驱动器构成，CAN总线控制器的数据收发数据线与CAN总线收发驱动器相连，CAN总线收发驱动器的CAN信号线与CAN总线相连，嵌入式数字媒体SoC处理器通过I2C接口和Video Port接口与视频解码器相接，通过MIC Port接口与差分电路相连，通过GPIO通用输入输出口与温度湿度传感器相连，通过SPI接口与CAN总线控制器相连，电源模块为其它模块的各个部分提供电源，摄像头的模拟视频信号输入到视频解码器，视频解码器将视频信号进行数模转换并将数字视频信号传送到SoC处理器的Video Port接口，SoC处理器通过I2C总线控制视频解码器，麦克风采集的音频信号经过差分电路输入到SoC处理器的MIC Port接口，SoC处理器通过GPIO以温度湿度传感器的读写时序读取温湿度数据，通过SPI接口与CAN总线控制器之间进行数据的发送和接收，每个智能传感器节点都具有现场音视频和温湿度进行采集、处理和分析的功能。
2.一种使用如权利要求1所述系统的基于CAN总线的多媒体智能传感方法，其特征在于它的步骤如下：
1）多媒体智能传感器网络节点设定独有的CAN ID地址，上位机按照数据通信协议通过节点的独有CAN ID地址访问节点，对节点发送执行各种功能的命令，并依据ID地址接收各节点发送的现场数据；
2）上位机按照数据通信协议通过CAN总线发送命令进行查询和设置多媒体智能传感器节点的各种状态参数和功能参数，即节点ID地址、系统时钟、图象采集分辨率、音视频参数、CAN通信速率、视频OSD、报警情况；
3）上位机按照数据通信协议通过CAN总线发送温湿度采集相关命令，多媒体智能传感器节点依据接收到的命令，采集现场即时温度和湿度，对温湿度数据进行智能分析和产生报警信号，处理后的数据和结果通过CAN总线按照数据通信协议上传到上位机；
4）上位机按照数据通信协议通过CAN总线发送图像拍摄相关命令，多媒体智能传感器节点依据接收到的命令，采集即时单帧图像进行压缩编码，按单帧图像采集上传流程上传图像至上位机；
5）上位机按照数据通信协议通过CAN总线发送音视频录像相关命令，多媒体智能传感器节点依据接收到的命令，采集图像序列、声音进行压缩编码，并保存在节点本地存储器内，智能传感器节点按音视频采集上传流程传送数据至上位机；
6）上位机按照数据通信协议通过CAN总线发送即时图像序列采集相关命令，多媒体智能传感器节点依据接收到的命令，采集即时图像序列进行压缩编码，并立即按即时图像传输流程流程上传图像至上位机；
7）上位机按照数据通信协议通过CAN总线发送视频智能分析相关命令，多媒体智能传感器节点依据接收到的命令，采集图像序列进行智能分析和产生报警信号，处理后的数据和结果通过CAN总线按照数据通信协议上传到上位机。
3.如权利要求2所述的一种基于CAN总线的多媒体智能传感方法，其特征在于所述的数据通信协议为：
每次通信一固定格式的数据帧为单位，数据帧格式如下：
数据帧以1字节的帧头开始，以0x80表示；帧头后面为4字节的命令控制头；命令控制头后面为N字节的数据部分，N为本帧的有效数据的字节数，不超过1023字节；数据部分后面为1字节的校验字节，校验字节是由控制命令头和数据部分的所有字节之和的最低字节；校验字节后面是帧尾，以0xEF表示；
4字节命令控制头的格式从最高位MSB到最低位LSB如下：
最高位1bit为传送方向，0指数据帧从上位机发送至节点,1指数据帧从节点发送至上位机；传送方向后为10bit的节点ID地址，ID地址每个节点的独有地址，0x3FF是广播地址；节点ID地址后为7bit命令码，作为命令的唯一功能标识；命令码后为4bit标志位，作为应答数据帧的标志，如果该字段非0x00，则表明最近收到的命令无法处理或出错，命令发起方收到对方应答标志非0x00的应答后，对数据帧的“数据部分”不解析、不处理；标志位后为10bit的数据帧数据长度，标识数据帧中的数据部分的实际长度，最大为1023。
4.如权利要求2所述的一种基于CAN总线的多媒体智能传感方法，其特征在于所述的步骤4）为：
（1）PC上位机发送启动图像拍摄的命令数据帧给某一智能传感器节点；节点收到命令数据帧后，启动图像采集功能线程并对图像压缩编码，完成后对PC上位机返回说明图像数据大小的数据帧；
（2）PC上位机收到返回的数据帧后，发送分包读取图像数据的命令数据帧，数据帧中表明要读取第几包数据，节点收到后根据包序号返回装载图像分包数据的数据帧；
（3）重复步骤（2），直到最后一包数据传送完毕；
（4） PC上位机发送表示确认数据读取完成数据帧，节点再返回一个确认的数据帧；
整个图像拍摄过程完成。
5.如权利要求2所述的一种基于CAN总线的多媒体智能传感方法，其特征在于所述的在于所述的步骤5）为：
（1）PC上位机发送开始录制音视频的命令数据帧开启某一智能传感器节点音视频录制功能；智能传感器节点收到后，启动音视频录制功能线程，并返回响应数据帧表明开启成功与否，线程对图像序列和声音进行压缩编码，并将数据保存于节点存储器上；
（2）当节点收到停止录制音视频的命令数据帧后，结束音视频录制功能线程，返回响应数据帧表明节点成功停止录制与否；
（3）PC上位机收到响应数据帧后，发送分包读取录像数据的命令数据帧，数据帧中表明要读取第几包数据，节点收到后根据包序号返回装载录像分包数据的数据帧；
（4）重复步骤（3），直到最后一包数据传送完毕；
（5）PC上位机发送表示确认数据读取完成数据帧，节点再返回一个确认的数据帧；
整个音视频录制过程完成。
6.如权利要求2所述的一种基于CAN总线的多媒体智能传感方法，其特征在于所述的在于所述的步骤6）为：
（1）PC上位机发送启动即时图像传输的命令数据帧开启某一智能节点的即时图像传输功能；智能传感器节点收到后，启动即时图像传输功能线程，并返回响应数据帧表明成功开启与否，线程对图像序列进行压缩编码；
（2）PC上位机收到响应数据帧，立即开始接收实时图像码流，不作任何确认；
（3）节点对每帧图像编码后，将编码数据分包放入数据帧中，数据帧中标识此包数据是本图像第几包数据，并向PC上位机发送发送；
（4）PC上位机在需要关闭即时图像传输时发送停止即时图像传输的命令数据帧；节点收到命令数据帧后，结束即时图像传输功能线程，返回响应命令数据帧。
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