CN108668107A - 一种无线视频中继传输系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无线视频中继传输系统和方法。本发明所述传输系统由多个无线视频中继传输装置自组网而成，每个装置内集成有无线视觉传感器模块和无线路由模块。无线视觉传感器模块采集高清视频，处理、分析后发送至无线路由模块；无线路由模块动态地、中继地自组网，以构建基于IEEE 802.11系列标准的无线网络，使处于同一网络下的各装置间可以高效、可靠、稳定地传输高清视频流。按照生产过程要求，在生产现场布设一定数量的本系统应用装置，形成无线视觉传感器网络，利用装置的无线视觉传感器模块采集生产现场高清视频流，并在网络内自主选择最优路径将视频流传输至远程监控终端，有助于实现工业现场的大范围自动监控，进而提高工业自动化水平。

Description

一种无线视频中继传输系统和方法

技术领域

本发明属于无线传感器网络和无线通信技术领域，是一种无线视频中继传输系统和方法，能将无线视觉传感器和无线路由模块结合为一个无线视频中继传输装置，并将视频流自主传输至接入该网络中的远程监控终端。

背景技术

无线通信、嵌入式微系统和传感器等技术的进步，推动了低功耗、多功能传感器的发展，使在微小体积内可以集成信息采集、数据处理和无线通信等功能。无线传感器网络通过将大量传感器节点部署在需要监测的区域监控生产现场，并通过无线路由中继通信的方式形成一个多跳自组织网络系统，以此来协作感知、采集和处理网络覆盖区域的监测信息，并发送给观测者。

由于无线传感器网络是以数据为中心的网络，如何高效地传输感知数据是无线传感器网络一个重要的研究问题。在矿物加工过程中，生产环境相对复杂，使用有线网络传输受到距离和传输质量等诸多因素的限制，增加了生产故障产生的概率。当网络中一个节点中断时，将导致途径该节点的数据通信链路中断，影响通信链路内各个节点之间的正常通信，进而导致整个网络的瘫痪。同时，无线网络通信的范围受到无线信号强度的影响，网络的覆盖范围有限。矿物泡沫浮选现场环境复杂恶劣，采用有线通信的方案，一方面会导致实际生产成本的增加，另一方面，也不利于生产现场通信网路的维护和减少数据传输过程中故障的发生。

通常，无线传感器网络覆盖范围都比较大，因而将视觉传感器与无线网络进行结合，形成一个具备大范围采集现场情况、发送和转发数据功能的无线视觉传感器网络成为新的发展方向。该无线视觉传感器网络可动态地、中继地自组网，一方面，打破了有线连接的距离局限性，扩大了网络的覆盖范围；另一方面，各无线节点可自主动态地加入和退出网络，避免了因某个节点中断而导致整个网络瘫痪的情况发生。

发明内容

鉴于上述现场情况对无线视觉传感器网络通信提出的要求，本发明提出了一种无线视频中继传输方法，旨在解决传统视觉监控系统组网慢、灵活性差、系统覆盖范围小、自主传输性弱、某一节点中断导致网络瘫痪等问题。同时，提出一种无线视频中继传输系统，结合视觉传感器与无线网络，自组网构建无线视觉传感器网络，具有视频采集清晰度高、覆盖范围广、成本低、安装简便、维护简单等优点，解决传统视觉监控系统难以在大范围环境复杂、恶劣的工业现场应用的问题。

本发明的技术方案：

一种无线视频中继传输系统，由多个无线视频中继传输装置自组网构成。所述无线视频中继传输装置包括：

无线视觉传感器模块，用于采集、分析、存储和发送高清视频流；

无线路由模块，用于在大范围内动态地、中继地自组网形成无线视觉传感器网络，完成所述高清视频流的传递和交换任务。

所述的一种无线视频中继传输系统中，所述无线路由模块包括：

LAN口，即局域网接口，用于连接物理分布范围在100m以内的无线路由模块；

WAN口，即广域网接口，用于连接物理分布范围跨度在1km以上的无线路由模块；

USB2.0接口，用于接收所述无线视觉传感器模块输出的高清视频流；

天线，用于利用电磁波传递信息，接收和发送高清视频流。

所述的一种无线视频中继传输系统中，所述无线视觉传感器模块采用具有USB2.0接口的高清CMOS相机构建，并通过USB线与所述无线路由模块相连。

所述的无线路由模块中，所述LAN口采用以太网双绞线与局域网路由器的LAN口相连，用于访问网络配置网页，以配置无线节点的网络模式；所述WAN口采用以太网双绞线与临近无线路由模块的WAN口相连，用于动态组网和中继，以建立大范围的无线视觉传感器网络。

所述的一种无线视频中继传输系统中，所述系统的无线路由模块基于AtherosAR9331 SoC方案的WIFI模块构建。该WIFI模块支持802.11n 1×1最高150Mbps无线传输速率，配备两个100/10Mbps支持自动翻转的LAN/WAN以太网口，并且支持路由、AP、客户端、中继、桥接等网络模式。

所述的一种无线视频中继传输系统中，所述无线路由模块的RS232接口采用串口线与PC机的RS232接口相连，用于通过串口工具访问OpenWrt系统以修改网络配置文件。

所述的一种无线视频中继传输系统中，所述无线路由模块搭载基于Linux系统的OpenWrt开源操作系统，可长期稳定的运行于工业现场，并且支持智能网关、视频流服务器等众多高级应用。

所述的一种视频无线中继传输系统，系统具备DHCP（Dynamic HostConfiguration Protocol，动态主机配置协议）功能。在网络启用前，需开启AP节点的DHCP功能，用于为其它无线视频传输装置动态分配IP地址。网络管理员通过远端主机访问AP节点的网络配置页面，实现对网络内所有无线视频传输装置的中央管理和控制。

一种视频无线中继传输方法，使用上述无线视频中继传输系统，并实施以下步骤：

步骤一：选用一个无线视频中继传输装置为初始网络节点，并配置节点的网络模式为AP模式，使其成为AP节点；

步骤二： 启动系统内一部分无线视频中继传输装置，开启无线网络信号搜索功能，动态接入AP节点所在网络，使其成为桥接节点；

步骤三：配置桥接节点的网络模式为桥接模式，并分享出当前网络信号，以扩大无线网络的覆盖范围。系统内其它无线视频传输装置以桥接模式动态地、中继地接入桥接节点，自组织形成无线视觉传感器网络。

步骤四：将远程监控终端接入自组织的无线视觉传感器网络，获取目标无线视频中继传输装置采集到的高清视频流。

所述的一种无线视频中继传输方法，所述步骤一包括以下子步骤：

步骤1：选用一个无线视频中继传输装置为初始网络节点，并将该装置的LAN口通过以太网双绞线接入局域网路由器的LAN口，将组建的无线网络加入外部以太网；

步骤2：使用处在同一局域网下的PC机，通过浏览器登入初始网络节点的无线配置页面，配置初始网络节点的网络模式为AP模式，使其成为AP节点；

步骤3：为AP节点开启WIFI名为SSID的无线信号，并将该SSID作为无线网络统一的WIFI名；

步骤4：开启AP节点的DHCP功能，使其可以动态地为网络内的节点分配IP地址。系统仅有AP节点开启DHCP功能，其它同处于一个网络的节点均关闭DHCP功能。

所述的一种无线视频中继传输方法，所述步骤三包括以下子步骤：

步骤1：使用PC机，通过浏览器登入桥接节点的无线配置界面，配置桥接节点的网络模式为桥接模式；

步骤2：为桥接节点新建WIFI名为SSID的无线信号，与AP节点WIFI名保持统一，以分享出当前网络信号，实现无线信号的中继功能；

步骤3：关闭桥接节点的DHCP功能；

步骤4：系统内其它无线视频传输装置以桥接模式动态地、中继地接入桥接节点，自组织形成无线视觉传感器网络。

装置内的无线路由模块在连接时会自动选择信号最强的桥接节点所发出的WIFI热点信号。当桥接节点位置发生变化或系统出现故障停止发出WIFI信号时，所有连接该WIFI信号的设备将自动地、动态地搜索附近信号最强的WIFI信号并连接，以实现网络动态连接功能。在自组织的无线视觉传感器网络中，所有可以连接WIFI信号的无线终端设备都可以通过输入密码连接到本无线网络中。

所述的一种无线视频中继传输方法，所述步骤四包括以下子步骤：

步骤1：远程监控终端以SSID和密码的形式接入自组织的无线视觉传感器网络；

步骤2：网络内目标节点的无线视觉传感器模块采集工业现场高清视频流，并在网络内自主选择最优路径传输至远程监控终端；

步骤3：远程监控终端可对网络中的节点装置进行管理，同时也能控制高清视频流的传输。

所述的一种视频无线中继传输方法中，所述装置的无线视觉传感器模块通过高清摄像头采集工业现场视频数据，将数据逐一缓存。在得到请求和完成应答之后，通过已构建的无线网络，该模块再将缓存中的视频数据实时的发送到接入本网络的远程监控终端。

本发明的技术效果在于，开发出一套能采集工业现场视频流、处理和分析视频流，并且具有视频采集清晰度高、组网快捷、网络节点动态增减、覆盖范围广、自主传输性强、稳定可靠、便于维护等优点的无线视频中继传输系统，有助于实现工业现场的大范围自动监控，提高工业自动化水平。本发明无线视频中继传输系统将视觉传感器与无线网络进行结合，形成一个具备大范围采集现场视频、发送和转发视频流的无线视觉传感器网络。本发明无线视频中继传输装置，通过采用本发明无线视频中继传输方法，可以动态地、中继地的组网，一方面，打破了有线连接的距离局限性，扩大了网络的覆盖范围，有利于在复杂工业现场环境下使用；另一方面，采用自组织无线通信方式，减少了生产过程故障发生的概率，降低了生产成本；此外，各无线节点可自主动态地加入和退出网络，组网更加快捷、灵活，有利于在实际生产过程中使用。同时，本发明无线视频中继传输方法，可以动态选择视频采集节点，并在网络内自主选择最优路径将高清视频流传输至远程监控终端，远程监控终端可对网络中的节点装置进行管理，也能控制视频流的传输。

附图说明

图1为无线视频中继传输系统连接示意图。

图2为无线视频中继传输装置工作流程图。

图3为无线路由模块信号配对过程图。

图4为无线视觉传感器网络组网拓扑示意图。

具体实施方式

为了使本发明所述的系统和方法更加直观和清晰，以下结合附图和实例，对一种无线视频中继传输系统及其方法的具体实施过程做进一步说明。

一种无线视频中继传输系统，如图1所示，由多个无线视频中继传输装置自组网构成。无线视频中继传输装置包括：

无线视觉传感器模块，用于采集、分析、存储和发送高清视频流；

无线路由模块，用于在大范围内动态地、中继地自组网形成无线视觉传感器网络，完成所述高清视频流的传递和交换任务。

所述的一种无线视频中继传输系统中，无线路由模块包括：

LAN口，即局域网接口，用于连接物理分布范围在100m以内的无线路由模块；

WAN口，即广域网接口，用于连接物理分布范围跨度在1km以上的无线路由模块；

USB2.0接口，用于接收无线视觉传感器模块输出的高清视频流；

天线，用于利用电磁波传递信息，接收和发送高清视频流。

所述的一种无线视频中继传输系统中，无线视觉传感器模块采用具有USB2.0接口的高清CMOS相机构建，并通过USB线与无线路由模块相连。

所述的无线路由模块中，LAN口采用以太网双绞线与局域网路由器的LAN口相连，用于访问网络配置网页，以配置无线节点的网络模式；所述WAN口采用以太网双绞线与临近无线路由模块的WAN口相连，用于动态组网和中继，以建立大范围的无线视觉传感器网络。

所述的一种无线视频中继传输系统中，系统的无线路由模块基于Atheros AR9331SoC方案的WIFI模块构建。该WIFI模块支持802.11n 1×1最高150Mbps无线传输速率，配备两个100/10Mbps支持自动翻转的LAN/WAN以太网口，并且支持路由、AP、客户端、中继、桥接等网络模式。

所述的一种无线视频中继传输系统中，无线路由模块的RS232接口采用串口线与PC机的RS232接口相连，用于通过串口工具访问OpenWrt系统以修改网络配置文件。

所述的一种无线视频中继传输系统中，无线路由模块搭载基于Linux系统的OpenWrt开源操作系统，可长期稳定的运行于工业现场，并且支持智能网关、视频流服务器等众多高级应用。

所述的一种视频无线中继传输系统，系统具备DHCP（Dynamic HostConfiguration Protocol，动态主机配置协议）功能。在网络启用前，需开启AP节点的DHCP功能，用于为其它无线视频传输装置动态分配IP地址。网络管理员通过远端主机访问AP节点的网络配置页面，实现对网络内所有无线视频传输装置的中央管理和控制。

一种无线视频中继传输方法，使用上述无线视频中继传输系统，各装置的工作流程图如图2所示，主要包括如下实施步骤：

步骤1：选定现场网络中一个装置作为主设备。通过网线将主设备的LAN口与以太网主干网连接，即将组建的无线网络接入以太网。主设备作为整个无线传感器网络中唯一用于与外部互联网连接，并为无线网络中其他设备动态分配IP地址的中心节点，在本发明中处于核心位置。为了保证建立起的无线视觉传感器网络中视频流传输稳定，必须保证选定的主设备持续处于工作状态。

步骤2：对预选定主设备的无线路由模块开启DHCP功能，主设备不连接WIFI，需在已有有线网络基础上构建处于同一局域网的无线网络，以将连接到网络的设备一起接入有线网络。

在主设备的无线路由模块启动后，将其RS232接口与调试PC端的RS232接口相连，并通过串口终端访问无线路由模块OpenWrt系统，对系统网络配置文件/etc/config/wireless进行配置，定义一个无线端口，其中设置包括：

①设置端口处于AP模式，并使能AP模式的WDS功能；

②设置开启DHCP服务功能，设置地址租期、起始分配地址和最大地址分配数量；

③设置新建立的无线网络与LAN口接入网络处于同一局域网；

④以WPA2-PSK加密的方式发出无线信号SSID，并设置无线网的密码。

其中，WDS（Wireless Distribution System，无线分布式系统）对无线路由模块来说，其作用是搭建多个路由模块的无线桥接环境，达到扩大WIFI网络覆盖范围的效果。不使能无线路由模块的WDS功能，则不能做到无线的桥接。

本发明中无线路由模块的WDS具有三种不同的工作模式，分别为：①自学习模式，属于被动模式，可自动识别并接受来自其他AP的WDS连接，但其本身不会主动以WDS的方式连接周围AP ，只能用于被扩展的主AP上；②中继模式，是功能最全的WDS模式，在此模式下，AP既可以通过WDS实现无线网络范围的扩展，同时也具有AP的功能，接受其它无线终端的连接。③桥接模式，和有线网络中的网桥很像，它从一端接收数据包，并将数据包转发到另一端。WDS的桥接模式除了不再同时具有AP功能之外，其它和中继模式基本相同。

步骤3：现场中新加入网络的其它装置既作为中继设备，也作为远端设备。该装置首先需关闭默认开启的DHCP功能，在装置的无线路由模块启动后，将其LAN口与局域网路由器LAN口相连，保证与调试PC端处于同一局域网下，通过PC端访问无线路由模块的网络配置页面，对系统网络进行配置，其中包括：关闭LAN口的DHCP服务，并不使能相关详细参数。

步骤4：将新加入网络的装置的无线路由模块设置为可动态连接WIFI热点。当该装置在监控现场中的位置发生移动，或者所连接无线网络信号发生中断时，可自主、动态地搜索监控现场中处于该装置附近信号较强的无线信号，并连接到该网络。

在装置的无线路由模块启动后，将其RS232接口与调试PC端的RS232接口相连，并通过串口终端访问无线路由模块OpenWrt系统，对系统网络配置文件/etc/config/wireless进行配置，其中包括：

①定义一个无线端口，设置新配置的端口处于无线终端模式；

②通过新定义的无线端口搜索已建立的无线网络，设置对应的SSID和密码，以WPA2-PSK的加密方式接入；

③设置该节点的MAC地址，防止与网络中其它装置节点发生MAC冲突，保证该装置物理地址的唯一性；

④设置使能该节点AP模式的WDS功能；

⑤设置该无线端口与所连接的无线网络处于同一个局域网。

步骤5：新加入网络的装置的无线路由模块完成动态连接WIFI热点后，同时以桥接的方式发出同名的无线信号，以扩大无线网络的覆盖范围。

通过串口终端访问无线路由模块OpenWrt系统，对系统网络配置文件/etc/config/wireless进行配置，其中包括：

①定义一个无线接口，设置该接口处于AP模式；

②使能该接口AP模式的WDS功能；

③以WPA2-PSK加密的方式发出WIFI名为SSID的无线信号，并设置新建无线网络的密码。

步骤6：网络中每一个节点应该具有各自的局域网IP地址，因此需要为网络中各节点分配独立的IP地址，并以此IP与网络中的所有节点进行通信。在装置启动后，将其RS232接口通过串口线连接到PC端，在串口终端对其网络配置文件/etc/config/wireless进行配置，其中包括：设置IP地址，子网掩码和网关地址。

步骤7：新加入网络的其它装置依据步骤3至步骤6逐一完成网络配置，其配置内容与已加入网络的装置一致。各装置完成配置后，无线视频中继传输系统启动，各无线路由模块开始工作。

步骤8：无线路由模块信号配对过程如图3所示。处于WDS中继模式下的无线路由模块在完成系统启动后，扫描其所处位置周围信号强度较强的无线信号，根据网络连接配置寻找匹配的无线网络。获取到符合配置的网络SSID后，即发送鉴权请求进行认证。接收鉴权请求的中继设备回应告知鉴权认证已通过，并发起关联请求。接收关联请求的设备做关联回应告知请求设备关联成功，从而完成WDS连接。

步骤9：处于同一区域范围内的设备根据其网络设置和所处位置周围信号强度判断，重复步骤8完成动态组网，从而构建出无线视觉传感器网络。图4所示为无线视觉传感器网络组网拓扑示意图，其中，各个设备之间通过WDS的方式建立连接，设备D作为组建网络中的主设备，通过LAN口有线接入外部以太网主干网；网络中的其它设备既作为中继设备，也作为远端设备，提供中继信号和无线接入，同时驱动无线视觉传感器采集现场高清视频流。网络中的其它设备都处于WDS的中继模式，并以桥接的方式发出无线信号供其它设备连接。除主设备外，其它设备平行工作，不存在主、辅关系，并由此自组织成大范围无线视觉传感器网络。

步骤10：完成无线网络的组建后，远程监控终端接入网络，其不受接入位置的影响，可以在网络覆盖范围内任意区域以SSID和密码的形式接入自组织的无线视觉传感器网络。网络内某一节点的无线视觉传感器模块采集工业现场高清视频流，并在网络内自主选择最优路径传输至远程监控终端；远程监控终端可对网络中的节点装置进行管理，同时也能控制高清视频流的传输。

系统内各装置的无线视觉传感器模块通过高清摄像头采集工业现场视频数据，将数据逐一缓存。在得到请求和完成应答之后，通过已构建的无线网络，该模块再将缓存中的视频数据实时的发送到接入本网络的远程监控终端。

Claims (10)

1.一种无线视频中继传输系统，其特征在于，系统由多个无线视频中继传输装置自组网构成，所述无线视频中继传输装置包括：

无线视觉传感器模块，基于USB2.0接口的高清CMOS相机构建，用于采集、分析、存储和发送高清视频流；

无线路由模块，通过USB线与所述无线视觉传感器模块相连，用于在大范围内动态地、中继地自组网形成无线视觉传感器网络，完成所述高清视频流的传递和交换任务；

开关电源模块，基于TI公司TWL6037电源管理芯片构建，用于给所述无线视觉传感器模块和无线路由模块供电。

2.根据权利要求1所述的一种无线视频中继传输系统，其特征在于，所述无线路由模块包括：

LAN口，即局域网接口，用于连接物理分布范围在100m以内的无线路由模块；

WAN口，即广域网接口，用于连接物理分布范围跨度在1km以上的无线路由模块；

USB2.0接口，用于接收所述无线视觉传感器模块输出的高清视频流；

RS232接口，用于修改所述无线路由模块的网络配置；

天线，用于利用电磁波传递信息，接收和发送高清视频流。

3.根据权利要求2所述的无线视频中继传输系统，其特征在于，所述LAN口采用以太网双绞线与局域网路由器的LAN口相连，用于访问网络配置网页，以配置无线节点的网络模式；所述WAN口采用以太网双绞线与临近无线路由模块的WAN口相连，用于动态组网和中继，以建立大范围的无线视觉传感器网络。

4.所述RS232接口采用串口线与PC机的RS232接口相连，用于通过串口工具访问OpenWrt系统以修改网络配置文件；

根据权利要求1所述的一种无线视频中继传输系统，其特征在于，所述无线路由模块基于Atheros AR9331 SoC方案的WIFI模块构建，该WIFI模块支持802.11n 1×1最高150Mbps无线传输速率，配备两个100/10Mbps支持自动翻转的LAN/WAN以太网口，具备DHCP功能，并且支持路由、AP、客户端、中继、桥接等网络模式。

5.根据权利要求1～4之一所述的无线视频中继传输系统，其特征在于，所述无线路由模块搭载基于Linux系统的OpenWrt 15.05稳定版开源操作系统，用于在工业现场搭建智能网关、视频流服务器。

6.一种视频无线中继传输方法，使用权利要求1所述无线视频中继传输系统，其特征在于实施以下步骤：

步骤一：选用一个无线视频中继传输装置为初始网络节点，并配置节点的网络模式为AP模式，使其成为AP节点；

步骤二：启动系统内其它无线视频中继传输装置，开启无线网络信号搜索功能，动态接入AP节点所在网络，使其成为桥接节点；

步骤三：配置桥接节点的网络模式为桥接模式，并分享出当前网络信号，以扩大无线网络的覆盖范围；系统内其它无线视频传输装置以桥接模式动态地、中继地接入桥接节点，自组织形成无线视觉传感器网络；

步骤四：将远程监控终端接入自组织的无线视觉传感器网络，获取目标无线视频中继传输装置采集到的高清视频流。

7.根据权利要求6所述的一种无线视频中继传输方法，其特征在于，所述步骤一包括以下子步骤：

步骤1：选用一个无线视频中继传输装置为初始网络节点，并将该装置的LAN口通过以太网双绞线接入局域网路由器的LAN口，将组建的无线网络加入外部以太网；

步骤2：使用处在同一局域网下的PC机，通过浏览器登入初始网络节点的无线配置页面，配置初始网络节点的网络模式为AP模式，使其成为AP节点；

步骤3：为AP节点开启WIFI名为SSID的无线信号，并将该SSID作为无线网络统一的WIFI名；

步骤4：开启AP节点的DHCP功能，使其可以动态地为网络内的节点分配IP地址；

系统仅有AP节点开启DHCP功能，其它同处于一个网络的节点均关闭DHCP功能。

8.根据权利要求7所述的一种无线视频中继传输方法，其特征在于，所述步骤三包括以下子步骤：

步骤1：使用PC机，通过浏览器登入桥接节点的无线配置界面，配置桥接节点的网络模式为桥接模式；

步骤2：为桥接节点新建WIFI名为SSID的无线信号，与AP节点WIFI名保持统一，以分享出当前网络信号，实现无线信号的中继功能；

步骤3：关闭桥接节点的DHCP功能；

步骤4：系统内其它无线视频传输装置以桥接模式动态地、中继地接入桥接节点，自组织形成无线视觉传感器网络。

9.根据权利要求8所述的一种无线视频中继传输方法，其特征在于，所述步骤四包括以下子步骤：

步骤1：远程监控终端以SSID和密码的形式接入自组织的无线视觉传感器网络；

步骤2：网络内目标无线视觉传感器模块采集工业现场高清视频流，并在网络内自主选择最优路径传输至远程监控终端；

步骤3：远程监控终端可对网络中的节点装置进行管理，同时也能控制高清视频流的传输。

10.根据权利要求9所述的一种视频无线中继传输方法，其特征在于，所述装置的无线视觉传感器模块通过高清摄像头采集工业现场视频数据，将数据逐一缓存；在得到请求和完成应答之后，通过已构建的无线网络该模块再将缓存中的视频数据实时的发送到接入本网络的远程监控终端。