CN201185461Y - 一种用于图像采集和传输的无线传感器网络节点设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种用于图像采集和传输的无线传感器网络节点设备，其包括图像传感模块、图像处理模块、图像存储模块、微处理器、无线通信模块、摄像镜头和无线通信天线；该设备采用CMOS图像传感技术采集环境图像信息，并且采用硬件图像压缩编码，生成的jpeg格式图像通过无线通信方式使用无线传感器网络，发送到终端服务器显示和保存。与现有图像设备相比，本设备具有成本低，处理能力强，无线通信距离远，在实施中不需要布线的优点。

Description

一种用于图像采集和传输的无线传感器网络节点设备

技术领域

本实用新型涉及一种用于图像采集和传输的设备，尤其涉及一种用于图像采集和传输的无线传感器网络节点设备，属于无线传感器网络领域。

背景技术

在环境监测、安全监控、智能家居等多种应用场合，都需要采集环境的图像信息。通过图像采集设备可以获得关于周围环境的视频或图像信息，基于对视频和图像信息的分析和处理就可以获得各种应用所需的必要信息。在已知的现有技术中，一般都使用摄像头等终端图像采集设备采集周围环境的图像信息，通过有线或无线的通信方式将原始信息传输到远处的终端，在终端服务器上再对原始数据进行处理。

现有的图像采集系统可以分为两类，一类主要是基于有线传输的视频监控系统，一类主要是基于WLAN、WIFI等无线技术的无线摄像头设备。

视频监控系统通常由部署在各处的许多独立摄像头和一个强大的控制终端组成，摄像头与控制终端之间采取有线连接.该系统的优点是系统功能强大，视频数据信息丰富。但是其缺点是价格昂贵，布设麻烦，不适合部署在环境恶劣的场合，受到电源、通信、安全等多方面因素的限制也不能满足快速部署、临时部署的应用需求，同时其强大的性能也往往超出了实际的应用需求，造成了资源的浪费。

无线摄像头设备，所采用的无线局域网协议如WLAN、WIFI等，具有距离短，功耗大，信道容量高等特点。因此应用场合受到了比较大的限制，比较依赖终端接收设备的位置，并且功耗很大，无法持久工作。

实用新型内容

针对以上问题，本实用新型提供了一种用于图像采集和传输的无线传感器网络节点设备，该设备首先采用CMOS图像传感技术，同传统的CCD摄像技术相比，具有体积小，成本低，功耗小的特点，特别适合于无线传感器网络的应用需求，能够低功耗和高质量的采集环境图像信息。同时设备上还集成了与之配套的硬件图像压缩编码和存储模块，提高了系统的处理速度，保证图片质量的同时又降低了数据流量。采用符合IEEE802.15.4标准和Zigbee技术标准的无线通信协议，支持最多到65000个无线设备组成的一个无线网络系统。类似现有的移动通信的CDMA网或GSM网，每一个Zigbee无线通信设备类似移动网络的一个基站，在整个网络范围内，它们之间可以进行相互通信；每个无线通信设备间的通信距离在标准功率下为75米，但以接力的方式通过无线电波将数据从一个设备传到另一个设备，经过多次接力可以扩展到几百米，甚至几公里，Zigbee无线通信协议特别适用于以下的应用场景：需要数据采集或监控的网点多，要求传输的数据量不大，而要求设备成本低；数据传输可靠性高，安全性高；设备体积很小，电池供电；地形复杂，监测点多，需要较大的网络覆盖。本实用新型在Zigbee协议基础上设计了可靠的多跳传输的无线通信协议，多个设备可以自组成网，协作传输，即解决了有线通信系统布线麻烦的缺点，又克服了通常的无线局域网络通信距离短、功耗高的缺点。

为实现上述目的，如图1所示，用于图像采集的无线传感器网络节点设备的逻辑结构包括：图像传感模块、图像处理模块、图像存储模块、微处理器、无线通信模块。这些模块的连接关系说明如下，图像传感模块经过数据线与图像处理模块连接，数据线包括控制线和图像像素点的模拟量数据线或者是数字量数据线，控制线通常是I²C总线接口。图像处理模块经过SPI接口或者通用串行接口和微处理器连接。图像存储模块通过地址线和数据线和微处理器连接。无线通信模块通过SPI总线和若干辅助数据线(含中断信号等)和微处理器连接。图像传感模块的原始感知数据经过图像处理模块的加工得到压缩后的图像数据；微处理器模块位于系统的核心位置，图像处理模块、图像存储模块和无线通信模块均接受微处理器的控制。该设备还包括一个外部供电的电源模块。在微处理器上运行图像采集程序与无线通信程序，控制和调度各个硬件模块完成设备功能，保证服务质量。

在进行图像采集时，微处理器利用通用串行接口控制图像处理模块由图像传感模块采集图像，采集到的原始位图信息经过图像处理模块压缩编码之后，传输到微处理器，再由微处理器存储于图像存储模块中。微处理器可以直接把图像处理模块的输出数据经由无线通信模块发送出去，也可以在需要时从图像存储模块中读取图像数据再通过无线通信模块把图像数据传输出去。在实际的设备使用过程中，通常是如图2所示，多个设备构成一个小型的自组织多跳无线通信网络系统，此外在系统中还包括一个网关设备和一个基站设备。基站设备就是用于接收、显示、保存图像数据的终端服务器(通常就是普通的个人计算机)，网关设备就是用于连接基站设备与无线传感器网络的数据转发设备。单个设备发出的图像信息首先经过多跳的、自组织的网络路由到达网关设备，最后再转发到基站设备，用户即可以看到节点设备采集的图像信息。

如图3所示，上述的无线传感器网络节点设备的物理结构包括：设备的内部电路和安装在设备外部的无线通信天线、摄像镜头和电池盒。若设备采用非金属材料的封装形式(即不屏蔽电磁波)，则亦可以不包括安装在设备外部的无线通信天线，而采用内部的微型天线，或者亦可以同时包括两种天线结构。摄像镜头安装于外部以采集外部的图像信息。电池盒用于提供电源，其形式可能是干电池、可充电电池、光电池或其他可能的直流供电形式。设备的内部电路包括图像采集电路、控制和通信电路和接口电路等。内部的电路可以采用单块电路板的形式，也可以采用多块电路板的形式。采用单块电路板形式的设备内部电路将上述电路模块全部置于一块电路板上。采样多块电路板形式的设备内部电路将上述电路模块分解置于多块电路板上，在电路板之间采用(但不限于)排线、插针连接。

设备内部电路的一种优化的形式为双电路板形式，即一块图像采集电路板和一块控制和通信电路板，图像采集电路板包括图像传感模块，图像处理模块和图像存储模块；控制和通信电路板包括微处理器模块和无线模块。天线安装在控制和通信电路板上，摄像镜头安装在图像采集电路板上。图像采集电路板与控制和通信电路板通过插针连接。该积木式的结构可以灵活的支持换用不同的图像采集模块或换用不同的无线通信或控制模块。

无线通信容易受到衰落和干扰的影响，其数据通信具有不可靠性。一方面图像的数据传输量比较大、待传输图像的节点设备数目比较多；另一方面在压缩后的图像数据传输中错误和丢失都会严重影响图像质量，因此必须考虑多节点设备工作环境下，图像数据的可靠传输问题。本实用新型采用了一种基于确认重传的可靠传输方案，具体描述如下：若节点A向节点B发送数据，则B再成功接收数据并保证可以继续转发的前提下，才会向节点A返回一个确认信号；只有节点A接收到确认信号，才会继续传输下一个数据分组，否则会隔一段随机的时间之后重新传输；若B已经收到分组并返回确认信号，但确认信号本身丢失，则节点A也会重新发送同样的分组，而节点B收到重复的分组后仅返回确认信号，且重复的数据分组在B中被丢弃，以避免重复处理。

为了有效的保证确认重传机制的实施，必须在一定长的时间内保存图像数据。图像存储模块完成了上述功能，它可以保存历史数据以备查询，还可以保证在数据传输过程中采样确认重传机制时的可靠传输。

综上所述，本实用新型的技术方案为：

一种用于图像采集和传输的无线传感器网络节点设备，包括图像传感模块、图像处理模块、图像存储模块、微处理器、无线通信模块、摄像镜头和无线通信天线；其特征在于：

所述图像传感模块经过数据线与所述图像处理模块连接；

所述图像处理模块经过SPI接口或串行接口与所述微处理器连接；

所述图像存储模块通过地址线和数据线与所述微处理器连接；

所述无线通信模块通过SPI总线和数据线与所述微处理器连接；

所述摄像镜头与所述图像传感模块通过数据线连接；

所述无线通信天线与所述无线通信模块通过信号线和地线连接。

所述图像传感模块、图像处理模块、图像存储模块位于一图像采集电路板上；所述图像处理模块通过I²C接口和数据线与所述图像传感模块连接；所述图像处理模块通过SPI接口与图像存储模块连接；

所述微处理器和无线通信模块位于一控制和通信电路板上；所述微处理器通过SPI接口和数字I/O接口与所述通信电路模块连接；

所述图像采集电路板与所述控制和通信电路板通过插针连接；

所述电源模块通过电线与所述控制和通信电路板电连接。

所述无线通信模块包括：链路评估模块，用于评估设备与其邻居设备的无线通信质量；寻路模块，用于进行节点下一跳路由的选择；发送模块，用于维护发送队列，发送数据分组。

所述图像传感模块为CMOS图像传感芯片OV7640；所述微处理器为MSP430系列微处理器，其外围电路包括电源滤波电路、时钟源电路、指示灯电路、外扩FLASH电路、复位电路、在线程序更新电路；所述无线通信模块为无线收发芯片CC2420，其外围电路包括收发频率匹配电路、数模滤波电路、天线匹配电路。

所述摄像镜头固定在所述图像传感模块感光区域的正上方。

所述无线通信天线为外部天线，其通过底座固定在所述无线通信模块的侧面。

所述无线通信天线为内置的PCB天线，位于所述控制和通信电路板上。

所述图像处理模块通过八位并行数据线与所述图像传感模块连接。

本实用新型具有以下特点：

1，微型化：图像采集节点在不超过(30mm×60mm)面积的PCB电路板上安装摄像镜头，微处理器，无线收发器以及电池，最终的设备厚度不超过20mm。

2，低功耗：图像采集设备在图像采集和传输过程中电流约为80mA，而在不采集时电流约为40mA，如果同时无线收发也停止，电流约为20mA。如果采用1000mAH的干电池，能够连续工作一周以上，若采用间歇工作的方式，可以支持几个月甚至更久的时间。

3，工作频段：无线通信工作在2.4GHZ频段上，两个节点之间的通信距离为50-100m；，无线通信可以穿透1层墙(楼板)。

4，传输延迟：在10个节点的情况下，在1分钟左右就可以完成一幅图像的采集与传输，在终端服务器上显示采集的图片。

5，多跳中转：在10个节点的情况下，可以建立一个汇聚型的多级路由结构，最远处的节点采集的图像数据可以被其他节点逐次中转，最后传输终端服务器；设备的部署范围可以至少扩展到300到500m。

6，可靠性：当多个节点同时传输图像数据的时候，可以保证图像数据无误的传达到基站设备。

附图说明

图1为本实用新型的原理图；

图2为本实用新型系统说明图

图3为本实用新型的物理结构图

1-天线，2-控制和通信电路板，3-电池盒，4-摄像头，5-图像采集电路板

图4为无线通信软件结构图

图5为图像采集流程图

图6为设备工作流程图

具体实施方式

以下结合附图通过最佳实施例详细说明本实用新型，但不构成对本实用新型的限制。如图1所示，为本实用新型的原理图。图像传感模块与图像处理模块相连，图像处理模块与微处理器模块相连，微处理器产生控制命令控制图像处理模块。图像处理模块接收到微处理器的控制命令之后，再控制图像传感模块采集周围环境的原始图像信息，图像处理模块将原始图像信息压缩编码之后存储于图像存储模块中。微处理器从图像存储模块中可以读取到图像数据，然后通过无线通信模块发送出去。

在本实施例中，图像传感模块采用了CMOS图像传感芯片OV7640：最大可以采集解析度为640*480(30万像素)的静态图像数据，工作电压3V，功耗40mW。微处理器采用了TI公司的MSP430F1611，该处理器有比较丰富的内部资源和外部接口，最高处理主频达到8MHz，芯片内部有10K Byte RAM和48K Byte Flash。微处理器模块除了微处理器之外，还包括若干相关外围电路，主要有电源滤波电路，时钟源电路，指示灯电路，外扩FLASH电路，复位电路，在线程序更新电路等。无线通信模块采用的是chipcon公司的无线收发芯片CC2420。CC2420提供了基于2.4GHz的IEEE802.15.4协议的单芯片解决方案，最高通信速率250kbps，最大发射功率0dbm。无线通信模块除了无线收发芯片外，还包括若干外围电路，主要有收发频率匹配电路，数模滤波电路，天线匹配电路等。天线同时具有PCB印制板天线和外部天线，可以灵活选用。设备内部电路采用双电路板形式。

图3为本实用新型的结构图，结合图1，图像传感模块，图像处理模块，图像存储模块都位于图像采集电路板上，图像处理模块通过I²C接口控制图像传感模块，并通过八位并行数据线获取原始位图数据，图像处理模块还通过SPI接口控制图像存储模块，时分复用完成地址线与数据线的功能；微处理器和无线通信模块都位于控制和通信电路板上，微处理器通过SPI接口控制通信电路模块，另外还通过若干普通数字I/O接口获取数据和各个状态信号，两电路板通过插针连接。图像传感模块需要摄像镜头的配合，摄像镜头与图像传感模块通过数据线连接，且固定在图像传感模块感光区域的正上方，可以大大扩展感光区域的感光范围和感光精度，目前可以拍摄20米内的30万像素图像。无线通信模块需要与之匹配的天线，提高无线通信的收发灵敏度，目前使用的天线通信距离在空旷处约为100米。外部天线通过底座固定在无线通信模块的侧面，天线的信号线和地线与无线通信模块直接相连。内置的PCB天线位于控制和通信电路板上，位置在无线通信芯片的附近，与无线通信模块通过信号线和地线连接。摄像镜头和外部天线都需要探出外壳之外。电源模块通过电线与控制和通信电路板电连接，电源模块为一电池盒，电池盒内装2节1.5V 5号干电池或充电电池，为设备提供直流3V工作电压。

图4是无线通信模块的软件结构图，无线通信模块的软件结构主要分为三个主要功能模块：Link Estimator(LE，链路评估模块)，负责评估设备与其邻居设备的无线通信质量；CtpRoutingEngine(RE，寻路模块)，负责进行节点下一跳路由的选择；ForwardingEngine(FE，发送模块)，维护发送队列，发送数据分组。

LE模块负责维护设备的邻居设备信息表，量化计算设备与各个邻居设备之间的链路通信质量，为RE模块的寻路提供选择依据。在计算邻居间链路质量时，采用链路收包率作为链路质量评价标准，即链路成功接收包的个数/链路总体发包数，同时还要周期性的向周围的设备广播本设备的信息，更新邻居设备上关于本设备的信息。RE模块读取设备的邻居设备信息表，得到邻居设备到终端的链路质量值，再根据LE模块提供的与邻居设备间的链路质量值，计算出设备到终端的各个路径的链路质量值，从中选择最优路径的下一跳设备作为网络路由上的“父节点”，并提供给FE模块。FE模块负责将数据转发给“父节点”设备，转发的数据既包括本设备采集的图像数据，又包括本设备转发的来自于其它设备的数据。FE模块维护两个接收队列，分别接受本地产生的数据和接收到来自其它设备的数据，通过对这两个队列的调度组成一个发送队列。所有的队列都严格按照先入先出的原则，保证了图片数据在传输过程中的有序性和完整性。为了实现可靠传输，在FE模块上实现了确认，重传，纠错等功能。本实施例确认重传机制的参数设置为，若数据发送后16ms内未收到确认信号，则判定数据发送失败，启动重传。重传分组将在一段随机时间之后开始发生，随机时间为128ms-255ms之间。最大重传次数为30次，若超过最大重传次数数据仍然发送失败，则通知上层程序进行处理。纠错采用了16比特的CRC纠错。缓冲队列设置为可以容纳48个分组。

图5是图像传感模块的软件流程图。微处理器通过通用串行接口向图像处理模块发送数据时，首先需要与图像处理模块进行串口同步。微处理器通过循环发送SYNC命令，直到收到图像处理模块返回的ACK命令为止，通常情况下，重复发送SYNC命令的次数不会超过60次。随后图像处理模块会向微处理器发送一条SYNC命令，微处理器再回传一条ACK命令，同步过程就完成了。

串口同步完成之后，还必须配置图像传感模块的若干参数。微处理器通过向图像处理模块发送相应的控制命令，图像处理模块就会配置图像传感模块的内部参数。配置参数需要依次发送以下4条控制命令：Initial命令，负责配置图片像素大小和颜色参数；Set PackageSize命令，负责配置传输图片数据的过程中，每个数据包中的图片数据字节数；Snapshot命令，负责设置图像传感模块的工作模式；Get Picture命令，设置拍摄图片类型，同时开始采集图像。每次发送一条命令成功，图像处理模块都会返回一条相应的ACK命令。如果一切顺利，在最后的Get Picture命令发送成功之后，相关的参数都已经配置完毕，并且图像传感模块开始采集原始的图像信息，图像处理模块开始对这些图像信息进行压缩编码，并存储于图像存储模块中。

图像处理模块向微处理器发送一条Data命令通告图片信息已经处理完成。然后微处理器就可以开始顺序读取jpeg格式的图片信息。微处理器向图像处理模块发送ACK命令，该命令中会包含图像数据包序列号信息，然后图像处理模块就会从图像存储模块中读取相应的数据并转发给微处理器。以此循环，直到微处理器读取完所有的数据包，最后一次发送ACK，不会再接收到新的数据包。

图6是设备工作的软件流程图。设备启动之后，微处理器首先会对内部的各种设备和变量进行初始化，同时还要初始化相关的外设。然后启动无线通信机制，LE软件模块开始工作，经过若干次无线信道的广播与监听，设备建立起邻居设备信息表和邻居通信链路的质量，RE模块以此为依据确定了“父节点”设备，意味着设备已经加入了系统网络。

在设备加入系统网络之后，设备就进入了命令等待状态，等待终端服务器通过系统网络发送过来的控制命令。如控制命令通知该设备开始采集图片，那么微处理器就控制设备上的图像传感模块完成图像的传感、压缩、与存储。然后微处理器启动图像传感模块，开始顺序读取图片数据，并将采集到的图片数据交给FE模块进行转发。FE模块在转发数据的过程中，通过完善的可靠传输机制，包括确认、重传、校验码、缓存等各种手段保证传输的数据以预定的顺序完整的到达终端服务器，保证了图片传输的质量。

Claims (8)

1.一种用于图像采集和传输的无线传感器网络节点设备，包括图像传感模块、图像处理模块、图像存储模块、微处理器、无线通信模块、摄像镜头和无线通信天线；其特征在于：

所述图像传感模块经过数据线与所述图像处理模块连接；

所述图像处理模块经过SPI接口或串行接口与所述微处理器连接；

所述图像存储模块通过地址线和数据线与所述微处理器连接；

所述无线通信模块通过SPI总线和数据线与所述微处理器连接；

所述摄像镜头与所述图像传感模块通过数据线连接；

所述无线通信天线与所述无线通信模块通过信号线和地线连接。

2.如权利要求1所述的设备，其特征在于所述图像传感模块、图像处理模块、图像存储模块位于一图像采集电路板上；所述图像处理模块通过1²C接口和数据线与所述图像传感模块连接；所述图像处理模块通过SPI接口与图像存储模块连接；

所述微处理器和无线通信模块位于一控制和通信电路板上；所述微处理器通过SPI接口和数字I/O接口与所述通信电路模块连接；

所述图像采集电路板与所述控制和通信电路板通过插针连接；

所述电源模块通过电线与所述控制和通信电路板电连接。

3.如权利要求1或2所述的设备，其特征在于所述无线通信模块包括：链路评估模块，用于评估设备与其邻居设备的无线通信质量；寻路模块，用于进行节点下一跳路由的选择；发送模块，用于维护发送队列，发送数据分组。

4.如权利要求1所述的设备，其特征在于所述图像传感模块为CMOS图像传感芯片OV7640；所述微处理器为MSP430系列微处理器，其外围电路包括电源滤波电路、时钟源电路、指示灯电路、外扩FLASH电路、复位电路、在线程序更新电路；所述无线通信模块为无线收发芯片CC2420，其外围电路包括收发频率匹配电路、数模滤波电路、天线匹配电路。

5.如权利要求4所述的设备，其特征在于所述摄像镜头固定在所述图像传感模块感光区域的正上方。

6.如权利要求4所述的设备，其特征在于所述无线通信天线为外部天线，其通过底座固定在所述无线通信模块的侧面。

7.如权利要求4所述的设备，其特征在于所述无线通信天线为内置的PCB天线，位于所述控制和通信电路板上。

8.如权利要求1所述的设备，其特征在于所述图像处理模块通过八位并行数据线与所述图像传感模块连接。

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