鄧伯韜，孫 濤

(武漢大學電子信息學院，湖北 武漢，430072)

基于無線傳感網(wǎng)的圖像監(jiān)測系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

鄧伯韜，孫 濤

(武漢大學電子信息學院，湖北 武漢，430072)

針對觀測傳感網(wǎng)中的災害應急監(jiān)測，設計一套基于ZigBee網(wǎng)絡的圖像監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)的感知層與傳輸層由攝像頭模塊、無線傳輸模塊、MCU控制模塊和電源模塊組成；采用低功耗CC2430為主控芯片，實現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)的采集與傳輸；通過SIFT特征匹配算法實現(xiàn)來源于應用層多種終端設備的監(jiān)測圖片的拼接。本系統(tǒng)具有簡單、組網(wǎng)靈活、低功耗、低成本等優(yōu)勢，適用于地面無基礎設施或災后應急的圖像監(jiān)測，是空天地多平臺、多傳感器的協(xié)同觀測系統(tǒng)的有效補充。

災害應急監(jiān)測；ZigBee；無線傳感器網(wǎng)絡；圖像傳輸；圖像拼接

對地觀測傳感網(wǎng)是對地觀測領域的新方法，它將具有感知、計算和通信能力的傳感器以及傳感器網(wǎng)絡與萬維網(wǎng)進行有機結合，使分布式資源整合為一個獨立、自主、任務可定制、動態(tài)適應并可重新配置的協(xié)同觀測系統(tǒng)。對地觀測技術在國土資源、農(nóng)業(yè)規(guī)劃、作物估產(chǎn)、工業(yè)布局、城鄉(xiāng)建設、國防工程、污染防治、災害預警、災害應急等眾多領域具有十分重要的應用價值和不可估量的應用潛力[1-3]。傳統(tǒng)的視頻監(jiān)測系統(tǒng)成本高，增加新節(jié)點須改變物理線路，維護成本也高。而一般的無線傳輸系統(tǒng)采用GPRS的方案實現(xiàn)圖像遠距離傳輸，這種方式依賴于基站，建立與維護基站的難度大，而且在災害性天氣情況下，容易出現(xiàn)網(wǎng)絡癱瘓的狀況。為此，本文結合ZigBee[4]和WIFI技術，設計一套基于ZigBee網(wǎng)絡的對地觀測傳感網(wǎng)圖像監(jiān)測系統(tǒng)，以期實現(xiàn)地面無基礎設施或災后應急狀況下的圖像監(jiān)測。

1 系統(tǒng)整體結構

對地觀測傳感網(wǎng)的系統(tǒng)框架如圖1所示。系統(tǒng)共有三個層次，第一層是感知數(shù)據(jù)的感知層，第二層是數(shù)據(jù)傳輸?shù)木W(wǎng)絡層，第三層是內容應用層。感知層由無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點和接入網(wǎng)關組成，節(jié)點感知環(huán)境信息(溫度、濕度、圖像等)，并自行組網(wǎng)傳遞到上層網(wǎng)關接入點，由網(wǎng)關將收集到的環(huán)境信息通過網(wǎng)絡層提交到上層處理。網(wǎng)絡層建立在現(xiàn)有的移動通信網(wǎng)絡和互聯(lián)網(wǎng)基礎上，通過各種接入設備與移動通信網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)相連。應用層處理和分析來自感知層的數(shù)據(jù)，為用戶提供個性化的定制服務。

按照上述的架構模型，本系統(tǒng)由若干個基于ZigBee的匯聚節(jié)點、圖像采集節(jié)點、WIFI模塊、服務器和Android終端組成。為了保證數(shù)據(jù)的可靠傳輸和組網(wǎng)的簡單性，在感知層的匯聚節(jié)點與采集節(jié)點組成單跳的星型網(wǎng)絡拓撲結構完成監(jiān)測任務，采集節(jié)點與CMOS攝像頭通過RS-232通信，攝像頭具有采集和壓縮圖像功能，采用標準的JPEG圖像壓縮算法，輸出JPEG格式圖像。在網(wǎng)絡層，匯聚節(jié)點通過RS-232與WIFI模塊連接，完成ZigBee網(wǎng)絡與WIFI網(wǎng)絡之間的轉換。應用層實現(xiàn)圖像拼接和顯示功能，各類終端如Android手機、PC機等都可以接收圖像序列。此外，用戶通過終端將控制信息反饋給ZigBee網(wǎng)絡，實現(xiàn)對采集節(jié)點的控制和管理。

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 圖像采集節(jié)點

圖像采集節(jié)點采用模塊化的結構，包括圖像采集模塊、MCU控制器、無線通信模塊和電源模塊，如圖2所示。

圖像采集節(jié)點的芯片使用TI公司的CC2430。CC2430支持IEEE802.15.4/ZigBee協(xié)議，可以用來實現(xiàn)嵌入式ZigBee應用的片上系統(tǒng)。它具有一個增強的8051內核，功能強大，而且只需要采用兩節(jié)1.5 V干電池供電。CC2430正常工作時，最大發(fā)射電流為25 mA，最大接收電流為27 mA，休眠狀態(tài)下電流為1 μA[5-6]，很好地滿足了系統(tǒng)低功耗的要求。

圖像采集模塊使用譜泰通信科技有限公司的PTC08串口攝像頭。該模塊集合了圖像采集、拍攝控制、圖像數(shù)據(jù)壓縮、串口傳輸?shù)裙δ?。模塊的工作電壓為5 V，工作電流為75 mA，采用通用的3線制TTL電平UART通信接口，可以方便地與CC2430通信。

2.2 網(wǎng)關

匯聚節(jié)點連接ZigBee網(wǎng)絡與WIFI網(wǎng)絡，起到網(wǎng)關的作用，實現(xiàn)異構網(wǎng)絡的互聯(lián)與數(shù)據(jù)傳輸。網(wǎng)關使用RS-232串口連接WIFI模塊，其結構模型如圖3所示。CC2430模塊接收采集節(jié)點的圖像數(shù)據(jù)，通過RS-232串口上傳給WIFI模塊，最終發(fā)送到服務器或手機終端。同時，服務器和手機終端也可以發(fā)送采集控制指令，反向傳輸給采集節(jié)點。

3 系統(tǒng)軟件設計

該系統(tǒng)軟件分成3個部分：圖像采集節(jié)點軟件、匯聚節(jié)點軟件、服務器或Android手機端軟件。整個系統(tǒng)工作時序如圖4所示。

3.1 圖像采集節(jié)點軟件

圖像采集節(jié)點軟件采用C語言編程，在IAR開發(fā)環(huán)境下進行編譯和調試。由于IEEE 802.15.4協(xié)議中規(guī)定物理層只能傳輸不超過127字節(jié)的數(shù)據(jù)幀，除去協(xié)議定義的應用層、網(wǎng)絡層、MAC層幀首及幀尾，實際上每幀傳輸數(shù)據(jù)信息不超過89字節(jié)[7-9]，故需對應用層采集的圖像數(shù)據(jù)進行分組傳輸。為了提高傳輸?shù)男?，本系統(tǒng)在TI公司提供的Basic RF傳輸實例基礎上進行修改，設計了一個簡單圖像數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，規(guī)定每幀圖像傳輸?shù)臄?shù)據(jù)長度為96字節(jié)，幀格式如表1所示。

為了便于分組傳輸圖像，將每幅圖像P的數(shù)據(jù)表示為P={P1，P2，…，Pn}。其中n為圖像數(shù)據(jù)分組序列號；P1表示第一幀圖像數(shù)據(jù)，以兩個固定字節(jié)0xFF和0xD8開頭；Pn為最后一幀圖像數(shù)據(jù)，以兩個固定字節(jié)0xFF和0xD9結尾。圖像采集節(jié)點首先加入?yún)R聚節(jié)點建立的ZigBee網(wǎng)絡，然后通過串口向攝像頭發(fā)送控制命令或接收圖像數(shù)據(jù)，最后將圖像數(shù)據(jù)發(fā)送到ZigBee網(wǎng)絡中，軟件流程如圖5所示。

3.2 匯聚節(jié)點軟件

匯聚節(jié)點的軟件主要包含兩個部分：ZigBee網(wǎng)絡的建立和數(shù)據(jù)的透明傳輸。設計方法與采集節(jié)點類似。匯聚節(jié)點接收來自服務器或手機的下行控制指令，解析轉換后發(fā)到相應的圖像采集節(jié)點，也接收采集節(jié)點上傳的圖片數(shù)據(jù)，并轉發(fā)至服務器或手機。

3.3 服務器和Android手機端軟件

服務器和Android手機端軟件使用Java開發(fā)，遠程控制采集節(jié)點，對接收數(shù)據(jù)進行重組、存儲并顯示圖像。軟件設計主線程和圖像傳輸2個線程，如圖6所示。主線程負責圖形顯示界面、監(jiān)控按鈕和啟動圖像傳輸線程。圖像傳輸線程負責創(chuàng)建Socket連接、發(fā)送拍照指令和讀取圖片文件。多線程技術可以使顯示與傳輸過程獨立，保證界面交互的響應時間。以兩個采集節(jié)點為例，圖7所示為服務器軟件界面，圖8所示為Android手機端軟件界面。

Fig.6 Software flow chart of the server/android mobile phone

4 無線傳感網(wǎng)絡圖像拼接方案

無線傳感器網(wǎng)絡中的圖像采集節(jié)點通常會有許多個，相鄰節(jié)點采集的信息存在冗余性，即圖像間有重疊的區(qū)域。如果將多幅具有重疊區(qū)域的圖像拼接起來，組成寬視角的圖像，不僅可以滿足監(jiān)測的要求，而且可以降低無線網(wǎng)絡中的數(shù)據(jù)量，從而延長網(wǎng)絡的生命周期[10]。

圖像拼接一般包括圖像預處理、圖像匹配和圖像縫合三大步驟。由于無線傳感網(wǎng)中采集節(jié)點的資源有限，而預處理中圖像去噪和圖像增強計算量較大，故本系統(tǒng)中對采集的圖像不作預處理。在圖像匹配方面，采用國內外特征點匹配研究領域熱點的SIFT(Scale Invariant Feature Transform)特征匹配算法，其匹配能力較強，可以處理兩幅圖像之間發(fā)生平移、旋轉變換情況下的匹配問題，甚至在某種程度上對任意角度拍攝的圖像也具備較為穩(wěn)定的特征匹配能力。SIFT算法首先在尺度空間進行特征檢測，并確定關鍵點的位置和關鍵點所處的尺度，然后使用關鍵點鄰域梯度的主方向作為該點的方向特征，以實現(xiàn)算子對尺度和方向的無關性。

5 系統(tǒng)實測效果驗證

在系統(tǒng)的測試中，選取兩個采集節(jié)點和一個匯聚節(jié)點組成ZigBee網(wǎng)絡，采集320×240分辨率的JPEG圖像，壓縮后約為12 KB。智能手機使用的Android版本為4.1。

5.1 ZigBee網(wǎng)絡圖像監(jiān)測結果

在整個系統(tǒng)中，影響圖像傳輸速率的主要因素是ZigBee網(wǎng)絡的傳輸速率和串口傳輸速率，因此，將串口攝像頭與采集節(jié)點、匯聚節(jié)點與WIFI模塊的串口通信波特率都設置為最大的115 200 bps。ZigBee網(wǎng)絡的理論傳輸速率為250 000 bps，從串口攝像頭采集一張12 KB的圖像到圖像在終端顯示(忽略數(shù)據(jù)在WIFI網(wǎng)絡中的傳輸時間)，理論上最短時間約為12×8÷115.2+128÷250+12×8÷115.2=2.05 s，而由圖8中可見實際傳輸時間為5.32 s，兩者相差較大，其原因可能是：①ZigBee網(wǎng)絡中的實際傳輸速率并沒有達到理論值；②數(shù)據(jù)采用分包傳輸，各包數(shù)據(jù)傳輸間隔累計延時的時間較長；③RS232串口的傳輸效率只有80%。

圖像大小對傳輸時間有重要影響，對攝像頭采集的原始圖像進行壓縮，可以有效減短傳輸時間。在本系統(tǒng)中可以通過修改終端節(jié)點的程序設置圖像壓縮指令56 00 31 05 01 01 12 04 XX中的XX，改變傳輸圖像的大小，控制圖像傳輸時間。串口波特率為115 200 bps，同一個采集節(jié)點設置不同壓縮率時圖像的傳輸時間如表2所示。由表2中可見，提高壓縮率(XX值)，系統(tǒng)的平均傳輸時間會變短，但圖像的清晰度也會降低。因此，在具體應用中，需要綜合考慮傳輸時間和圖像清晰度來設置XX的值。

5.2 圖像數(shù)據(jù)拼接結果

本文選取兩個節(jié)點(安裝在相鄰位置的傳感器)采集的圖像，在Matlab上進行圖像拼接的仿真實驗。攝像頭從不同角度對實驗室進行監(jiān)測，圖9中，(a)、(b)為通過系統(tǒng)采集到的320×340分辨率的JPEG格式圖像，(c)為兩幅圖像拼接后的效果圖。由圖9中可見，拼接的圖像組成寬視角的圖像，降低了相鄰節(jié)點采集的信息的冗余性。

6 結語

本文利用了ZigBee網(wǎng)絡節(jié)點成本低、功耗小、系統(tǒng)簡單、組網(wǎng)靈活等特點，結合WIFI技術，設計并實現(xiàn)一套基于ZigBee網(wǎng)絡的圖像監(jiān)測系統(tǒng)，完成了圖像采集、傳輸和多種終端顯示功能與控制功能。該系統(tǒng)是進行空天地多平臺、多傳感器協(xié)同觀測系統(tǒng)的一個補充，在缺乏基礎設施和環(huán)境惡劣的場合有廣泛的應用前景。

[1] 李德仁.對地觀測與抗震救災[J].測繪科學，2009，34(1):8-10.

[2] 李德仁.論空天地一體化對地觀測網(wǎng)絡[J].地球信息科學學報，2012，14(4):419-425.

[3] 陳澤強. 傳感網(wǎng)整合關鍵技術研究[D].武漢：武漢大學，2012:6-14.

[4] ShanhinFarahani.ZigBeewirelessnetworksandtransceivers[M].USA: Elsevier,2008:1-12.

[5] TexasInstrument.CC2430datasheet[EB/OL].(2007-06-06)[2013-10-04]. http://www.ti.com/lit/ds/symlink/cc2430.pdf.

[6] TexasInstrument.Poweringlow-powerRFproducts[EB/OL].(2009-09-18)[2013-10-04].http://www.ti.com/lit/an/swra173b/swra173b.pdf.

[7] IEEE802.15.4-2006.Wirelessmediumaccesscontrol (MAC) and physical layer (PHY) specifications for low-rate wireless personal area networks (WPANs)[S].

[8] 高守瑋，吳燦陽. ZigBee技術實踐教程——基于CC2430/31的無線傳感器網(wǎng)絡解決方案[M].北京：北京航空航天大學出版社，2009：27-41.

[9] 熊迎軍，沈明霞，孫玉文，等.農(nóng)田圖像采集與無線傳輸系統(tǒng)設計[J].農(nóng)業(yè)機械學報，2011，42(3):184-187.

[10]熊哲源，樊曉平，劉少強，等.一種適用于多媒體傳感器網(wǎng)絡的圖像拼接算法[J].計算機應用研究，2012，29(5):1970-1973.

[責任編輯 鄭淑芳]

Design and implementation of image monitoring system based on wireless sensor network

DengBotao,SunTao

(School of Electronic Information, Wuhan University, Wuhan 430072, China)

For disaster emergency monitoring in intelligent earth observation system, a wireless image monitoring system is proposed based on ZigBee technology. The perception layer and transport layer of the proposed system are made up of camera module, wireless transmission module, micro controller unit and power module. A low-powered CC2430 microprocessor is used as main control chip to collect and transmit image data. The image sequence can be

and pieced together by a variety of terminal devices in the application layer of the proposed system. Laboratory tests show that the proposed system can be applied to infrastructure-less or disaster emergency image monitoring with the advantages of simplicity, flexibility, easy installation, low-power consumption and low cost. It provides an effective supplement for the space-air-ground collaborative observation system of multiple platforms and multiple sensors.

disaster emergency monitoring; ZigBee; wireless sensor network; image transmission; image mosaic

2014-10-12

國家重點基礎研究發(fā)展計劃(973計劃)資助項目(2011CB707106).

鄧伯韜(1988-)，男，武漢大學碩士生.E-mail:elegant0@163.com

孫 濤(1974-)，男，武漢大學教授，博士生導師.E-mail:suntaowhu@gmail.com

TN919.8；TP399

A

1674-3644(2015)02-0138-05