農(nóng)作物區(qū)域中多媒體傳感網(wǎng)絡(luò)智能監(jiān)測(cè)架構(gòu)的研究與設(shè)計(jì)

任　華

(成都農(nóng)業(yè)科技職業(yè)學(xué)院信息技術(shù)分院，四川成都 611130)

我國(guó)作為一個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó)，規(guī)范化的大面積集中種植已經(jīng)是一種普遍現(xiàn)象。在大面積農(nóng)作物種植區(qū)域中為了節(jié)約人力成本，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)規(guī)范種植，往往會(huì)使用無(wú)線傳感控制網(wǎng)絡(luò)對(duì)環(huán)境進(jìn)行監(jiān)控[1]。受地殼運(yùn)動(dòng)和板塊擠壓作用，我國(guó)地震、火山等自然災(zāi)害頻繁，特別是西部、南部山區(qū)，川陜、川滇、川藏等地區(qū)，由于山體高大，巖層風(fēng)化劇烈，雨季降水比較多，容易引起滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害?；诙嗝襟w傳感器網(wǎng)絡(luò)的地質(zhì)災(zāi)害災(zāi)區(qū)智能監(jiān)測(cè)采用綜合多源異質(zhì)傳感器系統(tǒng)[2]，通過(guò)目標(biāo)識(shí)別及數(shù)據(jù)融合等技術(shù)，以智能方式識(shí)別監(jiān)測(cè)環(huán)境中可能發(fā)生的余震、滑坡、滾石、坍塌以及泥石流等險(xiǎn)情，可區(qū)分人員車(chē)輛等運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，降低虛報(bào)率并就所監(jiān)測(cè)的場(chǎng)景提供實(shí)時(shí)圖像，完成實(shí)時(shí)智能監(jiān)測(cè)與險(xiǎn)情判決，同時(shí)具有自組織、自配置及低功耗管理等特性。

在通過(guò)實(shí)地考察獲取的實(shí)際地質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，本設(shè)計(jì)將應(yīng)用日益廣泛的多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)與地質(zhì)災(zāi)害災(zāi)區(qū)險(xiǎn)情智能監(jiān)測(cè)相結(jié)合。與傳統(tǒng)傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)相比，本設(shè)計(jì)不但同樣具有自組織、自配置、抗毀性等優(yōu)勢(shì)，同時(shí)具有更為真實(shí)全面的多源異質(zhì)信息感知監(jiān)測(cè)能力[3]。與現(xiàn)有其他無(wú)線音頻、視頻監(jiān)測(cè)系統(tǒng)相比，本設(shè)計(jì)中的監(jiān)測(cè)架構(gòu)具有智能特性，由人工視頻監(jiān)視變?yōu)橹悄芊治龈婢?/p>

1　研究方法

1.1　目標(biāo)識(shí)別

運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)與監(jiān)測(cè)跟蹤是多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)的主要用途之一，運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)的目的是對(duì)序列圖像進(jìn)行分析，將運(yùn)動(dòng)目標(biāo)區(qū)域從背景圖像中區(qū)分并且提取出來(lái)。運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)是圖像分析和理解的前提，目前常用的目標(biāo)識(shí)別方法有幀間差分法、背景差分法和光流法[4]。

1.2　監(jiān)測(cè)跟蹤判決

運(yùn)動(dòng)目標(biāo)跟蹤的目的是通過(guò)對(duì)序列圖像的分析，對(duì)感興趣目標(biāo)的位置和速度等運(yùn)動(dòng)特征進(jìn)行估計(jì)或預(yù)測(cè)。目前常用的監(jiān)測(cè)跟蹤目標(biāo)的方法有基于特征的跟蹤，基于區(qū)域的跟蹤，基于模型的跟蹤和基于活動(dòng)輪廓的跟蹤[5-6]。

在農(nóng)作物種植區(qū)域使用多媒體傳感網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行監(jiān)控時(shí)，捕捉到的圖像序列會(huì)受到多種環(huán)境因素的影響，如光線亮度的變化，風(fēng)沙暴雨等氣候的變化，陰影和物體間重疊以及運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)變化等。圖像序列變化都會(huì)給運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的監(jiān)測(cè)和跟蹤帶來(lái)不同程度的影響。本研究面向的監(jiān)測(cè)對(duì)象不同于一般監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所監(jiān)測(cè)的(車(chē)輛、人員等)目標(biāo)，而是更為復(fù)雜的地質(zhì)險(xiǎn)情表征目標(biāo)，如滾石等，所監(jiān)測(cè)的背景雖然較為復(fù)雜，但是相對(duì)固定，具有較高的監(jiān)測(cè)可行性。

1.3　智能信息處理

由于能量的限制，不可能將圖像信息直接傳輸?shù)饺诤瞎?jié)點(diǎn)進(jìn)行融合，這就要求將視頻傳感器采集的圖像在當(dāng)前多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn))實(shí)時(shí)進(jìn)行處理，除了對(duì)圖像進(jìn)行簡(jiǎn)單的壓縮編碼，同時(shí)還須要提取圖像的特征編碼，這樣傳輸?shù)饺诤现行牡木褪菈嚎s后的圖像和特征編碼?？紤]到網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的處理能力和低功耗需求，微控制單元(micro controller unit，簡(jiǎn)稱(chēng)MCU)會(huì)先將傳感器采集的音頻、視頻數(shù)據(jù)保存在本地存儲(chǔ)器中，這里采用的是嵌入式多媒體卡(embedded multi media car，簡(jiǎn)稱(chēng)EMMC)高速存儲(chǔ)器，然后優(yōu)先將特征編碼發(fā)送到融合中心。

融合中心對(duì)多個(gè)傳感終端傳來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合[7]，融合之前要對(duì)時(shí)間空間進(jìn)行校準(zhǔn)。校準(zhǔn)需要2個(gè)方面的信息：一方面是該網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的路由和位置信息，另一方面是網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的時(shí)間信息。在融合的過(guò)程中，圖像的配準(zhǔn)問(wèn)題要求使用2幅或多幅圖片進(jìn)行配準(zhǔn)，以確保疊加的每幅圖像上相應(yīng)的像素代表地面上的同一位置、對(duì)應(yīng)于同一物體。多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

本設(shè)計(jì)對(duì)特征層目標(biāo)特性進(jìn)行融合，包括視頻、振動(dòng)、紅外等多傳感器系統(tǒng)，為識(shí)別提供了比單傳感器更多有關(guān)目標(biāo)的特征信息，增大了特征空間維數(shù)。具體的融合方法仍是模式識(shí)別的相應(yīng)技術(shù)，只是在融合前必須先對(duì)特征進(jìn)行關(guān)聯(lián)處理，把特征矢量分類(lèi)成有意義的組合，區(qū)域異構(gòu)傳感特征融合流程如圖2所示。

相鄰網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)異構(gòu)的傳感設(shè)備(振動(dòng)、圖像、聲音等)所采集的數(shù)據(jù)融合并配合使用，是多媒體信息融合的一項(xiàng)主要內(nèi)容，這里采取的方式是通過(guò)實(shí)時(shí)采集，分別將傳感設(shè)備中的數(shù)據(jù)進(jìn)行特征提取，以特征向量的形式共同傳向融合節(jié)點(diǎn)，在節(jié)點(diǎn)處處理單一時(shí)刻的多方信息，由于聲音、振動(dòng)、紅外的數(shù)據(jù)量相對(duì)較小，所以采用以圖像為融合主體的形式，其他相關(guān)傳感特征以時(shí)間為基準(zhǔn)進(jìn)行融合。對(duì)目標(biāo)進(jìn)行的特性融合識(shí)別就是基于關(guān)聯(lián)后的聯(lián)合特征矢量進(jìn)行模式識(shí)別。

2　多媒體傳感網(wǎng)絡(luò)智能監(jiān)測(cè)架構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1　基于低功耗設(shè)計(jì)的多媒體監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)

在目標(biāo)的識(shí)別和監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)中對(duì)數(shù)據(jù)的采集和處理主要包括音頻、視頻和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。其中，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)如紅外傳感器數(shù)據(jù)、震動(dòng)傳感器數(shù)據(jù)等的數(shù)據(jù)量較小，使用帶ZigBee的低功耗MCU(以下稱(chēng)傳感器MCU)即可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸和處理[8-9]；音頻和視頻數(shù)據(jù)龐大，傳輸過(guò)程中對(duì)網(wǎng)絡(luò)要求高，須要使用運(yùn)算能力較強(qiáng)的MCU(以下稱(chēng)節(jié)點(diǎn)MCU)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮和特征提取。

針對(duì)這2類(lèi)數(shù)據(jù)類(lèi)型的特點(diǎn)加上節(jié)點(diǎn)能耗的重要性，筆者設(shè)計(jì)1個(gè)低功耗實(shí)現(xiàn)方法：節(jié)點(diǎn)MCU常態(tài)為低功耗狀態(tài)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各傳感器的狀態(tài)，當(dāng)傳感器MCU監(jiān)測(cè)到異常后，節(jié)點(diǎn)MCU須要進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，此時(shí)自動(dòng)提升頻率，處理完畢后繼續(xù)進(jìn)入低功耗狀態(tài)。由于特征編碼提取速度較壓縮快，節(jié)點(diǎn)MCU會(huì)先將特征編碼發(fā)送到融合中心，當(dāng)融合中心須要傳輸音頻、視頻文件時(shí)，節(jié)點(diǎn)MCU才會(huì)通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)(WiFi)將存儲(chǔ)在EMMC中的音頻、視頻數(shù)據(jù)發(fā)送至融合中心。

2.2　無(wú)線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)方案

本設(shè)計(jì)使用IEEE 802.15.4[10]為無(wú)線通信提供物理層數(shù)據(jù)服務(wù)，WiFi提供音頻和視頻的控制層數(shù)據(jù)通信服務(wù)，使用ZigBee實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)傳感器的組網(wǎng)與控制。設(shè)計(jì)方案如圖3所示。

在大面積農(nóng)作物種植區(qū)域中，由無(wú)線網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的種植區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害視頻、音頻監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)和各類(lèi)傳感器控制網(wǎng)絡(luò)組成系統(tǒng)的農(nóng)作物智能感知系統(tǒng)。每個(gè)基礎(chǔ)傳感器都與對(duì)應(yīng)多媒體傳感節(jié)點(diǎn)的ZigBee連接實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)通信，音頻、視頻傳感器直接連接多媒體傳感節(jié)點(diǎn)，由當(dāng)前節(jié)點(diǎn)對(duì)其采集到的數(shù)據(jù)分別進(jìn)行處理和通信傳輸。

多媒體傳感節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)均發(fā)送到融合中心，該中心設(shè)立了用戶(hù)監(jiān)控功能，可及時(shí)將緊急信息通過(guò)短信方式發(fā)送至用戶(hù)手機(jī)和在線客戶(hù)端，同時(shí)直接刷新強(qiáng)調(diào)顯示報(bào)警圖像，用戶(hù)可通過(guò)任一客戶(hù)端訪問(wèn)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行控制和處理。

2.3　組網(wǎng)應(yīng)用設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)具體的組網(wǎng)應(yīng)用過(guò)程如圖4所示。當(dāng)所監(jiān)控的農(nóng)作物區(qū)域有異常(震動(dòng)、高溫、物體移動(dòng)、爆炸等)發(fā)生時(shí)，傳感器MCU會(huì)通過(guò)ZigBee發(fā)送信息到多媒體傳感器節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)收到信息后啟動(dòng)視頻傳感器，定位異?，F(xiàn)象，將監(jiān)測(cè)到的具體數(shù)據(jù)、聲音和圖像先存儲(chǔ)在EMMC中，提取視頻特征編碼，然后通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)饺诤现行倪M(jìn)行數(shù)據(jù)分析、預(yù)測(cè)、統(tǒng)計(jì)；若激發(fā)異常請(qǐng)求，融合中心的監(jiān)控功能則發(fā)布命令給終端設(shè)備(手機(jī)、PC客戶(hù)端等)進(jìn)行預(yù)警[11]，按異常等級(jí)進(jìn)行控制處理，保存異常狀態(tài)和處理機(jī)制、結(jié)果等。若未激發(fā)異常請(qǐng)求，則記錄狀態(tài)保持監(jiān)控[12]。

3　智能監(jiān)測(cè)架構(gòu)實(shí)現(xiàn)

3.1　硬件設(shè)計(jì)

硬件設(shè)計(jì)主要包括多媒體傳感器節(jié)點(diǎn)和融合中心2大部分，設(shè)計(jì)方案如圖5所示。

3.1.1多媒體傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)方案主控選用意法半導(dǎo)體集團(tuán)(STMicroelectronics，簡(jiǎn)稱(chēng)ST)生產(chǎn)的STM32F469NIH6，該芯片的特點(diǎn)是基于高性能的ARM Cortex-M4處理器，集成浮點(diǎn)運(yùn)算加速器(float point unit，簡(jiǎn)稱(chēng)FPU)以及數(shù)字信號(hào)處理(digital signal processing，簡(jiǎn)稱(chēng)DSP)，最大主頻支持180 MHz；Cortex-M4具有單精度浮點(diǎn)運(yùn)算單元且具備增強(qiáng)的DSP指令集，音頻、視頻處理速度快；集成2 MB Flash、384 kB SRAM超大存儲(chǔ)空間；內(nèi)置靜態(tài)存儲(chǔ)控制器(flexible static memory controller，簡(jiǎn)稱(chēng)FMC)、隊(duì)列式串行外設(shè)接口(queued serial peripheral interface，簡(jiǎn)稱(chēng)QSPI)，以太網(wǎng)媒體訪問(wèn)控制子層協(xié)議(media access control，簡(jiǎn)稱(chēng)MAC)、數(shù)字多媒體卡(secure digital multi media card，簡(jiǎn)稱(chēng)SDMMC)、通用串行總線(universal serial bus，簡(jiǎn)稱(chēng)USB)及攝像頭接口等；具有低功耗運(yùn)行模式。

除主控芯片外，多媒體傳感器節(jié)點(diǎn)硬件方案的其他模塊包括(1)存儲(chǔ)器選用高速32 GB EMMC 5.0，可以在多媒體傳感器節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)大量采集數(shù)據(jù)，通過(guò)SDMMC接口與STM32F469主控芯片通信；(2)視頻采集選用OV7620-模組通過(guò)可變靜態(tài)存儲(chǔ)控制器(flexible static memory controller，簡(jiǎn)稱(chēng)FSMC)總線與主控芯片STM32F469通信；(3)WiFi模塊使用Marvell8801主控芯片通過(guò)SDIO接口與STM32F469通信；(4)ZigBee協(xié)調(diào)器選用德州儀器(texas instruments，簡(jiǎn)稱(chēng)TI)公司的CC2530通過(guò)通用異步收發(fā)傳輸器(universal asynchronous receiver transmitter，簡(jiǎn)稱(chēng)UART)接口與主控芯片STM32F469通信[8-9]；(5)定位模塊選用VK1513，模塊輸出的數(shù)據(jù)格式遵循NMEA0183協(xié)議，通過(guò)UART總線與主控芯片STM32F469通信；(6)普通傳感器如震動(dòng)、溫度、紅外、超聲波等均使用CC2530，并采用ZigBee協(xié)議實(shí)現(xiàn)子節(jié)點(diǎn)。

3.1.2融合中心設(shè)計(jì)方案融合中心[13]類(lèi)似一臺(tái)電腦終端，須要處理網(wǎng)絡(luò)通信、數(shù)據(jù)庫(kù)、文件系統(tǒng)、界面交互等，本方案選用三星ARM11架構(gòu)S3C6410主控系統(tǒng)，其特點(diǎn)為擁有強(qiáng)大的內(nèi)部資源和處理能力，可穩(wěn)定運(yùn)行667MHz主頻；支持Mobile 雙倍速率同步動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器(double data rata，簡(jiǎn)稱(chēng)DDR)和多種NAND Flash；支持WinCE 6.0、Linux 2.6.28、Android 2.3以及μC/OS-Ⅱ等操作系統(tǒng)；支持QT Extended 4.4.3圖形界面，提供了標(biāo)準(zhǔn)板級(jí)支持包(board support package，簡(jiǎn)稱(chēng)BSP)并開(kāi)放源碼；支持通用分組無(wú)線服務(wù)技術(shù)(general packet radio service，簡(jiǎn)稱(chēng)GPRS)模組，選用的MG323是華為公司生產(chǎn)的GPRS無(wú)線通信模塊，具備語(yǔ)音電話、短信和GPRS數(shù)據(jù)通信的功能。

3.2　軟件設(shè)計(jì)

3.2.1多媒體傳感節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)多媒體傳感器節(jié)點(diǎn)選用嵌入式廣泛使用的FreeRTOS操作系統(tǒng)。FreeRTOS是一個(gè)輕量級(jí)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)內(nèi)核，其功能包括任務(wù)管理、時(shí)間管理、信號(hào)量、消息隊(duì)列、內(nèi)存管理、記錄功能、軟件定時(shí)、協(xié)程等，可基本滿(mǎn)足較小系統(tǒng)的需要。在硬件資源需求上，F(xiàn)reeTROS占用資源少，可以運(yùn)行在隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(random access memory，簡(jiǎn)稱(chēng)RAM)有效的嵌入式平臺(tái)中，同時(shí)具有源碼公開(kāi)、可移植、可裁減、調(diào)度策略靈活等優(yōu)點(diǎn)。

多媒體傳感器節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)的主要功能包括(1)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)ZigBee節(jié)點(diǎn)是否有異常數(shù)據(jù)；(2)啟動(dòng)視頻采集并存儲(chǔ)到本地EMMC存儲(chǔ)器；(3)對(duì)視頻信息進(jìn)行壓縮；(4)對(duì)視頻信息進(jìn)行特征編碼提取；(5)通過(guò)WiFi將打包的多媒體節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)發(fā)送到融合中心；(6)通過(guò)WiFi將音視頻信息發(fā)送到融合中心。

多媒體傳輸通信技術(shù)如下：多媒體傳感節(jié)點(diǎn)(以下稱(chēng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn))將全球定位系統(tǒng)(global positioning system，簡(jiǎn)稱(chēng)GPS)定位信息、預(yù)警視頻特征編碼、聲音震動(dòng)、溫度等數(shù)據(jù)封包成數(shù)據(jù)幀，然后發(fā)送到融合中心；融合中心對(duì)數(shù)據(jù)幀進(jìn)行解析，提取出對(duì)應(yīng)的傳感器信息；融合中心下達(dá)上傳音頻、視頻問(wèn)題的指令，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)收到上傳指令后就開(kāi)始通過(guò)WiFi將音頻、視頻數(shù)據(jù)發(fā)送給融合中心。其中網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)幀的格式如表1所示。每組數(shù)據(jù)幀都以00開(kāi)始，F(xiàn)F結(jié)束。SN(serial number)表示數(shù)據(jù)序號(hào)；ID(identification)表示發(fā)送數(shù)據(jù)幀的設(shè)備編號(hào)；Type表示報(bào)警類(lèi)型和等級(jí)；CFG(control flow graph)表示控制信息；Power表示電源電壓數(shù)；DA(data address)表示數(shù)據(jù)地址；SA(source address)表示源地址。

表1　節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)幀的格式

為進(jìn)一步保證數(shù)據(jù)的完整性，本方案對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行循環(huán)冗余校驗(yàn)(cyclic redundancy check，簡(jiǎn)稱(chēng)CRC)處理，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)計(jì)算CRC數(shù)據(jù)，融合中心進(jìn)行驗(yàn)證，通過(guò)后才認(rèn)為結(jié)束，否則須要重發(fā)。

3.2.2融合中心軟件設(shè)計(jì)從軟件系統(tǒng)的優(yōu)化性、可移植性、使用方便性和多樣性角度出發(fā)，本設(shè)計(jì)的軟件系統(tǒng)在Linux上開(kāi)發(fā)，主要有Linux組件、文件系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)、外設(shè)應(yīng)用驅(qū)動(dòng)和瀏覽器/服務(wù)器(browser/server，簡(jiǎn)稱(chēng)B/S)應(yīng)用程序等。Linux采用的是目前使用最為廣泛的Redflag Linux版本；數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)采用MySQL和XML進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)；應(yīng)用驅(qū)動(dòng)包括USB、網(wǎng)卡、串口及以太網(wǎng)、應(yīng)用外設(shè)驅(qū)動(dòng)(音頻、打印等)；應(yīng)用程序是基于B/S結(jié)構(gòu)進(jìn)行開(kāi)發(fā)的，可提供友好的可視化界面。本方案中融合中心的一個(gè)重要功能就是要對(duì)多個(gè)多媒體傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)空校準(zhǔn)后融合，重點(diǎn)在視頻、音頻的處理上。

3.2.2.1音頻、視頻壓縮技術(shù)音頻、視頻的傳輸是軟件設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，在B/S架構(gòu)中客戶(hù)直接通過(guò)IE瀏覽器查看視頻和音頻文件。視頻文件數(shù)據(jù)很大，為提高傳輸速度和圖像質(zhì)量，在傳輸過(guò)程中須要對(duì)其進(jìn)行有效壓縮和解壓。根據(jù)國(guó)際電信聯(lián)盟(international telecommunication union，簡(jiǎn)稱(chēng)ITU)設(shè)置的視頻壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn)，本設(shè)計(jì)采用H.26X系列進(jìn)行視頻壓縮。

攝像頭采集到的圖像格式是一種將亮度信息與色彩信息分離的格式(YUV，Y表示亮度即灰度，U、V表示色度)，該格式的好處在于即使沒(méi)有UV信息也可以顯示完整的黑白圖像。而計(jì)算機(jī)是通過(guò)紅色、綠色、藍(lán)色(red green blue，簡(jiǎn)稱(chēng)RGB)3種基色混合成圖像或視頻。從YVU到RGB之間的轉(zhuǎn)換公式如下：

R=Y+1.371V；G=Y-0.698U-0.336V；B=Y+1.732U。

通過(guò)公式可以快速將YUV轉(zhuǎn)換為RGB并顯示出來(lái)。視頻數(shù)據(jù)采集后打包成數(shù)據(jù)包，打包數(shù)據(jù)封裝成接口，可提供字段包括Que_link數(shù)據(jù)包隊(duì)列、Addr數(shù)據(jù)存放地址、Length數(shù)據(jù)長(zhǎng)度、arg應(yīng)用程序、cmd數(shù)據(jù)命令、status數(shù)據(jù)命令狀態(tài)、reserve保留字段。

3.2.2.2視頻特征編碼提取技術(shù)提取視頻特征碼選用目標(biāo)識(shí)別常用算法中的背景差分算法[6]?；谝曨l傳感器采集到的YUV格式視頻數(shù)據(jù)，采用一種結(jié)合YUV顏色空間色度和亮度進(jìn)行運(yùn)動(dòng)檢測(cè)的算法，對(duì)YUV模型中的Y分量(亮度信號(hào))建立基礎(chǔ)的背景模型。本算法中亮度信號(hào)(Y)和色度信號(hào)(U、V)相互獨(dú)立，可以大量減少?gòu)?fù)雜的開(kāi)平方與乘法運(yùn)算，同時(shí)算法可單獨(dú)編碼，能與動(dòng)態(tài)圖像專(zhuān)家組(moving picture experts group，簡(jiǎn)稱(chēng)MPEG)標(biāo)準(zhǔn)保持良好的兼容性，易于進(jìn)行目標(biāo)數(shù)據(jù)的壓縮、處理和傳輸，而且節(jié)約了存儲(chǔ)空間。該方法在視頻監(jiān)控系統(tǒng)中的使用效果較好、計(jì)算速度快、實(shí)時(shí)性好，對(duì)硬件的資源要求低，也更節(jié)約系統(tǒng)的計(jì)算內(nèi)存。

4　測(cè)試與驗(yàn)證

筆者搭建了模擬農(nóng)作物環(huán)境的虛擬軟件，對(duì)本設(shè)計(jì)的可行性、功能性進(jìn)行了測(cè)試和驗(yàn)證，總結(jié)如下：

4.1　基本功能測(cè)試

使用2個(gè)多媒體傳感器節(jié)點(diǎn)、1個(gè)協(xié)調(diào)器和2個(gè)終端設(shè)備驗(yàn)證基本功能：報(bào)警數(shù)據(jù)采集、傳輸、客戶(hù)端查看和系統(tǒng)控制等。使用可滅火源模擬惡劣天氣中高溫預(yù)警，發(fā)送預(yù)警數(shù)據(jù)包20 KB，每個(gè)預(yù)警節(jié)點(diǎn)的觸發(fā)頻率設(shè)置為5次/min。

試驗(yàn)結(jié)果：每個(gè)傳感節(jié)點(diǎn)可以測(cè)試出≥45 ℃的熱源高溫并進(jìn)行自動(dòng)報(bào)警，第1次未采用GPS定位，無(wú)延時(shí)立即報(bào)警；第2次采用GPS定位，有10 s左右延時(shí)，由此可見(jiàn)，本設(shè)計(jì)基本可以應(yīng)用于農(nóng)作物區(qū)域險(xiǎn)情智能檢測(cè)。

4.2　傳輸網(wǎng)絡(luò)測(cè)試

主要測(cè)試分別在使用ZigBee[14]和WiFi進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中，若遇到干擾信號(hào)或干擾信號(hào)突然增強(qiáng)或減弱時(shí)，傳輸網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性受影響的程度。在測(cè)試中添加了一些家用電器和不同網(wǎng)絡(luò)的手機(jī)[碼分多址(code division multiple access，簡(jiǎn)稱(chēng)CDMA)、全球定位系統(tǒng)、寬帶碼分多址(wideband code division multiple access，簡(jiǎn)稱(chēng)WCDMA)等]、收音機(jī)等信號(hào)的干擾，手動(dòng)發(fā)送大小為10 kB的數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)試。試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2　ZigBee和WiFi傳輸測(cè)試結(jié)果

由表2可知，通過(guò)WiFi傳輸數(shù)據(jù)包時(shí)，數(shù)據(jù)穩(wěn)定不宜失真，基本不會(huì)受干擾信號(hào)左右，而通過(guò)ZigBee傳輸數(shù)據(jù)包時(shí)，數(shù)據(jù)會(huì)丟失或出錯(cuò)，容易受干擾信號(hào)左右[15]，只有3號(hào)ZigBee數(shù)據(jù)出錯(cuò)率最低，受影響最小。研究表明，當(dāng)ZigBee與WiFi信號(hào)所使用的信道接近時(shí)，出錯(cuò)率升高，為保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_率：一方面可以盡量采用WiFi傳輸，另外一方面數(shù)據(jù)包應(yīng)簡(jiǎn)潔，避免冗余。

4.3　網(wǎng)絡(luò)部署覆蓋率測(cè)試

在實(shí)驗(yàn)室分別模擬2種覆蓋方式：一種是傳統(tǒng)的按一定規(guī)模隨機(jī)撒播部署；另一種是針對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)的特定具體應(yīng)用進(jìn)行有計(jì)劃的部署，即對(duì)文中提到的組網(wǎng)方式進(jìn)行比較。通過(guò)Matlab仿真出覆蓋對(duì)比示意圖，如圖6和圖7所示。

由圖6、圖7可以看出，采用文中架構(gòu)設(shè)計(jì)的多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)對(duì)環(huán)境監(jiān)測(cè)覆蓋得更加全面、均勻。當(dāng)然在實(shí)際部署中，必須結(jié)合災(zāi)區(qū)環(huán)境實(shí)際考察所獲取采集的真實(shí)環(huán)境數(shù)據(jù)，并以此為基礎(chǔ)開(kāi)展研究工作。由于監(jiān)測(cè)環(huán)境的不同特性，研究在地質(zhì)災(zāi)區(qū)監(jiān)測(cè)特殊環(huán)境下的部署、覆蓋策略與算法，才能實(shí)現(xiàn)在特定災(zāi)區(qū)環(huán)境全面有效的監(jiān)測(cè)覆蓋。

5　結(jié)束語(yǔ)

本研究創(chuàng)新提出將多媒體無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用在大面積無(wú)人看守的農(nóng)作物種植區(qū)域，并有效將多媒體節(jié)點(diǎn)與無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)和多媒體網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)突發(fā)地質(zhì)災(zāi)害時(shí)可及時(shí)預(yù)警和控制，實(shí)時(shí)將視頻、音頻傳輸?shù)椒?wù)器和移動(dòng)終端方便用戶(hù)查看。以地質(zhì)險(xiǎn)情的識(shí)別和跟蹤為切入點(diǎn)，分析基于多層結(jié)構(gòu)的多媒體監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和設(shè)計(jì)方案，詳細(xì)介紹硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)。通過(guò)測(cè)試驗(yàn)證本方案設(shè)計(jì)的可行性和有效性，為農(nóng)作物種植區(qū)域的智能監(jiān)控向精準(zhǔn)化、實(shí)時(shí)化方向發(fā)展提供一定的參考依據(jù)。

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