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基于ZigBee网络的多跳图像传输系统的设计

作者：吴婉阳 田云杰 曹聪 沙超

来源：《电脑知识与技术》2012年第22期

摘要：该文提出了基于ZigBee网络的多跳图像传输系统的设计，该系统由三部分组成，即图像采集模块，路由传输模块和图像接收模块。CMOS摄像头和CC2420片上系统构成了图像传输系统的采集节点，利用Mesh型网络的自组织和自愈功能，该系统允许多节点采集，并且远端的节点信息可以通过“多跳”的方式到达终端设备。此外，该多跳图像传输系统具有设计简单、易于安装、低价格、低功耗的特点，使得它可以在很多领域得到广泛应用。 关键词：多媒体传感器网络；ZigBee协议；多跳；图像传输

中图分类号：TP212文献标识码：A文章编号：1009-3044(2012)22-5329-05 Design of Multi-hop Image Transmission System Based on ZigBee Network WU Wan-yang1,TIAN Yun-jie1,CAO Cong1, SHA Chao2

(1.College of Science, Nanjing University of Posts and Telecommunications, Nanjing 210046 China; 2. Jiangsu High Technology Research Key Laboratory for Wireless Sensor Networks, Jiangsu Province, Nanjing 210003, China)

Abstract: In this paper, a wireless image transmission system based on ZigBee network has been proposed. The system consists of three parts, namely image acquisition module, routing transmission module and image receiving module. The CMOS camera OV2640 and CC2420 wireless SoC chip constitute the image acquisition node. With the help of the Self-organizing and Self-healing functions that mesh network has, this dynamical network allows multi-node capture. As all the nodes form a mesh structure, information on the remote node can finally reach the terminal via multi-hop.

Furthermore, the characteristics of simple structure, easy installation, low cost and low power for the designed system will make it be widely applied in many fields.

Key words: multimedia sensor networks; ZigBee protocol; multi-hop; image transmission 无线多媒体传感器网络WMSN[1]（Wireless Multimedia Sensor Networks）应物联网技术的广泛应用及低功耗多媒体信息处理的需求而生，是在传统无线传感器网络[2]（WSN）的基础上引入了音频、视频、图像等多媒体信息感知功能的一种新型传感器网络。典型的无线多媒体传感器网络一般由多媒体传感器节点(multimedia sensor node)、汇聚节点(sink node)和控制中心(control central)组成[1]，多媒体传感器节点布设在指定的监测区域内，其采集的信息沿着其他多媒体传感器节点，以无线的方式经过“多跳”传送到汇聚节点，最后到达控制中心，用户通过

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控制中心对传感器网络进行配置和管理，发布监测任务以及收集监测数据。WMSN将WSN的自组织、无人值守等优点和丰富的多媒体信息有机地结合起来，被广泛应用于分布式监控、环境监测、目标跟踪及交通监控、智能家居等场合。

本文设计并实现了一个基于ZigBee网络的能实现图像多跳传输的低功耗WMSN系统，系统由远端采集节点，中继节点和汇聚节点构成，采集节点采集到图片信息，经过该WMSN系统最终传输到PC机，用户对终端的操作可以把控制信息反馈给传感器网络，实现对传感器网络的控制和管理。 1系统分析与硬件设计

ZigBee技术[2]是一种面向自动化和无线控制的低速率、低功耗、低价格的无线网络方案，完整的ZigBee协议栈自上而下由应用层、应用汇聚层、网络层、数据链路层和物理层组成。物理层采用直接序列扩频（DSSS）技术，定义了三种流量等级，本文提出的方案中使用的频段是2.4GHz,此时协议能够提供250Kb/s的传输速率。ZigBee的网络层支持3种拓扑结构[2]：星型（Star）结构，网状（Mesh）结构,和簇树（Cluster Mesh）结构。Mesh型网络[4]允许在通信范围内的实体都能进行相互通信，对于没有直接通路的两个实体，还可以通过“多跳”的方式完成通信，除此之外，网络还具有自组织和自愈功能，本文采用的是Mesh型网络。其网络结构如图1所示。

图1 Mesh网络拓扑图

网络中的路由器是功能简化型设备，协调器是功能完善型设备，路由器的信息能够直接或者以“多跳”方式传输到协调器，并由协调器送达终端设备。

本文提出的多跳图像传输系统主要由三部分组成：图像采集节点、中继节点和汇聚节点。其中图像采集节点的功能是完成图像采集和数据发送，图像采集模块由CMOS摄像头OV2640、JPEG压缩算法芯片及flash存储芯片构成，用于图像的采集、压缩，储存等相关处理。中继由ZigBee模块即可完成，用于各节点之间的图像的传输。而图像接收部分即图像监控中心由ZigBee模块+PC机完成，用串口通信的方式实现传感器节点和电脑连接，使节点将接收到的图像传入电脑，以便进入后续的图像分析等工作，实现电脑对整个传感器网络的控制和管理。系统的工作示意图如图2所示。

图2系统工作示意图 1.1 ZigBee模块的设计

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ZigBee模块，即路由传输模块，处理器采用的是ATmega1281单片机，它是基于AVR RISC结构的8位低功耗CMOS微处理器，由于其先进的指令集及单周期指令系统，ATmega1281的数据吞吐率高达16MIPS[3]，从而可以减轻系统在低功耗和处理速度之间的矛盾，符合本文设计基于ZigBee网络的低功耗WMSN系统的思路。射频芯片采用的是CC2420射频收发器，CC2420是TI公司推出的首款符合2.4GHz IEEE 802.15.4标准的射频收发器，性能稳定且功耗极低，只需要极少外部器件[3]。芯片本振信号既可由外部有源晶体提供，也可由内部电路提供，由内部电路提供时需外加晶体振荡器和两个负载电容。设计中可以使用单极天线也可使用双极天线[5]。IEEE802系列标准将MAC分成逻辑链路控制(LLC)和媒介接入控制(MAC)2个子层[2]。考虑到Zigbee MAC层的设计应尽可能地降低成本、易于实现、数据传输可靠、短距离操作以及低功耗，因此，采用了简单灵活的协议，其帧有4种类型：数据帧，标志帧，命令帧和确认帧，结构如图3所示。

图3 MAC帧结构图

CC2420与处理器的连接十分方便，它通过SPI接口（CSn、SO、SI、SCLK）交换数据，使用SFD、FIFO、FIFOP和CCA四个引脚表示收发数据的状态[5]，另外，它使用RESETn引脚复位芯片，使用VERG_EN引脚使能CC2420的电压调整器，从而使CC2420进入正常工作的状态。本文设计的系统CC2420模块单独成板[5]，采用标准2×6双排接插件与微处理器连接。图4给出了该插槽的电路图。

为了实现可靠的图像传输，本模块采用Flash存储芯片AT45DB161D实现实时存储，AT45DB161D采用串行接口，从而大大减少了可用引脚数量，同时也提高了系统可靠性，降低了开关噪声，缩小了封装体积。它可以通过#CS来进行使能，并通过三线接口（SI、SO、SCK）进行数据通信。

ATmega1281单片机中的SPI接口用来实现与CC2420射频模块的通信，两组USART接口中，其中USART1被Flash芯片占用用来收发图像信息，再加上电源电路和JTAG接口电路，ZigBee模块的硬件设计完成，该模块可以加上摄像头采集信息，也可以单独构成通信模块（中继节点），加上串口和PC机构成了系统的接收模块。图5为ZigBee模块实物图。

图4 CC2420与处理器的接口电路

图5 ZigBee模块实物图 1.2其他接口电路的设计