引言
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)綜合了傳感器技術(shù)、嵌入式計算技術(shù)、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)及無線通信技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)等，能夠通過各類集成化的微型傳感器協(xié)作地實時監(jiān)測、感知和采集各種環(huán)境或監(jiān)測對象的信息，這些信息通過無線方式被發(fā)送，并以自組多跳的網(wǎng)絡(luò)方式傳送到用戶終端，從而實現(xiàn)物理世界、計算世界以及人類社會三元世界的連通 ，圖1所示為典型的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu) 。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用前景廣闊，它在軍事國防 、災(zāi)害監(jiān)測 、智能樓宇等許多領(lǐng)域都有很大的實用價值，已引起國內(nèi)外學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注與重視。
實驗心理學(xué)家Treicher通過大量實驗證實：人類獲取信息83%來自視覺。因此，發(fā)展無線
圖像傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，有很大的應(yīng)用潛力，它為目標(biāo)識別、安全監(jiān)控等應(yīng)用領(lǐng)域提供了一個很好的解決途徑和技術(shù)方案。目前圖像傳感器節(jié)點(diǎn)射頻部分傳輸速度都比較低(不超過250Kbps)，如美國UCLA設(shè)計的Cyclops節(jié)點(diǎn) 等。這些節(jié)點(diǎn)成本高、功耗大、傳輸速度慢、實用性不太高。本文應(yīng)用nRF24L01作為節(jié)點(diǎn)無線收發(fā)器，設(shè)計了一種實用性較強(qiáng)的圖像傳感器節(jié)點(diǎn)。該節(jié)點(diǎn)相比Telos、Mica2、MicaZ、Cyclops等節(jié)點(diǎn)具有傳輸快、功耗低等優(yōu)點(diǎn)。
1、圖像傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計
圖像信息數(shù)據(jù)量大，而傳統(tǒng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)射頻收發(fā)器的傳輸速度一般都較低，無法滿足這種大數(shù)據(jù)量的數(shù)據(jù)傳輸。傳感器節(jié)點(diǎn)往往采用電池供電，電源能量十分有限。因此，在進(jìn)行圖像傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計時必須遵循以下原則：1)盡可能降低節(jié)點(diǎn)能量消耗以最大限度地延長節(jié)點(diǎn)壽命;2)較快的傳輸速度以滿足數(shù)據(jù)實時性;3)增加節(jié)點(diǎn)設(shè)計的靈活性使其能適合更多的應(yīng)用場合。
圖1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)
1.1 節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計
1.1.1 節(jié)點(diǎn)硬件架構(gòu)
本文設(shè)計的圖像傳感器節(jié)點(diǎn)由五部分組成：微處理器模塊、圖像傳感器模塊、無線通信模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊和電源模塊。圖2所示是無線圖像傳感器節(jié)點(diǎn)總體架構(gòu)示意圖。
圖2 圖像傳感器節(jié)點(diǎn)總體架構(gòu)圖
該節(jié)點(diǎn)中微處理器是系統(tǒng)的控制中心，其功能是控制與調(diào)度其他器件的工作狀態(tài)與進(jìn)程，以實現(xiàn)圖像采集、存儲和無線組網(wǎng)傳輸?shù)裙δ堋Ｉ漕l模塊是節(jié)點(diǎn)的無線通信單元，通過SPI
總線與微處理器進(jìn)行通信，實現(xiàn)節(jié)點(diǎn)與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中其他節(jié)點(diǎn)的通信以及數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ堋Ｎ⑻幚砥鳌D像傳感器和SRAM的數(shù)據(jù)總線是共用的，這樣可方便圖像數(shù)據(jù)在微處理器、圖像傳感器和SRAM之間傳輸，但同時也要求微處理器對圖像傳感器和SRAM的操作時序進(jìn)行嚴(yán)格控制，以避免數(shù)據(jù)總線操作沖突。
1.1.2 射頻模塊
射頻模塊是傳感器節(jié)點(diǎn)的重要組成部分，它是節(jié)點(diǎn)各部分中能量消耗最主要的部分 。現(xiàn)在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中常用的是支持802.15.4通信協(xié)議的無線通信芯片。圖像傳感器節(jié)點(diǎn)要傳輸?shù)氖菆D像數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)量大，數(shù)據(jù)實時性高。這就要求射頻模塊采用的無線通信芯片功耗低、傳輸速度快。支持802.15.4通信協(xié)議的無線通信芯片傳輸速度較低，一般不超過250Kbps。本設(shè)計選用Noridc公司推出的高速、低功耗、低成本無線通信芯片nRF24L01。
nRF24L01工作在2.4-2.5GHz ISM頻段，通過SPI總線進(jìn)行工作模式設(shè)置，傳輸速度可達(dá)2Mbps 。它功耗低，在2Mbps速度下接收電流為12.3mA;在2Mbps速度下0dBm發(fā)送電流為11.3mA。本節(jié)點(diǎn)選用nRF24L01射頻芯片，相比支持802.15.4通信協(xié)議的芯片而言，用nRF24L01傳輸圖像數(shù)據(jù)功耗低，傳輸速度快。
1.1.3 CMOS圖像傳感器
數(shù)字圖像傳感器主要分為兩大類：
CCD圖像傳感器和CMOS圖像傳感器。相比CCD圖像傳感器來說，CMOS圖像傳感器功耗低、速度快、成本較低、體積小，但它獲取的圖像質(zhì)量相對較差 。如果將降低能耗和提高數(shù)據(jù)傳輸速度作為節(jié)點(diǎn)優(yōu)先的考慮，圖像質(zhì)量相對其次，則設(shè)計應(yīng)選用CMOS圖像傳感器。
本設(shè)計選用OmniVision公司的OV7670圖像傳感器。OV7670是一款高性能、低功耗、30萬像素的VGA CMOS圖像傳感器，功耗為60mW，輸出圖像最大分辨率為 。OV7670 通過SCCB總線進(jìn)行寄存器初始化配置，來設(shè)置圖像的輸出格式等。它通過場時鐘信號VSYNC、行時鐘信號HREF以及像素時鐘PCLK來控制圖像數(shù)據(jù)輸出。所以，本設(shè)計必須選用一種具有多中斷源，中斷可嵌套且中斷響應(yīng)時間短的微處理器，才能符合OV7670的數(shù)據(jù)輸出特點(diǎn)。
1.1.4 微處理器
選擇圖像傳感器節(jié)點(diǎn)的微處理器，主要需要考慮微處理器的功耗、中斷源個數(shù)及特性和處理速度。本節(jié)點(diǎn)選用TI公司的MSP430F149為微處理器。它是一款16位超低功耗混合信號處理器，具有豐富的片內(nèi)外設(shè)，采用16位RISC結(jié)構(gòu)，中斷源較多，可任意嵌套。而且，它還具有5種低功耗工作模式，非常適合于進(jìn)行低功耗設(shè)計。
1.1.5 SRAM存儲器
圖像數(shù)據(jù)量大，需外加存儲模塊以滿足圖像數(shù)據(jù)的存儲要求。該節(jié)點(diǎn)采用電池供電，電壓為3V，圖像傳感器為30萬像素，數(shù)據(jù)輸出為8位。因此，本節(jié)點(diǎn)采用TOSHIBA公司的TC55VCM208A芯片為存儲器。它是一款8位512Kbyte的SRAM。
1.2 節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計
盡可能降低能耗是節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計的最主要原則。在本節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計中，對于各個模塊的時序要進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，不再用的電路模塊，要盡快使其關(guān)閉或進(jìn)入低功耗狀態(tài)。本節(jié)點(diǎn)工作在星型結(jié)構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中時,按照圖3、圖4所示流程圖進(jìn)行軟件設(shè)計。圖3為節(jié)點(diǎn)軟件總體流程圖。在節(jié)點(diǎn)主程序中主要是完成系統(tǒng)的初始化以及網(wǎng)絡(luò)初始化的一些工作，而應(yīng)用程序主要是在中斷程序中進(jìn)行實現(xiàn)。圖4為中斷程序流程圖，該中斷程序用來采集和傳輸圖像，并完成一些網(wǎng)絡(luò)操作工作。在整個程序設(shè)計中，對于各個模塊的工作時序進(jìn)行了嚴(yán)格控制，系統(tǒng)大部分時間工作在低功耗模式，其他各個模塊在不用時也使其盡快進(jìn)入低功耗工作模式，從而降低了整個系統(tǒng)的能耗。
圖3 節(jié)點(diǎn)軟件總體流程圖
圖4 中斷程序流程圖
2、無線圖像傳感器節(jié)點(diǎn)性能分析與應(yīng)用
對圖像傳感器節(jié)點(diǎn)的性能分析主要集中在兩點(diǎn)：節(jié)點(diǎn)的能耗和圖像傳輸?shù)膶崟r性。本文設(shè)計的圖像傳感器節(jié)點(diǎn)有五種工作模式：圖像獲取模式、操作SRAM模式、無線傳輸模式、MCU正常工作模式、Shutdown模式。表1給出了本節(jié)點(diǎn)在各種工作模式下的功耗情況。在正常情況下，節(jié)點(diǎn)在采集圖像并傳輸完成后會很快進(jìn)入Shutdown模式，等待下一次采集圖像，以降低能耗。
節(jié)點(diǎn)能耗主要由其工作的狀態(tài)以及各狀態(tài)持續(xù)的時間來決定。對于圖像傳感器來說，它的工作持續(xù)時間由所采集圖像大小以及圖像傳感器的曝光時間決定，而曝光時間是與拍照時的環(huán)境光照有關(guān)的。對于SRAM來說，它的工作持續(xù)時間與要存儲或讀取的數(shù)據(jù)量有關(guān)。對于nRF24L01來說，工作持續(xù)時間不僅與要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量有關(guān)，還與每個數(shù)據(jù)包的數(shù)據(jù)有效利用率有關(guān)。本文所做實驗中，節(jié)點(diǎn)用3V電池供電，設(shè)置OV7670寄存器，使輸出圖像大小為 ，輸出像素時鐘為10MHz的1/12。無線傳輸中nRF24L01選用的數(shù)據(jù)包長為32byte，其中有24byte為有效圖像數(shù)據(jù)，其余8byte作為傳輸協(xié)議等的頭信息數(shù)據(jù)， 傳輸大小為 的圖像數(shù)據(jù)需1044個數(shù)據(jù)包，得到了表2中所示圖像采集傳輸能耗及耗時。
表1 圖像傳感器節(jié)點(diǎn)工作模式功耗表
“S”表示處于Shutdown狀態(tài)，“√”表示處于工作狀態(tài)
由表2可知，由于圖像分辨率較高，本節(jié)點(diǎn)圖像傳輸消耗能量相對其他部分較大，而且費(fèi)時。因此，對于具體應(yīng)用，應(yīng)選擇適當(dāng)?shù)膱D像分辨率，以最大程度的降低節(jié)點(diǎn)能耗。表3是本節(jié)點(diǎn)與相關(guān)節(jié)點(diǎn)性能比較的結(jié)果。由表3可知，本節(jié)點(diǎn)在傳輸速度和能耗方面較Telos、Mica2、MicaZ和Cyclops節(jié)點(diǎn)有明顯優(yōu)勢。
表2 采集傳輸圖像所需能耗與時間
3、結(jié)論
本文設(shè)計的圖像傳感器節(jié)點(diǎn)，能耗低、傳輸速度快，可進(jìn)行圖像采集和快速無線傳輸。我們詳細(xì)論述了它的硬件架構(gòu)和軟件設(shè)計，給出了它的功耗測試結(jié)果以及圖像采集傳輸時間性能，并將它的各項性能參數(shù)與Telos、Mica2、MicaZ和Cyclops節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了比較。實驗表明，本節(jié)點(diǎn)性能良好，無線傳輸功耗低、傳輸速度快、實用性較強(qiáng)，在環(huán)境監(jiān)測，目標(biāo)識別等場合有很好的應(yīng)用
