基于ZigBee技术的无线图像传输系统设计

李 柔, 舒 奎, 耿 也, 方 毅

基于ZigBee技术的无线图像传输系统设计

李 柔, 舒 奎, 耿 也, 方 毅

(大连工业大学信息科学与工程学院,辽宁大连 116034)

针对现有图像传输系统实现成本高,硬件复杂的弊端,设计了一种基于ZigBee技术的无线图像传输系统,该系统中由ZigBee协调器节点作为数据收集器,接收图像数据并通过串口发送至上位机显示,存储;由ZigBee路由节点或终端节点挂载图像传感器作为图像采集节点。图像采集节点硬件设计中,创造性地在图像传感器与ZigBee芯片之间加入缓存电路,使得低性能控制芯片能够采集高速图像信号,简化系统复杂度,降低实现成本。通过制作PCB样板、搭建验证平台、编写C#上位机程序显示图像,验证了设计的可行性。

ZigBee;无线图像传输;图像传感器

0 引 言

近年来,随着计算机、网络及通信技术的迅猛发展,无线图像传输技术日渐获得重视,在远程监控、紧急现场救援和军事通信等领域发挥着巨大的作用[1]。目前,无线图像传输技术分两类:模拟图像无线传输和数字网络图像无线传输[2],前者是把模拟视频信号直接调制在高频信道上传输到接收端,这种传输方式存在信号容易受到外界的干扰、数据容易泄露、占用带宽大等缺点;后者是将连续的模拟信号通过模数转换后由专用数字信号处理器处理,并封装成数据包,通过无线网络传输。与模拟传输方式比较,数字传输方式抗干扰能力强,传输过程无噪声累计,且数字信号更便于存储、加密和交换。

目前数字网络图像无线传输系统普遍采用无线局域网(WIFI)和无线分组业务(GPRS、3G)网络传输[3]。这些技术方案需要高性能的处理器,系统复杂,设计成本高,而且使用过程中会产生流量费用,不宜推广。

ZigBee是一种新兴的低功耗、低成本的无线自组织网络技术,工作于无须注册的ISM(Industrial Scientific Medical)频段[4-6],传输速率为10～250 kB/s,与无线局域网等无线系统相比较, ZigBee技术成本低、工作频段灵活、更安全,并且具有优良的网络拓扑能力,特别适合低端的、面向控制的、应用简单的无线传输系统[7-9]。

目前,基于ZigBee技术的无线图像传输已有部分成果,例如宋志强等[10]在PC端设计简单图像传输协议,提高了ZigBee传输图像的可靠性,但系统无法脱离PC机,限制了系统在现场实时采集图像的能力。文献[11-13]使用带有数据压缩处理的串口摄像头采集图像信息并通过ZigBee传输,使用串口摄像头增加了单机成本。雷文礼等[14]选用低成本图像传感器,通过ARM(Advanced RISC Machines)内核处理器实现图像传感器与ZigBee的接口,这种方案保证了图像的实时性,但无法克服系统复杂,实现成本高的弊端。针对上述研究的不足,本实验设计了一种基于ZigBee[15]的无线图像传输系统,该系统简单可靠,成本低廉,配置灵活,特别适用于对实时性要求不高且需要大面积布设的应用场合。

1 系统设计

1.1系统组成

无线图像传输系统由上位机、数据收集器和若干图像采集节点构成,如图1所示。

图1 图像传输系统框图Fig.1 Diagram of image transmission system

上位机用于处理和存储图像数据,可根据需要配置计算机和数据库服务器。

数据收集器是由ZigBee协调器来实现,其主要功能是接收各个图像采集节点通过无线网络发送来的图像数据,并通过串口将数据发送到上位机。

图像采集节点由ZigBee芯片与图像采集电路构成,ZigBee芯片用于实现ZigBee网络通信和控制图像采集电路,图像采集电路包括图像传感器、电源电路和缓冲器。图像采集节点在ZigBee网络中作为终端节点或路由节点。本文研究重点在于下位机硬件设计和下位机程序设计。

1.2图像采集电路

1.2.1 图像传感器电路

图像采集芯片选用Omni Vision公司的OV7670图像传感器。OV7670是一颗30万像素的CMOS图像传感器[16],具有体积小、工作电压低的特点,单片机通过SCCB配置其内部控制寄存器,可输出整帧、子采样、取窗口等方式的各种分辨率图像数据[17]。

图2为OV7670图像传感器的外围电路,使用一个12 MHz的有源晶振为OV7670提供系统时钟。外围电路中包括5个电源去耦电容,C1、C2、C3用于去除电源干扰,C5、C6用于OV7670内部参考电压去耦。为了防止数字电路中高频噪声影响模拟电路,模拟地和数字地分开处理,最后通过单点(图2中0Ω电阻R1)连接。

1.2.2 电源电路

图3为OV7670的电源电路,图中U1是一个低压差线性稳压器(LDO),用于向OV7670提供稳定的2.8 V工作电压。2.8 V电压经R2、C7构成的RC电路滤波后为图像传感器内部模拟电路供电,2.8 V电压经R3、C12、C13构成的滤波电路后为图像传感器数字电路供电。OV7670内核工作电压为1.8 V,当I/O电压(DOVDD)高于2.45 V时,内部自带LDO可正常工作,这里使用内部LDO产生1.8 V内核工作电压。

1.2.3 缓冲电路

图像传感器信号输出端设计了一个FIFO存储器,系统中增加FIFO存储器的优势在于,一方面由FIFO存储器作为图像传感器和微处理器接口之间的缓冲器,降低了数据采集的速度,使得性能不高的单片机也可以采集高速的图像数据[18];另一方面,图像数据在同步信号的控制下写入FIFO存储器,采集图像时只需读取FIFO数据接口,不用关心图像信号复杂的控制及时序关系,降低了图像采集程序的开发难度。

FIFO存储器电路如图4所示,这里选用的是Averlogic公司的AL422芯片,该芯片容量为384 k B,能够满足本文中一帧图像数据的存储。AL422的WCK为写时钟,在图像传感器像素时钟PCLK的同步下,将图像数据写入AL422。WE为写使能信号,由图像传感器行同步信号HREF与微控制器使能信号WEN经与非门U2控制,这样设计既能保证采集数据与行信号同步,又能实现外部对采集时间的控制。

图2 OV7670图像传感器电路Fig.2 Circuit of image sensor OV7670

图3 电源电路Fig.3 Power supply circuit

图4 FIFO缓存电路Fig.4 FIFO buffer circuit

1.3ZigBee电路

选用TI的CC2430模块来实现无线数据通信与控制[19]。CC2430是一颗单芯片SoC解决方案,它内部集成了一个高性能2.4 GHz射频收发器和一颗高效的8051控制器,同时CC2430还整合了8 kB的RAM以及强大的外围模块。

由于SoC的高度集成,CC2430只需要简单的外部器件即可稳定工作,这里主要讨论CC2430与图像采集电路的接口设计。CC2430共有21个可编程I/O管脚,在实际应用中一部分管脚用作外围模块接口,功能复用管脚如下:(1)串口功能使用P0_3和P0_2作为发送与接收引脚;(2)实时时钟模块使用P2_3和P2_4作为低频石英晶体引脚;(3)片上调试模块占用P2_1和P2_2作为调试接口的数据和时钟引脚。

在I/O口划分时应注意尽量将FIFO的8个数据输出引脚划分在同一组I/O口,这样做的目的是方便后期程序编写,同时能够保证数据通信的数率。除去功能复用引脚后剩余I/O中只有P1口满足上述条件,因此,选择P1作为FIFO的数据口。图像采集接口的其他控制引脚分配无特殊要求,注意就近分配、布线方便即可,CC2430的I/O划分见表1。

表1 图像采集接口I/O划分Tab.1 I/O partition of image acquisition interface

接口电路的设计还有以下几点需要说明: (1)SCCB总线与I2C总线类似,采用漏极开路的驱动方式,电路中需要设置上拉电阻。

(2)表1中FIFO复位信号包括写复位WRST和读复位RRST,2个复位信号由CC2430的P0_4引脚控制同时复位。

(3)从简化电路的角度考虑,没有为FIFO读使能RE、输出使能OE和OV7670复位RESET#分配控制I/O口,这些信号分别连接GND、GND、3.3 V。

1.4ZigBee程序设计

下位机程序设计是基于ZigBee协议栈(ZStack)的程序设计,使用协议栈简化了程序开发,这里编写的程序位于Z-Stack的应用层。该系统中使用ZigBee路由节点和终端节点作为图像采集器,连接图像采集模块,读取图像采集模块的数据,并通过无线网络发送到数据收集节点。数据收集节点由ZigBee协调器来实现,数据收集节点接收无线网络中图像采集器发来的图像数据,并通过串口发送到上位机显示和存储。

1.4.1 数据收集器程序

数据收集器程序包括串口通信与无线数据通信,这部分基于Z-Stack提供的API实现。Z-Stack提供的串口发送函数为Hal UARTWrite(),调用函数需要提供3个参数,分别为:串口号、发送数据地址和发送数据长度,由于发送的图像数据是固定长度,并且系统中串口号也是固定的,因此,定义一个无参数的用户函数Uart TxImageDat(),重新封装Z-Stack的API函数。在需要发送图像数据时调用重新封装后的无参数函数即可,这种程序设计方式提高了程序的可读性与可维护性。

当Z-Stack收到无线网络数据,应用层会产生AF_INCOMING_MSG_CMD事件,应用层程序检测到该事件后调用Uart Tx ImageDat()函数将图像数据发送到上位机,完成一次图像采集。

1.4.2 图像采集节点程序

图像采集器的程序主要包括图像传感器初始化、SCCB通信和图像采集几个部分。图像传感器初始化程序是通过SCCB对OV7670的控制寄存器进行的主要配置内容为:(1)设置分辨率为320×240,数据输出模式为RGB565;(2)关闭内部锁相环,使用外部时钟;(3)打开内部LDO,使用内部电源为内核供电;(4)PCLK正常模式,不分频。

CC2430芯片没有集成SCCB接口,因此使用I/O口模拟SCCB时序。SCCB传输时序如图5所示,包括起始信号、数据传输、应答和停止信号。

图5 SCCB总线传输时序Fig.5 The SCCB bus transmission timing

起始信号,在时钟线为高电平期间,CC2430控制数据线由高电平变为低电平。

停止信号,在时钟线为高电平期间,CC2430控制数据线由低电平变为高电平。

数据传输,在时钟线的上升沿对数据线采样,获得1 bit数据,在时钟线低电平期间将数据位输出到数据总线。

应答,在接收(发送)8 bit数据后,在第9 bit数据位CC2430输出低电平(OV7670输出低电平)。

模拟上述时序的函数分别为:

voidSccbStart(void);

voidSccbStop(void);

voidSccbSend Dat(unsigned char dat);

unsigned charSccb Read Dat(void);

voidSccb Ack(void);

通过SCCB总线中每一帧数据被称为1个Phase,即每个Phase中包括8 bit数据位和1 bit应答位。对OV7670控制寄存器的操作是由多个Phase构成,写寄存器过程如图6所示。

图6 写OV7670控制寄存器指令结构Fig.6 Control register structure of writing OV7670

写寄存器由3Phase构成,图中灰色底色表示CC2430控制数据总线时间,白底色表示OV7670控制总线时间。Sr为起始信号,Sp为停止信号, A为应答信号。写的过程为:发送起始信号,发送写寄存器指令0x42,接收应答信号,发送需要写寄存器的地址,接收应答信号,发送需要写入的数据,接收应答信号,发送结束信号。写寄存器函数如下:

void WriteOv7670(unsigned char reg,un

signed char dat)

{

SccbStart(); /*起始信号*/

SccbSendDat(0x42);

Sccb Ack();

SccbSend Dat(reg);/*发送地址*/

Sccb Ack();

SccbSend Dat(dat);/*发送数据*/ Sccb Ack();

SccbStop();/*停止信号*/

return;

}

图像数据采集部分,由于使用FIFO缓存芯片,使得数据采集程序负担大大降低,采集分两步:控制FIFO采集一帧完整信号和从FIFO读取一帧完整信号。图像采集时序如图7所示。

图7 图像采集时序Fig.7 Image acquisition timing

VSYNC为帧同步信号,在每一帧开始时输出帧同步信号;HREF为行同步信号,行同步信号高电平期间像素采样有效[20];PCLK为像素同步信号,V7670在像素同步信号低电平期间输出像素数据,FIFO在像素同步信号上升沿对像素数据采样;WEN为采样使能信号,由CC2430输出,控制FIFO采样时间;WE为FIFO写使能信号,WE低电平期间FIFO允许写入数据,WE由HREF和WEN与非操作后输出。

由图7可知,通过检测VSYNC信号可以判断一帧图线的开始和停止。控制FIFO采集一帧信号的工作过程为:复位FIFO,在VSYNC低电平期间,等待VSYNC变为高电平,并置WEN为高电平,等待VSYNC信号清零,再次等待VSYNC变为高电平,清零WEN信号。FIFO采集一帧图像信号的程序如下:

void Get Frame(void)

{

FifoRst(); /*复位FIFO*/

while(VSYNC); /*等待变为低电平*/

while(!VSYNC); /*等待帧同步信号*/

WEN=1;

while(VSYNC); /*等待变为低电平*/

while(!VSYNC); /*等待帧同步信号*/

WEN=0;

return;

}

由于FIFO存储器不具备寻址功能,读取时,数据只能按线性读取,一帧图像的字节数N可以通过公式(1)计算。

式中:Line为扫描行数,Column为每行像素点个数,BPP为每个像素点字节数。参照OV7670的配置,算出需要读取的字节数为150 kB。

FIFO输出数据是在RCK的同步下完成, AL422在RCK的低电平期间输出数据到数据总线,CC2430在RCK上升沿读取总线数据,并通过无线网络发送到数据收集节点,核心代码如下:

for(x=0;x＜320;x++)

{

for(y=0;y＜240;y++)

{

RCK=0;

RCK=1;

buf=P1;

Send Data(buf);

}

}

2 系统验证

在系统设计的基础上,搭建了硬件验证平台对系统进行验证,数据收集器使用天运电子科技有限公司的CC2430 ZigBee开发板,图像采集器使用自行设计的PCB,图像采集器集成了图像传感器模块和ZigBee通信模块,验证平台如图8所示。

图8 数据收集器与图像采集节点Fig.8 The data collector and image collect node

分别编译数据采集器和数据收集器程序后下载到对应硬件中,收发两端间隔约20 m,回传数据由Microsoft Visual Studio2008 C#环境编写的上位机软件还原为图像。

3 结 论

ZigBee技术目前已经非常成熟,基于SoC的ZigBee解决方案功耗低,性价比较高,本系统正是在现有成熟的技术基础上,经过优化搭配,设计了一套实用的无线图像传输系统。实验结果证明,系统的设计是科学可行的,通过无线传感器网络传输图像信号,能够克服现有无线图像传输方案成本高,系统复杂的缺点。该系统在安防监控、无线图像采集等领域具有较广阔的应用前景,同时ZigBee网络协议作为一种低功耗动态自组织网络协议使得系统具有较好的灵活性和可扩充性。

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Design of wireless image transmission system based on ZigBee technology

LI Rou, SHU Kui, GENG Ye, FANG Yi
(School of Information Science and Engineering,Dalian Polytechnic University,Dalian 116034,China)

A kind of wireless image transmission system was designed based on ZigBee technology to overcome hardware complexity and high cost of image transmission system.ZigBee coordinator node was used as data collector to receive the image data and send to the computer through the serial port for displaying and storage in the system.ZigBee routing node and terminal node composing image sensor were adopt as image collection node.A kind of buffering circuit was designed between the image sensor and ZigBee,in which high speed image signal could be collected by the low performance control MCU and simplified the system and reduced costs.The feasibility of the design was verified by manufacturing PCB model,building verification platform and displaying in the computer through the C#.

ZigBee;wireless image transmission;image sensor

TP212

:A

1674-1404(2015)05-0377-06

2014-12-30.

李柔(1989-),女,硕士研究生;通信作者:舒奎(1972-),男,副教授.