一种舰船内部视频监控无线传输方法研究与设计
2017-08-07马俊凯,刘宏波,王祥磊
一种舰船内部视频监控无线传输方法研究与设计
马俊凯刘宏波王祥磊
(海军工程大学电子工程学院武汉430033)
舰船内部视频监控系统是舰船内部通信系统重要组成部分,针对于舰船视频信息可靠性无线传输需求。论文提出一种基于ZigBee技术构建具有多跳的自组织无线网络,用于舰船内部视频数据传输。文中分析ZigBee无线通信组网结构与特点,设计网络各节点硬件结构与通信协议,实现了舰船内部摄像头与服务器之间H.264格式视频高性能无线数据传输,并对节点路径与障碍物导致传输损耗进行性能仿真分析,结果表明,该方案满足了舰船内部视频系统对功耗和数据传输的性能要求,有较高的实用价值。
无人机数据链;信道模型;路径损耗;通信链路
Class NumberTN929.5
1 引言
随着我国一带一路远洋战略的逐步开展与实施,为满足舰船内部设备监测维护能力提升需求,构建舰船内部可靠的、有效的视频监控系统研究是舰船装备信息现代化研究重要方向。目前我国远洋船只内部视频监控系统主要采用有线数据通信(光纤、以太网、RS-232等),由于舰艇内部舱室众多,设备装置位置分散、密闭等诸多原因,导致舰船内部引接有线电缆程序复杂,仅仅一些重点舱室才会安装视频监控保障设备,导致监控系统的节点数量极大制约问题[1]。针对上述问题,本文提出一种舰船内部视频无线数据传输系统设计方案,本方案基本思想采用现代无线传感网络,利用其分布式控制、无中心和多跳等特点,设计了基于ZigBee舰船内部无线自组网,实现舰船内部视频信息可靠传输,增强了舰船航行中发生突发事件时的远程视频调度指挥,减少财产损失和保障生命安全,为水上交通安全提供有力的支持和保障。
2 ZigBee网络结构与特点
ZigBee是一种低成本、短距离、自组织的无线网络、大容量的无线通信数据传输技术,每个Zig-Bee数传模块可以作为通信节点,通过移动路由节点进行组网,并实现短距离数据通信。一个ZigBee网络包括个域网协调器、协调器或器件[2],其中协调器主要功能是建立和配置网络,它是网络上第一个设备,协调器首先选择一个信道和网络标识,然后开始组建网络,添加终端节点。网络建立后,协调器可以脱离网络,网络依然可以正常工作。路由器允许其他节点加入网络,完成多跳路由实现多终端通信。
ZigBee网络最多包括有255个ZigBee网络节点,其中一个为网络控制节点,其余是从属节点。每个网络节点基本性能指标:发射功率仅为1mW;工作频段为2.4GHz(250kbit/s)、868MHz(20kbit/s)和915MHz(40kbit/s);通信距离为100米~3公里,并且支持无限扩展[3]。
ZigBee网络依照IEEE 802.15.4标准作为MAC、PHY层标准,网络的基本组成单元是在同一物理信道,由一个协调器、多个路由器和多个终端设备节点组成网络框架。ZigBee网络支持三种拓扑结构包括星型网络、树状网络以及网状网络结构,如上网络拓扑结构图1所示。其中,星型网络图主要包括协调器和终端节点,ZigBee协调器主要负责网络中设备的初始化和控制整个网络运行,终端节点通过协调器与其他终端节点进行通信。树状网络主要包括协调器、路由器和终端节点,协调器主要负责形成网络和选择网络主要参数,然后通过路由节点扩张网络,路由节点使用等级路由节点制进行数据的传输和控制信息,该网络可以使用信标使能的通信。网状网络主要包括协调器和终端节点,允许全对等通信,适合比较复杂的环境,网络的自愈能力强[4]。
本文主要针对采用星型网络拓扑结构,主要设计了协调器节点充当网络中的中继设备,保证多个终端节点的即时通信,构建了ZigBee无线通信网络。
3 系统总体方案设计
3.1 系统总体结构设计与功能分析
本文设计ZigBee网络为无线Mesh结构的舰船内部视频无线数据传输网络由:视频监控前端、协调器、路由器和传感器节点、视频监控后端组成,其系统构成如图2所示。视频监控前端通过摄像头采集舰船船体内部实时影像,进行影像信息压缩编码为H.264格式数据,然后通过无线网络传输到视频监控后端;由于视频信息通过采集处理变为IP流形式,采用ZigBee无线通信网络发送数据,可以通过访问终端节点链接到路由器中,每一个终端节点又作为其他终端节点的网络路由器,为其他终端节点转发数据信息,实现多节点数据通信。同时视频监控后端为数据处理中心与协调器节点相连接完成视频数据接收、解码、显示与网络管理监视等功能[6]。
本设计采用星型网络拓扑结构和ZigBee协议栈,将终端节点和协调器节点连接成无线信道构成无线传感网络,当终端节点在路由器节点的辐射范围内(100~500m),双方即可实现实时数据通讯,并且每一个终端节点又作为其他终端节点的网络路由器,为其他终端节点转发数据信息,实现多节点数据通信解决方案。以下重点论述无线网络中协调器节点与终端节点硬件设计,并针对其工作流程开展协议栈功能设计[7]。
3.2 系统硬件结构设计
本系统传感器节点硬件电路,主要由3部分组成:射频电路、电源管理电路和接口电路模块。
1)射频电路设计
CC2530的外围电路如图3所示。其完全兼容IEEE802.15.4标准和ZigBee标准。在空旷场合通信距离可达200m。其功耗很低,在睡眠模式下,电流低于1uA。在接收状态下,电流消耗为24mA。在发送状态下在1dBm输出功率为29mA。
它具有通讯距离远、抗干扰能力强、组网灵活、性能可靠稳定等优点和特性;可实现点对点、一点对多点、多点对多点之间的设备间数据的透明传输;可组成星型、树型和蜂窝型网状网络结构。它可以实现数据的广播方式发送、按照目标地址发送模式,除可实现一般的点对点数据通信功能外,还可实现多点之间的数据通讯[8]。
2)串口通信电路设计
在程序的下载和调试的过程中,都少不了要用到串口电路。而USB又因其简单易用等特点,在现在编程过程中是比较常用的。这里用PL2303单芯片完成USB电路转串口的设计,电路实现简单方便。此外,该部分设计的电路还可以对模块进行供电[9]。该部分设计如图4所示。
3)电源电路设计
电源电路设计如图5所示。模块可以采用PC节点的USB接口或者使用3.7V的锂电池供电。供电电路采用稳压器HT7533-1。它是一种3引脚的高电流低电压稳压器,常用在CMOS技术中。它可以输出100mA电流并允许输入24V电压,输出电压可以在3.0V到5.0V调节。其平均漏电电压为100mV[10],最高漏电电流为5μA,输出电压精度为± 3%。
3.3 系统软件设计
基于ZigBee无线数据传输技术核心是其协议栈的设计,对于传感器信号的采集处理也需要通过软件来完成。本系统软件设计涉及ZigBee传感器节点和ZigBee协调器节点及路由器节点三部分。本系统设计,ZigBee协议栈底层软件己由Z-Stack实现,本节将把论述放在应用层软件设计上,论述应用层数据帧与无线传感器数据处理设计相关的内容。
1)协调器软件设计
协调器的主要作用是组网和接收数据。图6(a)为协调器的程序设计流程图。
(1)初始化,通过DEV_INIT(),APLINIT()函数分别对CC2530及ZigBee协议栈进行初始化。
(2)打开中断,关闭状态指示信号,通过函数NLME_Network_FormationRequest()初始化网络。只有能够担当ZigBee协调器的、尚未加入到网络中的全功能设备才能尝试创建一个新网络。创建网络成功,则网络层会向应用层返回NLME_Network_FormationConfirm()函数,并包含协调器物理地址、新建网络ID及信道号。
(3)调用应用层相关处理函数进入无线监控状态,监测无线信号,等待节点加入。
(4)若有终端节点或路由器加入网络,接收温度信号,滤除错误信息,并经过串口利用HalUARTWrite()函数,将数据发送给计算节点并通过软件显示。
2)终端节点软件设计
终端节点主要作用是实时采集舰船内部实时视频数据。图6(b)为终端节点程序设计流程图:
(1)初始化,通过DEV_INIT(),APLINIT()函数分别对CC2530及ZigBee协议栈进行初始化[11]。
(2)调用NLME_JoinRequest()函数发送加入网络请求,等待协调器响应。若成功,则返回函数ZDO_JoinConfirmCB()函数。
(3)成功加入网络后,传感器节点将测试到的视频数据通过AF_DataRequest()函数发送到协调器[12]。
4 试验验证与性能分析
为了验证本文研究的无线自组网在舰船内部视频数据传输中的有效性,利用在封闭的舰船空间作为试验环境,做系统的调试包括硬件和软件测试。
1)硬件测试
系统硬件调试基础为ZigBee无线模块,根据设计的监测LED灯的状态进行初步调试,判断其电源电路及复位电路是否正常。根据设计电路,模块上电后LED灯应为全亮(包括LED、LED1、LED2、LED3);按下复位键(RESET)时,只有电源指示灯(LED)亮。上电后效果如图7。
2)软件测试
在IAR Embedded Workbench软件建立工程,并建立Coordinator、Sensor的源文件Coordinator.c与EndDevice.c,然后对编辑好的文件进行MAKE,对程序中的语法错误进行改正,当编译无误后将其分别下载到模块中,注意Router模块与Sensor公用源文件。
当程序下载后,Coordinator和Sensor模块的LED3会闪烁。Coordinator的LED3闪烁证明协调器正在建立网络,当网络成功建立后,LED3会常亮;Sensor的LED3闪烁证明传感器模块还没有加入网络,只有当LED3常亮才代表传感器成功加入网络,并可以发送视频数据。
具体接收到视频效果图如图8所示。由于所有网络节点的工作数据处理是相似的,故本系统只对舱室实时场景进行监测。通过软件解码后可以看到舱室内部场景效果显示清晰流畅基本满足日常视频监测要求。
3)路径损耗分析
本文构建自组网传输信道采用用于UHF信道,频率范围:300MHZ~3000MHZ,传输主要方式为视距传输。此时,令D表示发射端与接收端之间的距离(单位:m)。当射频的收发平台采用相同天线时,发射天线的增益为Gt,接收天线的增益Gr,则距离D接收信号功率为Pr(d),当信号传输路径上遇到障碍物导致其中一部分信号被遮蔽,导致信号均值发生变化,从而产生阴影衰落现象。真实信道传输时阴影产生随节点效应,统计特性服从对数正态分布,因此,当考虑距离一定,环境一定时情况,信道特性随着接收平台位置改变而改变,即使相同距离,每条路径也会产生不同路径衰落,信道此时产生衰减更加接近与对数正态分布。其中,令Xσ表示均值为0,标准差为σ的高斯随节点变量。
信号路径损耗:
测试条件:终端节点发射功率为2.6dBm。接收节点灵敏度的典型值为-97dBm。工作频率最小为2.4GHz。本文采用室内环境影响因子1.6,此时工作频率对应的2405MHz。根据自由空间传输损耗的公式,而当收发天线均为3dB时,由曲线可知传输距离d为1.23km。而在实际应用中,由于船舱内部墙体、障碍物等的影响,使传输距离远低于该值,无障碍物时基本在500m左右。有障碍物时传输距离限制在120m以内。
因此,考虑仿真模型曲线较真实数据曲线有4dB~8dB波动,波动值均在合理范围,信道损耗模型符合真实衰减趋势,能够满足理论设计与研究需求。
5 结语
综上所述,现今流行短距离无线通信技术,包括WiFi、蓝牙、超宽带(UWD)等。本文选择ZigBee技术作为数据传输的通信方案,考虑到其为低成本、低功耗、可靠性高、短时延、网络容量大等优点。本文采用ZigBee技术为无线数据自组网方案,采用CC2430芯片为数字信号处理硬件核心,针对网络视频数传协议栈开展设计,实现舰船本地视频信息数据无线传输功能,本文设计方案可为舰船内部无线通信系统设计提供重要借鉴价值。为舰船内部无线通信系统规划与设计提供了有效的理论依据。
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Design of Wireless Data Transmission Method for Detection System of the Ship
MA JunkaiLIU HongboWANG Xianglei
(College of Electronic Engineering,Naval University of Engineering,Wuhan430033)
UVA data link,channel model,path loss,communication link
TN929.5
10.3969/j.issn.1672-9730.2017.07.014
2017年1月10日,
2017年2月20日
马俊凯,男,博士研究生,研究领域:数据链通信、无线通信系统。刘宏波,男,副教授,研究方向:通信与信息系统。王祥磊,男,研究方向:通信工程。
AbatractThe ship's internal video system is an important part of the ship's internal communication system,For the needs of the wireless transmission of the ship monitoring video information reliability.This paper proposes a self-organizing wireless network with multi-hop based on ZigBee technology for ship internal video data transmission.This paper analyzes the structure and characteristics of ZigBee wireless communication network,designed the hardware structure and communication protocol of each node of the network,and realizes the highly-performance transmission between video wireless data based on H.264 format between the camera and the server,and leads to the transmission path and obstacle The results show that the scheme meets the performance requirements of power consumption and data transmission in the ship's internal video system,which have high practical value.