专利名称：一种无线视频传感器网络节点设备的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种无线视频传感器网络节点设备，该设备利用IMX27处理器实现视频采集和压缩编码，利用Zigbee无线通讯技术实现数据传输，属于无线通讯和嵌入式系统技术领域。
背景技术：
无线传感器网络(Wireless Sensor Networks, WSNs) 作为一项新兴的技术，是由部署在监测区域内大量廉价微型节点组成，通过无线通讯方式形成一个多跳的自组织网络，协作地采集和处理监测区域中的感知对象讯息，并发送给观察者。它的出现提供了一种全新的讯息获取和处理模式。WSNs技术在环境监测、军事侦查、智能家居、智能交通、工业控制等众多领域得到了广泛应用，而基于无线传感器网络的视频监测是无线传感器在监测方面的典型应用。近些年，利用分散分布的视频传感器节点设备采集，压缩视频数据，通过无线方式传输到目的节点的无线视频传感器网络(Wireless Video Sensor Node Platform, WVSNP) 研究飞速发展。与之相关的许多技术已经趋于成熟，如多层网络结构研究，多传感器图像融合技术，图像和视频压缩技术，无线通讯协议等。同时，无线视频传感器网络的应用领域也不断的扩大，包括在计算机视觉，视频跟踪和定位，视频监控，远程实时视频和控制方面都得到了应用。Zigbee技术是最近发展起来的一种近距离无线通讯技术，低速率、低功耗、自组网能力强的特点使其广泛地应用在无线传感器网络中。但是它的传输速率最高只能达到250 Icbps，除非采用高效的视频压缩技术，否则在这种网络环境中实现视频的传输几乎是不可能的。国外比较成熟的基于Zigbee技术的无线视频传感器节点设备有斯坦福大学无线传感器实验室研发的“MeshEye”，“WiSN” ；耶鲁大学研发的“XYZ”，这几种平台都是采用TI CCM20作为射频芯片，支持低速率的视频图像传输。但都不具有软/硬件图像处理功能。因而无法定现连续的视频传输。Crossbow公司的Imote2平台支持IEEE 802. 15. 4/Zigbee协议，它的图像处理单元的DSP支持30多条MMX视频处理指令，最大帧速率可以达到15 SXGA (1280*1024)fps/ 30 VGA (640x480) fps，是一种性能良好的无线视频网络节点设备，但其价格较贵，结构复杂，应用开发难度较大。
发明内容本实用新型的目的是针对现有技术的不足，提供了一种无线视频传感器网络节点设备。该设备是基于Zigbee低速率无线通讯协议和JVT提出的高度压缩数字视频编解码器标准H. 264无线视频采集与传输设备。该设备实现了在低速率，低功耗无线网络中视频讯息的采集和传输。本实用新型为实现其目的所采取的技术方案一种无线视频传感器网络节点设备，包括微处理器及分别与其相连接的音、视频采集单元、存储器单元、Zigbee射频单元、电源管理单元和通讯单元；所述微处理器采用IMX27模块，所述Zigbee射频单元采用MC13192模块，通过SPI 接口与所述IMX27模块的CSPI接口连接；所述音、视频采集单元包括视频采集单元和音频采集单元；所述视频采集单元采用Micron MT9D131模块，与IMX27的CMOS传感器接口 CSI连接，通过
/2C连接实现该模块的控制；所述音频采集单元采用音频编解码器WM8974模块，它的SSI 1端口与CSPI 1端口与所述IMX27模块连接，SSI 1端口传输采集的音频数据，SPI 1端口完成音频采集中相关参数设置；所述电源管理单元为UC6480电源管理芯片；所述通讯单元包括RS232/485串口和硬盘。所述IMX27模块集成ARM 926EJ-S微处理器核和H. 264视频压缩硬件编解码器。所述UC6480电源管理芯片将输入的3. 3V电源电压分别降压为2. 75V、1. 8V、 1. 4V0本实用新型的工作流程从前端音频传声器和CMOS视频传感器采集到音视频讯号，经过音视频A/D转换后生成数字音视频格式数据，预处理后再经过IMX27微处理器压缩编码分别得到H. 264视频流和ACC音频流。这些音视频流在无线传感器网络繁忙时存储在节点硬盘中，在网络空闲时直接发送到目的节点。本实用新型是基于Zigbee低速率无线通讯协议和JVT提出的高度压缩数字视频编解码器标准H. 264的无线音、视频采集与传输设备。利用IMX27微处理器实现视频压缩编码，配置Zigbee射频模块实现音、视频的无线传输。Zigbee射频模块支持2. 4GHz Zigbee标准，可与分布于被监测区域内的数据监测节点通讯。本实用新型兼有Zigbee技术和H. 264视频压缩标准的优势，具有传输效率高、通讯质量好、功耗小、成本低、网络容量大，网络自组织能力强等特点，满足了各种对视频质量要求较低视频采集与传输应用场合的需要。高数据压缩率的H. 264视频压缩技术的应用使得在低数据速率，网络环境不稳定的Zigbee网络中传输高质量视频成为可能。本实用新型的优点主要体现在以下几个方面(1)音、视频传输严格按照IEEE802. 15. 4标准对物理层和MAC层的规定，以及 Zigbee联盟对网络层和应用层的要求，利于视频传感器节点之间互连和自组网。该节点设备具有Zigbee易自组织网络，可容纳的网络设备数多等优势。(2)本实用新型实现了低速率Zigbee网络中的高质量的音视频的采集与传输。(3)本实用新型设备功耗低。采用的微处理器采用了多种节电技术，射频模块有多种休眠模式，这些技术使得设备能在电池供电的条件下长时间工作，满足长期无人值守的无线视频监控应用需要；(4)不同于传统视频处理单元的ARM — DSP双处理器构架，本实用新型采用的微处理器单元内置ARM 9核和H. 264硬件编解码器。其中，ARM核作为整个设备的控制中心，控制完成音视频的采集、处理及传输功能。H. 264硬件编解码器在视频压缩时不占用CPU资源，视频处理速度更高。[0021](5)本实用新型采用的H. 264图像压缩标准，具有低码率，容错能力较强的特点， 特别适合于无线传感器网络环境下视频传输的应用。
图1为无线视频传感器网络节点设备结构示意图；图2为无线视频传感器网络节点设备各单元与处理器连接示意图；图3为音、视频讯号流示意图。
具体实施方式
图1为本实用新型无线视频传感器网络节点设备结构示意图，本实用新型包括微处理器1及分别与其相连接的音、视频采集单元2、存储器单元3、Zigbee射频单元4、电源管理单元5和通讯单元6。微处理器1采用飞思卡尔半导体公司的IMX27模块，它内含高性能的ARM 926EJ-S核和H. 264硬件压缩编解码器。其中，ARM核作为整个设备的控制中心， 控制音视频的采集单元完成音视频的采集，并控制MC13192与其他无线传感器网络节点的通讯。H. 264硬件压缩编解码器完成音、视频讯号的压缩编码。Zigbee射频单元4采用MC13192模块，通过SPI接口与所述IMX27模块的CSPI接
口连接。音、视频采集单元2包括视频采集单元2-1和音频采集单元2-2，以及用于图像传感器参数配置的EEPROM 2-3。视频采集单元2_1采用Micron MT9D131模块。Micron MT9D131模块是一种200万像素的视频传感器，与IMX27的CMOS传感器接口 CSI连接，通过
I2C连接实现该模块的控制。EEPROM与IMX27 I2C端口相连，完成CMOS传感器参数配置和控制。音频采集单元2-2采用音频编解码器WM8974模块，它的SSI 1端口与CSPI 1端口与所述IMX27模块连接，SSI 1端口传输采集的音频数据，CSPI 1端口完成音频采集中相关参数设置；电源管理单元5为UC6480电源管理芯片；所述通讯单元6包括RS232/485 串口 6-1和硬盘6-2。LM26480电源管理芯片将输入的3. 3V电源电压分别降压为2. 75V、 1. 8V、1. 4V,以满足图像传感器、存储器单元、CPU核对电压的不同需要。音频编解码器通过 SSI 1端口与IMX27 CSPI 1端口连接，SSI 1端口传输音频数据，CSPI 1端口完成相关参数设置。存储器单元3 包括 DDR SDRAM 3-1, NAND FLASH 存储器 3_2。其中 DDR SDRAM 用于为系统提供最大可能的数据吞吐量，在系统启动时，从NAND FLASH存储器中复制操作系统和程序到RAM中执行。NAND FLASH存储器用于存储操作系统程序和中间数据。本实用新型设备中不同芯片和处理单元对电源电压的要求不同。如CPU核需要 1. 4V电压，图像传感器需要2. 75V电压，存储器单元需要1. 8V电压，而Zigbee射频单元、音频采集单元都需要3. 3V电压。因此，电源管理单元5选用UC6480电源管理芯片，将3. 3V 的输入电压降压为系统单元所需要的电压。其中，UC6480的Buck 1提供1. 4V电压，LDOl 提供2. 75V电压，Buck 2提供1. 8V电压。通讯单元6包括RS232/485串口 6-1和硬盘6-2，其中RS232串口用于需要与计算机直接通讯的场合；硬盘用于无线传感器网络繁忙时，节点临时时保存采集的音、视频数据，待到网络空闲时再将硬盘中的数据发送至目的节点。RS232和硬盘分别与微处理器单元的UART 1，ATA端口连接。各单元之间连接方式和遵守的端口协议如图2所示。图3所示为本实用新型的音、视频讯号流示意图。如图3所示，CMOS传感器采集现场视频讯息并数字化，数字化的视频数据先通过 IMX27集成的硬件加速器(eMMA)实现视频预处理。再将视频送入H. 264硬件编码器，按 H. 264视频压缩标准压缩视频数据。为实现Zigbee网络中的视频数据传输，还需将编码后的数据流打包成符合Zigbee的数据帧格式的数据帧。随后，判断网络是否处于繁忙状态， 网络繁忙时则将数据临时存储在节点硬盘中，直到网络空闲时再发送。网络空闲时直接利用射频单元MC13192将视频数据以扩频方式发送出去。视频数据在Zigbee网络中传输时， 根据目的节点的不同，以单跳或多跳的方式最终传送到目的节点。随后，目的节点解码视频数据，作进一步处理和应用。图3为视频讯号处理流程，各步骤如下Step 1 音、视频传感器采集现场音、视频数据Step 2:对模拟的音，视频数据数字化和预处理Step 3 :H. 264视频压缩标准压缩视频数据Step 4 将编码后的数据流打包成符合Zigbee规范的数据帧。Step 5:网络空闲时直接发送数据，繁忙时暂时将数据存储在节点硬盘中Step 6 将数据以单跳或多跳方式发送到目的节点Step 7 目的节点接收和解压，恢复出音、视频讯息。音频讯号处理流程与视频讯号处理流程基本一致。
权利要求1.一种无线视频传感器网络节点设备，包括微处理器(1)及分别与其相连接的音、视频采集单元(2)、存储单元(3)、Zigbee射频单元(4)、电源管理单元(5)和通讯单元(6)，其特征在于所述微处理器采用IMX27模块，所述Zigbee射频单元(4)采用MC13192模块，通过SPI 接口与所述IMX27模块的CSPI接口连接；所述音、视频采集单元(2 )包括视频采集单元(2-1)和音频采集单元(2-2 )， 所述视频采集单元(2-1)采用Micron MT9D131模块，与IMX27的CMOS传感器接口 CSI连接，通过/2C连接实现该模块的控制；所述音频采集单元(2-2)采用音频编解码器WM8974模块，它的SSI 1端口与CSPI 1端口与所述IMX27模块连接，SSI 1端口传输采集的音频数据，SPI 1端口完成音频采集中相关参数设置；所述电源管理单元(5)为UC6480电源管理芯片；所述通讯单元(6)包括RS232/485串口(6-1)和硬盘(6-2)。
2.根据权利要求1所述的视频传感器网络节点设备，其特征在于所述IMX27模块集成ARM 926EJ-S微处理器核和H. 264视频压缩硬件编解码器。
3.根据权利要求1所述的视频传感器网络节点设备，其特征在于所述UC6480电源管理芯片将输入的3. 3V电源电压分别降压为2. 75V、1. 8V、1. 4V。
专利摘要本实用新型涉及一种无线视频传感器网络节点设备，主要解决现有设备中存在设计复杂，视频传输效率较低等缺点，本实用新型是基于Zigbee低速率无线通讯协议和JVT提出的高度压缩数字视频编解码器标准H.264的无线音、视频采集与传输设备。本实用新型利用IMX27处理器实现视频压缩编码，配置Zigbee射频模块实现音、视频的无线传输。Zigbee射频模块支持2.4GHz Zigbee标准，可与分布于被监测区域内的数据监测节点通讯。本实用新型兼有Zigbee技术和H.264视频压缩标准的优势，具有传输效率高、通讯质量好、功耗小、成本低、网络容量大，网络自组织能力强等特点，满足了各种对视频质量要求较低视频采集与传输应用场合的需要。
文档编号H04N7/26GK202168221SQ201120275588
公开日2012年3月14日 申请日期2011年8月1日 优先权日2011年8月1日
发明者刘世界, 李永涛, 杨光, 沈军霞, 洪承军, 竺小松 申请人:合肥威师智能电子电器厂