可用於水環境監測的無線傳感器網絡數據視頻基站的製作方法
2023-06-09 20:23:16 1
專利名稱：可用於水環境監測的無線傳感器網絡數據視頻基站的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種可用於水環境監測的無線傳感器網絡數據視頻基站設備，該設備採用ARM-DSP雙處理器架構並結合高效的ZigBee、 CDMA無線傳輸技術，屬於無線通信和嵌入式系統技術領域。
背景技術：
水環境監測是水資源管理與保護的重要手段，我國水資源緊缺、水 汙染嚴重，如何高效、實時、準確地獲取水環境參數，研究開發網絡化、 智能化的水環境實時監測系統已成為迫切需要。現有的水環境監測方法主要分為兩種1)採用可攜式水質監測儀人 工採樣、實驗室分析的方式；2)採用由遠程監測中心和若干個監測子站 組成的水環境自動監測系統。前者無法對水環境參數遠程實時監測，存 在監測周期長、勞動強度大、數據採集慢等問題，無法反映水環境動態 變化，不易及早發現汙染源並報警。後者雖能較好解決上述存在的問題， 但由於有預先鋪設電纜和建立多個監測子站的施工要求，故有系統成本 高、監測水域範圍有限、易對監測區域造成破環等缺點。無線傳感器網絡(Wireless Sensor Networks, WSNs)作為一項新 興的技術，是由部署在監測區域內大量的廉價微型節點組成，通過無線 通信方式形成一個多跳的自組織網絡，協作地採集和處理監測區域中的 感知對象信息，並發送給觀察者。它的出現產生了一種全新的信息獲取 和處理模式，結合不同類型的傳感器，在環境監測、軍事偵查、智能家 居、智能交通、工業控制等眾多領域有著廣闊的應用前景。基於無線傳 感器網絡的水環境實時監測系統是無線傳感器網絡在環境監測方面的典 型應用。與現有的水環境自動監測系統相比，基於無線傳感器網絡的水 環境監測系統具有對生態環境影響小、監測密度高且範圍廣、系統成本目前，基於無線傳感器網絡的水環境實時監測系統，國外比較典型的代表有美國Heliosware公司的EMNET系統和澳大利亞CSIR0的Fleck 系統。EMNET系統可測量水壓、PH值、電導率、溶解氧等參數，無線通 信頻段為900MHz，速率為9.8 kbps; Fleck系統主要測量的指標是PH 值、水溫、電導率，無線通信頻率為433MHz，速率72 kbps。上述兩種 系統可採集參數種類較少、不提供對水環境的視頻監測功能、通信速率 低、產品體積較大、功耗較高，僅適合用作研究，目前尚不能作為實用 系統在現場使用。基於無線傳感器網絡的監測系統通常包括傳感器節點、數據基站、 監測中心。大量傳感器節點部署在監測區域中，以自組方式構成網絡， 傳感器節點採集感興趣的環境信息並路由至數據基站，由數據基站通過 有線或無線方式送至遠程監測中心，用戶通過監測中心對傳感器網絡進 行配置和管理，發布監測內容以及收集監測數據。通常情況下，監測區 域類型多樣、環境複雜，有線傳輸方式存在布線困難、成本高等缺點， 很難滿足數據傳輸的要求，而無線傳輸則具有組網簡單方便、成本低、 不受地理環境影響等優點，可很好地實現監測系統中數據傳輸的要求。 目前在無線接入方式上，新興的ZigBee和CDMA無線傳輸技術具有高通 信速率、高質量、低成本等優點，與其它無線傳輸技術相比，具有更高 的性價比。數據採集基站作為整個監測網絡的網關設備，是整個系統的 通信樞紐，隨著嵌入式技術、無線通信技術、傳感技術的飛速發展，具 有穩定高效的無線通信能力、更強數據處理能力及環境適應能力，已成 其發展趨勢。 發明內容本發明的目的是針對現有技術的不足，提供了一種傳感器網絡網關 設備一數據視頻基站，在基於無線傳感器網絡的水環境監測系統中，基 站與傳感器網絡、基站與遠程監測中心間建立可靠連接，實現數據的雙 向通信。具體內容包括可無線接收數據監測節點上傳的水質參數(包括水 溫、PH值、濁度、電導率、溶解氧含量等)、節點自身的狀態信息，可採 集重點水域的實時視頻信息，並通過無線方式將採集處理後的數據發送 至遠程監測中心。同時基站可接收遠程監測中心發送的控制指令，並根 據指令要求完成相應操作(包括CCD攝像機焦距、雲臺的調整，視頻解碼器的設置；發送控制指令至傳感器網絡，配置數據監測節點、査詢和收集相關信息等)。具體技術方案該基站採用A固-DSP雙處理器架構，配置ZigBee射 頻模塊和CDMA傳輸模塊。ZigBee射頻模塊支持2.4GHz ZigBee/ IEEE802. 15.4標準，可與分布於監測水域內的數據監測節點通信。CDMA 傳輸模塊，可實現基站與遠程監測中心間的通信。本發明的基站包括ZigBee射頻模塊CC2420、 CDMA傳輸模塊 HUAWEI-CM320、視頻信號採集模塊和微處理器模塊。其中微處理器模塊採用ARM-DSP雙處理器架構，包括ARM處理器 AT91M55800A和DSP處理器TMS320C6412， ARM處理器AT91M55800A的EBI 接口與DSP處理器TMS320C6412的HPI總線連接。ZigBee射頻模塊CC2420通過SPI接口與A脂處理器AT9謹55800A連接。CDMA傳輸模塊HUWEI-CM320通過USART串口與ARM處理器 AT91M55800A連接。視頻信號採集模塊包括CCD攝像機，模擬視頻解碼器SAA7111A，兩 片雙幀存儲器IDT71V416和CPLD邏輯控制單元EPM7128。其中，CCD攝 像機與模擬視頻解碼器SAA7111A連接，模擬視頻解碼器SAA7111A與CPLD 邏輯控制單元EPM7128連接；兩片雙幀存儲器IDT71V416分別通過分離 的地址線和數據線與CPLD邏輯控制單元EPM7128連接；EPM7128與DSP 處理器TMS320C6412的EMIFA接口連接。本發明中的各個模塊均採用成熟的現有技術，可以通過購買取得。有益效果1. 數據通信能力強、網絡覆蓋範圍廣。本發明採用新興的ZigBee 技術實現無線傳感器網絡與數據視頻基站的數據雙向通信，通過CDMA網 絡實現基站與遠程監測中心的數據雙向通信。應用新興、高效的無線通 信技術，使得基站系統的通信具有傳輸速率快、通信質量高、功耗小、 成本低、網絡容量大等特點，實現了水環境監測系統中水環境參數和視 頻信息實時傳輸的需要。2. 基站設備環境適應性強。基站各部件均採用符合工業級標準的器 件，在野外惡劣的環境條件下具有較強的適應能力。3. 實現視頻信號的實時採集、處理和無線傳輸。採用專用視頻解碼 器+DSP+CLPD結構，並採用雙幀存儲器輪換存儲方式，滿足了視頻信號採 集處理的抗幹擾性與實時性要求，且通過雙C固A傳輸模塊實現了高效傳 輸。視頻信號的採集處理擴展了基站功能，增強了水環境監測的能力。4. 數據處理速度快，功能強。本發明使用32位高性能的A固、DSP 作為處理器。兩種處理器的結合，充分利用了其各自的性能優勢，提高 了數據處理以及數據傳輸能力，同時增強了系統可靠性並有利於今後的 系統升級和功能更新。5. 電路結構清晰，工作穩定可靠。基站設備各模塊功能模塊和接口 定義清晰，且採用ARM-DSP雙處理器架構，其中A脂處理器作為整個基 站設備的控制中心，完成數據的採集、處理及傳輸功能；而DSP處理器 負責視頻信號的採集處理，兩者分工明確，各司其職。
圖l為本發明的結構示意圖；圖2為本發明的視頻信號流示意圖；圖3為基於無線傳感器網絡的水環境監測系統整體構架示意圖。
具體實施方式
下面結合附圖對本發明提供的基站設備作進 -步描述。圖1為本發明提供的可用於水環境監測的無線傳感器網絡數據視頻基站的結構示意圖，該基站包括ZigBee射頻模塊CC2420 1、 CDMA傳輸 模塊HUAWEI-CM320 3、視頻信號採集模塊4以及微處理器模塊2四部分。 各模塊中均採用現有成熟技術。其中，微處理器模塊2採用A腹-DSP雙處理器架構，包括A函處理器 AT91M55800A 2-1和DSP處理器TMS320C6412 2-2。其中AT91M55800A 2-1 用於控制CC2420 1與傳感器網絡、HUAWEI-CM320 3與遠程監測中心10 之間的通信，並對採集的水環境參數作分析與處理。TMS320C6412 2-2完 成視頻信號的採集、壓縮編碼以及與AT91M55800A 2-1通信。A歴處理 器AT91M55800A的EBI接口與DSP處理器TMS320C6412的HPI總線連接視頻信號採集模塊包括CCD攝像機4-1，模擬視頻解碼器SAA7111A 4-2，雙幀存儲器IDT71V416 4-4 (兩片SRAM1 4-4-1， SRAM2 4-4-2) 和CPLD邏輯控制單元EPM7128 4-3三部分。其中，CCD攝像機與模擬視 頻解碼器SAA7111A連接。SAA7111A用於完成模擬視頻信號的數位化，同 時輸出時鐘與同步信號，其輸出端與EPM7128 4-3相連；IDT71V416 4-4 用於實現視頻數據的高速緩存，以分離的地址線與數據線與EPM7128 4-3 相連；EPM7128 4-3主要實現將採集的視頻數據存入IDT71V416 4-4，並 完成對整個視頻信號採樣、傳輸的協調工作，與TMS320C6412 2_2的EMIFA 接口相連。視頻信號採集模塊4結合TMS320C6412 2_2用於實現監測區 域視頻信息的採集與處理功能。具體的TMS320C6412 2-2實現將採集的 視頻數據以H.264格式壓縮編碼，以及完成SAA7111A 4-2的配置，CCD 攝像機4-1、雲臺的控制。其中TMS320C6412 2-2通過工2C總線實現對 SAA7111A 4-2的配置，並通過UART串口實現對CCD攝像機4-1及雲臺的 控制。ZigBee射頻模塊CC2420 1用於實現基站設備與無線傳感器網絡的數 據監測節點間的通信。通過SP工接口與AT91M55800A 2-1連接；CDMA傳輸模塊HUWEI-CM320 3，用於實現基站設備與遠程監測中心之間的通信，通過USART串口與AT91M55800A 2-1連接。圖2所示為本發明的視頻信號流示意圖。CCD攝像機4-1採集水環境 監測現場的視頻信息，輸出PAL制式的標準模擬視頻信號，經由視頻傳 輸線傳輸至視頻解碼器SAA7111A 4-2，其輸出為數字視頻信號，同時輸 出同步信號及時鐘信號，CPLD邏輯控制單元EPM7128 4_3接收數字視頻 信號並控制雙幀存儲器IDT71V416 4-4 (SRAM1 4-4-1， SRAM2 4-4-2)的 輪換存儲，具體的SAA7111A4-2輸出一幀視頻數據，將其存儲於SRAM1 4-4-1中，而此時DSP處理器TMS320C6412 2-2正從SRAM2 4-4-2中讀取 視頻數據並進行處理，當存完一幀視頻數據後，SAA7111A 4-2通過 EPM7128 4-3向TMS320C6412 2-2中斷引腳發送中斷信號。TMS320C6412 2-2接收並響應中斷後，在中斷程序中設置狀態變量並通過EPM7128 4-3 作一次地址、數據總線切換，將TMS320C6412 2-2的數據、地址總線連 至剛存完一幀數據的幀存儲器SRAM1 4-4-1)中(同時將EPM7128 4-3的 數據、地址總線切換至另一幀存儲器SRAM2 4-4-2中)，TMS320C6412 2_2査詢中斷程序中設置的狀態變量，若滿足要求，則從剛存完一幀數據的 SRAM1 4-4-1中讀取數據至片內RAM中並作處理，以H. 264標準格式壓縮 編碼後通過HPI接口傳輸至ARM處理器AT91M55800A 2-1中，最後經由 CDMA傳輸模塊HUAWEI-CM320 3發送至遠程監測中心10。在整個監測系統中，數據視頻基站8通過協議轉換將傳感器網絡即 ZigBee網絡6與CDMA網絡9兩個異構網絡連接在一起，充當兩者之間的 網關。水環境監測系統的數據流、狀態流、命令流傳輸情況如下。在監 測過程中，分布於子區域7中的數據監測節點5通過傳感器採集水溫、 PH值、溶解氧含量、濁度、電導率等水環境參數，並將網絡自身的狀態 信息以定時發送方式通過ZigBee網絡6以多跳方式最終上傳至數據視頻 基站8。基站8經由CC2420 1接收水環境參數和傳感器網絡6狀態信息， 進行簡單的分析和處理後，產生是否超限、是否需要報警等信息。同時， 數據視頻基站8通過視頻信號採集模塊4，採集主要監測區域的視頻信號，並最終將採集的水環境參數、視頻信息以及傳感器網絡6狀態信息連同分析處理後的報警信息，經由HUAWEI-CM320 3發送至遠程監測中心10。 遠程監測中心10接收基站8上傳的各種信息，分析處理相關數據，並根 據監測需要發送控制指令至基站8。而基站8接收到指令後，經解碼做出 相應的控制操作，例如，通過UART串口對自身CCD攝像機4-1焦距、雲 臺的調整；通過I2C對SAA7111A 4_2的設置；發送控制指令至傳感器網 絡6，配置相關數據監測節點5等，滿足遠程監測中心10簡單的控制要 求。本發明提供的數據視頻基站設備，作為整個水環境監測系統的網關 設備，實現了監測區域與監測中心間數據的雙向通信。圖3為基於無線 傳感器網絡的水環境監測系統整體架構示意圖。將整個待監測水域劃分 為若干個子區域7，系統架構可分為三個層次子區域內數據監測節點5、 子區域內數據視頻基站8 (本發明提供的基站)、遠程監測中心10。其中， 在子區域7中構建基於ZigBee無線技術的傳感器網絡ZigBee網絡6， 每個子區域配置一個ZigBee射頻模塊CC2420 1和CDMA傳輸模塊 報JAWEI-CM320 3的數據視頻基站8，對分布在子區域7中ZigBee網絡6 中的多個數據監測節點5進行數據採集和狀態監測，並通過CDMA網絡9 將採集的實時數據傳送至遠程監測中心10。此外，數據視頻基站8通過 HUAWEI-CM320 3，構建針對主要監測區域的視頻監測系統(為增加視頻 信息的傳輸速率採用兩片CDMA傳輸模塊)。遠程監測中心10接收實時視 頻信息和水環境參數，提供用戶人性化的監控界面，並擁有強大的數據 管理和分析功能。作為整個水環境監測的數據傳輸樞紐，工作過程如下每個子區域7 中部署多個基於ZigBee無線技術的數據監測節點5，並通過傳感器採集 水溫、PH值、溶解氧含量、濁度、電導率等參數，以一跳或多跳方式通 過ZigBee網絡6與數據視頻基站8通信，基站8負責收集子區域中數據 監測節點5採集的水環境參數，以及ZigBee網絡6自身狀態信息，並根據ZigBee協議拆解封裝，同時對得到的數據進行簡單的分析和處理，例 如判斷是否超限、是否需要報警等，最後經由恥AWEI-CM320 3將水環境 參數或報警信息經CDMA網絡9發送至遠程監測中心10。基站8也可接收 遠程監測中心10發送的控制指令，經解碼後，根據指令要求完成相應的 控制操作，例如CCD攝像機4-1焦距、雲臺的調整；SAA7111A 4_2的設 置；發送控制指令至ZigBee網絡6，配置數據監測節點5、查詢和收集 相關數據等。
權利要求
1.可用於水環境監測的無線傳感器網絡數據視頻基站，包括ZigBee射頻模塊CC2420、CDMA傳輸模塊HUAWEI-CM320、視頻信號採集模塊和微處理器模塊，其特徵在於所述的微處理器模塊採用ARM-DSP雙處理器架構，包括ARM處理器AT91M55800A和DSP處理器TMS320C6412，ARM處理器AT91M55800A的EBI接口與DSP處理器TMS320C6412的HPI總線連接；所述的ZigBee射頻模塊CC2420通過SPI接口與ARM處理器AT91M55800A連接；所述的CDMA傳輸模塊HUWEI-CM320通過USART串口與ARM處理器AT91M55800A連接；所述的視頻信號採集模塊包括CCD攝像機，模擬視頻解碼器SAA7111A，兩片雙幀存儲器IDT71V416和CPLD邏輯控制單元EPM7128；CCD攝像機與模擬視頻解碼器SAA7111A連接，模擬視頻解碼器SAA7111A與CPLD邏輯控制單元EPM7128連接；兩片雙幀存儲器IDT71V416分別通過分離的地址線和數據線與CPLD邏輯控制單元EPM7128連接；EPM7128與DSP處理器TMS320C6412的EMIFA接口連接。
全文摘要
本發明涉及一種可用於水環境監測的無線傳感器網絡數據視頻基站。現有的水環境監測方法和設備存在各種問題。本發明的基站採用ARM-DSP雙處理器架構，配置ZigBee射頻模塊和CDMA傳輸模塊。ZigBee射頻模塊支持2.4GHz ZigBee/IEEE802.15.4標準，可與分布於監測水域內的數據監測節點通信。CDMA傳輸模塊，可實現基站與遠程監測中心間的通信。本發明具有傳輸速率快、通信質量高、功耗小、成本低、網絡容量大等特點，滿足了水環境監測系統中水環境參數和視頻信息實時傳輸的需要，同時滿足了視頻信號採集處理的抗幹擾性與實時性要求，增強了水環境監測的能力。
文檔編號G08C17/00GK101277431SQ20081006036
公開日2008年10月1日 申請日期2008年4月8日 優先權日2008年4月8日
發明者孔一凡, 鵬 蔣 申請人:杭州電子科技大學