视频传感器（共7篇）
视频传感器 篇1
1 前言
无线传感器网络是由一组传感器节点来组成, 这些节点配置有专门的传感器, 以无线通信的形式进行组网和交互。在传感器网络的部署工作中, 通常把节点安置在监控区和目标环境中, 再按照需求对温度、湿度、压力等相关的环境数据做采集的工作。
2 技术应用的难点
在技术应用的早期中只能够对简单的数据进行收集分析, 而且被应用的范围也比较小, 直至摄像头和相机等设备应用到传感器的节点后, 无线传感器网络采集信息的范围才得到拓展。能够直观和深刻的理解到目标对象想表述的意思, 这是用户最终的要求, 而无线传感器网络技术呈现出的多媒体内容刚好符合用户的需求, 因此此项技术很快被广泛的用户所接受。技术在引用的过程中会受到工作环境和硬件设备的制约, 在对多媒体内容的处理上仍然会存在一些问题比较难处理。
2.1 业务要求较高
时延、丢包率和网络工作时间等业务在无线传感器网络中都应该得到有效的服务保障。多媒体业务除了要具备以上基本的指标, 还会对声音质量、图像质量和时延抖动率等内容提出相关的服务性要求。由于受到一些客观条件的制约, 无线传感器网络在多媒体业务指标的实现上更加困难。
2.2 节点的功能较弱
节点在无线传感器网络中拥有的数量比较多, 在多数情况中只使用一次, 并且不做回收处理, 由此可见节点的支付成本不高。在成本的有效控制下, 节点的质量无需不高, 因此所具备的工作能力有限, 只需拥有通信和计算的能力。
2.3 能量不充足
技术只需具备一次性的野外环境使用功能, 而传感器的节点在供电上通常采用电池来完成, 由于用电池来供电时比较麻烦, 所以电能的供应较为紧张, 因此不能够做比较复杂的任务处理和计算工作。
2.4 信号传输时冲突比较多
无线信道是无线传感器网络的通信媒介, 所有的节点经常需要在一个无线信道上工作。在某一个区域中如果有事件发生, 所在区域附近的节点都能观测得到, 再通过无线信道来做数据的提交工作, 这样就容易引发通信的冲突事故。此外, 数据报文的转发和报文控制都会给节点增加负担, 致使信道冲突的问题更加严重。
3 视频传输技术
3.1 单层协议视频传输技术
3.1.1 分布式视频编解码
其主要被运用到在应用层上, 基本任务是, 对原始的视频文件在发送端做编码工作, 接收端进行数据的解码, 将原始的视频文件恢复出。视频资料中会有背景相似的连续在一起的图像资料, 或者局部颜色相类似的图片, 这些数据中的相似性正是视频编码器能够用来编解码的内容, 不仅能够将数据量减少, 还能确保图像资料传输的质量, 相对于传统的数据传输技术更为便捷。分布式编码 (图1) 是指, 发送端的数据在进行编码时, 视频帧相互独立工作, 各自完成不同的编码任务, 待经过编码的数据传到接收端以后, 解码器再依据视频帧的相关性做解码的工作。此种办法的编码端计算量比经典编码器的计算量小, 这样就能够满足传感器节点能量不足的限制。Slepian-Wolf和Wyner-Ziv编码是分布式编码的两大类型, SlepianWolf的编码方法是无损压缩类, WynerZiv的编码方法是有损压缩类。
3.1.2 QoS路的应用
QoS路由主要在多层网络中被应用, 为应对多种多样的无线传感器网络的视频业务, 被研究出的QoS路由所具备的功能也不一样。被动式路由协议和主动式路由协议两大类型。被动式路由协议的节点在没有收到通信要求之前对维护网络的信息不需要进行主动的查找和计算工作。主动路由协议则要对网络链路信息做主动的维护, 并且只要节点一有通信的要求就必须进行数据的计算和传输。
3.1.2 多径传输的应用
多径传输也被应用在网络层中, 无线传感器网络中业务的数据量比较大, 仅通过一条路径来传输很容易出错, 因此可以采用多径传输的方式。多径路由传输的运用可以相应的减少传输的任务和能量耗损状况, 将网络的工作寿命延长, 并且还能将网络的服务水平进行提升。
3.2 多层联合优化的视频传输技术
无线通信环境中数据的传输要考虑到各层之间的连续性, 单层进行数据的优化很容易造成信息的冗余和功能目标不一致的情况出现。因此跨层设计的视频传输方法被研究出来。以下是跨层设计所具有的优势。
3.2.1 传输速率的优化
在网络的各层协议中, 流量控制和差错控制由传输层来承担, 如果在网络数据传输任务量较小的情况下, 其可以通过加快数据传输的速率将网络的利用率进行提升;如果网络中的数据传输发生拥堵的现象, 可以通过降低数据传输的速率来缓解网络流量呈现出的问题。
3.2.2 数据的传输更具可靠性
数据量较大的视频文件在多条或一条路径中传输时会因各种各样的因素干扰造成数据的丢失和遗漏。因此把网络层和应用层相结合起来研究后, 就能减少此类现象的发生。采用多描述编码来分割在应用层中的视频文件时, 在面对已经丢失的数据文件仍然能够在接收端恢复出较为清晰的原始文件。但多描述编码的缺点会将数据包的冗余增强, 从而加重数据传输的负担。只适合在网络环境均较差的无线网络中运用。
3.2.3 图像的质量到保障
视频数据的传输遭到丢包就会严重的影响到数据传输的质量, 前文中提到的多描述编码可以解决这个问题, 但在应用的过程中也会将数据传输的负担加重。MPEG-4编码方法也是在网络层和应用层的优化中运用, 可以解决数据传输负担加重的问题, 并且能够将视频业务的传输质量提高。
以下为数据丢包的概率运算方程:
4 两种技术的比较分析
这两种方法在传输视频数据的应用上, 各自存在优缺点, 虽然单层协议的设计和优化都很简单并且具有清晰的逻辑功能划分, 拓展性也很强;但是单层独立的设计优化会造成功能目标不一致的现象, 从而影响到整体的性能。而跨层协议的优化设计在综合对多层性能进行考虑时, 设计的难度就会加大, 没有较好的拓展性。
5 结语
无线传感器网络视频的技术应用是时代的要求, 但技术运用的同时也会存在一定的困扰, 而文中对这些问题进行分析后, 将单层协议和多层协议的视频传输技术做了分析性的探讨, 将其各自的优势和缺点统筹出。发现这两种协议在应用到无线网络传感器的视频业务上将会具有较好的发展趋势。
摘要：对无线传感器网络视频传输技术进行分析研究, 从而找出技术在应用时遇到的难点。把单层协议和多层协议设计优化的视频传输技术进行比较, 分析出两者各自存在的优缺点。
关键词：无线传感,器网络视频,传输技术研究
参考文献
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[2]赵衍娟, 张艳, 关博.无线传感器网络中视频传输系统的研究[J].传感器世界, 2010, 21 (8) :26-28.
[3]王晶, 郭剑.无线传感器网络视频传输技术研究[J].数字通信, 2012, 1 (13) :55-59.
无线视频传感器网络总体技术研究 篇2
本文设计了一种新型的WVSN系统架构, 多个传感器节点组成WVSN对区域性目标场景进行多角度观测, 各传感器节点能相互协作地实时获取、编码和传输被监测场景的视频信息, 并支持例如目标跟踪等智能数据处理算法的实现。
1 系统总体设计
WVSN系统的主要功能是视频数据的协同获取、处理和无线通讯。系统总体设计主要分为系统结构和传感器节点结构设计两部分。
1.1 系统结构设计。
WVSN系统由多个传感器节点、无线路由器、中心路由器、网络控制器、主控服务器和用户平台组成, 根据传感器节点的布设位置, 相邻区域的数个传感器节点组成一个簇, 簇中的传感器节点通过各自配置的无线网卡连接相应的无线路由器接入系统无线局域网中。无线路由器担任簇头, 与其它簇头和远端中心路由器通讯。主控服务器通过中心路由器获取各个簇的视频数据, 并接受用户平台的控制, 完成数据融合、解码显示、三维重构等视频数据处理工作。网络控制器完成系统无线局域网的网络流量控制、拥塞管理等功能。
WVSN的视频通讯数据量大, 对通讯实时性要求较高。常用的无线通信协议有蓝牙、802.11g、Zigbee等, 其中蓝牙和Zigbee具有移动性好且能耗较低的优点, 但它们的缺点是网络带宽不足, 无法满足多路视频通讯的需求。相比而言, 802.11g可提供较高的网络带宽, 从而保证较高的视频通讯实时性和较好的视频图像质量;目前也已有低功耗的支持802.11g协议的无线设备 (芯片) , 选用基于802.11g的无线通信方式能将系统的总功耗控制在可接受的范围内。
1.2 传感器节点结构设计。
传感器节点需要从不同视角获取被监测区域的视频信息, 并根据服务请求将获取到的视频信息进行压缩编码等数据处理后无线传输至主控服务器端。传感器节点的结构主要包括嵌入式处理器、视频输入模块、存储模块、网络模块和电源管理模块。
(1) 嵌入式处理器。嵌入式处理器的主要功能为支撑嵌入式操作系统的运行。本文选择基于TI-Davinci架构的DM6446 ARM+DSP双核处理器, 包括一个采用ARM926EJ-S内核, 主频297MHz的ARM子系统、一个采用C64x+DSP内核, 主频594MHz, 每秒可执行4752MIPS指令数的DSP子系统和一个包括图像协处理器和丰富外设的视频处理子系统 (VPSS) [2]。 (2) 视频输入模块。视频输入模块的主要功能为获取CCD摄像头的模拟视频数据并进行模数转换等解码操作, 为嵌入式处理器提供待处理的原始视频图像。视频输入模块包括能完成模数转换等解码操作的TVP5146视频解码芯片和包含CCD控制器和预处理器的视频处理前端 (VPFF) 接口。 (3) 存储模块。存储模块的功能是为视频处理的需求提供足够的带宽, 并提供固化嵌入式操作系统内核根文件系统的能力, 提供硬盘接口用以进行大容量的本地视频存储。本设计选用256MB的DDR2 400 SDRAM作为内存, DDR2的内存控制器理论带宽为1296MBps。ATA硬盘接口提供大容量的本地视频存储能力。 (4) 网络模块。网络模块为传感器节点提供无线网络通信能力。通过USB2.0接口连接USB无线网卡实现无线网络通讯功能。UART串口除了提供调试功能外, 也使节点可通过RS485接口控制摄像机的云台。 (5) 电源与管理模块。电源与管理模块为传感器节点供电, 并通过户外供电电池组, 提供约1小时的户外工作能力, 管理模块完成系统工作状态的切换等功能。
2 系统模块技术实现方法
WVSN系统的三个基本功能为:视频数据获取、视频数据处理和无线网络通信, 这三个功能各自独立又互相联系。
2.1 视频数据获取模块。
视频数据获取模块的功能为完成视频信号采集和相应的预处理, 为视频数据处理模块提供待处理的视频图像。视频数据的获取可基于TVP5146视频解码芯片, 通过嵌入式Linux下的V4L2 (Video for Linux two) 视频驱动, 完成对CCD摄像头的视频信号采集、解码和模数转换后输入VPFE视频前端接口[3], VPFE对视频信号进行预处理后, 将视频数据的缓存地址提供给视频数据处理模块进行处理。基于V4L2进行视频获取采用流水线方式。
2.2 视频数据处理模块。
视频数据处理模块的功能是调用例如压缩编码、目标跟踪等各种数据处理算法完成对视频数据获取模块提供的视频图像的处理。
由于系统获取到的原始视频图像的数据量非常庞大, 因此必须选择一种压缩比高并适合无线信道传输的算法实现视频编码器。本文选择了H.264视频压缩编码算法, 相对于传统的MPEG4等编码算法, H.264算法具有更高的编码比, 更好的无线信道适应性, 更适合WVSN的视频无线通信需求[4]。本系统的工程实现中可以直接基于H.264 Baseline Profile视频编码器的Codec算法实例在应用程序中实现一个视频编码器。
基于系统内每个节点搭载的高速DSP处理器, 视频数据模块也支持例如目标协同跟踪等其它智能数据处理算法的实现, 因此系统在功能上具有很高的可扩展性。
2.3 无线网络通信模块。
无线网络通信模块的功能是为系统提供无线网络通讯的能力, 支撑WVSN系统实现多路视频无线通讯功能。传感器节点的通信功能物理上由USB无线网卡完成。
本设计选择基于客户机/服务器 (C/S) 模型来实现TCP/IP视频网络通信, TCP/IP网络通信通过socket套接字接口进行。
服务器端创建一个套接字, 为其绑定一个IP地址和IP端口号后开始在该地址上侦听连接请求, 而客户端则为建立连接创建一个套接字, 并指明目的地址 (即服务器的地址) 。客户请求通过多种协议层到达服务器端, 进入等待队列。服务器收到请求后判断是否接受, 若同意接受, 则服务器再创建一个新的套接字用以接受该请求。连接建立之后, 双方即可进行数据传输, 当需要中止时将其关闭。
3 结论
本文所设计的无线视频传感器网络系统架构, 可根据实际应用环境需求, 完成系统组网、视频信息的获取、处理和通信。系统中的传感器节点具有很强的计算能力和较高的可扩展性, 在未来可以实现更多更复杂的功能, 拓展出更多的应用。
摘要：无线视频传感器网络是无线传感器网络的一种典型应用, 本文研究无线视频传感器网络的总体技术和系统架构的设计实现方法, 并介绍了一种嵌入式智能无线视频传感器网络系统架构的设计和技术实现方法。系统采用模块化设计, 具有较高的工程应用价值。
关键词：无线视频传感器网络,嵌入式技术,研究
参考文献
[1]马华东, 陶丹.多媒体传感器网络及其进展[J].软件学报, 2006, 17 (9) :2013-2028.[1]马华东, 陶丹.多媒体传感器网络及其进展[J].软件学报, 2006, 17 (9) :2013-2028.
[2]Texas Instruments.TMS320DM6446 Digital Media System-on-Chip (Rev.E) , 2007.[2]Texas Instruments.TMS320DM6446 Digital Media System-on-Chip (Rev.E) , 2007.
[3]Texas Instruments.TMS320DM644x SoC Video Processing FrontEnd (VPFE (User's Guide (Rev.E) , 2008.[3]Texas Instruments.TMS320DM644x SoC Video Processing FrontEnd (VPFE (User's Guide (Rev.E) , 2008.
视频传感器 篇3
关键词：RTP协议,视频监控,视频传感器
1、智能视频传感器应用意义
视频监控以其直观、内容丰富的特点, 对现代生活方式产生了巨大的影响。利用当今的计算机视觉理论、成像学理论和视频内容分析技术我们可以容易的检测、识别监控目标。使用现代的多功能智能传感器将这些先进技术运用于视频监控, 使得监控系统具有更大的灵活性和更多的选择性。这样以来可以满足更多的业务需求, 提供更方便、更好的视频服务性能。目前, 视频监控市场的应用主要局限于局域网络传输, 这就需要全职人员负责管理网络, 这与互联网信息时代给人们带来的便利相背离。充分利用有效的视频采集和处理的软件和硬件设备、移动端的新趋势和Internet网络通信技术以及宽带传输网络, 在智能手机等移动终端实时视频监控终端, 具有广阔的应用和市场空间。
2、总体架构与设计
与传统的智能网络视频监控系统相比, 本系统监控前端和用户直接交互, 随时随地介入和访问等功能都是一个创新的设计, 是智能前端视频监控系统集成;智能化特性和易于使用是本系统的一个亮点。智能视频传感器:布控在监控现场, 由视频摄像机和嵌入式电脑设备组成。它能够完成视频的实时采集、分析及早期预警并反馈;对实时视频进行压缩编码并传输, 同时接收监控工作人员命令或控制中心命令, 执行相应动作, 如摄像机旋转等。
3、开发及运行环境介绍
建立交叉编译环境:在一种平台上交叉编译后的可执行代码在另一个平台上运行。
本系统开发平台采用虚拟机上的GNU/Linux系列的Ubuntu 10.10操作系统和英特尔X86架构的CPU处理器体系, 目标板平台的操作系统是Red Hat Linux 9和平台采用ARM 9架构体系。
安装GNU工具链:arm-linux-gcc
Qt库的移植:Qt是一个跨平台的C++图形用户界面应用程序开发框架。它既可以开发GUI程序, 也可用于开发非GUI程序, 比如控制台工具和服务器。使用Qt/Embedded的嵌入式系统具有QT的PC系统的所有功能。
①用上述交叉编译工具编译并安装完成后, 在所需使用的工具和库目录/usr/local/arm/qt-4.7.3_forarm中, 可以查看开发机交叉编译目标板程序的makefile生成工具qmake。
②实际目标板只用到字体和动态库等, 将编译过的文件全部拷贝到目标板lib目录中 (系统默认库位置) , 就可完成移植Qt库。
x264库的移植:x264库是开源的H.264标准实现, 在Video Lan官网http://www.videolan.org/上可以下载源码包, 针对本项目开发板也需要同Qt库类似进行交叉编译移植。
①以下是编译安装脚本:
②完成后生成x264.h、静态库及动态库libx264.so, 存放在include和lib文件夹下, 与Qt的移植相同, 复制到目标板上即可完成x264的移植。
总结:
无论从技术还是市场角度, 实时流媒体传输技术在网络视频监控系统中的应用具有无可比拟的优越性。特别是对于窄带远程监控尤为重要。当然, 这种方法可能会影响图像质量, 然而, 随着数字视频技术的发展, 当前的数字视频压缩格式, 如H.264, 完全满足视频监控和记录的需要。因此, 将嵌入式终端芯片处理技术融入到智能网络监控系统进行开发与应用, 将传统的数字视频监控技术与实时流媒体技术相结合是一种必然趋势。
参考文献
[1]Collins R T, Lipton A, Kanade T, et al.A system for video surveillance and monitoring[M].Pittsburg:Carnegie Mellon University, the Robotics Institute, 2000.
视频传感器 篇4
国外在基于DSP/FPGA的高帧频数据采集系统上, 采集帧频已达到从25 f/s到1 000 f/s甚至更高, 在数字像机的存储流量上也能达到100 M/S以上[1].一般通过CPU/DSP[2]读写指令的系统, 处理速度慢, 不能对数据进行并行处理, 更不能实现硬件加速, 从而直接导致视频采集速度慢.基于FPGA技术的高帧频数据采集系统全部是硬件实现, 系统工作可靠稳定, 且其中大量的运算都采用并行处理的方式, 使采集速度大幅提高.采用FPGA技术设计高帧频数据采集系统必定成为视频数据采集的发展方向.
文中设计了一种基于FPGA的CMOS传感器高速视频采集系统, 具有体积小, 速度高, 开发方便的优点.提出了图像采集系统的硬件总体方案, 选用了采集时所需的主要芯片, 制作了系统整个原理图及PCB图, 设计了采集系统的部分程序.
1 系统原理及总体设计结构
数据采集系统主要由三部分组成:CMOS图像传感器、FPGA核心控制、USB缓存传输.CMOS图像传感器主要负责视频数据的获取;FPGA完成对CMOS芯片采集部分的控制、数据缓存及传送接口控制;传输部分控制传感器的工作状态, 并提供缓存传输接口最终将数据传送到PC机上.
基于原理分析, 提出如图1所示的设计方案.
系统上电工作时, 首先进行初始化, USB接口芯片68013接收来自上位机的命令控制字, 根据命令控制字设置传感器的工作方式, 驱动CMOS传感器工作, 配置完毕后68013向FPGA发出控制信号, 通知FPGA开始采集数据, 经过FPGA编写采样控制信号, 传感器输出10位数字信号, FPGA进行加帧处理数据信号, 同时FPGA也产生接口同步信号, 使数据通过接口芯片68013传输同步, 最后由接口芯片68013将数据传输到计算机上显示处理.
2 系统采用的主要芯片
2.1 图像传感器
该设计选用的传感器是OmniVision公司的一款低电压CMOS图像传感器芯片OV5620, 分辨率为2 592×1 944, 数据位宽为10位, 输出格式为RAW RGB, 扫描模式为逐行扫描, 封装为CLCC-48[4].它在一块小的尺寸封装中实现了单芯片的VGA摄像和图像处理的全部功能.此款传感器内部集成了SCCB控制接口, 外围器件与传感器的通信是通过SCCB完成的, 通过SCCB接口可以完成对传感器内部寄存器的设置, 包括曝光控制、亮度控制、对比度控制、窗口大小设定、帧速率设定、输出格式等.
2.2 控制芯片FPGA
该系统控制芯片选用的是Altera公司CycloneII系列FPGA中的EP2C8T144C8N, 它含有8 256个查找表单元、使用144脚TQFP封装, 共计85个用户可用引脚;具有嵌入式存储器, 含有36个M4KRAM块, 提供162 kbits存储容量, 能够配置成为RAM、ROM、FIFO, 并支持单口和双口等多种操作模式;支持各种单端I/O接口标准, 并具有可编程驱动能力控制;灵活的时钟管理电路, CycloneII器件具有2个可编程锁相环PLL和8个全局时钟线, 提供健全的时钟管理和频率合成功能, 实现最大的系统性能[5].
2.3 传输接口芯片
系统选用的是Cypress公司生产的EZ-USB FX2系列的CY7C68013芯片, 该芯片支持2种传输速率:全速12 Mbit/s和高速480 Mbit/s, 不支持低速.芯片包括1个8051处理器, 1个串行接口引擎SIE, 1个USB收发器, 8.5 KB片上RAM, 4 KBFIFO存储器以及1个通用可编程接口GPIF[6].
3 系统硬件设计
3.1 传感器及其外围电路模块设计
设计此部分工作电路目的是图像的输出, 主要由光学镜头和传感器完成.设计采用了标准镜头, 传感器将光信号转换为电信号, 在FPGA芯片的控制下, 传感器进行A/D转换, 控制输出, 整个工作过程都是在传感器外部提供的时钟下进行.
SCCB一般通过三条串行线完成数据的交换, 这三条串行线分别是:SCCB-E、SIO-C、SIO-D.在该设计中, 传感器本身简化了芯片管脚的数量, 采用2线模式来实现与外围器件交换信息, 其中SIO-C为外围器件访问传感器所必须提供的时钟信号, 而SIO-D是外围器件与传感器交换数据的双向数据线.SIO-C和SIO-D分别对应CMOS的45管脚和46管脚 (图2所示) .
本设计采用了VGA数据输出格式, 在系统设计时, 帧同步信号VSYNC, 行同步信号HREF, 像素时钟输出信号PCLK是要重点考虑的.下面将几个主要管脚与FPGA连接说明如下: (1) D[9:0]:10位数字图像数据输出; (2) VSYNC:帧同步信号; (3) HREF:行同步信号; (4) 像素时钟输出信号:PCLK.采集接口如图3所示.
由于传感器芯片的集成度很高, 外围电路设计很简化, 仅由一些电阻、电容和电感元件组成, 主要的帧同步信号, 行同步信号, 像素时钟信号以及10位数据接口都与FPGA相应的I/O口连接.
3.2 FPGA I/O口连接电路和时钟电路设计
该设计中, FPGA作为核心控制部分控制了绝大部分单元, 关键在于I/O口的控制.FPGA、传感器和传输接口数据通道的设计流程是:首先, 接口芯片通过SCCB协议对OV5620寄存器进行配置, 完成配置后就进入工作状态, 开始图像采集.然后, 在FPGA内部对帧同步信号VSYNC和HREF的下降沿进行判断, 判断新的一帧是否开始.新的一帧开始之后, 在同步信号PCLK的作用下, OV5620将原始图像数据传入FPGA.原始图像数据D[9:0]传入FPGA之后, 经过加头处理后为图像数据dout, 再将图像数据dout接入CY7C68013的数据输入数据总线PB.并且把PCLK信号进行复制得到ifclk信号, 将ifclk信号接入CY7C68013的IFCLK引脚, 作为Slave FIFO传输模式的同步时钟信号.生成的slwr信号作为Slave FIFO传输模式的数据写入使能信号.加头处理之后的图像数据dout就可以通过CY7C68013以Slave FIFO传输模式传入上位机了.
设计FPGA的I/O口主要除了对应连接前端CMOS传感器采样的时钟和数据信号外, 还对应连接后端传输时FIFO缓存的选通信号、时钟信号和数据信号.FPGA的时钟信号需要外部提供, CMOS所需的标准时钟为24 MHz, 故选用24 MHz的有源晶振, 时钟从专门的FPGA时钟引脚接入, 当需要其他频率时钟时, 可通过其内部的PLL分频或倍频实现.
3.3 FPGA配置电路设计
FPGA配置方式分为JTAG配置和主动串行配置AS以及被动串行配置PS.用户可以根据设计需要通过EP2C8T144C8N片上的MSEL0和MSEL1选择适当的配置方案.
该设计中采用了JTAG和主动串行配置.设计的配置电路中, FPGA的引脚MSEL0和MSEL1接地.用来调试的JTAG接口是4线:TMS、TCK、TDI、TDO, 分别为测试模式选择、测试时钟、测试数据输入和测试数据输出, 可对FPGA内部的所有部件进行访问.设计还采用了主动配置, 主动配置用到了串行配置芯片EPCS4, 为低价格的非易失性Flash存储器, 4个配置引脚为:串行时钟输入DCLK、串行数据输出DATA、主动数据输入ASDI和低电平有效片选, 分别与FPGA上的DCLK、DATAO、ASDO、nCSO相连接.
计算机端的应用程序通过下载电缆把配置数据下载到EPCS4中的FLASH存储器.以后每次上电时, FPGA主动输出控制和同步信号给EPCS4, 在配置芯片收到命令后, 就把配置数据发到FPGA.
3.4 数据传输接口 (内部采用了FIFO缓存) 电路设计
68013有2种接口方式:Slave FIFOs和可编程接口GPIF.该设计选用了Slave FIFOs从机方式.外部控制器可像普通FIFO一样对68013的多层缓冲FIFO进行读写.Slave FIFOs工作方式可设为同步或异步;工作时钟可选为内部产生或外部输入;其他控制信号也可灵活地设置为高有效或低有效.图4为传输接口框图.
在设计中, 传输接口芯片68013工作在从模式, 外部设备控制器控制着接口芯片的FIFO, 68013的16位先入先出数据线和外部设备FPGA的数据线相连, 外部设备控制器给FIFO提供所需的5～48 MHz的时钟信号IFCLK, FIFO写允许信号SLWR、PKTEND和FIFOADR[1:0] (如图5所示) .
在设计的电路图中, 采用EEPROM芯片24LC64来存储USB芯片68013的固件代码, RESET芯片MAX811参与接口芯片复位.
3.5 电压转换电路模块设计
电源设计也是整个系统的重要组成部分, 设计时, 采集系统中各个芯片的工作电压要求不一样.电压要求:FPGA核电源1.2 V, I/O口电源3.3 V, 锁相环电源1.2 V, CMOS传感器的模拟电源2.8 V, CMOS传感器的数字电源2.8 V, 传输接口芯片需3.3 V电源.
为了满足整个系统的电源要求, 减小电源自身对整个电路的干扰, 整个硬件电路系统采用USB总线供电.整个硬件电路的供电是上位机通过USB接口提供的, 其提供的电压为+5V, 最大电流为800 mA .硬件电路中OV5620工作电压为+2.8 V, 而USB控制器CY7C68013的工作电压是+3.3 V, 因此选用了低压差线性稳压芯片AMS 1117-3.3将+5 V的供电电压转换为+3.3 V电压, 选用TPS71229将+3.3 V电压转换为+2.8 V和+1.2 V, 从而适应整个硬件系统的供电要求.
3.6 软件设计
软件设计有两大部分, FPGA控制传感器采集部分和FPGA控制缓存传输部分 (如图6所示) .
FIFO的缓存实现:在设计中采用了在传输接口处采用接口芯片内部的FIFO缓存数据, 是通过FPGA控制实现的, 采用了verilog VHDL编程实现.
异步FIFO写数据:将FPGA数据写入接口芯片的FIFO, 编程过程如下: (1) 查询控制信号线, 看是否有读事件发生, 如果有, 就转移到 (2) 状态, 否则保持在状态 (1) ; (2) 分配FIFOADR[1:0]=10, FIFO指针指向输入端点, 转向状态 (3) ; (3) 检查FIFO的满标志是否为1, 假如full=1, 表示FIFO不满, 转到状态 (4) , 否则保持在状态 (3) ; (4) 把外部数据放在FD上, 同时把SLWR拉高, 以使得FIFO指针自动加1, 然后转到状态 (5) ; (5) 假如有更多的数据要传输, 转到状态 (2) , 否则转到状态 (1) .
4 试验验证
在电路板设计软件中依据文中设计, 绘制了电路图 (如图7所示) .实现了高速视频采集模块 (如图8所示) .文中所研究的高帧频CMOS相机采集系统主要技术指标及功能要求如下.
(1) 实现高帧频图像的采集、处理、传输、显示及存储; (2) 拍摄帧频:30帧/s; (3) 分辨率:不小于640×480; (4) 数据位宽:大于等于10位; (5) 记录时间:1 h.
通过高速模拟试验, 设计的系统完全满足设计指标要求.能够实现高速视频的采集.
5 结 论
设计了高速视频采集系统, 采用FPGA完成对CMOS芯片采集部分的控制、数据缓存及传送接口控制, 运用verilog语言实现高帧频数据的FIFO缓存, 且不丢失数据.合理布线, 设计系统数字硬件电路时, 降低布局的毛刺和噪声.当光线饱和或不足时, 依据光通量和CMOS给定的参数, 手动适当调整镜头的光圈.具有体积小, 速度高, 实时性好的特点.
摘要：依据图像采集和传输的方式和方法的不同, 提出了一种以CMOS数字图像传感器作为相机光电转换器件的数据采集方法.设计了一种利用FPGA作为核心控制芯片、USB为传输接口、CMOSOV5620为图像采集芯片的高速视频采集系统.介绍了系统的总体设计结构, 给出了各个模块的具体硬件设计方法和软件流程, 得出了可行性结论.
关键词：FPGA,CMOS传感器,高速视频
参考文献
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视频传感器 篇5
无线视频传感器网络具有非常强大的功能, 其中主要涉及到各种能力的视频传感器节点。然而节点的计算能力与能量资源相对有限, 在非常不利的条件下, 电池无法重新进行充电。怎样充分发挥出节点能量, 提高整个网络的使用时间是开发通信协议工作的重点[1]。
LEACH[2]是业界最为常用的一个以分簇为基础的协议, 但其存在不足。例如, 确定簇首的过程中, 并未分析节点剩余能量, 同时各节点确定成簇首的可能性大约一样, 因此当确定能量少的节点是簇首时, 其非常易于在很短的时间内就死亡[3]。
在解决LEACH协议的弊端方面, 业界一些专家展开细致的探讨, 阐明了一系列的优化协议:文献[4]在研究过程中阐明DEEC, 文献[5]在研究过程中阐明了充分考虑剩余能量和节点位置的协议。上述各种协议仍然具有一定的不足, 它们的性能在今后仍然需要不断提升。
本文提出了一种新的优化协议MSOWVRP (Multi-angle Sensor Networks of Wireless Video Route Protocol) 。该协议在分析LEACH的基本机理上, 充分考虑节点监测区域相关性, 对其实施优化处理。通过仿真可以发现, 与LEACH协议相比, 优化的MSOWVRP协议具有较好的优势, 其能够充分保证网络能耗处于一种均衡的状态之中, 同时能够在很大程度上提高其寿命。
1无线视频传感器网络结构及模型
1.1结构
在传感器网络中, 各节点随机分布。为充分保证其一般性, 需要进行下面几种假设:
(1) 各节点都存在自己的单个ID, 均增添摄像头, 其所处地点保持稳定, 不会变化, 有相等的有限的能量, 都座落在同个平面之中;
(2) 经由选取来形成簇首, 相对来说, 它的级别高于一般的节点, 能够和Sink节点相互交互数据信息。
(3) Sink节点主要处在监测区上部位置, 计算能力与能量没有任何限制;
(4) 利用随机函数来对感知方向进行确定。
无线视频传感器网络结构图如图1所示。
1.2能耗模型
MSOWVRP算法中, 求解能耗主要通过相应的模式来进行, 在这里, 发送k bit信息所需要能量可以通过下式进行描述:
接收发送k bit信息所需要能量可以通过下式进行描述:
式中, d为通信距离, k为数据比特数, Eelec为功耗系数, εfs、εamp为自由空间和多径衰落信道模型功率放大器的能耗常数。
融合过程中, 簇首处理l bit数据, 其能耗大小, 可通过下式进行描述:
1.3感知模型
节点的感知范围是扇形区域, 其圆心是节点、半径是感知距离, 感知模型图见图2。其中p (x, y) 是有向传感器节点的位置坐标, R是传感半径, V是指节点在t时的传感方向, 2α指传感区域视角, α是指V的传感夹角。
2 MSOWVRP协议设计
2.1簇首的选取
首先把无线视频监测区域细化为若干扇形, 在此基础上, 做好相应的标记, 接着把节点ID和它的扇形对应, 这样就形成了弧形方块 (其圆心是基站) , 各弧形方块是1个簇, 簇首具有最高的能耗, 这是由于它会处理簇内节点的信息, 同时还会转发临近簇数据。MSOWVRP协议在确定簇首过程中, 充分分析节点剩余能量及与Sink节点距离两个方面的内容。
详细过程为:先求解剩余能量, 如果该数值比所有节点的平均值小, 则不具备成为簇首的条件, 否则, 求解两者的距离;如果这一个数值比别的节点的距离大, 在这种情况下, 其将不会成为簇首, 这样就使得能量相对偏高的节点最有可能成为簇首, 从而在很大程度上减小了能量相对偏小的节点被确定成簇首的可能性, 最终使得节点能耗变得愈发均衡, 在很大程度上提高了网络寿命。
2.2簇的形成
各簇之中均包括网络节点一组, 里面的任何2个节点相互之间的间距都比提前规定的参数值小。引入分簇算法主要是为了建成囊括所有节点的、有效支持路由协议与资源管理的彼此相连的簇的集合。该系统运行时, 如果没有实施必要的筛选而将其传输到簇头, 这样就会使得在簇头节点汇集过程产生十分严重的偏差, 所以该种方法应当按照具体需求进行。在这里, 按照能耗模型能够看出, 信息输送过程中的能耗与其距离呈现正相关性, 所以考虑到降低能耗, 经由对比节点和每一簇首之间的远近, 确定较近的为簇内分子。详细状况见图3。
2.3基于虚拟势场的节点感知方向调整
此处, 以随机方式产生节点位置, 将使传感器节点在所有监测区域范围内非常不一致, 或许其中某些区域无法涉及到, 详细状况见图4。
具体应用过程中, 鉴于网络部署成本, 不可能所有传感器节点都具有移动能力, 其节点位置的移动极易造成传感器节点失效, 并使整个网络拓扑改变, 均会提高网络维护成本。为此, 基于传感器节点位置不变、传感方向可调的假设, 主要通过虚拟势场的原理来提高其覆盖范围。具体来说, 应当适当变换全部节点的感知方向, 利用这一种方式使覆盖范围最大限度地增加。适当调整后的结果可以通过图5描述。
2.4簇内通信
簇内节点通信时, 首先需要求解簇首与基站两者之间的远近和最高距离的比值, 可以通过下式进行求解:
式中, dig代表簇首i与网关的远近。
如果Φi<0.6, 则说明两者间距偏小, 节点数相对偏小, 主要是通过单跳模式来完成通信;如果Φi>0.6, 则说明两者距离相对偏大, 可以通过下式求解分散系数ηi:
2.5簇间通信
该环节与LEACH算法类似, 簇间通信方式如图6所示。簇首顺着链路传输融合数据, 把它传输至基站, 先融合上一级节点, 在此基础上, 接着把它传输至后续的节点。
3仿真实验
3.1仿真环境及场景设置
为对MSOWVRP协议的总体性能进行测试, 在P4双核实施相应的仿真操作, 同时通过LEACH及DEEC协议实施相应的比对实验, 并从网络生存时间等角度实施性能分析。实验条件为:在某100 m×100 m的范围中, 随机存在着节点100个。这个过程中涉及到的仿真参数见表1。
3.2结果与分析
3.2.1生存时间分析
相同初始状态下, LEACH、DEEC、MSOWVRP协议的生存时间具有不同的表现, 图7为不同协议的网络生存时间对比。通过与前面的两个协议比较看出, MSOWVRP协议的性能大幅提高, 这是因为这一个协议是在确定簇首的过程中通过最优原则进行, 在很大程度上减小了能量剩余偏小者当选的可能性, 使得偏高者当选的可能性提高, 同时利用优化簇间、簇内通信模式, 明显减小了节点能耗, 使网络能耗更均匀, 延长网络的生存时间。
通常情况下, 80%节点死亡时, 网络会变得无效, 表2给出了上述3种协议在10%、50%、80%3种状况下的存活轮数。通过表2可以看出, 本文提出的优化协议能够充分保证剩余能量相对偏高者当选, 将能量负载平均分配至各节点, 从而将负载减小。
3.2.2覆盖率分析
相同初始状态时, 3种协议的覆盖率具有不同表现, 图8为不同协议的监测区域覆盖率对比图。与前面的两个协议比较, MSOWVRP协议的覆盖率明显改善, 这是因为这一协议主要是通过虚拟势场原理科学合理地变换感知方向, 从而使其覆盖范围有所提高。
3.2.3网络能耗比较
三种协议的节点剩余能量方差分布具有不同的表现, 图9为能耗变化曲线。与前面的两个协议比较, MSOWVRP协议的剩余能量尤为均衡, 这是由于前面的两者不存在确定簇首以及通信的时候未分析各节点的能量均衡, 运行时节点的分化明显, 节点间能耗存在非常大的差异, 因此, 当剩余能量偏小者当选时, 节点将会在短时间内死亡, 在很大程度上降低了网络寿命。但是MSOWVRP协议分析了能量差异, 有效确保了不同节点的能耗均衡, 使其利用率不断提升。
4结束语
为了延长无线传感器网络生存时间, 提高节点能量利用率, 本文提出了MSOWVRP协议, 并通过与当前经典的无线视频传感器网络路由协议进行对比测试。仿真结果表明, MSOWVRP协议不仅可以延长整个网络的生存时间, 而且增大了监测区域的覆盖率, 具有广泛的应用前景。
摘要：无线视频传感器节点能量有限, 为减小其能耗, 延长网络生存时间, 提出了一种多角度改进优化的视频传感器网络通信协议MSOWVRP。首先对传统技术的不足进行分析, 结合相关性感知、虚拟势场等概念从簇首节点的选择、簇的形成、节点感知方向的调整、簇内通信以及簇间通信等几个方面进行改进和优化, 最后在Matlab 2012平台上进行了仿真对比测试。仿真结果表明, MSOWVRP协议能够提高传感器网络生命周期和监测区域覆盖率。
关键词：视频传感器网络,能耗,相关性感知,虚拟势场,生命周期
参考文献
[1]Mohammad Alaei, Barcelo Ordinas.A collaborative node management scheme for energy efficient monitoring in wireless multimedia sensor networks[J].Wireless Network, 2013, 19 (12) :639-659.
[2]Shen Hang, Bai Guangwei, Tang Zhenmin, et al.QMOR:Qo S-aware multi-sink opportunistic routing for wireless multimedia sensor networks[J].Wireless Personal Communications, 2013, 72 (4) :110-125.
[3]Ma Huan, Yang Meng, Li Deying, et al.Minimum camera barrier coverage in wireless camera sensor networks[C].Proceedings of IEEE INFOCOM, 2012:217-225.
[4]DAI R, WANG P, AKYILDIZ I F.Correlation-aware Qo S routing with differential coding for wireless video sensor networks[J].IEEE Transactions on Multimedia, 2012, 14 (5) :1469-1479.
视频传感器 篇6
图像传感器在农业、工业、国防应用甚为广泛,图像传感器的数据采集保存和显示是从视角角度来得知外界的信息途径,所以传感器的图像数据的采集显示和数据的保存在信息获取领域占有很重要的一部分。并且图像传感器在不同的环境下工作时,由于环境原因在很多情况下是不能手动来转换传感器的工作模式。所以就需要控制程序来控制传感器工作模式的变换。所以实时控制传感器工作模式和高速实时采集显示在整个图像传感系统中占有相当重要的位置。本文就是对于基于USB2.0的高速视频采集和控制进行了完整的设计。并且此设计简单宜用,通用性极高。
1 硬件系统设计
本文就是针对图像传感器来设计一个视频数据采集与实时控制系统,本试验使用Cypress公司的IBIS5-A-1300作为图像传感器。由于考虑到USB的诸多优点和图像传感器的实际数据速度,所以采用USB作为通信接口,同样采用Cypress公司的EZ-USBFX2LP的CY7C68013A-100TQFP作为USB接口芯片,采用CPLD芯片EPM1270T144C-5作为图像传感器的时序控制芯片。然后结合硬件对USB进行固件配置和PC机终端显示和控制程序进行编写,最后实现了高速图像数据终端PC实时数据采集和对图像传感器的实时控制,对其传感器的开、关、和重新启动、快门方式、曝光时间、帧频调整、初始化等。整个设计思路清晰,简单宜用,整个框架见图1所示:
1.1 板卡与CMOS 传感器IBIS5-A-1300
下面就对各个部分作以描述,由于CMOS图像传感器体积小,功耗低,而且USB设备可以从USB总线上获得+5V,最高500mA的总线供电,所以本系统的电源部分选择USB总线供电,这就大大的减小了PCB板的设计难度和体积。PCB板卡的设计分两块进行。原因如下:
(1)减小故障的扩散范围。两块电路板可以分别测试,防止由于其中一个部分出现问题而影响全局,辟免损坏昂贵的CMOS传感器。
(2)将FPGA和USB部分比较复杂的电路和CMOS传感器部分相隔离,避免相互干扰。
(3)两个模块采用了标准的通用接口,可以通过更新其中相应的模块改进性能或者增加功能。
IBIS5-A-1300型的COMS传感器的特点:
分辨率:1280×1024(SXGA) 1.3M pixels、时钟:40MHZ、动态范围:64db或采用多斜率积分达到80～100db、量化长度:10bit、ADC采样率:40Msamples/s、固定模式噪声:小于0.5%、帧速率:27.5fps,最高30fps并且内部有大量的寄存器和控制器,可以对传感器的工作状态进行实时调整。并可以通过开窗技术,根据实际需要实时提高帧速率。
1.2 USB的框架和配置
USB(Universal Serial Bus,通用串行总线)是计算机上一种新型的接口技术。支持主系统与其外设之间的数据传送。USB器件支持热插拔,可以即插即用(PNP)。USB1.1支持两种传输速度,既低速1.5Mbit/s和高速12Mbit/s,在USB2.0中其峰值速度提高到480Mbit/s。USB具有四种传输方式,既控制方式(Control mode)、中断传输方式(Interrupt mode)、批量传输方式(Bulk mode)和同步传输方式(Isochronous mode)。
CY7C68013A芯片是Cypress公司推出的低功耗版本的EZ-USBFX2LP系列芯片。其内部结构如图2所示:包括USB2.0收发器,串行引擎(SIE)、增强型8051内核、16KB的RAM、4KB的FIFO存储器、I/O接口、数据总线地址和通用可编程接口(GPIF)。支持全速和高速传输。
EZ-USB不同普通51单片,其具有新的特点:增强型8051核,指令周期仅包含4个时钟周期,具有第二个数据指针、第二个USART、第三个16位定时器、非复用的高速16位外部存储器接口、8个额外的中断、FIFO/GPIF数据传输模式、3个唤醒源的休眠模式、I2C总线接口、CPU时钟运行在12MHZ、24MHZ、48MHZ,5个8位并行I/O口(A、B、C、D、E)。USB三种接口模式,包括通用的I/O模式、Slave FIFO模式、GPIF模式。通用I/O通用不作介绍,Slave FIFO模式是芯片内部含有多个FIFO缓冲区,外部逻辑可以对这些端点FIFO进行读写操作,这种不需要EZ-USB的CPU干预,数据批传输数据采用DMA形式。GPIF是一种内部主机控制模式,实际上内核是一个可编程的状态机。GPIF使用波形描述符来操作FIFO,可以将FIFO读写波形分配到端点FIFO上。这样通过波形产生控制信号来进行数据采集的。采用GPIF的采集对板卡设计的引脚增多,对于本设计由于考虑到控制端口引脚和GGPIF模式下采集数据的引脚之间的复用,可能导致不能同时进行控制和采集的工作。故采用 Slave FIFO模式,但是这种模式在速度上,不及GPIF模式。主要是两个工作原理不同的原因。
USB端点缓冲区的配置,是数据采集的关键部分。一个USB有32端点,其中16个输入端点和16个输出端点。CY7C68013A的高速模式下的缓存分配方式如图3。
USB数据有四种传输类型:控制传输、同步传输、中断传输和块传输。控制传输用于支持在客户软件和设备功能之间的关于配置、命令、状态类型的通信流;中断传输适用于那些请求传输的频率不高,但是必须在指定时间内完成的场合;块传输方式传输带宽比同步方式小,一般用于传输大量数据且实时要求不高的设备,这种传输方式适于在WINDOWS操作系统下开发,数据进行校验和重传。同步传输指发送方和接收方以恒定的传输速率传输数据,常用于对传输实时性要求比较高的设备,速度最快,但其控制方式复杂,数据传输不进行校验和重传,允许误码。本系统主要用于大量图像数据传输,且 CMOS图像传感器工作在卷帘和同步快门模式下,采集的图像格式为1280×1024,一帧图像的数据量约为1.6M字节,如果采用同步传输的话,就会出现帧头文件和显示不同步的情况,导致无法显示。故采用块传输模式,而对于CMOS传感器的曝光时间快门方式等工作模式的改变需要发送控制使能信号。要求准确无误,所以采用控制方式来传输。
2 软件系统设计
对于数据采集和控制的设计的软件部分是驱动硬件部分来工作,软件部分主要是CMOS传感器的时序,USB固件和驱动程序。最后是计算机上层数据采集和控制程序,它们之间是通信协议来联系的。
2.1 CMOS传感器工作的时序
对于时序的设计采用自顶向下的设计方法,主要划分几个模块来设计的①CMOS复位模块、②配置CMOS寄存器、③快门方式实现、④数据转换模块。由于IBIS5-A-1300的AD是10位量化精度而USB所采用的16位数据传输,这样在数据之间作转换。有两种方案①CMOS传感器量化10位数据给USB数据接口的低十位,高六位补零。这种情况是浪费USB传输带宽37.5%。这个方案比较简单,在程序中容易实现。②将前后两个周期的信号,共20bit组合成一个信号,分为3组:1组4bit,2组6bit,3组10bit。将1组存储,2组和3组组合成一个16bit信号输出。这一过程在2个周期中完成。4个周期后,将储存的4个1组信号组合为一个16bit数据输出。这一过程,在前一组10bit信号已经输入,后一组10bit信号尚未输入的时候完成。第二种情况是充分利用USB传输带宽,在对高速数据传输的时候可以考虑此方法,但是算法在时序程序实现中比较复杂,并且在时序的计数器应用的比价多。本设计结合CMOS传感器的速度特点采用第一种简单的方案,因为一个周期的数据错误不会影响其他数据的错误,并且错误只有10bit数据丢失,而第二种方案中一个数据周期中的错误,会影响4个数据周期数据错误,64bit数据会丢失。USB容错校验方面第一种方案比较好。
2.2 USB固件和驱动程序
固件程序主要完成对USB接口芯片CY7C68013A的寄存器进行配置,具体由初始化、选择数据的传输模式、实现数据的接受和发送、和对数据端口的选择、端口缓存的配置, USB标准设备请求、外围中断、电源管理、即插即用、控制端口的设置,和上层PC程序定制通信协议等等。固件的实现环境是在Keil C 中实现。部分关键程序诠释如下:
自定义卷帘快门操作,I/O口中的E口作为卷帘快门的使能信号的输出。使能信号传输进入CPLD时序,作为卷帘快门的使能信号SS_START和SS_STOP的触发信号,以此来改变CMOS的寄存器。其它的控制也是遵循一样的原理。只是稍微有点不同,在这里就不一一介绍。下面是卷帘快门的固件程序。
对于驱动程序有两种配置方法:①采用驱动编写软件来编写一个驱动程序,目前有三种驱动开发方式:使用Microsoft的DDK工具,使用KRFTech公司的WinDriver工具和使)用Compuware公司的DriverStudio工具,DriverStudio的有驱动程序的创建向导,便于开发。建议采用此软件进行驱动开发。②采用Cypress公司为EZ-USB提供的驱动程序,只是对驱动程序进行修改和配置就可以使用,简单方便。本设计就使用DriverStudio开发的驱动程序,为了防止自己开发驱动有一些弊端和漏洞,故使用Cypress公司提供的驱动程序进行对比。
2.3 上层应用程序
上层应用程序是在VC6.0编译环境中编写,主要功能有:视频图像的显示,高速原始数据和图像的保存,USB通信的关闭重启动。USB状态的实时监测,CMOS各种状态的使能控制,图像灰度的实时显示,原始数据的回放和原始图像放大分析等等。
应用程序端的编写有两种方法:第一是通过调用的DeviceIoControl() API与固件和驱动进行交互访问,继而读写控制硬件设备,用户可以通过这些底层API完成操作。第二种是使用CYPRESS提供的CyAPI.h、cyioctl.h头文件和CyAPI.lib中的类来进行与USB的固件和驱动进行协议通信,库中的9个类函数基本上完成USB的通信,并且库函数调用非常简便。本设计的上层程序就是基于库函数的基础上来实现各种操作。即是采用第二种方法,通过使用CYPRESS提供的类,调用CYAPI.lib库中的函数,实现USB与PC机之间的通信。图4是对数据采集的上层软件,通过Cypress提供速度监测状态软件,从速度监测上来看,数据传输达到31MByte的连续稳定传输。在数据采集中速度已经满足了传感器的视频采集的要求。
下面对关键上层程序进行诠释:
3 试验结果分析
本设计实现了CMOS视频采集和控制,并且可以通用在别的图像传感器中。对于系统的信噪比进行MATLAB程序分析,分析数据的原理:堵住CMOS镜头,然后采集50张照片,对50张照片的数据进行统计分析。附录是完整的MATLAB程序。分析的信噪比0.0204是和图像传感器的信噪比较稳和。本设计通用性很高,不仅在IBIS5-A-1300型已经很好的使用,而且现在已经用于CMOS传感器LUPA-4000的数据采集和控制中.
参考文献
[1]Cypress.EZ-USBFXLP USB Microcontroller datasheet2006
[2]Cypress.EZ-USB technical reference manual2006
[3]Jungo Ltd WinDriver USB v7.01User s Guide[J]2005
[4]Cypress.Endpoint FIFO Architecture of EZ-USB FX1/FX2-2004
[5]Cypress.EZ-USB-FX2-GPIF Primer2003
[6]薛园园.USB应用开发技术大全.北京:人民邮电出版社,2007.
视频传感器 篇7
有线监控系统是随着电视和摄像机的出现发展壮大起来的, 在这短短的几十年的发展历程中, 伴随着新技术革命的不断冲击和市场的竞争, 各项技术趋于成熟。数字化、网络化和智能管理化对监控系统提出个新的要求。无线监控系统作为有线监控的补充和发展, 为监控系统开辟了新的市场。
1 无线视频监控
1.1 无线视频监控的优势
视频监控作为当前的主流监控形式, 几乎占据了整个监控市场。无线监控系统作为未来网络监控的发展趋势, 已经崭露头角。绿色、环保和节能对无线监控系统提出了更高的要求。
无线视频监控的灵活性主要是因为他不依赖基础设施, 架设简便, 尤其是在一些重大灾害现场, 基础设施大量被毁, 无法及时修复, 无线网络以其简便快捷的方式组成新的通信网络, 并且网络节点的增加与减少都很便捷, 几分钟就可以完成网络的扩容和升级不影响网络的运行。无线监控设备能够投放到一些有线网络无法到达的危险地区, 如对灾害的发展进行实时监控, 及时将信息传回, 为抗灾救灾恢复正常生产生活秩序提供可靠的信息保障。在这些地区通过使用无线网络监控, 减少了人员的伤亡, 避免了有线设备的大量消耗和损失。
有线视频监控使用的普及率已经很高, 一些国家机关、企事业单位和各类公司, 甚至家庭都大量使用有线网络。随着机构功能的增加、公司企业的发展, 在网络的使用过程中, 需要增加客户端, 一些没有预留接口的网络就需要增加设备重新铺设线路, 大大增加了使用成本, 在整个正常运行前还要进行大量的调试工作。无线视频监控的部署则不需要依赖系统预留的基础设施。这种方便快捷的优势是传统有线网络所无法企及。
1.2 无线视频监控的不足
无线监控网络有其自身优势的同时, 也存在一定的不足, 尤其是无线视频监控系统。视频监控网络在实际应用中, 通常监控对象异常情况仅占系统总工作时间的很小比例 (取决于监控环境的复杂程度) , 而在传统的无线视频监控系统中监控节点长期开启正常工作, 大量正常情况的画面数据源源不断的传回控制中心, 既增加了数据在无线监控网络传输中的延迟和系统拥塞, 大大增加了系统的开销, 又使控制中心处理大量正常数据, 造成有限资源的浪费, 同时大量正常的视频画面也给值守人员增加了监控强度, 使职守人员容易产生视觉疲劳, 造成盲检、漏检的可能性大大增加。
此外, 无线视频监控系统中各节点通常使用电池供电, 长时间的开启运行会消耗大量的能量, 降低无线视频监控网络的使用寿命。
如何降低无线视频监控系统的能量消耗同时, 提高系统的监控效率是本文研究的主要问题。针对正常情况下无线视频监控节点长期持续监控存在低效率的情况, 本文提出基于红外传感器网络与无线视频监控系统协同工作的解决方案, 实现基于红外预警按需启动视频监控的高效率低能耗视频监控系统。
2 系统总体设计
监控系统的作用就是及时发现监控目标出现的异常情况, 通知控制中心及时处理, 确保监控目标的安全。
2.1 系统结构
基于红外传感的无线视频监控系统主要包含红外监控系统、视频监控系统以及控制中心三大部分 (见图1) , 下面是这三大系统的简略描述:
(1) 红外监控系统:进行信息采集和环境监视。具体包括若干个Sensor节点和1个Sink (网关/BaseStation) , 每个传感节点Mote上带有处理器、射频芯片和传感板, 节点上运行Tiny OS, 基于Zigbee传输协议, 负责采集各种传感信息, Sink节点汇聚各个传感节点的信息, 由Sink节点通过以太网传给上位机PC控制中心。
(2) 视频监控系统:对现场环境进行视频监控, 转发视频、图片信息。视频传感节点由ARM板, 摄像头, IEEE802.11g无线网卡组成。视频传感节点信息的传输基于Ad-hoc网络, 通过Ad-hoc网络, 自主组网, 实现各个视频传感节点的互联, 并及时将视频信息传给上位机PC控制中心。
(3) 控制中心:统一管理、控制整个无线监控系统, Sensor网关以及无线网卡, 分别用于无线传感器网络和视频传感网提供通信接口。值守人员接受红外预警信息, 根据信息开启无线视频监控系统相应的视频节点, 对监控目标实施及时有效的监控。
2.2 系统工作流程
能够及时将异常情况传回控制中心, 同时减少正常数据的传输可以实现监控系统的作用, 同是也解决了大量正常数据传输给系统带来的弊端。如何实现这个目的?本文尝试使用无线红外传感节点与无线视频节点协同的方式解决, 具体实施如下:
(1) 首先, 由无线红外节点对目标监控区域实施监控, 视屏传感节点进入睡眠状态;
(2) 当红外节点发现异常情况后, 激活异常区域内的视频传感节点的同时向控制中心报告;
(3) 开启相应的无线视频节点及时将现场画面传回控制中心, 待异常情况处理完后, 视频节点再次进入睡眠状态, 这就是预警睡眠机制。工作流程详见图2。
红外传感节点的能耗比视频传感节点的能耗要低很多, 降低了由视频传感节点长时间运行所消耗的能量;预警睡眠机制减少了大量正常数据的传输, 既解决了信息通道的拥塞问题, 又减少的数据转发和控制中心处理大量正常数据造成的损耗。
3 系统实现
3.1 系统的硬件开发环境
硬件是系统的骨架, 由他支撑网络的整体运行, 基于红外传感的无线视频监控系统硬件开发环境详见表1。
3.2 系统的软件开发环境
系统开发软件:Mote Works、SoftWare、PlatForm、Cygwin。
红外监控系统:TinyOS操作平台
视频监控系统:Linux
客户端操作系统:Linux或Windows xp
(1) Mote Works
MoteWorks是Crossbow公司提供的三层软件架构用以加速客户的无线传感器网络产品研发周期。MoteWorks是第一款用于工业可开放源代码的, 基于标准平台和支持OEM设备与系统开发的软件平台。此平台不仅支持多种无线传感器, 还支持多种网络拓扑结构, 如星型、M e s h和混合型。MoteWorks的灵活性和可选性帮助开发人员选择最好的网络拓扑结构, 电源管理模式以及应用带宽。特别适用于低功耗操作的网络。MoteWorks的先进设计同时便于用户自行设计开发硬件。
(2) Cygwin
Cygwin是一个在Windows平台下运行的UNIX模拟环境, 是Cygwin solutions公司开发的自由软件。主要包括两个部分:一个动态链接库 (cygwin1.dll) , 主要用来基于win32API来构建一个UNIX系统库的模拟层;另一部分就是通过一系列的工具来提供Linux的界面和风格。
(3) TinyOS
TinyOS是一个专为无线嵌入式传感器网络设计的开放源代码的操作系统。它具有基于组件的特性, 在传感器网络天生就有内存严格限制的条件下, 这可以用最小代码快速来创新和实现。TinyOS的组件库包括了网络协议, 分布式服务, 传感器驱动和数据获取工具——所有这些都可以像这样的使用或者进一步精练到用户自己的应用中。
TinyOS已经移植到了许多的平台和大量的传感器线路板。越来越多的研究机构和工业单位使用它来模拟开发和测试不同的算法和协议。TinyOS系统、库及应用程序都是用nesC语言写的语言写的, nesC是一种新的用于编写结构化的基于组件的应用程序的语言。nesC语言主要用于诸如传感器网络等嵌入式系统。nesC具有类似于C语言的语法, 但支持Tiny OS的并发模型, 同时具有机构化机制、命名机制, 能够与其他软组件链接在一起从而形成一个鲁棒的网络嵌入式系统。其主要目标是帮助应用程序设计者建立可易于组合成完整、并发式系统的组件, 并能够在编译时执行广泛的检查。
(4) Ad-hoc网络
Ad-hoc网络是一种特定的无线网络。多跳、自组织、无中心的灵活通信形式使其成为研究的热点之一。在Ad-hoc网络中, 节点具有报文转发的能力, 节点间的通信可能要经过多个中间节点的转发。节点通过网络协议与分布式算法的相互协调, 实现了网络的自组织。Ad-hoc网络的特殊性, 使得它在特殊领域有着传统技术不可比拟的优势。Ad-hoc网络在越来越多的场合得到广泛的应用。
3.3 系统的性能分析
为了更好的说明红外协作情况下无线视频监控系统在能耗和数据传输量上的优势, 我们进行了能量消耗和数据传输量的评测。具体硬件平台:计算机1台, 4个视频传感节点和4个红外传感节点, 8个ARM开发板, 9个无线网卡。测试过程中每个视频节点所监控的区域每小时出现5分钟异常时间, 测试总时间为24小时, 具体情况见表2。
从表中可以看出:系统在有红外协作方式下工作, 能量消耗约是传统方式下系统工作能量消耗的三分之二;数据传输量约是传统方式下系统数据传输量的十二分之一。进一步说明了基于红外传感的无线视频监控系统与传统无线视频监控系统相比较的优势。
4 结论
利用红外早期预警, 同时激活睡眠中的视频传感节点的方案使监控系统的使用性和完整性大大增强, 提高了监控效率, 同时节约了大量的能源, 降低了运营成本, 是未来监控系统的必然发展趋势。
参考文献
[1]方旭明等编著.下一代无线因特网技术:无线Mesh网络[M].人民邮电出版社.2006.
[2] (美) 斯托林斯 (Stalling, W.) 著, 何军等译.无线通信与网络—2版[M].清华大学出版社.2005.
[3]郑少仁, 王海涛, 赵志峰, 米志超.Ad Hoc网络技术[M].人民邮电出版社.2005.