一種無線多媒體寬帶傳感器網絡節點裝置及其運行方法

專利名稱：一種無線多媒體寬帶傳感器網絡節點裝置及其運行方法
技術領域：
本發明涉及一種無線多媒體寬帶傳感器網絡節點裝置及其運行方法，屬于無線傳感器網絡技術領域，適用于工業裝備和危險源及污染源監控、大型會議場館監控、大型體育場館監控、智能家居監控和畜禽規模設施養殖環境監控等的工業、農業、軍事、交通、物流、 水利、醫療、環境、家居、公益事業領域。
背景技術：
隨著通信技術、嵌入式計算技術和傳感器技術的飛速發展和日益成熟，具有感知能力、計算能力和通信能力的微型傳感器開始出現，并且引起了人們的極大關注。這種傳感器網絡能夠協調地感知、采集和處理網絡覆蓋區域內的各種環境或監測對象信息，并發布給需要這些信息的用戶。傳感器網絡將邏輯上的信息世界與真實的物理世界融合在一起， 深刻地改變了人與自然的交互方式，可以廣泛地應用于軍事、工農業控制、生物醫療、環境監測等諸多領域。從大量的文獻報道來看，目前對無線傳感器網絡的研究主要從節點系統設計、通信協議、信息處理、節點部署、節點定位、時間同步、網絡覆蓋、網絡安全等各個方面展開。研究的重點放在媒體訪問協議(MAC協議)和路由協議等方面。研究的一個重要方面是在能量嚴重受限的微型節點上如何實現簡單環境數據(如溫度、濕度、振動、光強等)的采集、處理與傳輸，也取得了很多研究成果。其中的節點如國外典型的Smart dust,Mote,Telos,ffeC, Renee，JN513x，國內典型的Gain Z，而基站包括MIB500，MIB510，MIB520，MIB600，Margate, 等等。在這些節點(包括傳感節點、網關(節點)和匯聚節點(或稱基站))中，最大的無線傳輸速率也只有2501A/S，根本談不上可以以2Mb/s寬帶速率(按現在的科技水平，1Mb/ s以上的無線數據傳輸速率即為寬帶)傳輸視頻、圖像和語音數據且無線傳輸距離可達900 米的無線傳感器網絡節點了。而隨著無線傳感器網絡及其傳感網產業鏈的形成和發展，多媒體寬帶無線傳感器網絡在諸如石油化工企業裝備及危險源和污染源監控、大型會議場館監控、大型體育場館監控、智能家居監控和畜禽規模設施養殖環境監控的工業、農業、軍事、 交通、物流、水利、醫療、環境、家居、公益事業等諸多領域將迫切的需求和廣泛的應用。人們迫切需要將信息量豐富的圖像、音頻、視頻等多媒體信息引入到以傳感器網絡為基礎的環境監測活動中來，實現細粒度、精準信息的環境監測。因此，基于傳統的無線傳感器網絡，研究一種新型的具有音頻、圖像、視頻等多媒體信息獲取、處理與傳輸功能的傳感器網絡就顯得非常重要。在目前的國內外相關領域研究報道和檢索中未見與本專利相同或類似的設計。

發明內容
發明目的本發明的目的在于針對傳統無線傳感器網絡系統不能有效采集和傳輸音視頻信號、處理能力較弱和帶寬窄等問題，提供一種處理能力強的無線多媒體寬帶傳感器網絡節點裝置。
本發明的另一目的在于提供這種無線多媒體寬帶傳感器網絡節點裝置的運行方法。技術方案本發明所述的無線多媒體寬帶傳感器網絡節點裝置，包括處理器單元、 存儲單元、視頻單元、音頻單元、顯示單元、無線通信單元、調試單元以及電源單元，視頻單元采集視頻信號；音頻單元采集和播放音頻信號；無線通信單元用于發送和接收信號；調試單元用于無線多媒體寬帶傳感器網絡節點裝置的程序調試；電源單元為整個設備提供工作電壓。處理器單元主要由處理器U1、復位芯片U2、啟動設置開關Sl組成，所述處理器Ul 是無線多媒體寬帶傳感器網絡節點裝置的控制、處理和分析中心；處理器Ul采用armll處理器S3C6410，處理器Ul的最高主頻可達800MHz、具有移動圖象處理和顯示控制及圖像縮放的2D或3D硬件加速器(4M/s三角形生成率)、支持MPEG4/H. 263/H. 264實時編解碼和 VCl實時解碼；所述復位芯片U2對裝置進行復位處理，當按下啟動設置開關Sl時，復位芯片U2對裝置進行復位；啟動設置開關Sl設置無線多媒體寬帶傳感器網絡節點裝置的啟動方式。存儲單元用于存儲數據，其由SD存儲卡、SD卡槽及其外圍電路組成。所述視頻單元由視頻采集模塊和連接端口 J2組成。所述音頻單元由音頻播放模塊2*、音頻采集模塊3*、連接端口 J3和連接端口 J4組成及其外圍電路組成。所述顯示單元由IXD顯示模塊4*和連接端口 J5組成；IXD顯示模塊4*通過連接端口 J5與處理器Ul相連。所述無線通信單元6由無線通信芯片U3和天線接口 J6組成，無線通信芯片U3與處理器Ul通過同步串行通信接口 SPI接口相連。無線通信單元的工作頻段采用2. 4GHz、數據通訊速率為125-2Mbps可選、最遠通訊距離能夠達到900米。調試單元用于無線多媒體寬帶傳感器網絡節點裝置的程序調試，其由串行端口 J7、JTAG 口 J8、MinUSB 口 J9及其外圍電路組成。串口由串口芯片U4、串行端口 J7及其外圍電路組成；MinUSB端口由芯片U5、MinUSB 口 J9及其外圍電路組成。無線多媒體寬帶傳感器網絡節點裝置通過串口 J7將程序運行狀況傳送到PC機上，便于調試；MinUSB 口 J9將程序或者數據傳送到無線多媒體寬帶傳感器網絡節點裝置上；PC機通過JTAG 口 J8對程序進行仿真調試。電源單元為整個設備提供工作電壓，其由電源管理芯片U6、電源管理芯片U7、鈕扣電池及其外圍電路組成。電源管理芯片U6將+5伏的電壓轉換成+3. 3伏的電壓，電源管理芯片U7將+5伏的電壓轉換成+2. 5伏的電壓。無線多媒體寬帶傳感器網絡節點裝置的運行方法，包括如下步驟(1)裝置通電后，處理器單元先完成初始化任務，對內部存儲器和寄存器初始化， I/O端口初使化，應用程序組件初始化；(2)處理器單元處理由同步串行通信接口 SPI接口接收的數據包(2-1)如果收到數據包的地址是本節點裝置的ID號，長度是C0NTR0L_SUE且特定數據位數值為1，則是基站啟動指令，此時準備啟動視頻單元、音頻單元轉入步驟(3)；(2-2)如果收到數據包的地址不是本節點裝置的ID號，返回步驟O)；
(2-3)如果收到數據包的地址是本節點裝置的ID號，長度是C0NTR0L_SUE且特定數據位數值為0，則是基站停止指令，返回步驟O)；(3)處理器單元采集音視頻信號，同時將采集到的音視頻信號通過同步串行通信接口 SPI接口發送到基站并將該信號進行本地存儲(3-1)如果處理器單元收到由同步串行通信接口 SPI接口傳來的命令操作，返回步驟⑵；(3-2)如果處理器單元收到本地播放指令，則同時啟動顯示單元(5)，音頻單元 (4)進行本地播放；(3-3)如果處理器單元收到停止播放指令，則停止進行本地播放。本發明與現有技術相比，其有益效果是1、無線多媒體寬帶傳感器網絡節點裝置按無線傳感器網絡分布性、實時性、網絡化、自組織性、動態可重構性、擴展性、魯棒性和環境適應性功能要求設計，既可傳輸和處理標量數據，又可傳輸和處理矢量數據(如視頻、圖像、語音等)，無線通信工作頻段采用 2. 4GHz，數據通訊速率可達2Mbps，最遠通訊距離能夠達到900米，armll處理器最高主頻可達800MHz、具有移動圖象處理和顯示控制及圖像縮放的2D或3D硬件加速器、支持MPEG4/ H. 263/H. 264實時編解碼和VCl實時解碼；2、本發明有效解決了傳統無線傳感器網絡系統不能有效采集和傳輸音視頻信號、 處理能力較弱和帶寬窄等問題，并且其投資成本低、性價比高、實時性好、安全可靠、使用和維護方便；3、本發明集處理器單元、存儲單元、視頻單元、音頻單元、顯示單元、無線通信單元、調試單元和電源單元為一個整體，處理器單元是無線多媒體寬帶傳感器網絡節點裝置的控制、處理和分析中心，處理器單元中的處理器最高主頻可達800MHz、具有移動圖象處理和顯示控制及圖像縮放的2D或3D硬件加速器(4M/s三角形生成率)、支持MPEG4/H. 263/ H. 264實時編解碼和VCl實時解碼；存儲單元用于存儲數據；視頻單元采集視頻信號；音頻單元采集和播放音頻信號；顯示單元用于本地顯示和播放視頻圖像信號；無線通信單元用于發送和接收信號；調試單元用于無線多媒體寬帶傳感器網絡節點裝置的程序調試；電源單元為整個設備提供工作電壓，這樣既極大提高了整個無線多媒體寬帶傳感器網絡節點的實用性，也方便了維護；4、本發明在無線通信單元中，無線通信芯片U3的工作頻段采用2. 4GHz，芯片的數據通訊速率可達2Mbps，最遠通訊距離能夠達到900米；5、本發明在電源單元中，電源管理芯片U6將+5伏的電壓轉換成+3. 3伏的電壓， 電源管理芯片U7將+5伏的電壓轉換成+2. 5伏的電壓；用一個電源單元提供多種直流電源電壓，以滿足應用要求；6、本發明在設計中由于采用了實用性設計，在充分考慮到其裝置在實際應用中適用性的同時，盡量減小其成本，注意到其牢固性，部署前焊牢，并注意焊接點的密封性，使得其裝置在潮濕、灰塵等環境中都能正常工作，而不會發生腐蝕、線路短路或漏電故障等現象；7、本發明由于采用的各元器件的工作溫度范圍大，使其裝置可以在-20°C到 +70°C正常工作，這樣可使本發明適合于世界的絕大多數國家和地區；
8、本發明由于具有上面6)、7)中所述的特點，能夠抵抗一般強度的高濕、高低溫、 風沙、撞擊和腐蝕等，極大地增強了其裝置在惡劣環境下的適應能力；9、本發明在設計制作上將其裝置與AC-DC轉換供電電源板分開，并保證足夠的物理距離，并且對無線收發模塊上的無線收發芯片采用金屬殼封裝，AC-DC轉換的直流穩壓電源亦采用金屬殼封裝，這樣既減少了電源板對無線收發模塊的干擾，也增強了無線收發模塊的抗干擾能力，從而提高了無線收發的性能；10、本發明采用JTAG接口可以使終端對其裝置進行調試和編程以及燒寫程序；不僅能夠控制執行設備，還可以檢測執行設備的狀態并發出通知，其功能有效并且可靠。


圖1是本發明無線多媒體寬帶傳感器網絡節點裝置總體框圖。圖2是本發明無線多媒體寬帶傳感器網絡節點裝置處理器單元1原理圖。圖3是本發明無線多媒體寬帶傳感器網絡節點裝置處理器單元1中的處理器Ul 功能框圖。圖4是本發明無線多媒體寬帶傳感器網絡節點裝置存儲單元2的SD卡槽及其外圍電路原理圖。圖5是本發明無線多媒體寬帶傳感器網絡節點裝置視頻單元3的連接端口 J2及其外圍電路原理圖。圖6是本發明無線多媒體寬帶傳感器網絡節點裝置音頻單元4的連接端口 J3、連接端口 J4及其外圍電路原理圖。圖7是本發明無線多媒體寬帶傳感器網絡節點裝置顯示單元5的連接端口 J5及其外圍電路原理圖。圖8是本發明無線多媒體寬帶傳感器網絡節點裝置無線通信單元6原理圖。圖9是本發明無線多媒體寬帶傳感器網絡節點裝置調試單元7原理圖。圖10是本發明無線多媒體寬帶傳感器網絡節點裝置電源單元8原理圖。圖11是本發明無線多媒體寬帶傳感器網絡節點裝置工作流程圖。
具體實施例方式下面對本發明技術方案進行詳細說明，但是本發明的保護范圍不局限于所述實施例。實施例如圖1所示，本發明無線多媒體寬帶傳感器網絡節點裝置，其包括處理器單元1、存儲單元2、視頻單元3、音頻單元4、顯示單元5、無線通信單元6、調試單元7和電源單元8。如圖2所示，處理器單元1由處理器Ul及其外圍電路組成。它采用C語言構建軟件平臺，并主要完成信號控制、數據轉換、數據運算、協議通信、音視頻處理和算法處理等。 處理器Ul采用armll處理器S3C6410，它的正常工作溫度范圍為_40°C到+85°C;處理器Ul 最高主頻可達800MHz、具有移動圖象處理和顯示控制及圖像縮放的2D或3D硬件加速器、支持MPEG4/H. 263/H. 264實時編解碼和VCl實時解碼。如圖3所示，根據在本裝置實現的功能，可將處理器Ul分為
1)同步串行通信接口 3 1接口功能模塊，其通過管腳“5 1_5515 11_1 51、5 11_ SCK、SPI1_MIS0”與無線通信單元6相連，用于緩存由無線通信單元6接收到的數據包以及將要發送的數據包。2)處理器內核功能模塊，它能夠訪問存儲器、執行運算、控制外設以及處理中斷。3)音視頻處理功能模塊，用于處理音視頻信號。存儲單元2主要用于存儲數據和燒寫uboot，其由SD存儲卡、SD卡槽及其外圍電路組成。SD存儲卡可采用2G的金士頓SD存儲卡或者2G的SanDISK SD存儲卡。SD卡槽及其外圍電路如圖 4 所示，SD 卡槽引腳 “nCD、WP、DATU DATO、VSS2、CLK、VDD、VSSl、CMD、 DAT3、DAT2 ” 分別與處理器 U1 的“ SD 1_CD、SD 1_D 1、SD 1_D0、SD 1_CLK、SD 1_CMD、SD 1_D3、SD 1_ D2”引腳相連。視頻單元3采集視頻信號，其由視頻采集模塊和連接端口 J2組成。視頻采集模塊通過連接端口 J2與處理器Ul相連。視頻采集模塊為130W像素的CMOS攝像頭模塊0V9650，或300W像素的CMOS攝像頭模塊0V3640。連接端口 J2及其外圍電路如圖5所
7J\ ο音頻單元4采集和播放音頻信號，其由音頻播放模塊2*、音頻采集模塊3*、連接端口 J3、連接端口 J4及其外圍電路組成。音頻播放模塊2*通過PJ327A接口連接端口 J3與處理器Ul的“ROUT、LOUT”引腳相連。連接端口 J3可接高度2. 5mm的耳機。音頻播放模塊2*為高度2. 5mm的耳機。音頻采集模塊3*通過PJ327A接口連接端口 J4與處理器Ul的 “MIC1”引腳相連。音頻采集模塊3*為PJ327A接口的單聲道或立體聲麥克風。連接端口 J3、連接端口 J4及其外圍電路如圖6所示。顯示單元5由IXD顯示模塊4*和連接端口 J4及其外圍電路組成；IXD顯示模塊4* 采用東華影像的WXCAT43-TG3#001_V1. 2帶Touch的LCD，其分辯率為480*272，支持M位的RGB。連接端口 J4及其外圍電路如圖7所示，IXD通過連接端口 J5與處理器Ul相連。如圖8所示，無線通信單元6用于發送和接收信號，其由無線通信芯片U3和天線接口 J6組成，無線通信芯片U3采用具有20daii射頻功率的nan0PAN5375，它的工作頻段采用2. 4GHz，芯片的數據通訊速率為125-2Mbps可選，最遠通訊距離能夠達到900米，正常工作溫度范圍為_40°C到+85°C。nan0PAN5375與處理器Ul通過同步串行通信接口 SPI接口相連。如圖9所示，調試單元7用于無線多媒體寬帶傳感器網絡節點裝置的程序調試， 其由串行端口 J7、JTAG 口 J8、MinUSB 口 J9及其外圍電路組成。串口由串口芯片U4、串行端口 J7及其外圍電路組成，串口芯片U4采用MAX3232，串行端口 J7采用公座的DB9接口； MAX3232 的正常工作溫度范圍為 _65°C到+150°C JTAG 口 J8 的引腳 “3、5、7、9、11、13、15” 分別與處理器 Ul 的 “XTRST、XTDU XTMS, XYCK, XRTCK, XTDO, nRESET” 引腳相連；MinUSB 端口由芯片U5、MinUSB 口 J9及其外圍電路組成，芯片U5采用場效應管FDC6331L，場效應管 FDC6331L的正常工作溫度范圍為_55°C到+150°C, MinUSB 口 J9的引腳“D-、D+、ID”分別與處理器Ul的“0TG_D_、0TG_D+、0TG_ID”引腳相連。無線多媒體寬帶傳感器網絡節點裝置通過串口 J7將程序運行狀況傳送到PC機上，便于調試；MinUSB 口 J9將程序或者數據傳送到無線多媒體寬帶傳感器網絡節點裝置上；PC機通過JTAG 口 J8對程序進行仿真調試。如圖10所示，電源單元8為整個設備提供工作電壓，其由電源管理芯片U6、電源管理芯片U7、鈕扣電池及其外圍電路組成。電源管理芯片TO采用低功耗正向電壓調節器 SPXl 117-3. 3，它將+5伏的電壓轉換成+3. 3伏的電壓，電源管理芯片U7采用低功耗正向電壓調節器SPXl 117-2. 5，它將+5伏的電壓轉換成+2. 5伏的電壓。SPXl 117的正常工作溫度范圍為-40°C到+125°C。根據本實施例所選用的芯片和連接方式，上述的無線多媒體寬帶傳感器網絡節點裝置的工作流程如圖11所示，它包括步驟1處理器單元1完成初始化任務，包括內部存儲器和寄存器初始化、I/O端口初使化、應用程序組件初始化(視頻單元3、音頻單元4、顯示單元5和無線通信單元6)等。步驟2處理器單元1處理由同步串行通信接口 SPI接口接收的數據包。1)如果收到數據包的地址是本節點裝置的ID號，長度是C0NTR0L_SUE(2)且特定數據位數值為1，則是基站啟動指令。此時準備啟動視頻單元3、音頻單元4轉入步驟3。2)如果收到數據包的地址不是本節點裝置的ID號，返回步驟2。3)如果收到數據包的地址是本節點裝置的ID號，長度是C0NTR0L_SUE(2)且特定數據位數值為0，則是基站停止指令。返回步驟2。步驟3處理器單元1采集音視頻信號，同時將采集到的音視頻信號通過同步串行通信接口 SPI接口發送到基站并將該信號進行本地存儲。1)如果處理器單元1收到由同步串行通信接口 SPI接口傳來的命令操作，返回步馬聚2 ο2)如果處理器單元1收到本地播放指令，則同時啟動顯示單元5，音頻單元4等進行本地播放。3)如果處理器單元1收到停止播放指令，則停止進行本地播放。如上所述，盡管參照特定的優選實施例已經表示和表述了本發明，但其不得解釋為對本發明自身的限制。在不脫離所附權利要求定義的本發明的精神和范圍前提下，可對其在形式上和細節上作出各種變化。
權利要求
1.一種無線多媒體寬帶傳感器網絡節點裝置，其特征在于包括處理器單元(1)、存儲單元( 、視頻單元C3)、音頻單元(4)、顯示單元( 、無線通信單元(6)、調試單元(7)以及電源單元(8)，視頻單元C3)采集視頻信號；音頻單元(4)采集和播放音頻信號；無線通信單元(6)用于發送和接收信號；調試單元(7)用于無線多媒體寬帶傳感器網絡節點裝置的程序調試；電源單元(8)為整個設備提供工作電壓。
2.根據權利要求1所述的無線多媒體寬帶傳感器網絡節點裝置，其特征在于所述處理器單元(1)主要由處理器U1、復位芯片U2、啟動設置開關Sl組成，所述處理器Ul是無線多媒體寬帶傳感器網絡節點裝置的控制、處理和分析中心；所述復位芯片U2對裝置進行復位處理，當按下啟動設置開關Sl時，復位芯片U2對裝置進行復位；啟動設置開關Sl設置無線多媒體寬帶傳感器網絡節點裝置的啟動方式。
3.根據權利要求1所述的無線多媒體寬帶傳感器網絡節點裝置，其特征在于所述視頻單元(3)由視頻采集模塊(f)和連接端口(E)組成。
4.根據權利要求1所述的無線多媒體寬帶傳感器網絡節點裝置，其特征在于所述音頻單元⑷由音頻播放模塊O*)、音頻采集模塊(3*)、連接端口(J3)和連接端口(J4)組成。
5.根據權利要求2所述的無線多媒體寬帶傳感器網絡節點裝置，其特征在于所述顯示單元(5)由IXD顯示模塊^i)和連接端口(歷)組成；IXD顯示模塊^i)通過連接端口 (J5)與處理器Ul相連。
6.根據權利要求2所述的無線多媒體寬帶傳感器網絡節點裝置，其特征在于所述無線通信單元(6)由無線通信芯片U3和天線接口 J6組成，無線通信芯片U3與處理器Ul通過同步串行通信接口 SPI接口相連。
7.根據權利要求1 6中任一權利要求所述的無線多媒體寬帶傳感器網絡節點裝置的運行方法，其特征在于包括如下步驟(1)裝置通電后，處理器單元(1)先完成初始化任務，對內部存儲器和寄存器初始化， I/O端口初使化，應用程序組件初始化；(2)處理器單元(1)處理由同步串行通信接口SPI接口接收的數據包(2-1)如果收到數據包的地址是本節點裝置的ID號，長度是C0NTR0L_SUE且特定數據位數值為1，則是基站啟動指令，此時準備啟動視頻單元(3)、音頻單元(4)轉入步驟(3)；(2-2)如果收到數據包的地址不是本節點裝置的ID號，返回步驟O)；(2-3)如果收到數據包的地址是本節點裝置的ID號，長度是C0NTR0L_SUE且特定數據位數值為0，則是基站停止指令，返回步驟O)；(3)處理器單元(1)采集音視頻信號，同時將采集到的音視頻信號通過同步串行通信接口 SPI接口發送到基站并將該信號進行本地存儲(3-1)如果處理器單元(1)收到由同步串行通信接口 SPI接口傳來的命令操作，返回步驟⑵；(3-2)如果處理器單元(1)收到本地播放指令，則同時啟動顯示單元(5)，音頻單元(4) 進行本地播放；(3-3)如果處理器單元(1)收到停止播放指令，則停止進行本地播放。
全文摘要
本發明公開一種無線多媒體寬帶傳感器網絡節點裝置，包括處理器單元(1)、存儲單元(2)、視頻單元(3)、音頻單元(4)、顯示單元(5)、無線通信單元(6)、調試單元(7)以及電源單元(8)，視頻單元(3)采集視頻信號；音頻單元(4)采集和播放音頻信號；無線通信單元(6)用于發送和接收信號；調試單元(7)用于無線多媒體寬帶傳感器網絡節點裝置的程序調試；電源單元(8)為整個設備提供工作電壓。本發明有效解決了傳統無線傳感器網絡系統不能有效采集和傳輸音視頻信號、處理能力較弱和帶寬窄等問題，并且其投資成本低、性價比高、實時性好、安全可靠、使用和維護方便。
文檔編號H04W84/18GK102238758SQ20111022598
公開日2011年11月9日 申請日期2011年8月8日 優先權日2011年8月8日
發明者林挺, 陳俊杰 申請人:東南大學