專利名稱：模擬/數(shù)字混合式無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明為一種具有實(shí)時(shí)無線視頻傳輸能力的模擬/數(shù)字混合式無線傳感器網(wǎng) 絡(luò)，屬于光電技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
在軍事及民用領(lǐng)域，存在以下典型的技術(shù)需求(1)為了獲得局部區(qū)域的 全面信息，需通過圖像傳感器實(shí)時(shí)獲取監(jiān)測區(qū)域的視頻信號(hào)。例如當(dāng)監(jiān)測區(qū) 域出現(xiàn)可疑目標(biāo)或發(fā)生了突發(fā)事件，通過視頻圖像可在第一時(shí)間內(nèi)確定目標(biāo)的 類型及狀態(tài)；(2)需將其它傳感器(聲音、振動(dòng)、化學(xué)傳感器等)的所輸出的 探測信息通過無線方式傳輸至中心控制單元。例如通過獲取目標(biāo)的聲音信息， 以確定目標(biāo)的運(yùn)行狀態(tài)；(3)中心控制單元需通過無線方式對包括圖像傳感器
在內(nèi)的各個(gè)傳感器的控制參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)的配置，以便依據(jù)環(huán)境的變化，獲得理
想的探測信息。例如通過實(shí)時(shí)配置圖像傳感器的積分時(shí)間、增益、背光補(bǔ)償 等參數(shù)，獲得最佳的圖像質(zhì)量等；(4)為了降低成本及易于配置，系統(tǒng)中的各
模塊應(yīng)實(shí)現(xiàn)微小型化。
滿足以上技術(shù)需求所需解決的主要問題是在保證短距離無線數(shù)字通信的
前提下，實(shí)現(xiàn)圖像傳感器輸出視頻信號(hào)的低成本、微小型化、實(shí)時(shí)無線傳輸。
目前，實(shí)現(xiàn)視頻信號(hào)的無線傳輸?shù)姆绞街饕袃煞N，即數(shù)字方式和模擬方式。
其中，數(shù)字方式是通過A/D轉(zhuǎn)換器將視頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字視頻，而后進(jìn)行調(diào)制、
無線發(fā)射。由于數(shù)字視頻信號(hào)自身具有較高的數(shù)據(jù)率，因此，基于數(shù)字方式實(shí)
現(xiàn)視頻信號(hào)的實(shí)時(shí)傳輸對于無線數(shù)字模塊的數(shù)據(jù)率具有較高的要求。以10bit數(shù) 字視頻為例，VGA (640x480)信號(hào)的數(shù)據(jù)率為3.1 Mbps， SVGA (800x600) 信號(hào)的數(shù)據(jù)率為4.8Mbps， XGA (1024x768)信號(hào)的數(shù)據(jù)率為7.9 Mbps。因此，
如果要實(shí)現(xiàn)數(shù)字視頻的無線傳輸，無線數(shù)字通信模塊的數(shù)據(jù)率一般應(yīng)大于5 Mbps。另一方面，雖然通過圖像數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)可在一定程度上降低數(shù)據(jù)率，但 圖像壓縮電路將增大系統(tǒng)的體積和成本，且部分壓縮算法將使圖像質(zhì)量下降； 相對而言，模擬方式則直接對模擬視頻信號(hào)進(jìn)行高頻調(diào)制，因而無需考慮數(shù)據(jù) 率問題，可實(shí)現(xiàn)視頻信號(hào)的實(shí)時(shí)無線傳輸。
短距離無線數(shù)字通信技術(shù)是局域范圍內(nèi)無線數(shù)字通信的主要技術(shù)手段。目
前主要的短距離無線數(shù)字通信技術(shù)包括藍(lán)牙(bluetooth)， Wi-Fi， IrDA， UWB, ZigBee等。
藍(lán)牙技術(shù)由愛立信、諾基亞、IBM等公司于1998年共同推出，主要用于通 信和信息設(shè)備之間的無線連接。藍(lán)牙模塊的工作頻率為2.4GHz，有效范圍約 10m，其實(shí)現(xiàn)成本相對較低。作為一種電纜替代技術(shù)，應(yīng)用藍(lán)牙技術(shù)可把計(jì)算機(jī)、 手機(jī)和多種便攜通信終端互聯(lián)起來，以提供語音和數(shù)字接入服務(wù)，實(shí)現(xiàn)信息的 自動(dòng)交換和處理。由于數(shù)據(jù)率較低(1Mbps)，藍(lán)牙技術(shù)難以滿足高速視頻傳輸 的要求。同時(shí)，其通信距離僅有10m，也在一定程度上限制了其應(yīng)用領(lǐng)域。
Wi-Fi (Wireless Fidelity)是一種無線通信協(xié)議，其正式名稱為IEEE802.11b。 Wi-Fi的工作頻率為2.4GHz，有效范圍為100m左右，其速率最高可達(dá)11Mb/s。 Wi-Fi是以太網(wǎng)的一種無線擴(kuò)展，理論上只要用戶位于一個(gè)接入點(diǎn)四周的一定區(qū) 域內(nèi)，就能以最高11Mb/s的速率接入網(wǎng)絡(luò)。Wi-Fi模塊主要問題是其價(jià)格相對 昂貴，難以滿足低成本的系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。同時(shí)，其在通信距離、兼容性方面尚 有待于進(jìn)一步提高。
IrDA (Infrared Data Association)是一種利用紅外線進(jìn)行點(diǎn)對點(diǎn)通信的技術(shù)。 IrDA的主要優(yōu)點(diǎn)是無需申請頻率的使用權(quán)，且通信成本相對低廉。此外，IrDA 還具有移動(dòng)通信所需的體積小、功耗低、連接方便、簡單易用的特點(diǎn)。由于數(shù) 據(jù)傳輸率較高(16Mb/s)，適于傳輸大容量的文件和多媒體數(shù)據(jù)。IrDA的主要不 足在于它是一種視距傳輸，即兩個(gè)相互通信的設(shè)備之間必須對準(zhǔn)，中間不能被 其它物體阻隔，因而該技術(shù)只能用于兩臺(tái)設(shè)備之間的連接。因此，雖然IrDA可 在一定范圍內(nèi)滿足數(shù)字視頻傳輸?shù)臄?shù)據(jù)率的要求，但其應(yīng)用領(lǐng)域受到了限制。
超寬帶技術(shù)(UWB， Ultra Wideband)主要通過基帶脈沖作用于天線的方式 發(fā)送數(shù)據(jù)。UWB工作于3.1-10.6GHz頻段，主要應(yīng)用于小范圍、高分辨率的雷 達(dá)和圖像系統(tǒng)中。UWB可支持高達(dá)110Mb/s的數(shù)據(jù)傳輸率，可實(shí)現(xiàn)數(shù)字視頻信 號(hào)的高速無線傳輸。UWB技術(shù)的主要問題是其工作范圍有限(小于10m),難 以滿足大部分領(lǐng)域的應(yīng)用需求。目前該技術(shù)主要應(yīng)用于視頻娛樂領(lǐng)域。
Zigbee是一種低功耗、低成本、低速率的短距離無線數(shù)字通信技術(shù)。Zigbee 的物理層、MAC層和鏈路層采用了IEEE802.15.4協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，其網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用會(huì) 聚層和高層應(yīng)用規(guī)范由Zigbee聯(lián)盟制定。Zigbee以獨(dú)立的工作節(jié)點(diǎn)為依托，通
過無線數(shù)字通信組成星狀、片狀或網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)。Zigbee系統(tǒng)由子節(jié)點(diǎn)(稱為"精 簡功能設(shè)備")和匯聚節(jié)點(diǎn)(稱為"全功能設(shè)備"、"協(xié)調(diào)器")構(gòu)成。其中，匯 聚節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)與所控制的子節(jié)點(diǎn)通信、匯集數(shù)據(jù)和發(fā)布控制及通信路由等。 Zigbee具有低功耗、低成本、低速率(20-250kbps)、近距離(10-100m)、短時(shí) 延(<30ms)、高容量(最多65000個(gè)節(jié)點(diǎn))、高安全性等優(yōu)勢。目前，Zigbee主 要應(yīng)用在距離短、功耗低且傳輸速率不高的各種電子設(shè)備構(gòu)成的無線網(wǎng)絡(luò)中。 由于其最高數(shù)據(jù)率僅有250kbps，因此難以滿足高速視頻傳輸?shù)囊蟆?br> 綜上所述，目前已有的短距離無線數(shù)字通信技術(shù)難以滿足低成本、高速率、 局域范圍內(nèi)的無線視頻信號(hào)傳輸要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所解決的技術(shù)問題是提出一種模擬/數(shù)字混合式無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，能 夠在相關(guān)協(xié)議的控制下，將圖像傳感器所采集的模擬視頻信號(hào)實(shí)時(shí)傳輸至中央 控制接收器；具有短距離無線數(shù)字通信能力，且具備無線傳感器網(wǎng)絡(luò)所應(yīng)有的 基本功能；系統(tǒng)中的各節(jié)點(diǎn)可實(shí)現(xiàn)微小型化，并且適用于不同環(huán)境下的視頻圖 像及其它信息的獲取與傳輸，在區(qū)域監(jiān)控、目標(biāo)跟蹤、環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域具有廣 泛的應(yīng)用前景。
該模擬/數(shù)字混合式無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由普通節(jié)點(diǎn)、匯聚節(jié)點(diǎn)、中央接收/控制 器構(gòu)成；其中，普通節(jié)點(diǎn)由圖像傳感器模塊、處理器模塊、無線模擬視頻發(fā)射 模塊、無線數(shù)字通信模塊、能量供應(yīng)模塊構(gòu)成；匯聚節(jié)點(diǎn)由無線模擬視頻中繼 模塊、無線數(shù)字通信模塊、處理器模塊、能量供應(yīng)模塊構(gòu)成；中央接收/控制器 由無線模擬視頻接收模塊、無線數(shù)字通信模塊、微型計(jì)算機(jī)等構(gòu)成。
在模擬式無線視頻傳輸模式時(shí)，普通節(jié)點(diǎn)的處理器模塊輸出觸發(fā)信號(hào)至圖 像傳感器模塊，圖像傳感器模塊啟動(dòng)并進(jìn)行采集模擬視頻信號(hào)，然后將采集到 的模擬視頻信號(hào)輸出至無線模擬視頻發(fā)射模塊；無線模擬視頻發(fā)射模塊對模擬 視頻信號(hào)進(jìn)行高頻調(diào)制、放大，并向空中輻射，其間能量供應(yīng)模塊提供普通節(jié) 點(diǎn)工作所需的電源；匯聚節(jié)點(diǎn)內(nèi)的處理器模塊輸出控制信號(hào)至無線模擬視頻中 繼模塊，無線模擬視頻中繼模塊啟動(dòng)，并接收模擬視頻信號(hào)，對信號(hào)進(jìn)行功率 放大后再次向空中輻射，期間能量供應(yīng)模塊提供匯聚節(jié)點(diǎn)工作所需的電源；中 央接收/控制器內(nèi)的無線模擬視頻接收模塊接收到視頻信號(hào)，經(jīng)解調(diào)后恢復(fù)為原
始視頻信號(hào)，并輸入至微型計(jì)算機(jī)進(jìn)行顯示輸出。
在數(shù)字式無線通信模式時(shí)，普通節(jié)點(diǎn)內(nèi)的無線數(shù)據(jù)通信模塊將其它傳感器 (聲音、振動(dòng)、化學(xué)傳感器等)輸出的數(shù)字探測信號(hào)進(jìn)行高頻調(diào)制，并經(jīng)功率 放大后向空中輻射，期間能量供應(yīng)模塊提供普通節(jié)點(diǎn)工作所需的電源；通過節(jié) 點(diǎn)、匯聚節(jié)點(diǎn)及中央控制/接收器各自的無線數(shù)字通信模塊，形成源節(jié)點(diǎn)至中央 接收/控制器的傳輸路徑，并使數(shù)字探測信號(hào)沿著傳輸路徑轉(zhuǎn)發(fā)至中央接收/控制 器。中央接收/控制器通過對傳感器的控制參數(shù)進(jìn)行配置，獲得探測信息。
模擬/數(shù)字混合式無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有兩種工作模式，即圖像信號(hào)傳輸時(shí) 通過模擬式無線視頻傳輸模式，聲音、振動(dòng)、化學(xué)信號(hào)傳輸時(shí)通過數(shù)字式無線 通信模式。
本發(fā)明的有益效果是
1、 實(shí)時(shí)無線視頻傳輸能力。受短距離無線數(shù)字通信數(shù)據(jù)率的限制，目前已 有的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN) —般不具備實(shí)時(shí)視頻傳輸能力，從而降低了探測 信息的時(shí)效性。本發(fā)明通過在普通節(jié)點(diǎn)內(nèi)集成模擬式無線發(fā)射模塊等方法，在
具備WSN基本功能的前提下，實(shí)現(xiàn)了圖像傳感器輸出視頻信號(hào)的實(shí)時(shí)無線傳 輸；
2、 環(huán)境適應(yīng)能力。在路由協(xié)議的控制下，通過數(shù)字式無線通信模塊建立起
中央接收/控制器至每一節(jié)點(diǎn)的傳輸路徑。依據(jù)環(huán)境的變化，可對包括圖像傳感
器在內(nèi)的各個(gè)傳感器的進(jìn)行參數(shù)配置，以獲得理想的探測信息，從而使無線傳 感器網(wǎng)絡(luò)具備了對不同環(huán)境的適應(yīng)能力。


圖1是本發(fā)明的系統(tǒng)框圖。其中l(wèi)-普通節(jié)點(diǎn)，2-匯聚節(jié)點(diǎn)，3-中央接收/
控制器。
圖2為本發(fā)明的普通節(jié)點(diǎn)原理圖，其中1-1-圖像傳感器模塊，1-2-其它傳
感器(聲音、振動(dòng)、化學(xué)傳感器等)，1-3-處理器模塊，1-4-無線視頻發(fā)射模塊， 1-5-無線數(shù)字通信模塊，1-6-能量供應(yīng)模塊。
圖3為本發(fā)明的匯聚節(jié)點(diǎn)原理圖，其中2-1-無線視頻中繼模塊，2-2-無線 數(shù)字通信模塊，2-3-處理器模塊，2-4-能量供應(yīng)模塊。
圖4為本發(fā)明的中央接收/控制器原理圖，其中3-1-無線模擬視頻接收模
塊，3-2-無線數(shù)字通信模塊，3-3-微型計(jì)算機(jī)。
具體實(shí)施例方式
模擬/數(shù)字混合式無線傳感器網(wǎng)絡(luò)存在模擬式無線視頻傳輸模式、數(shù)字式無 線通信模式兩種工作模式，兩種模式可單獨(dú)或同時(shí)工作。
模擬式無線視頻傳輸模式的具體實(shí)施方式
如下
第一步在普通節(jié)點(diǎn)1中，圖像傳感器模塊1-1采集模擬視頻信號(hào)，在處理 器模塊1-3的控制下，經(jīng)無線視頻發(fā)射模塊l-4進(jìn)行高頻調(diào)制后向空中輻射。
第二步在匯聚節(jié)點(diǎn)2中，在處理器模塊2-3的控制下，無線模擬視頻中繼 模塊2-l接收到高頻調(diào)制后的無線模擬視頻，經(jīng)功率放大后再次向空中輻射。
第三步在中央接收/控制器3中，無線模擬視頻接收模塊3-1接收到高頻 調(diào)制的模擬視頻信號(hào)，經(jīng)解調(diào)后恢復(fù)為原始視頻信號(hào)，而后輸入至微型計(jì)算機(jī)
3-3顯示輸出。
數(shù)字式無線通信模式的具體實(shí)施方式
如下
第一步在普通節(jié)點(diǎn)1中，其它傳感器(聲音、振動(dòng)、化學(xué)傳感器等)1-2
輸出的數(shù)字探測信號(hào)，在處理器模塊l-3的控制下，經(jīng)無線數(shù)字通信模塊1-5進(jìn)
行高頻調(diào)制后向空中輻射。
第二步在路由協(xié)議的控制下，網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)形成源節(jié)點(diǎn)至匯聚節(jié)點(diǎn)的傳輸路
徑。高頻調(diào)制后的數(shù)字探測信號(hào)經(jīng)該路徑傳輸，并由匯聚節(jié)點(diǎn)2中的無線數(shù)字 通信模塊2-2接收。無線數(shù)字通信模塊2-2對接收到的數(shù)字探測信號(hào)進(jìn)行處理及 功率放大后再次向空中輻射。
第三步在中央接收/控制器3中，無線數(shù)字通信模塊3-2接收到匯聚節(jié)點(diǎn) 發(fā)射的高頻數(shù)字探測信號(hào)，經(jīng)解調(diào)后恢復(fù)為原始數(shù)字信號(hào)，而后輸入至微型計(jì) 算機(jī)3-3顯示輸出。
第四步依據(jù)環(huán)境及探測需求的變化，中央接收/控制器可通過以上方法的
逆過程，利用無線數(shù)字通信通道對圖像傳感器模塊l-l、其它傳感器(聲音、振
動(dòng)、化學(xué)傳感器等)1-2的控制參數(shù)進(jìn)行配置，以獲得理想的探測信息。
權(quán)利要求
1、模擬/數(shù)字混合式無線圖像傳感器網(wǎng)絡(luò)，由普通節(jié)點(diǎn)、匯聚節(jié)點(diǎn)、中央接收/控制器構(gòu)成；其中，普通節(jié)點(diǎn)由圖像傳感器模塊、處理器模塊、無線模擬視頻發(fā)射模塊、無線數(shù)字通信模塊、能量供應(yīng)模塊構(gòu)成；匯聚節(jié)點(diǎn)由無線模擬視頻中繼模塊、無線數(shù)字通信模塊、處理器模塊、能量供應(yīng)模塊構(gòu)成；中央接收/控制器由無線模擬視頻接收模塊、無線數(shù)字通信模塊、微型計(jì)算機(jī)等構(gòu)成；其特征在于在模擬式無線視頻傳輸模式時(shí)，普通節(jié)點(diǎn)的處理器模塊輸出觸發(fā)信號(hào)至圖像傳感器模塊，圖像傳感器模塊啟動(dòng)并進(jìn)行采集模擬視頻信號(hào)，然后將采集到的模擬視頻信號(hào)輸出至無線模擬視頻發(fā)射模塊；無線模擬視頻發(fā)射模塊對模擬視頻信號(hào)進(jìn)行高頻調(diào)制、放大，并向空中輻射，其間能量供應(yīng)模塊提供普通節(jié)點(diǎn)工作所需的電源；匯聚節(jié)點(diǎn)內(nèi)的處理器模塊輸出控制信號(hào)至無線模擬視頻中繼模塊，無線模擬視頻中繼模塊啟動(dòng)，并接收模擬視頻信號(hào)，對信號(hào)進(jìn)行功率放大后再次向空中輻射，期間能量供應(yīng)模塊提供匯聚節(jié)點(diǎn)工作所需的電源；中央接收/控制器內(nèi)的無線模擬視頻接收模塊接收到視頻信號(hào)，經(jīng)解調(diào)后恢復(fù)為原始視頻信號(hào)，并輸入至微型計(jì)算機(jī)進(jìn)行顯示輸出；在數(shù)字式無線通信模式時(shí)，普通節(jié)點(diǎn)內(nèi)的無線數(shù)據(jù)通信模塊將聲音、振動(dòng)、化學(xué)傳感器輸出的數(shù)字探測信號(hào)進(jìn)行高頻調(diào)制，并經(jīng)功率放大后向空中輻射，期間能量供應(yīng)模塊提供普通節(jié)點(diǎn)工作所需的電源；通過節(jié)點(diǎn)、匯聚節(jié)點(diǎn)及中央控制/接收器各自的無線數(shù)字通信模塊，形成源節(jié)點(diǎn)至中央接收/控制器的傳輸路徑，并使數(shù)字探測信號(hào)沿著傳輸路徑轉(zhuǎn)發(fā)至中央接收/控制器，中央接收/控制器通過對傳感器的控制參數(shù)進(jìn)行配置，獲得探測信息。
全文摘要
本發(fā)明為一種模擬/數(shù)字混合式無線圖像傳感器網(wǎng)絡(luò)，屬于光電技術(shù)領(lǐng)域。該網(wǎng)絡(luò)由普通節(jié)點(diǎn)、匯聚節(jié)點(diǎn)、中央接收/控制器構(gòu)成；其中，普通節(jié)點(diǎn)由圖像傳感器模塊、處理器模塊、無線模擬視頻發(fā)射模塊、無線數(shù)字通信模塊、能量供應(yīng)模塊構(gòu)成；匯聚節(jié)點(diǎn)由無線模擬視頻中繼模塊、無線數(shù)字通信模塊、處理器模塊、能量供應(yīng)模塊構(gòu)成；中央接收/控制器由無線模擬視頻接收模塊、無線數(shù)字通信模塊、微型計(jì)算機(jī)等構(gòu)成。本發(fā)明通過在普通節(jié)點(diǎn)內(nèi)集成模擬式無線發(fā)射模塊等方法，在具備WSN基本功能的前提下，實(shí)現(xiàn)了圖像傳感器輸出視頻信號(hào)的實(shí)時(shí)無線傳輸。
文檔編號(hào)H04L29/08GK101350750SQ200810119428
公開日2009年1月21日 申請日期2008年8月29日 優(yōu)先權(quán)日2008年8月29日
發(fā)明者勇 宋, 群 郝 申請人:北京理工大學(xué)