基于WIFI的无线IP摄像头的设计与实现

　　摄像头分为数字摄像头和模拟摄像头两大类。数字摄像头可以将视频采集设备产生的模拟视频信号转换成数字信号，进而将其储存在计算机里。模拟摄像头捕捉到的视频信号必须经过摄像头特定的视频捕捉卡将模拟信号转换成数字模式，并加以压缩后才可以转换到计算机上运用。数字摄像头可以直接捕捉影像，然后通过串、并口或者USB接口传到计算机里。现在电脑市场上的摄像头基本以数字摄像头为主，而数字摄像头中又以使用新型数据传输接口的USB数字摄像头为主，目前市场上可见的大部分都是这种产品。除此之外还有一种与视频采集卡配合使用的产品，但目前还不是主流。由于个人电脑的迅速普及，模拟摄像头的整体成本较高等原因，USB接口的传输速度远远高于串口、并口的速度，因此现在市场热点主要是USB接口的数字摄像头。以下主要是指USB接口的数字摄像头

　　然而从适用领域和范围来看，有线摄像头不够灵活和方便，移动性差，特别是在一些特殊空间（深水、密闭、狭小、不宜通线路）或者时间（紧急、没有时间拉线路），获取、采集视频图像显得力不从心，摄像头与电脑不能进行（或不能及时）有线连接。为此，本文将探讨一种以88W8510芯片为核心的WIFI模组来设计性价比高、成本低廉的无线IP摄像头。

1 IP摄像头的无线设计方案

　　传统有线数字摄像头的工作原理：实景通过镜头（LENS）生成的光学图像投射到图像传感器表面上，转为电信号，经过模数转换（A/D）后变为数字图像信号，送到数字信号处理芯片（DSP）中加工处理，经USB接口通过有线线路传输到电脑中处理，通过显示器来显示图像[1]。根据该原理，传统有线数字摄像头进行无线改造的关键就是如何将经DSP处理送出的数字信号通过无线发送装置将信号送出，再通过无线接收装置将数字信号上传给Internet或者PC实现视频信号无线传输[2-3]。

　　DSP（digital signal processor）是一种独特的微处理器，是以数字信号来处理大量信息的器件。其工作原理是接收模拟信号，转换为0或1的数字信号。再对数字信号进行修改、删除、强化，并在其他系统芯片中把数字数据解译回模拟数据或实际环境格式。它不仅具有可编程性，而且其实时运行速度可达每秒数以千万条复杂指令程序，远远超过通用微处理器，是数字化电子世界中日益重要的电脑芯片。它的强大数据处理能力和高运行速度，是最值得称道的两大特色

　　作为无线IP通信一项很好的增值业务，本方案利用传输价格低廉的IP承载网，选用美国Marvell公司的88W8510 WIFI模组[4]来实现一个具有IEEE 802.11b/g功能的无线桥接设备（下称88W8510 WIFI无线网桥），以构建无线传输环境，将摄像头DSP送出的数字信号经过打包分组（IP包），通过无线环境传送到电脑或无线网络，如图1所示。

2 无线IP摄像头的硬件设计

　　用88W8010 WIFI 模组实现IP摄像头与无线网络桥接的方法如图2所示。

　　本设计最关键的器件组成就是88W8010和88W8510构成的基于WLAN 802.11b/g的AP和网关芯片组，88W8510与88W8010芯片的组合在以往的无线产品中十分常见，是性价比很高的801.11g接入点/网关解决方案，消除了用于有线基础设施连接的外部CPU和快速以太网端口，大幅减少了总体材料（BOM）成本。

　　2.1 88W8010简介

　　88W8010采用2.4 GHz ISM频段，集成了所有RF模拟基带收发功能，具有高性能的外差射频结构；高线性内置式功率为23 dBm的功放及发射功率为20 dBm天线分别连接到802.11 b/g的调制方案；对于实际功率检测集成了传输功率循环控制功能，采用了高灵敏度的接收器，以保证接收质量；低功耗设计及先进的电源管理模式，48脚QFN封装，封装尺寸仅7 mm×7 mm。

　　88W8010的主要优势在于单一芯片就支持所有RF到模拟基带的功能和IEEE 802.11b/g的标准，减少了材料成本、简化了板级布线设计，并提供了最小的安装尺寸。与直接转换结构相比，提高了性能，省略了声表面带通滤波器的使用，降低了成本，能够为天线提供分辨率为0.5 dBm且范围宽（0 dBm~20 dBm）的发射功率，成本低、性能高。即使指定参数超过了额定温度，供电电电压和器件的参数改变，该器件的输出功率也很稳定。此外还改进了微弱信号的探测方式，扩大了探测范围。对于器件收发、睡眠及节能模式，提供业界领先的低功耗特性，硬件设计紧凑，减少了空间尺寸。

　　2.2 88W8510简介

　　88W8510内置嵌入式ARM 946S-E处理器内核，高多径时延扩展宽容，内置天线采用分集接收技术，对于WEP和80211i AES加密以及CCM信息认证内置硬件加密引擎，支持802.11e QoS质量服务保证，可选配MII或PCI外部接口，集成了采用VCT技术的10/100 M快速以太网MAC及PHY接口，支持高级安全认证专用的802.1X安全口协议，256脚TFBGA封装，封装尺寸仅17 mm×17 mm。

　　88W8510的优势很多，它是802.11g解决方案，同时兼容802.11b协议，接收范围大，连接鲁棒性好，减少了信息的丢失；收发性能佳、范围大；在低功耗设计的基础上，集成了尽可能多的功能和性能提升；引脚兼容Marvell产品中使用802.11b协议的AP和网关芯片，方便802.11b和802.11g间的切换。

3 无线IP摄像头的软件实现

　　3.1 88W8510 WIFI无线网桥的软件实现

　　88W8510 WIFI无线网桥的软件系统的设计方案如图3所示。

　　各部分具体功能和特点如下：

　　（1）Bootloader：是在操作系统运行前的自引导程序，主要完成硬件设备的初始化，建立88W8510 WIFI无线网桥内存空间的映射图，为最终调用操作系统内核准备好正确的运行环境。具体实现原理是：当系统加电或者复位后，所有的CPU通常都从某个由CPU预先安排的地址上取指令，而基于CPU构建的嵌入式系统通常都有某种类型的固态存储设备（如：ROM、EEPROM或 Flash等）被映射到这个预先安排的地址上。因此在系统加电后，CPU 将首先执行Boot Loader 程序。

　　（2）Ethernet driver：主要是针对88W8510 WIFI无线网桥和网关的连接驱动。

　　（3）Wireless driver：是88W8510 WIFI无线网桥中无线部分的驱动。

　　（4）eCOS系统：嵌入式操作系统的种类较多，其中比较流行的有VxWorks、Windows CE、Psos、Palm OS、嵌入式Linux等。这些嵌入式操作系统在开放性、实用性以及性能等方面各有千秋，eCOS作为一个新的选择，其全称叫嵌入式可配置操作系统eCOS（Embedded Configureable Operating System），它的特点是模块化、内核可配置性、可裁减性、可移植性和实时性[5]。eCOS是一个针对16位、32位和64位处理器的可移植开放源代码的嵌入式RTOS，与嵌入式Linux不同，它是由专门设计嵌入式系统的工作组设计的。eCOS具有相当丰富的特性和一个配置工具，其配置如图4所示。

　　eCOS配置工具能够让使用者选取所需要的特性，而Linux兼容的嵌入式系统在内核裁减后编译出来的二进制代码大小在500 kB以上，而且这还只是包含最简单的内核模块，几乎没有加载任何其他的驱动与协议栈。但是eCOS最小版本只有几百个字节，一般一个完整的网路应用，其二进制的代码也就100 KB左右。与此同时，应用程序不用运行在Linux复杂的内核机制上，针对VAP11G短小精干的嵌入式应用，应用到eCOS最适合，大大节省了Flash ROM和RAM空间大小。

　　（5）其他应用：88W8510 WIFI无线网桥采用SNMP协议对相关参数进行配置，通过图形化接口使用户对于该设备需要完成的功能进行直观、方便的配置，其配置内容如下：WPA/WPA2、WEP（128 bit）/WEP（64 bit）安全模式参数设置、SSID网络设置、802.11 b/g扫描。

　　3.2 88W8510 WIFI无线网桥软件工作流程

　　Wi-Fi是一种可以将个人电脑、手持设备（如PDA、手机）等终端以无线方式互相连接的技术。Wi-Fi是一个无线网路通信技术的品牌，由Wi-Fi联盟（Wi-Fi Alliance）所持有。目的是改善基于IEEE 802.11标准的无线网路产品之间的互通性。现时一般人会把Wi-Fi及IEEE 802.11混为一谈。甚至把Wi-Fi等同于无线网际网路。

　　88W8510 WIFI无线网桥关键是将送出的视频数据IP包转换成无线网络帧后送到AP，经AP解包后进入视频监控服务器，由显示终端PC请求服务器获取相应的视频数据，具体流程如图5所示。

　　桥接设备采用的是自动联网模式，即所有的联网过程都自动完成，用户不需要干预，用户只需设置好基本连接参数，桥接设备会在每次上电的时候自动扫描网络，如果检测到已经设置好的目的网络就自动进行连接，并在连接成功后开始进入数据包的处理过程，如果中间出现意外断网，模块还会进行自动重连。

　　在本方案中，88W8510 WIFI无线网桥作为一个转发功能将视频数据直接转换为802.11网络帧进行数据传输，具体实现过程如图6所示。

　　本方案采用了88W8510 WIFI芯片模组与传统IP摄像头，实现了摄像头的无线改造。经过实际测试，无线IP摄像头在20 MHz范围内，可以实现无误码通信，视频图像传输质量优良、运行稳定、灵活方便。相比其他摄像头设计方案，本方案具还有低成本（无论是通信成本还是硬件成本）、低功耗等优点，是一种比较有经济和技术价值的设计。