基于nRF24L01的无线图像传感器节点设计实现

      引言
        无线传感器网络综合了传感器技术、嵌入式计算技术、现代网络及无线通信技术、分布式信息处理技术等，能够通过各类集成化的微型传感器协作地实时监测、感知和采集各种环境或监测对象的信息，这些信息通过无线方式被发送，并以自组多跳的网络方式传送到用户终端，从而实现物理世界、计算世界以及人类社会三元世界的连通 ，图1所示为典型的无线传感器网络体系结构 。无线传感器网络应用前景广阔，它在军事国防 、灾害监测 、智能楼宇等许多领域都有很大的实用价值，已引起国内外学术界和工业界的广泛关注与重视。
        实验心理学家Treicher通过大量实验证实：人类获取信息83%来自视觉。因此控制工程网版权所有，发展无线图像传感器网络技术，有很大的应用潜力，它为目标识别、安全监控等应用领域提供了一个很好的解决途径和技术方案。目前图像传感器节点射频部分传输速度都比较低(不超过250Kbps)，如美国UCLA设计的Cyclops节点 等。这些节点成本高、功耗大、传输速度慢、实用性不太高。本文应用nRF24L01作为节点无线收发器，设计了一种实用性较强的图像传感器节点。该节点相比Telos、Mica2、MicaZ、Cyclops等节点具有传输快、功耗低等优点。
        1、图像传感器节点设计
        图像信息数据量大，而传统的无线传感器网络射频收发器的传输速度一般都较低，无法满足这种大数据量的数据传输。传感器节点往往采用电池供电CONTROL ENGINEERING China版权所有，电源能量十分有限。因此控制工程网版权所有，在进行图像传感器节点设计时必须遵循以下原则：1)尽可能降低节点能量消耗以最大限度地延长节点寿命;2)较快的传输速度以满足数据实时性;3)增加节点设计的灵活性使其能适合更多的应用场合。

 

        图1 无线传感器网络体系结构

        1.1 节点硬件设计
        1.1.1 节点硬件架构
        本文设计的图像传感器节点由五部分组成：微处理器模块、图像传感器模块、无线通信模块、数据存储模块和电源模块。图2所示是无线图像传感器节点总体架构示意图。

        图2 图像传感器节点总体架构图

        该节点中微处理器是系统的控制中心，其功能是控制与调度其他器件的工作状态与进程，以实现图像采集、存储和无线组网传输等功能。射频模块是节点的无线通信单元，通过SPI总线与微处理器进行通信，实现节点与无线传感器网络中其他节点的通信以及数据传输等功能。微处理器、图像传感器和SRAM的数据总线是共用的，这样可方便图像数据在微处理器、图像传感器和SRAM之间传输，但同时也要求微处理器对图像传感器和SRAM的操作时序进行严格控制，以避免数据总线操作冲突。

     1.1.2 射频模块
        射频模块是传感器节点的重要组成部分，它是节点各部分中能量消耗最主要的部分 。现在无线传感器网络中常用的是支持802.15.4通信协议的无线通信芯片。图像传感器节点要传输的是图像数据，数据量大，数据实时性高。这就要求射频模块采用的无线通信芯片功耗低、传输速度快。支持802.15.4通信协议的无线通信芯片传输速度较低，一般不超过250Kbps。本设计选用Noridc公司推出的高速、低功耗、低成本无线通信芯片nRF24L01。
        nRF24L01工作在2.4-2.5GHz ISM频段，通过SPI总线进行工作模式设置，传输速度可达2Mbps 。它功耗低，在2Mbps速度下接收电流为12.3mA;在2Mbps速度下0dBm发送电流为11.3mA。本节点选用nRF24L01射频芯片，相比支持802.15.4通信协议的芯片而言，用nRF24L01传输图像数据功耗低，传输速度快。
        1.1.3 CMOS图像传感器
        数字图像传感器主要分为两大类：CCD图像传感器和CMOS图像传感器。相比CCD图像传感器来说，CMOS图像传感器功耗低、速度快、成本较低、体积小，但它获取的图像质量相对较差 。如果将降低能耗和提高数据传输速度作为节点优先的考虑，图像质量相对其次，则设计应选用CMOS图像传感器。
        本设计选用OmniVision公司的OV7670图像传感器。OV7670是一款高性能、低功耗、30万像素的VGA CMOS图像传感器，功耗为60mW，输出图像最大分辨率为 。OV7670 通过SCCB总线进行寄存器初始化配置，来设置图像的输出格式等。它通过场时钟信号VSYNC、行时钟信号HREF以及像素时钟PCLK来控制图像数据输出。所以，本设计必须选用一种具有多中断源，中断可嵌套且中断响应时间短的微处理器，才能符合OV7670的数据输出特点。
        1.1.4 微处理器
        选择图像传感器节点的微处理器，主要需要考虑微处理器的功耗、中断源个数及特性和处理速度。本节点选用TI公司的MSP430F149为微处理器。它是一款16位超低功耗混合信号处理器，具有丰富的片内外设，采用16位RISC结构，中断源较多，可任意嵌套。而且，它还具有5种低功耗工作模式控制工程网版权所有，非常适合于进行低功耗设计。
        1.1.5 SRAM存储器
        图像数据量大，需外加存储模块以满足图像数据的存储要求。该节点采用电池供电，电压为3Vwww.cechina.cn，图像传感器为30万像素，数据输出为8位。因此，本节点采用TOSHIBA公司的TC55VCM208A芯片为存储器。它是一款8位512Kbyte的SRAM。
        1.2 节点软件设计
        尽可能降低能耗是节点软件设计的最主要原则。在本节点的软件设计中，对于各个模块的时序要进行优化设计CONTROL ENGINEERING China版权所有，不再用的电路模块，要尽快使其关闭或进入低功耗状态。本节点工作在星型结构无线传感器网络中时,按照图3、图4所示流程图进行软件设计。图3为节点软件总体流程图。在节点主程序中主要是完成系统的初始化以及网络初始化的一些工作，而应用程序主要是在中断程序中进行实现。图4为中断程序流程图，该中断程序用来采集和传输图像，并完成一些网络操作工作。在整个程序设计中，对于各个模块的工作时序进行了严格控制，系统大部分时间工作在低功耗模式CONTROL ENGINEERING China版权所有，其他各个模块在不用时也使其尽快进入低功耗工作模式，从而降低了整个系统的能耗。

        图3 节点软件总体流程图

        图4 中断程序流程图

        2、无线图像传感器节点性能分析与应用
        对图像传感器节点的性能分析主要集中在两点：节点的能耗和图像传输的实时性。本文设计的图像传感器节点有五种工作模式：图像获取模式、操作SRAM模式、无线传输模式、MCU正常工作模式、Shutdown模式。表1给出了本节点在各种工作模式下的功耗情况。在正常情况下，节点在采集图像并传输完成后会很快进入Shutdown模式，等待下一次采集图像，以降低能耗。
        节点能耗主要由其工作的状态以及各状态持续的时间来决定。对于图像传感器来说，它的工作持续时间由所采集图像大小以及图像传感器的曝光时间决定，而曝光时间是与拍照时的环境光照有关的。对于SRAM来说，它的工作持续时间与要存储或读取的数据量有关。对于nRF24L01来说，工作持续时间不仅与要传输的数据量有关，还与每个数据包的数据有效利用率有关。本文所做实验中，节点用3V电池供电，设置OV7670寄存器，使输出图像大小为 ，输出像素时钟为10MHz的1/12。无线传输中nRF24L01选用的数据包长为32byte，其中有24byte为有效图像数据，其余8byte作为传输协议等的头信息数据， 传输大小为 的图像数据需1044个数据包，得到了表2中所示图像采集传输能耗及耗时。
        表1 图像传感器节点工作模式功耗表, “S”表示处于Shutdown状态，“√”表示处于工作状态

        由表2可知，由于图像分辨率较高，本节点图像传输消耗能量相对其他部分较大，而且费时。因此，对于具体应用，应选择适当的图像分辨率，以最大程度的降低节点能耗。表3是本节点与相关节点性能比较的结果。由表3可知，本节点在传输速度和能耗方面较Telos、Mica2、MicaZ和Cyclops节点有明显优势。
        表2 采集传输图像所需能耗与时间

        3、结论
        本文设计的图像传感器节点，能耗低、传输速度快，可进行图像采集和快速无线传输。我们详细论述了它的硬件架构和软件设计，给出了它的功耗测试结果以及图像采集传输时间性能，并将它的各项性能参数与Telos、Mica2、MicaZ和Cyclops节点进行了比较。实验表明，本节点性能良好，无线传输功耗低、传输速度快、实用性较强，在环境监测，目标识别等场合有很好的应用潜力。