基于WIFI的无线IP摄像头的设计与实现

    摄像头(Camera)作为一种视频输入设备，在过去被广泛地运用于视频会议、远程医疗及实时监控等。近年来，随着互联网技术的发展，网络速度不断提高，再加上感光成像器件技术的成熟并大量用于摄像头的制造，使得摄像头的价格降到普通人可以承受的水平，彼此之间可以通过摄像头在网络平台上进行有影像、有声音的交谈和沟通，还可以将其用于当前各种流行的数码影像、影音处理。
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。如何将视频信号从摄像头端传到显示终端处理得到图像，或者通过现有网络实现远程传输？无线摄像头可解决这些问题。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]。

    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；可同时连接更多的无线终端，无需降低无线的吞吐性能；可保证传输的数据、音频、视频数据的连续和稳定性；可外接多口路由器和外部系统总线；减少了物料成本并提供连接电缆故障诊断方法；为改进在公共环境下的安全性，添加了更多的身份认证机构；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。而且更为重要的是，eCOS提供的Linux兼容的API能让开发人员轻松地将Linux应用移植，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

    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。