基于ZIGBEE技术的智能公交视频监控系统.pdf

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1、计 算 机 系 统 应 用 2 0 0 9年 第 8期 基于 Z i g b e e技术的智能公交视频监控系统 Vi d e o Moni t or i n g S y s t e m i n I n t e l l i g e n t B u s B a s e d on Z i gb e e Te c hn ol o g y 刘 斌刘宏立(湖南大学 电气与信息工程学院 湖南 长沙 4 1 0 0 8 2)摘要：本文概述 了 Z i g b e e技 术的基本原理，研 究了基 于多信道 多无线 电接 口的 I E E E 8 0 2 1 5 4 Z i g b e e网 络 中分散节点间视频

2、的传输，结合智能公交系统的典型特征，针对 Z i g b e e技术和 MP E G 4编码器特 性设计 了一 个智能公 交视频监控 系统的 网络拓扑，该 网络拓扑利用 多描 述编码增 强了其视频传输 的可 靠性并给 出了n s 一 2的仿真结果。关键词：Z i g b e e 智能公 交 MP E G 4 多描 述编码 近年来，小型化的设备快速发展，低功耗无线通 信、微传感器和微硬件处理器的发展，小规模电源与 分布式信号处理的结合，A d h o c网络协议，以及无处 不在的普适计算的发展使得无线传感器网络O N S N)成 为一种新的技术趋势【1】。随着采集环境多媒体信息的硬件设备(如摄像

3、头，麦克风)，嵌入式处理器日益廉价，小型化，为多媒体 无线传感网络进一步发展提供了可能。多媒体传感器 网络具有音频，视频流，静态图像和标量数据(如温度，湿度，光照)等多媒体内容的采集，处理和传输能力。本文研究了应用低功耗，低速率，低成本 Z i g b e e网 络进行视频传输的问题，设计了基于 I E E E 8 0 2 1 5 4 Z i g b e e网络的智能公交视频监控系统。1 基于Z i g b e e 的视频传输 随着计算机技术的发展，各种各样的视频服务涌 现 了出来，无线视频通信成为了学术界以及工业界所 关注的热点。由于视频服务有着一些特殊的性质，如 数据量大。需要连续传输、实

4、时获取等，且无线环境 固有的缺陷和限制如带宽太窄，处理能力有限等，无线 视 频 传输 质 量一 直 得 不到保 证。本 文提 出利 用 8 0 2 1 5 4 网络中的多通道和多无线电接口以及在多 信道和多无线电接口中利用 MDC(多描述编码)增强性 能的拓扑结构，能够提高视频传输和视频压缩的性能。基金项 目：国家高科技术研究发展计划(8 6 3)(2 0 0 7 A A1 A1 2 1)收稿时间：2 0 0 8 1 1 2 5 1 4 0 应用技术 A p p l i e d T e c h n i q u e 1 1 Z i g b e e 堆栈协议研究 Z i g b e e的基础是 I

5、 E E E 8 0 2 1 5 4,1 E E E 8 0 2 1 5 4 标准定义了Z i g b e e 协议栈中的物理层和 MA C子层，Z i g b e e联盟对其网络层协议和 A P I 进行标准化，以保 证不同的设备之间可以通信。完整的Z i g b e e协议栈模 型如图 1 所示，Z i g b e e所使用的协议详见文献【2，3】。I E E E 8 0 2 1 5 4提供 了两个物理层：2 4 GH z物 理层和 8 6 8 9 1 5 MH z物理层，两个物理层共有三个 频 带，共分 为2 7 个 信 道。2 4 GH z 频 段(2 4 GH z 2 4 8 3 G

6、 H z)被划分为 1 6个信道，称为 1 2 2 7 号信道，每个信道的频带带宽达 5 MH z，数据传输速 率为 2 5 0 K b s；9 1 5 MH z频段(9 0 2 MH z 9 2 8 MH z)被划分为 1 0个信道，称为 1 _ 1 1 号信道，数据 传输 速率为 2 0 K b s：8 6 8 6 MH z 频段(8 6 8 6 3 MH z)只有一个信道，称为 0号信道，数据传输速率为 2 0 K b S。I E E E 8 0 2系列标准把数据链路层分为介质 访 问控 制层 MA C 和 逻辑链路控 制层L L C。I E E E 8 0 2 1 5 4的 MA C子

7、层支持多种 L L C标准，使用物 理层提供的服务实现设备之间的数据帧传输；而 L L C 子层在 MA C子层的基础上，给设备提供面向连接和无 连接的服务。Z i g b e e协议栈的核心部分在网络层。网络层主要实现节点加入或离开网络、接收或抛弃其 他节点、路由查找及维护、发现邻居节点和传送数据 等功能。2 0 0 9年 第 8期 计 算 机 系 统 应 用 l 应 用 层 l 卜 -t 应 用 2 I I I 应用汇聚 层 I I I 网 络层 I I I EEE 802 2 逻辑 链 路 控 制 类 型 1 其 它逻 辑 链 路 控 制 I 标 准 I 业务 汇聚特定子层 I I。1

8、E E E 8 0 2 1 5 4 介 质访问 控制 l l I 2,4 G H z 8 6 8 M H z 9 1 5 h m Z I 物理 层 物 理层 图 1 Z i g b e e协议栈结构图 对 Z i g b e e MA C层本文采用无时隙的 C S M A信道 接入机制使设备传输视频数据。1 2 多信道 多无线电接口Z i g b e e网络的多描述编码 目前，I E E E 8 0 2 1 5 4多信道技术标准仍然多用 于单信道模式。如果在传输中使用多信道多无线电接 口技术，必将提高网络吞吐量。自从 A d h o c标准提 出以来，有关多信道多无线电接口的研究都是基于 I

9、E E E 8 0 2 1 1。然而，将其与 I E E E 8 0 2。1 5 4网络结 合用于多信道多无线电接口是比较容易的。文献【4 冲 提出了基于 I E E E 8 0 2 1 5 4网络的自适应冲突避免的 解决方案。文献【5】【6】通过修改 M A C子层协议使之能 够 支 持 并 行 传输 的 多信 道 网络。因为 在I E E E 8 0 2 1 5 4中 I S M 2 4 GH z频带包含 1 6个信道，通过 增加一个或多个无线电接口，Z i g b e e节点的功能将增 强，因此，通过多个数据流传输视频是可能的。考虑到单层编码信息包丢失会导致错误传播，从 而急剧 的降低

10、了重构视频 的整体质量【7】。本文考虑使 用多描述编码 MD C，在多描述编码中由一个视频源生 成多个码流，每个码流称为视频源的一种描述。MD C 假设在发送端和接收端之间有多个独立的并行信道，每个信道的质量都非常不稳定，但所有信道同时发生 误码的概率较小。MD C 的各个描述分别在独立的信 道上传输，在接收端根据被正确接收描述的不同。选择 不同的解码恢复方案。只要有任一个描述被正确接收，MD C解码器就可以恢复出可接受的视频质量：如果有 多个描述被正确接收，则视频恢复质量可以得到增强。MD C的突出优势是其较强的抗丢包能t 8 3。多描述编 码结构 图如图 2所示。图 2 多描述编码 本文假

11、设无线信道中错误的发生是随机的，使用 多描述编码，视频总能够被重构，因为错误发生在一 个信道中，这个描述可以从其他独立的信道传输中接 受到。因此，在 Z i g b e e多信道多无线电视频传输中 使用了多描述编码，多传输信道和多描述编码结合可 以提供足以抵抗苛刻网络条件的鲁棒性和达到负载 平衡。2 基于Z i g b e e 技术的智能公交监控系统 公交车是城市市民出行的主要的交通工具，也是 运输量最庞大的交通工具。在每天来来往往的公交车 中都会发生一些令人不愉快的事情：如非法之徒抢劫、盗窃；态度恶劣的公交服务人员等等，这些事情都会 给市民造成很大的精神和财产的损失。为了解决这些 问题，在智

12、能公交系统上加装视频监控，此视频监控 共有 4个摄像头，根据公交车实际情况安装到车厢不 同位置，Z i g b e e接收节点收到视频数据后可以通过 G P R S发送给监控中心，监控中心将视频文件传至服 务器，永久保存。2 1 Z i g b e e智能公交监控系统的设计需求 本系统要求对采集到的视频图像通过 Z i g b e e网 络实时发送，因为多媒体信息的数据量大以及 Z i g b e e 无线移动网络的低带宽和不稳定性。传送数据的编码 方法成为了对于传送的实现以及传送质量都至关重要 的一件事。本文采用 MP E G-4视频编码标准对多媒体 数据进行基于内容的处理，而针对多信道传输

13、则采用 多描述编码(MD C)，它提供了比基于多信道传输的单 层编码更好的纠错能力；且针对 Z i g b e e对视频传输 算法和网络拓扑结构提出新的设计方法。2 2 Z i g b e e智能公交监控系统的总体设计 Z i g b e e智能公交监控系统中 Z i g b e e节点结构如 A p p li T e c h n iq Il e应用技术 1 41 跳 量 霍 画 画画 j 一 l曩 躺 一 r 毋母 计 算 机 系 统 应 用 2 0 0 9年 第 8期 图 3所示。图的左半部分由摄像头、图像分割和跟踪 模块、多描述编码(MD C)模块和 R C VB R MP E G 4编

14、 码器组成，该部分主要 负责 图像 的获取、处理及 码率 控制。图的右半部分为 Z i g b e e节点的协议栈，包括 Z i g b e e上层协 议，MA C子层和物理层。值得注意 的 是从 MD C输出的每个描述符传送给独立的 MP E G 4编 码器，接着传送给独立的无线电接 口。在该系统中，每个无线 电接 口工作在不同频率的信道，从而形成多 信道多无线电接口拓扑结构。R e 栅R 蚰 M A c -4 婀G 4 醑-一 墟协 议 层 加l 目 箍 像 丹 D 建 C l 编 和 码 拄 、跟 器 惩 矗 ，R C 栅 R M A c 磺-一 -M l 6 蝎 码 器 层 接 口 2

15、 图 3 Z i g b e e监控节点 2 3 Z i g b e e智能公交监控系统的网络拓扑结构 考虑 Z i g b e e网络传输的低速率特性，我们在对 视频压缩时采用不同的 V B R算法。V B R技术的原理就 是对低速运动甚至静止的画面使用较高的压缩率，而 对于高速运动的一段片段用较低的压缩率。通过降低 一部分 画面质量减小其码率来补偿另一部分 画面对 带 宽的额外 需求，就可 以达到与原来相 同或相近 的图像 效果。由于 R C VB R算法使能处理的视频源数目增加至 2(利用 2跳系统)。利用两个信道两个无线电接口的网 络拓扑可以使网络的吞吐量提高两倍，即含有两个信 道的拓

16、扑结构可以使视频源数目达到 4个。聚合节点 使用 2个接口，两个接口使用不同的信道。在这里，我们分配 1 1 和 1 2号信道给聚合节点。Z i g b e e视频 源使用一个接 口和 1 1号信道。由于整个拓扑结构中 只使用了 2个信道，因此接收器节点仅使用一个接 口。所以，接收器节点使用第二个信道，也就是 1 2号信 道与其他的聚合节点进行通信。在多信道和多无线电 接口中利用 MD C(多描述编码)提高视频接受质量的拓 扑结构如图 4所示。1 4 2 应用技术 A p p l i e d T i q u e 图 4利用 MD C的网络拓扑 2 4 Z i g b e e智能公交监控系统的设

17、计实现 扫描信谴获取同络数据并处理 环境变量，恨 据扫描结果创建 个网络 二二二二二 建立一个P A N网络 选择网络 标识初始化网络设置 要一 ：否 有 无 线 ；数据帧 数据 帻 初始化 工 休眠状态 Z ig b e e F F D设 备 z ig b e c R】D 设备 图 5 z i g b e e网络通 信流程 图 Z i g b e e智能公交监控系统主要由视频采集，嵌入 式处理器，无线传输模块等相关硬件组成。本系统采 用T I 公司DM6 4 3 7 作为系统的控制和视频处理芯片，DM6 4 3 7采用最新的达芬奇技术，具有 C OD E C引擎，能够灵活的配置成支持多种视频

18、编码标准的多媒体处 理器，该芯片能够实时地将分辨率为 7 2 05 7 6的输 入视频编码成 MP E G4格式：Z i g b e e射频模块采用 F r e e s c a l e公司的 C C 2 4 3 0，该芯片可确保短距离通 信的有效性和可靠性。系统的运行流程主要为：初始 化硬件设备及接口；采集与压缩视频 图像：Z i g b e e发 上八二=)日 U 2 0 0 9年 第 8期 计 算 机 系 统 应 用 送。Z i g b e e网络采用分层通信协议，各层通信 以原语 的方式 实现，我们使用 C语 言对原语进行设置调用，实现组 网算法，详细步骤如流 程图 S 所示。3 Z i

19、 g b e e 智能公交监控系统的网络仿真 使用 a s 一 2软件对上述拓扑结构进行网络仿真，首先在整个 MP E G 4视 频编码 的码 率控 制中，本文采 用感兴趣区域技术，除了原始数据源其他所有源都利 用 T E S模型产生。在整个仿真中，忽略无线信道产生 的损耗。另外，每个节点采集 的数据都将利用各 自的 T E S模型产生的随机数进行仿真测试。对仿真结果可 以用 2 个参数来评价：帧丢失率和 峰值信噪 比(P S NR)。假设传输图像在某一点(i，j)像素值被定义为 T(i，j)，接收图像对应点的值作为 R(1，j)，则接收图像的均 方误差可通过下式计算：M S E=(丁(i，)

20、一 R(f，)，一一、，、，其中，M和 N为图像像素的维度，接收图像的 P S N R 的计算公式为：俐吣 建立仿真环境，设置主要参数：b=1 0 0 p a c k e t s。r=3 0 p a c k e t s s e c，视频源传输距离 D1=5 m，聚 合节点传输距离 D 2=1 0 m，传输模型选择 T wo r a y g r o u n d-mo d e l。当设置视频源数目为 3和 4时，得 到网络的帧丢失率为 0，计算 P S N R的值为 3 5 9 6 d B。而当设置视频源数目为 5时，得到网络中的帧丢失率 为 1 3。6 l P S NR的值为 3 O 4 d B

21、。这是因为该视频 监控 系统中总 的视频源容量 为 4，在源数 目为 3，4 的情况下所有的源全都被接受到，所以视频质量没有 差别；而一旦超过网络容量就会产生丢帧现象。仿真 结果表明基于 Z i g b e e技术的智能公交监控系统在理 论上时可行 的。4结束语 本文利用无线 Z i g b e e网络设计了一个智能公交 监控系统。公交视频监控系统不仅可以对犯罪行为进 行防范，而且可以对司机 的服务进行监督，还可通过 视频监控系统对车辆运行状态和车内拥挤情况进行实 时监控，及时合理调整公交车发班间隔，以缓解高峰 期公交车乘客拥挤的状况。参 考，l戴世瑾，张翼德，李乐民 无线传感器网络的路由协议

22、 研 究与分析 计算机应 用研 究，2 0 0 6，2 3(1 2)：2 9 4 2 97 2 Zi g b e e Al l i a n c e Ne t wo r k La ye r S p e c i fi c a t i o n h t t p：wv c w z i g b e e o r g 3 Zi g be e Al l i a n c e Zi g b e e Ap p l i c a t i o n F r a me wo r k h t t p：www z i g b e e o r g 4 Wo n C，Yo u n J H，Al i H，S h a r i f H，De

23、 o g u n J Ad a p t we Ra di o Ch a n n e l Al l o c i o n f o r S u p p o r t i n g Co e x i s t e n c e o f 8 0 2 1 5 4 an d 8 0 2 1 l b P r o c o f Ve h i c u l a r T e c h n o 1 o g y Co n f e r e n c e，2 0 0 5：2 5 2 22 5 2 6 5 Li u Kn i g h t l y E Op p o r t u ni s t i c Fa i r S c h e d u l i

24、 n g o v e r M u l t i p l e W ife l e s s Ch a n n e l s Pr o c of T we n t y-S e c o n d An nu a l J o i n t Co n f e r e n c e o f t h e I EEE Co mp u t e r a n d Co mmu n i c a t i o n s S o c i e t i e s 2 0 0 3：l 1 0 6一 l 1 1 5 6 S o J，Va i d y a NM u l t i-Ch a nn e l MAC for Ad Ho c Ne tw o

25、r k s：Ha n d l i n g M u l t i Ch a n ne l Hi d d e n Te r mi n a l s Us i n g A S i n gl e T r a n s c e i v e r P r o c of M o b i HOC 2 0 0 4 7 Ap o s t ol o p o u l o s J，Wa i-t i a n Ta n，We e SWo r n e l l GW Mo d e l i n g P a th Di v e r s i ty for Mu l t i p l e De s c r i p t i o n Vi d e o Co mmu n i c i o n P r o c o f Ac o u s t i c s，Sp e e c h a n d S i g n a l Pr o c e s s ing，2 0 0 2：21 6121 6 4 8李彬，黄峰，孙立峰，杨士强 一种鲁棒灵活的非平衡多 描 述视频 编码和传输方案 计算机 学报，2 0 0 8，3 1(7)：1 1 5 5一 l】6 4 Ap p l i e d T e c h n i q u e应用技术 1 4 3