引言
無線傳感器網絡綜合了傳感器技術、嵌入式計算技術、現代網絡及無線通信技術、分布式信息處理技術等，能夠通過各類集成化的微型傳感器協作地實時監測、感知和采集各種環境或監測對象的信息，這些信息通過無線方式被發送，并以自組多跳的網絡方式傳送到用戶終端，從而實現物理世界、計算世界以及人類社會三元世界的連通 ，圖1所示為典型的無線傳感器網絡體系結構 。無線傳感器網絡應用前景廣闊，它在軍事國防 、災害監測 、智能樓宇等許多領域都有很大的實用價值，已引起國內外學術界和工業界的廣泛關注與重視。
實驗心理學家Treicher通過大量實驗證實：人類獲取信息83%來自視覺。因此，發展無線
圖像傳感器網絡技術，有很大的應用潛力，它為目標識別、安全監控等應用領域提供了一個很好的解決途徑和技術方案。目前圖像傳感器節點射頻部分傳輸速度都比較低(不超過250Kbps)，如美國UCLA設計的Cyclops節點 等。這些節點成本高、功耗大、傳輸速度慢、實用性不太高。本文應用nRF24L01作為節點無線收發器，設計了一種實用性較強的圖像傳感器節點。該節點相比Telos、Mica2、MicaZ、Cyclops等節點具有傳輸快、功耗低等優點。
1、圖像傳感器節點設計
圖像信息數據量大，而傳統的無線傳感器網絡射頻收發器的傳輸速度一般都較低，無法滿足這種大數據量的數據傳輸。傳感器節點往往采用電池供電，電源能量十分有限。因此，在進行圖像傳感器節點設計時必須遵循以下原則：1)盡可能降低節點能量消耗以最大限度地延長節點壽命;2)較快的傳輸速度以滿足數據實時性;3)增加節點設計的靈活性使其能適合更多的應用場合。
圖1 無線傳感器網絡體系結構
1.1 節點硬件設計
1.1.1 節點硬件架構
本文設計的圖像傳感器節點由五部分組成：微處理器模塊、圖像傳感器模塊、無線通信模塊、數據存儲模塊和電源模塊。圖2所示是無線圖像傳感器節點總體架構示意圖。
圖2 圖像傳感器節點總體架構圖
該節點中微處理器是系統的控制中心，其功能是控制與調度其他器件的工作狀態與進程，以實現圖像采集、存儲和無線組網傳輸等功能。射頻模塊是節點的無線通信單元，通過SPI
總線與微處理器進行通信，實現節點與無線傳感器網絡中其他節點的通信以及數據傳輸等功能。微處理器、圖像傳感器和SRAM的數據總線是共用的，這樣可方便圖像數據在微處理器、圖像傳感器和SRAM之間傳輸，但同時也要求微處理器對圖像傳感器和SRAM的操作時序進行嚴格控制，以避免數據總線操作沖突。
1.1.2 射頻模塊
射頻模塊是傳感器節點的重要組成部分，它是節點各部分中能量消耗最主要的部分 。現在無線傳感器網絡中常用的是支持802.15.4通信協議的無線通信芯片。圖像傳感器節點要傳輸的是圖像數據，數據量大，數據實時性高。這就要求射頻模塊采用的無線通信芯片功耗低、傳輸速度快。支持802.15.4通信協議的無線通信芯片傳輸速度較低，一般不超過250Kbps。本設計選用Noridc公司推出的高速、低功耗、低成本無線通信芯片nRF24L01。
nRF24L01工作在2.4-2.5GHz ISM頻段，通過SPI總線進行工作模式設置，傳輸速度可達2Mbps 。它功耗低，在2Mbps速度下接收電流為12.3mA;在2Mbps速度下0dBm發送電流為11.3mA。本節點選用nRF24L01射頻芯片，相比支持802.15.4通信協議的芯片而言，用nRF24L01傳輸圖像數據功耗低，傳輸速度快。
1.1.3 CMOS圖像傳感器
數字圖像傳感器主要分為兩大類：
CCD圖像傳感器和CMOS圖像傳感器。相比CCD圖像傳感器來說，CMOS圖像傳感器功耗低、速度快、成本較低、體積小，但它獲取的圖像質量相對較差 。如果將降低能耗和提高數據傳輸速度作為節點優先的考慮，圖像質量相對其次，則設計應選用CMOS圖像傳感器。
本設計選用OmniVision公司的OV7670圖像傳感器。OV7670是一款高性能、低功耗、30萬像素的VGA CMOS圖像傳感器，功耗為60mW，輸出圖像最大分辨率為 。OV7670 通過SCCB總線進行寄存器初始化配置，來設置圖像的輸出格式等。它通過場時鐘信號VSYNC、行時鐘信號HREF以及像素時鐘PCLK來控制圖像數據輸出。所以，本設計必須選用一種具有多中斷源，中斷可嵌套且中斷響應時間短的微處理器，才能符合OV7670的數據輸出特點。
1.1.4 微處理器
選擇圖像傳感器節點的微處理器，主要需要考慮微處理器的功耗、中斷源個數及特性和處理速度。本節點選用TI公司的MSP430F149為微處理器。它是一款16位超低功耗混合信號處理器，具有豐富的片內外設，采用16位RISC結構，中斷源較多，可任意嵌套。而且，它還具有5種低功耗工作模式，非常適合于進行低功耗設計。
1.1.5 SRAM存儲器
圖像數據量大，需外加存儲模塊以滿足圖像數據的存儲要求。該節點采用電池供電，電壓為3V，圖像傳感器為30萬像素，數據輸出為8位。因此，本節點采用TOSHIBA公司的TC55VCM208A芯片為存儲器。它是一款8位512Kbyte的SRAM。
1.2 節點軟件設計
盡可能降低能耗是節點軟件設計的最主要原則。在本節點的軟件設計中，對于各個模塊的時序要進行優化設計，不再用的電路模塊，要盡快使其關閉或進入低功耗狀態。本節點工作在星型結構無線傳感器網絡中時,按照圖3、圖4所示流程圖進行軟件設計。圖3為節點軟件總體流程圖。在節點主程序中主要是完成系統的初始化以及網絡初始化的一些工作，而應用程序主要是在中斷程序中進行實現。圖4為中斷程序流程圖，該中斷程序用來采集和傳輸圖像，并完成一些網絡操作工作。在整個程序設計中，對于各個模塊的工作時序進行了嚴格控制，系統大部分時間工作在低功耗模式，其他各個模塊在不用時也使其盡快進入低功耗工作模式，從而降低了整個系統的能耗。
圖3 節點軟件總體流程圖
圖4 中斷程序流程圖
2、無線圖像傳感器節點性能分析與應用
對圖像傳感器節點的性能分析主要集中在兩點：節點的能耗和圖像傳輸的實時性。本文設計的圖像傳感器節點有五種工作模式：圖像獲取模式、操作SRAM模式、無線傳輸模式、MCU正常工作模式、Shutdown模式。表1給出了本節點在各種工作模式下的功耗情況。在正常情況下，節點在采集圖像并傳輸完成后會很快進入Shutdown模式，等待下一次采集圖像，以降低能耗。
節點能耗主要由其工作的狀態以及各狀態持續的時間來決定。對于圖像傳感器來說，它的工作持續時間由所采集圖像大小以及圖像傳感器的曝光時間決定，而曝光時間是與拍照時的環境光照有關的。對于SRAM來說，它的工作持續時間與要存儲或讀取的數據量有關。對于nRF24L01來說，工作持續時間不僅與要傳輸的數據量有關，還與每個數據包的數據有效利用率有關。本文所做實驗中，節點用3V電池供電，設置OV7670寄存器，使輸出圖像大小為 ，輸出像素時鐘為10MHz的1/12。無線傳輸中nRF24L01選用的數據包長為32byte，其中有24byte為有效圖像數據，其余8byte作為傳輸協議等的頭信息數據， 傳輸大小為 的圖像數據需1044個數據包，得到了表2中所示圖像采集傳輸能耗及耗時。
表1 圖像傳感器節點工作模式功耗表
“S”表示處于Shutdown狀態，“√”表示處于工作狀態
由表2可知，由于圖像分辨率較高，本節點圖像傳輸消耗能量相對其他部分較大，而且費時。因此，對于具體應用，應選擇適當的圖像分辨率，以最大程度的降低節點能耗。表3是本節點與相關節點性能比較的結果。由表3可知，本節點在傳輸速度和能耗方面較Telos、Mica2、MicaZ和Cyclops節點有明顯優勢。
表2 采集傳輸圖像所需能耗與時間
3、結論
本文設計的圖像傳感器節點，能耗低、傳輸速度快，可進行圖像采集和快速無線傳輸。我們詳細論述了它的硬件架構和軟件設計，給出了它的功耗測試結果以及圖像采集傳輸時間性能，并將它的各項性能參數與Telos、Mica2、MicaZ和Cyclops節點進行了比較。實驗表明，本節點性能良好，無線傳輸功耗低、傳輸速度快、實用性較強，在環境監測，目標識別等場合有很好的應用
