（通信与信息系统专业论文）基于自组织网络的图像监控技术研究.pdf

东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其它人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大 研究生签 新躲坠兰日州 ”l 侈 摘要 摘要 目前在图像监控领域，基于p c 和i n t e m e t 的有线图像监控系统应用较为广泛，但其体积大、功 耗高、成本高、布线繁琐、对监控现场要求高等缺点一定程度上制约了它的进一步发展和应用。而 基于无线网络的图像监控方式借助技术上的优势，基本可以克服上述缺点。本文在目前图像监控系 统的基础上，围绕嵌入式技术、无线通信技术和网络技术开展研究工作，设计并实现了低成本、低 功耗、体积轻巧的嵌入式无线远程图像监控系统。本文研究的具体内容如下： 研究了图像监控技术的背景和国内外研究和应用现状。首先研究了目前应用较为广泛的图像监 控系统的组成和特点；其次研究了2 4 g 短距离无线通信技术，包括i e e e8 0 2 1 5 4 z i g b e e 技术、 w i f i i e e e8 0 2 1 1 b 技术等；最后提出了本文设计的嵌入式无线远程图像监控系统的方案。 研究了i e e e8 0 2 1 5 4 标准协议和无线应用协议( w a p ) 。首先研究了i e e e8 0 2 1 5 4 协议的物理层 ( p h 的工作频段、调制方式、通信速率、数据包格式和数据链路层( d l l ) 的参考模型、数据包格式 和接入机制等内容；其次研究了无线应用协议层次中无线事务协议( w t p ) 、无线会话协议( w s p ) 和多 媒体信息封装标准协议( m m s e p ) 的工作原理、功能特性、服务机制和数据格式等内容。 研究并设计了监控系统的硬件部分。监控系统的硬件由监控节点和网关节点两部分组成。首先 研究了监控节点的组成结构，包括微控制器模块、存储器模块、图像采集模块、射频传输模块、红 外检测模块和j 1 a g 调试模块等单元，分别研究了各个模块的主要功能特点、芯片选型和原理图设 计；其次研究了网关节点的组成结构，包括微控制器模块、存储器模块、射频收发模块、g p r s 通 信模块和j t a g 调试模块等功能单元，分别研究了各个模块的功能特点、芯片选型和原理图设计。 设计并实现了监控系统的软件部分。监控系统的软件分为监控节点和网关节点两部分。首先研 究了监控节点的软件工作流程，设计并实现了图像数据采集部分的软件，完成了无线通信协议的设 计和编写。其次研究了网关节点的工作架构，在此基础上实现了g p r s 模块的操作命令和多媒体信 息( m m s ) 的组包与发包。网关节点最重要的功能是把从监控节点接收到的图像数据发送到监控终端， 该功能分两个阶段来实现：1 ) 操作a t 指令控制g p r s 模块建立i j l ) p 连接。该过程通过设计网关 节点与g p r s 模块的u 舢玎收发程序，操作a t 指令字符来实现；2 ) 图像数据的组包和发包阶段。 该过程通过把作为m m sp d u ( 协议处理单元) 消息体的图像数据封装成w t p 数据包的形式，然后放 在u d p 报文的数据负载部分发送给w 心服务器来实现。 关键词：图像监控，i e e e8 0 2 1 5 4 ，多媒体信息封装协议，无线应用协议，g p r s 东南大学硕士学位论文 a b s t r a c t i nc u r r e n ti m a g em o n i t o r i n ga r e 如i ti sc o m m o nt 0s u p e n r i s ev i aca _ b l em o n i t o r i n gs y s t e m s b e d0 np c 锄di n t e m e t h o 、e v e r ，m ew i d e l y - u s e ds y s t e m sg e tr e s t r i c t e dt os o m ee x t e n to ni t s f u n h e rd e v e l o p m e n ta 1 1 d 印p l i c a t i o ni nv i e wo fi t sv 撕0 u si i l l l e r e n td i s a d v a n t a 学，i n c l u d i n gi t st o o 1 a 唱es i z e ，t o oh i 曲p o w e rc o n s u m p t i o n ，t o oh i g hc o 鸭t o oh i 曲r e q u i r e m e mf o rt h es i t ea n d s oo n t h ed i 毹r e n ta p p r o a c ho fr e a l i z i n gi m a g em o n i t o r i n gb a s e do nw i r e l e s sn e t 、0 r kc 锄b 吲c a l i y o v e r c o m em ed r a w b a c kw i t l lat e c h n o l o g i c a le d g e i i lm i sd i s s e r t a t i o n ，w es y n t h e s i z et h e e m b e d d e dt e c h n 0 1 0 鼢w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o 影a n dn 咖o r kt e c t l l l o l o 蹦t 0c a r d ，0 u t 锄e m b e d d e dw i r e l e s sr e m o t ei m a g em o n i t o r i n gs y s t e mw h i c hi sl o w e rc o s t ，l o w e rp o w e r c o n s u m p t i o na 1 1 de a s yt 0u s e t h em a i nr e s e a r c h 、o r ko f t l l i sd i s s e r t a t i o ni sl i s t e d 勰f o l l o w s ： f i r s t l y w eb r i e f l yi n t r o d u c em er e s e a r c hb a c k g r o u n da n ds i t u a t i o no fi m a g em o n i t o r i n g t e c i l l l o l o g y ，锄dm a l ( eac o n t r a s t 锄o n gs o m ec l a s s i c a lw i d e l y u s e di m a g em o n i t o r i n gs y s t e m s t h e n 、es l m m l a r i z et h ec u r r e n tr e s e a r c hs i u t u a t i o na th o m e 锄da _ b r o a do fr e l a t e dt e c i l i l o l o g i e s i n c l u d i n gi e e e8 0 2 15 4 ，z i g b e e 、i - f 饥e e e 8 0 2 1l b ，g p r sn e t w o r i ( sa i l ds oo n ，w h i c h 缸胁e r l yp u tf 0 刑a r do u rs o l u t i o no fw i r e l e s sr e m o t ei m a g em o n i t o r i n g s e c o n d l y ，、e 锄a l y s e t h ep r o t o c o ls y s t e m so fi e e e8 0 2 1 5 4p r o t o c o la 1 1 dw i r e l e s s a p p l i c a t i o np r o t o c 0 1 t h ef o m e rc o n s i s t so fp h y s i c a ll a y e 咿h y ) a 1 1 dd a t al i n kl a y e r ( d l l ) ， 、h i l e t l l el a t t e ri n c l u d e s 、m r e l e s sd a t a g r a mp r o t o c o l ( w d p ) ，w i r e l e s s 1 r a n s p o r tl a y e r s e c 谢t y ( w t l s ) ，w r e l e s s 1 r a n 鞠c t i o np r o t o c o l ( w t p ) ，w i r e l e s ss e s s i o np r o t o c o l ( w s p ) a n d w r e l e s sa p p l i c a t i o ne n v i r 0 啪e n t ( w a e ) m a i n c t i o n s ，c h a r a c t e r i s t i c sa n dd a t af o r n l a t sa r e r e s p e c t i v e l ya 1 1 a l y z e da n ds 啪m a r i z e d b 舔i n go nt h em op r o t ( ) c 0 1s y s t e m s 1 1 1 i r d l y ，w es t u d yt l l ed e s i 印a 1 1 di l l l p l e m e n t a t i o no fh a r d w a r ec i r c u i t so f0 u rm o n i t o r i n g s y s t e m ，i n c l u d i n gm em o n i t o r i n gn o d em a d eu po ft h em i c r o c o n t r o l l e rm o d u l e ，m e m o 呵m o d u l e ， i m a g ea c q u i s i t i o nm o d u l e ，r a d i of k q u e n c yt r 锄s m i s s i o nm o d u l e ，i n f r a r e dd e t e c t i o nm o d u l ea n d t h ej t a gd e b u gm o d u l e ，a i l dt 1 1 eg a t e w a yn o d ec o m p o s e do fm i c r 0 - c o n n o l l e rm o d u l e ，m e m o 叮 m o d u l e s ，r a d i of b q u e n c yt 眦s m i s s i o nm o d u l e ，g p r sm o d u l ea n dt h ej 1 a gd e b u gm o d u l e m a i n 如n c t i o n s ，c h i p ss e l e c t i o n 锄ds c h e m a t i cd e s i g no fe a c hm o d u l eo fm e 铆0n o d e sa r er e s p e c t i v e l y d i s c u s s e di nd e t a i l f i n a l l y ，廿l ed e s i 印勰di m p l e m e mo fs y s t e ms o f h v a r ei ss t u d i e d t h i sw o r ki n v o l v e si nt 、v o p a n sn a t u r a l l y ：m o n i t o r i n gn o d ea 1 1 dg a t e w a yn o d e ni sp l a c e da ne m p h a l s i so nm er e a l i z a t i o no f i m a g e q u i s i t i o na n dw i r e l e s s 纰t m s m i s s i o nw i t l lr e g a r dt om em o n i t o r i n gn o d e t l l i d u 曲 a n a l y s i s 锄dm o d 确c a t i o n0 v e rw em m s a r es e m s u c c e s s f i l l l yt ot i l ew a ps e e r b yt h eg a t e w a y n o d e ，w h i c hi sf h l f i l l e db y 觚os t e p s ：o n ei st 0e s t a b l i s hu d pc o 彻e c t i o nb ys e n t i n ga tc o m m a i l d s a i l d t i l e o m e r i s t o p a c k a g e 锄ds e n d d 螂s t 0 w a ps e e r i n w t p d a t a f o m l a t k e y w o r d s ：i m a g em o n i t o r i n g ，i e e e8 0 2 15 4 ，m m s e 只w a 只g p r s 目录 摘要i a b s t r c t i i 目录i i i 第一章绪论1 1 1 研究背景及意义l 1 2 国内外研究和应用现状2 1 3 本文开展的工作7 1 4 论文的组织结构8 第二章i e e e8 0 2 1 5 4 标准协议和w a p 标准协议研究9 2 1 i e e e8 0 2 15 4 标准协议研究9 2 1 1 物理层( p h y ) 。l l 2 ：1 2 数据链路层( d l l ) 1 2 2 2w a p 标准协议研究一13 2 2 1 无线事务协议w t p 。1 6 2 2 2 无线会话协议w s p 18 2 2 3 多媒体信息封装协议m m s e p 2 1 2 3 本章小结2 4 第三章监控系统硬件部分的研究与设计2 5 3 1 监控节点的硬件设计。2 5 3 1 1 微控制器模块。2 6 3 1 2 存储器模块2 7 3 1 3 图像采集模块一2 8 3 1 4 射频传输模块3 1 3 1 5 红外检测模块一3 2 3 1 6 时钟、复位及j 1 a g 调试模块3 4 3 1 7 电源管理模块。3 5 3 1 8 总电路原理图和实物图3 6 3 2 网关节点的硬件设计一3 7 3 2 1 微控制器模块3 7 3 2 2 存储器模块。3 8 3 2 3g p r s 通信模块3 9 3 2 4 射频传输模块4l 3 2 5 时钟、复位与j 1 a g 调试模块4l 3 2 6 电源管理模块4 2 3 2 7 总电路原理图和实物图4 2 东南大学硕士学位论文 本章小结4 3 第四章监控系统软件部分的研究与设计4 4 4 1 监控节点的软件设计4 4 4 1 1 监控节点的工作流程设计4 4 4 1 2 图像数据采集的软件设计4 5 4 1 3 无线通信协议设计4 9 4 2 网关节点的软件设计5 2 4 2 1 网关节点的工作架构设计。5 3 4 2 2g p r s 模块操作命令实现5 5 4 2 3 多媒体信息m m s 组包与发包实现6 0 4 3 本章小结。6 5 第五章系统功能测试6 6 5 1 测试平台搭建。6 6 5 2g p r s 模块工作状态测试6 6 5 3g p r s 网络连接测试6 9 5 4 数据发送测试。7 0 5 5 本章小结7 1 第六章总结与展望7 2 致谢7 3 参考文献7 4 攻读硕士期间发表的论文与其他科研成果7 8 第一章绪论 1 1 研究背景及意义 第一章绪论 随着人们生活水平的不断提高和安全防范意识的日益增强，对某些重要的区域、场所或 对象进行实时、可靠的监控变得越来越有必要【1 1 。由于传统的声控报警、红外感应报警、 对讲机报警等安防形式已经远远不能满足人们的需要【2 】，而信息量更加丰富、表达更为确 切和直观的图像监控方式则受到人们越来越多的关注和重视，并已广泛应用于银行、交通、 码头、商业大厦、机要部门、工业自动化、智能家居等诸多领域和场所。 远程图像监控技术的出现，是计算机网络技术、通信技术、图像信号处理技术与监控技 术相结合的必然结果【3 】。实现远程图像监控的一般思想 4 】，是依靠安装在远端布防现场的 图像传感器或视频设备，由监控终端设备( 如本地计算机，可携带智能终端等) 通过网络传 输系统( 如i n t e m e t i n n 锄e t ，g p r s ，晰f i 等) ，来完成对分散式分布的远程现场的监视和控制。 通常，我们把实现远程监控功能的通信媒体、硬件系统和软件系统等组成称为远程监控 系统【5 】。远程图像监控系统具体则是由图像采集、图像处理、图像传输、图像管理和系统 控制等各个单元构成的一个有机整体，它是一个集通信技术、计算机技术、网络技术和图像 处理技术于一体的综合性系统。 早期的远程图像监控系统基本上都是采取非实时非在线的监控方式，而现代远程图像监 控系统采取的则是实时在线的监控方式 6 】。由于远程监控技术的发展是与通信技术和网络 技术的发展息息相关、密不可分的，随着通信技术和网络技术的发展和演变，共出现了三种 远程监控模式【7 8 】： 人工远程图像监控：这种模式是通过人工对现场的信息参数以及现场运行情况进行记 录，然后带回总控室由工程师进行分析和推理。其主要弊端，是整个过程夹杂了太多的人为 因素和主观因素，且无法实现实时在线监控，是一种较为原始的监控方式。 有线网络远程图像监控：该模式是现代远程监控模式，也是现在广为使用的一种方式。 它将现场的各个采样点通过通信线缆将其组成一张网。根据通信方式的不同，可以是以太网、 光纤网等等。其最显著的特点是现场的采样设备将各种传感器或视频设备所获取的状态信息 转变为数字信号后，通过有线网络传送给远程的监控终端处理系统。然后监控终端处理系统 再利用计算机和现代数字信号处理技术对收到的数字信号进行分析、处理、评估和反馈。由 于数字信号远程传输的保真度高，不受时间和空间影响，因此可靠性高，可以实现真正意义 上的实时在线远程监控。但是这种方式体积大，功耗大，在网络铺设上的成本也很高，而且 l 东南大学硕士学位论文 距离越远，由于需要增设更多的路由器，成本便越高。同时由于物理线缆的存在，采样监控 点的布置受到一定限制，庞杂的网络布线也显得较为冗余和繁琐。 无线网络远程图像监控【9 - 1 0 】：该模式又可分为两种，一种是单独构建无线网，另一种 是利用公共无线网( 比如g s m ，c d m a ，3 g 等) 。第一种方式由于要自行搭建网络和制定传输 协议，工作量比较大。第二种方式是依托遍布全球的公共无线网络，比如应用较普遍的g p r s 网络，其传输速率最高可达1 7 1 2k b s ：支持t c p i p 协议，可以直接访问i n t e m e t ；用户永 远在线；按流量收费，使用价格低廉。利用公共无线网进行远程监控的好处在于：首先免除 了铺设线缆的繁琐，使系统构建更为方便：其次，打破了距离和空间上的限制，使信息传输 更为自由；同时，降低了建设和运行的成本。可见，这种方式可以从根本上解决有线网络远 程监控模式存在的弊端。 近些年来，凭借体积小、功耗低、成本低、灵活性强和便于定制等突出优势，嵌入式技 术取得了突飞猛进的发展，在工业控制、交通管理、环境工程、信息家电、汽车应用、航空 航天和电子娱乐产品等众多领域内均获得极为成功的应用【1 1 - 1 2 】。同时，短距离无线通信技 术( 如z i g b e e 、w i f i 、b l u e t o o t l l 、u w b 等) 的研究和应用也都步入了快速发展期。 因此，在上述第三种远程监控模式的基础上，如果能够把嵌入式技术、短距离无线通信 技术与无线网络 1 3 - 1 6 】结合起来应用，构建出满足实际应用需求的嵌入式无线远程图像监控 系统，无疑将会进一步降低系统的功耗，缩减系统的成本，缩小系统的体积，而且能够有效 提升系统的可靠性、灵活性和适应能力，尤其适用于监控对象分布广泛、数据不易采集( 如 果园、地下矿井、大型水库等) 等某些特定的应用场景。 1 2 国内外研究和应用现状 远程监控是国内外研究的前沿课题，国内外都展开了积极的研究。1 9 9 7 年1 月，首届 基于i n t e m e t 的远程监控诊断工作会议由斯坦福大学和麻省理工学院联合主办，有来自3 0 个公司和研究机构的5 0 多位代表到会。会议主要讨论了有关远程监控系统开放式体系、诊 断信息规程、传输协议及对用户的合法限制等，并对未来技术发展作了展望由斯坦福大学和 麻省理工学院合作开发基于i n t e m e t 的下一代远程监控诊断示范系统，这项工作同时也得到 了制造业、计算机业和仪器仪表业等各个行业的s 吼、h p 、b o e i n g 、i n t e l 、f o r d 等1 2 家大 公司的热情支持和通力配合【1 7 】。之后，由这些公司共同推出了一个实验性的系统t e s t b e d 。 t e s t b e d 用嵌入式w e b 组网、用实时j a v a 和b a y e s i a l l n e t 初步形成在i n t e m e t 范围内的信息监 控和诊断推理。另外，许多国际组织，如m i m o s a ( m a c h i n ei n f 0 咖a t i o nm a n a g e m e n to p e ns y s t e m a l l i 锄c e ) 、s m 邱t ( s o c i e t ) ，f o rm a c h i n e d rf - a i l u r ep r e v e m i o nt e c h n o l o g y ) 、c o m a d e m ( c o n d i t i o n m o i l i t i o n 锄e n 萄n e e r i n gm a j l a g e m e n t ) 等，也纷纷通过网络进行设备监控与故障诊断咨询和技 2 第一章绪论 术推广工作，并制定了一些信息交换格式和标准【1 8 】。许多大公司也在他们的产品中加入了 i m e m e t 的功能，如b e n t l e y 公司的计算机在线设备运行监测系统d 眈吼a n a g e r 2 0 0 可以通过 网络动态数据交换( n e t d d e ) 的方式向远程终端发送设备运行状态信息；著名的n a t i o n a l i n s t r u m e n t s 公司也在它的产品l a b w i n d o w 咖v i 以及l a b v i e w 中加入了网络通讯处理模块 1 9 】，因而可以通过w w w 、f t p 、e m a i l 方式在网络范围内进行监控数据的传送。法国 “a l a n i l 研究组”对生产过程的智能报警和监控系统进行了长期研究，并在多个项目中进行 了应用。 国内对于远程监控技术也开展了积极的研究。目前，西安交大、华中科技大学、哈尔滨 工业大学、南京理工大学等高校已取得了较为先进的研究成果，如西安交通大学研制的“大 型旋转机械计算机状态监测系统及故障诊断系统r m m d ”、华中科技大学开发的“汽轮机工 况监测和诊断系统k b g m d ”、哈尔滨工业大学开发的“微计算机化机组状态监视与故障诊断 专家系统m m m d e s ”等。 目前远程监控技术的主流是应用i n t e m e t 技术，在t c m p 协议和w w w 规范的支持下， 合理组织软件结构，使工作人员通过访问网络服务器来迅速获取自己权限下的所有信息并及 时做出响应。随着嵌入式技术的发展变得越来越迅速和成熟，这项新技术会越来越广泛地应 用于远程监控系统上，是监控系统未来发展方向之一。嵌入式监控系统除了降低系统成本， 缩小系统体积之外，还可以使信息实现本地化处理，改善处理效率和性能，使每一个设备都 可以独立进行服务，从而大大提高监控的质量和范围。 网络通信技术在监控系统中的应用还渗透到了传感器领域【2 0 一2 2 】，将网络接口芯片与智 能传感器集成起来，并把通信协议固化到智能传感器的r o m 中，导致了网络传感器的产生。 网络传感器继承了智能传感器的全部功能，并且能够和计算机网络进行通信。国外有不少仪 器公司己研制出了各种各样的网络化传感器【2 3 】。国内在网络传感器方面的研究尚处于原理 研究阶段，还没有成型的网络化传感器出现。 监控技术的发展始终与最新技术的发展息息相关，用户不断地对远程监控的简便性、成 本及实时性提出了更高的要求。因此必须要及时地应用最新技术，这样才能使得远程监控不 断地发展，不断地满足人们的需求。 近年来，短距离无线通信技术成为无线通讯领域内研究和应用的热点。一般意义上，只 要通信收发双方通过无线电波传输信息，并且传输距离限制在较短的范围内，通常为数十米 至百米之间，就可称为短距离无线通信。它的技术特点在于：首先是低成本，这是短距离无 线通信的客观要求；其次是低功耗，相对其它无线通信技术而言，由于其为近距离传输，遇 到障碍物的概率也小，发射功率普遍都很低。 3 可靠：采取了碰撞避免策略，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙，避开了 发送数据的竞争和冲突。m a c 层采用了完全确认的数据传输模式，每个发送的数据包都必 须等待接收方的确认信息。如果传输过程中出现问题可以进行重发。 2 w i f 饥e e e8 0 2 1l b w i f i 即无线局域网，工作在2 4 g h z 频段，用于学校、商业等办公区域的无线连接技 术，传输速率可达l l m b ，工作距离1 0 0 m ，采用直接序列扩频( d s s s ) 的方式。采用晰f i 的 主要推动因素是数据吞吐量，晰f i 一般用来将计算机与本地局域网相连或直接与互联网相 连，其最大优点是传输速度较快，可以达到l1 m b p s 。另外其有效距离也很长，同时能兼容 4 第一章绪论 现有的各种8 0 2 1 1d s s s 设备。、矾f i 技术突出的优势在于【2 8 】：无线电波的覆盖范围广，基 于蓝牙技术的电波覆盖范围非常小，半径大约只有1 5 米，而晰f i 的半径则可达1 0 0 米，办公 室自不用说，就是在整栋大楼中也可使用。虽然由晰f i 技术传输的无线通信质量不是很好， 数据安全性能比蓝牙差一些，传输质量也有待改进，但传输速度非常快，可以达到ll m b p s ， 符合个人和社会信息化的需求。 厂商只要在机场、车站、咖啡店、图书馆等人员较密集的地方设置节点，并通过高速线 路将因特网接入上述场所。这样，由于节点所发射出的电波可以达到距接入点半径数十米至 1 0 0 米的地方，用户只要将支持无线l a n 的笔记本电脑或p d a 拿到该区域内，即可高速接入 因特网。也就是说，厂商不用耗费资金来进行网络布线接入，从而节省了大量的成本。 3 蓝牙( b l u e t o o t h e e e 8 0 2 1 5 1 1 9 9 8 年5 月，瑞典爱立信、芬兰诺基亚、日本东芝、美国i b m 和i n t e l 等五家著名厂商， 在联合拓展短程无线通信技术的标准化活动时，提出了蓝牙技术【2 9 】。1 9 9 9 年下半年，著名 的业界巨头微软、摩托罗拉、3 c o m 、朗讯与蓝牙特别兴趣小组五家公司共同发起成立了蓝 牙技术推广组织，从而在全球范围内掀起了一股蓝牙潮。 该技术是一种用于替代便携或固定电子设备上所使用的电缆或连线的短距离无线连接 技术，工作在2 4 g h z 的i s m 频段上，其技术采用以每秒钟1 6 0 0 次的扩频调频技术，发射功率 为3 类，即1 m w 、l o m w 和1 0 0 m w ，通信距离为1 0 1 0 0 米，传输速率已从7 2 0 k b p s 发展到3 m b p s ； 在传输数据信息的同时，还可传输一路语音信息，这是蓝牙技术的重要特点之一。 在经历了前几年的低潮期后，蓝牙技术已在手机的无线耳机上找到了应用市场，推动了 它的迅速发展，特别是在蓝牙v 1 2 协议推出以后，一股新的蓝牙技术热潮又将掀起。目前， 蓝牙技术己在许多新的领域找到了应用点，如交互式游戏机、汽车电子的无线接入控制等。 4 超宽带无线通信技术 超宽带( i 肭旧，u l t r a w a v eb a n d ) 无线通信技术是一种新型的无线通信技术，根据2 0 0 2 年 2 月1 4 日美国f c c ( f e d e r a lc o m m u l l i c a t i o n sc o m m i s s i o n ，联邦通信委员会) 从信号带宽的 角度给出了u 、b 信号的确切定义【3 0 】：u w b 信号指1 0 d b 功率点处的相对带宽大于2 5 或射频的绝对带宽大于1 5 g h z 的信号。该技术的工作频段范围为3 1 一l o 6 g h z ，工作带宽 为7 5 g h z ，数据传输速率可达l g b p s ，传输距离为l o m ，在工作带宽内，发射功率的频谱 密度低于- 4 l d b m 。由于该技术存在宽的信号带宽，传输信息的速率高，而且，功耗低、隐 蔽性好、抗信号多径效果好等优点。因此，这项技术受到了广泛关注。 目前，在超宽带无线通信技术标准方面还存在一些争议，主要原因是存在两个不同的调 制发射方式，一个是由f r e e s c a l e 等公司提出的单脉冲直接序列调制发射方式，另一个是以 5 i e e e8 0 2 1 l g ，工作在2 4 g h z 频段，该技术提出了两种调制方式，一种方式为 c c k o f d m 调制方式，另一种为p b c c 2 2 ( 也称c c k p b c c ) 调制方式，其中p b c c 2 2 方式保持了对i e e e8 0 2 1 1 b 的完全兼容，并使最高传输速率达到了2 2 m b p s ，又被称为 8 0 2 1 l b + 标准 3 3 】。而c c k o f d m 则作为8 0 2 1 1 9 的强制5 4 m b p s 模式，同时支持两种模式 的8 0 2 1 l g 产品，在与8 0 2 1 l b 网络兼容的情况下，最高提供与8 0 2 1 1 a 标准相同的5 4 m b p s 的传输速率。 i e e e8 0 2 1 l h 是欧洲制订的、工作在5 g h z 频段的无线标准，目的是减少对同处于5 g h z 频段的雷达的干扰【3 4 】。8 0 2 1 1 h 涉及两种技术【3 5 - 3 6 】，一种是动态频率选择( d f s ) ，即接入 点不停地扫描信道上地雷达信号，接入点和相关地基站随时改变频率，最大限度地减少干扰， 均匀分配w l a n 流量；另一种技术是传输功率控制( t p c ) ，总的传输功率或干扰将减少3 d b 。 此外，为改善i e e e8 0 2 1 1 技术标准地服务质量、增强其网络安全保密性、网络的接入 性能，还提出了i e e e8 0 2 1 l e 、i e e e8 0 2 1 l i 、i e e e8 0 2 1 l f 等协议标准，以完善其技术性能。 6 第一章绪论 1 3 本文开展的工作 本文在目前图像监控系统的基础上，围绕嵌入式技术、无线通信技术和网络技术开展研 究工作。在监控节点一自组织网络一网关节点g p r s 网络一用户监控终端的框架结构下， 设计并实现了低成本、低功耗、体积轻巧的嵌入式无线远程图像监控系统。本文开展的工作 具体内容如下： 研究了目前国内外图像监控技术的背景，分析和对比了几种应用较为广泛的远程图像监 控系统的优缺点：阐述了嵌入式技术、短距离无线通信技术等前沿技术的研究和应用现状； 提出在现有的无线网络远程监控技术的基础上，将嵌入式应用技术、2 4 g 短距离无线通信 技术和g p r s 网络技术相结合，构建低成本、低功耗、体积小、适用范围更广的嵌入式无线 远程图像监控系统，在监控对象分布广泛、数据不易采集( 如果园、地下矿井、大型水库等) 等某些特定的应用场景尤其适用。 研究了i e e e8 0 2 1 5 4 标准协议和w a p 协议。首先研究了i e e e8 0 2 1 5 4 协议的物理层 的工作频段、调制方式、通信速率、数据包格式以及数据链路层的参考模型、数据包格式和 接入机制等内容；其次研究了w a p 协议体系的无线数据报协议、d p 、无线传输安全层协 议w r l s 、无线事务协议w t p 、无线会话协议w s p 和无线应用环境w a e 等五个层次的相 关内容，重点研究了无线事务协议w r p 、无线会话协议w s p 和多媒体信息封装标准协议 m m s e p 的工作原理、功能特性、服务机制和数据格式等内容。 研究了监控系统硬件部分的设计和实现。首先给出了监控节点的组成结构，包括微控制 器模块、存储器模块、图像采集模块、射频传输模块、红外检测模块和j t a g 调试模块等功 能单元，并分别叙述了每个模块的主要功能和作用、芯片选型和原理图设计。然后给出了网 关节点的组成结构，包括微控制器模块、存储器模块、射频收发模块、g p r s 通信模块和 j t a g 调试模块等功能单元，并分别叙述了各模块的功能特点、芯片选型和设计过程。 设计并实现了监控系统的软件部分。监控系统的软件分为监控节点和网关节点两部分。 首先研究了监控节点的软件工作流程，设计并实现了图像数据采集部分的软件，完成了无线 通信协议的设计和编写，详细研究了摄像头的工作模式、图像数据采集部分的软件架构、微 控制器a t m e g a l 6 2 与图像采集处理模块v c 0 5 6 8 的通信过程以及摄像头与微控制器之间的 通信协议制定等内容。其次研究了网关节点的工作架构，在此基础上实现了g p r s 模块的操 作命令和多媒体信息( m m s ) 的组包与发包。网关节点最重要的功能是把从监控节点接收到的 图像数据发送到监控终端，该功能分两个阶段来实现：1 ) 操作a t 指令控制g p r s 模块建 立u d p 连接。该过程通过设计网关节点与g p r s 模块的u a r t 收发程序，操作a t 指令字 符来实现；2 ) 图像数据的组包和发包阶段。该过程通过把作为m m sp d u ( 协议处理单元) 7 8 第二章i e e e8 0 2 15 4 标准协议和w a p 标准协议研究 第二章ie e e8 0 2 15 4 标准协议和w a p 标准协议研究 本章主要研究和讨论了i e e e8 0 2 1 5 4 协议和w a p 协议的相关内容。首先研究了i e e e 8 0 2 1 5 4 协议的物理层( p h e p h y s i c a ll a y e r ) 的工作频段、调制方式、通信速率、数据包格式 和数据链路层( d l l ，d a t al i n kl a y e r ) 的参考模型、数据包格式和接入机制等内容；其次研究 了w a p 协议层次中无线事务协议( w t p ) 、无线会话协议( w s p ) 和多媒体信息封装标准协议 ( m m s e p ) 的工作原理、功能特性、服务机制和数据格式等内容。 2 1i e e e8 0 2 1 5 4 标准协议研究 i e e e8 0 2 1 5 4 协议是国际电气电子工程师协会( 1 e e e ) 针对低速率无线个人局域网 ( l r w p a n ，l o w r a t e 晰r e l e s sp e r s o n a la r e an e t 、) l ，o r l ( s ) 制定的8 0 2 1 5 4 无线通信标准，主要适 用于自动控制、远程控制等领域，旨在满足小型廉价设备的无线联网和控制。此标准定义了 物理层和数据链路层两层协议，以低能量消耗、低速率传输、低成本为主要目标，将多个短 距离节点设备通过无线方式连接在一起，比较符合本文的应用要求。它采用的分层参考模型 如图2 1 所示。 m a c 层公共部分子层服 务接入点( m c p s - s a p ) m a c 公共部分子层 ( m c p s ) 物理层数据服务接入点 ( p d s a p ) p h y 层 m a c 层管理实体服务接 入点( m l m e s a p ) m a c 层管理实体( m l m e ) 物理层管理实体一服务 接入点( p l m 巳s a p ) p h y 层管理实体( p l m e ) 射频服务接入点( r f s a p ) 图2 1 i e e e8 0 2 15 4 标准协议分层参考模型 i e e e8 0 2 1 5 4 标准支持在个人活动空间( 直径小于等于l o m ) 工作的简单器件，它支持两 种网络拓扑，即单跳星状或当通信线路超过1 0 m 时的多跳对等拓扑。而对等拓扑的逻辑结 构由网络层定义。i e e e8 0 2 1 5 4 标准的主要特点如下： 工作频段和数据速率：在i e e e8 0 2 1 5 4 中，总共分配了2 7 个具有三种速率的信道：在 9 东南大学硕士学位论文 2 4 g h z 频段有1 6 个速率为2 5 0 kb i t s 的信道，9 1 5 频段有1 0 个4 0 kb i t s 的信道，8 6 8 m h z 频段有1 个2 0 k b i t s 的信道。 支持简单器件：低速率、低功耗和短距离传输的特点使它非常适宜支持简单器件。在 i e e e8 0 2 1 5 4 中定义了1