专利名称：模拟/数字混合式无线传感器网络的制作方法
技术领域：
本发明为一种具有实时无线视频传输能力的模拟/数字混合式无线传感器网 络，属于光电技术领域。
背景技术：
在军事及民用领域，存在以下典型的技术需求(1)为了获得局部区域的 全面信息，需通过图像传感器实时获取监测区域的视频信号。例如当监测区 域出现可疑目标或发生了突发事件，通过视频图像可在第一时间内确定目标的 类型及状态；(2)需将其它传感器(声音、振动、化学传感器等)的所输出的 探测信息通过无线方式传输至中心控制单元。例如通过获取目标的声音信息， 以确定目标的运行状态；(3)中心控制单元需通过无线方式对包括图像传感器
在内的各个传感器的控制参数进行实时的配置，以便依据环境的变化，获得理
想的探测信息。例如通过实时配置图像传感器的积分时间、增益、背光补偿 等参数，获得最佳的图像质量等；(4)为了降低成本及易于配置，系统中的各
模块应实现微小型化。
满足以上技术需求所需解决的主要问题是在保证短距离无线数字通信的
前提下，实现图像传感器输出视频信号的低成本、微小型化、实时无线传输。
目前，实现视频信号的无线传输的方式主要有两种，即数字方式和模拟方式。
其中，数字方式是通过A/D转换器将视频信号转换为数字视频，而后进行调制、
无线发射。由于数字视频信号自身具有较高的数据率，因此，基于数字方式实
现视频信号的实时传输对于无线数字模块的数据率具有较高的要求。以10bit数 字视频为例，VGA (640x480)信号的数据率为3.1 Mbps， SVGA (800x600) 信号的数据率为4.8Mbps， XGA (1024x768)信号的数据率为7.9 Mbps。因此，
如果要实现数字视频的无线传输，无线数字通信模块的数据率一般应大于5 Mbps。另一方面，虽然通过图像数据压縮技术可在一定程度上降低数据率，但 图像压縮电路将增大系统的体积和成本，且部分压縮算法将使图像质量下降； 相对而言，模拟方式则直接对模拟视频信号进行高频调制，因而无需考虑数据 率问题，可实现视频信号的实时无线传输。
短距离无线数字通信技术是局域范围内无线数字通信的主要技术手段。目
前主要的短距离无线数字通信技术包括蓝牙(bluetooth)， Wi-Fi， IrDA， UWB, ZigBee等。
蓝牙技术由爱立信、诺基亚、IBM等公司于1998年共同推出，主要用于通 信和信息设备之间的无线连接。蓝牙模块的工作频率为2.4GHz，有效范围约 10m，其实现成本相对较低。作为一种电缆替代技术，应用蓝牙技术可把计算机、 手机和多种便携通信终端互联起来，以提供语音和数字接入服务，实现信息的 自动交换和处理。由于数据率较低(1Mbps)，蓝牙技术难以满足高速视频传输 的要求。同时，其通信距离仅有10m，也在一定程度上限制了其应用领域。
Wi-Fi (Wireless Fidelity)是一种无线通信协议，其正式名称为IEEE802.11b。 Wi-Fi的工作频率为2.4GHz，有效范围为100m左右，其速率最高可达11Mb/s。 Wi-Fi是以太网的一种无线扩展，理论上只要用户位于一个接入点四周的一定区 域内，就能以最高11Mb/s的速率接入网络。Wi-Fi模块主要问题是其价格相对 昂贵，难以满足低成本的系统设计要求。同时，其在通信距离、兼容性方面尚 有待于进一步提高。
IrDA (Infrared Data Association)是一种利用红外线进行点对点通信的技术。 IrDA的主要优点是无需申请频率的使用权，且通信成本相对低廉。此外，IrDA 还具有移动通信所需的体积小、功耗低、连接方便、简单易用的特点。由于数 据传输率较高(16Mb/s)，适于传输大容量的文件和多媒体数据。IrDA的主要不 足在于它是一种视距传输，即两个相互通信的设备之间必须对准，中间不能被 其它物体阻隔，因而该技术只能用于两台设备之间的连接。因此，虽然IrDA可 在一定范围内满足数字视频传输的数据率的要求，但其应用领域受到了限制。
超宽带技术(UWB， Ultra Wideband)主要通过基带脉冲作用于天线的方式 发送数据。UWB工作于3.1-10.6GHz频段，主要应用于小范围、高分辨率的雷 达和图像系统中。UWB可支持高达110Mb/s的数据传输率，可实现数字视频信 号的高速无线传输。UWB技术的主要问题是其工作范围有限(小于10m),难 以满足大部分领域的应用需求。目前该技术主要应用于视频娱乐领域。
Zigbee是一种低功耗、低成本、低速率的短距离无线数字通信技术。Zigbee 的物理层、MAC层和链路层采用了IEEE802.15.4协议标准，其网络层、应用会 聚层和高层应用规范由Zigbee联盟制定。Zigbee以独立的工作节点为依托，通
过无线数字通信组成星状、片状或网状网络。Zigbee系统由子节点(称为"精 简功能设备")和汇聚节点(称为"全功能设备"、"协调器")构成。其中，汇 聚节点主要负责与所控制的子节点通信、汇集数据和发布控制及通信路由等。 Zigbee具有低功耗、低成本、低速率(20-250kbps)、近距离(10-100m)、短时 延(<30ms)、高容量(最多65000个节点)、高安全性等优势。目前，Zigbee主 要应用在距离短、功耗低且传输速率不高的各种电子设备构成的无线网络中。 由于其最高数据率仅有250kbps，因此难以满足高速视频传输的要求。
综上所述，目前已有的短距离无线数字通信技术难以满足低成本、高速率、 局域范围内的无线视频信号传输要求。
发明内容
本发明所解决的技术问题是提出一种模拟/数字混合式无线传感器网络，能 够在相关协议的控制下，将图像传感器所采集的模拟视频信号实时传输至中央 控制接收器；具有短距离无线数字通信能力，且具备无线传感器网络所应有的 基本功能；系统中的各节点可实现微小型化，并且适用于不同环境下的视频图 像及其它信息的获取与传输，在区域监控、目标跟踪、环境监测等领域具有广 泛的应用前景。
该模拟/数字混合式无线传感器网络由普通节点、汇聚节点、中央接收/控制 器构成；其中，普通节点由图像传感器模块、处理器模块、无线模拟视频发射 模块、无线数字通信模块、能量供应模块构成；汇聚节点由无线模拟视频中继 模块、无线数字通信模块、处理器模块、能量供应模块构成；中央接收/控制器 由无线模拟视频接收模块、无线数字通信模块、微型计算机等构成。
在模拟式无线视频传输模式时，普通节点的处理器模块输出触发信号至图 像传感器模块，图像传感器模块启动并进行采集模拟视频信号，然后将采集到 的模拟视频信号输出至无线模拟视频发射模块；无线模拟视频发射模块对模拟 视频信号进行高频调制、放大，并向空中辐射，其间能量供应模块提供普通节 点工作所需的电源；汇聚节点内的处理器模块输出控制信号至无线模拟视频中 继模块，无线模拟视频中继模块启动，并接收模拟视频信号，对信号进行功率 放大后再次向空中辐射，期间能量供应模块提供汇聚节点工作所需的电源；中 央接收/控制器内的无线模拟视频接收模块接收到视频信号，经解调后恢复为原
始视频信号，并输入至微型计算机进行显示输出。
在数字式无线通信模式时，普通节点内的无线数据通信模块将其它传感器 (声音、振动、化学传感器等)输出的数字探测信号进行高频调制，并经功率 放大后向空中辐射，期间能量供应模块提供普通节点工作所需的电源；通过节 点、汇聚节点及中央控制/接收器各自的无线数字通信模块，形成源节点至中央 接收/控制器的传输路径，并使数字探测信号沿着传输路径转发至中央接收/控制 器。中央接收/控制器通过对传感器的控制参数进行配置，获得探测信息。
模拟/数字混合式无线传感器网络具有两种工作模式，即图像信号传输时 通过模拟式无线视频传输模式，声音、振动、化学信号传输时通过数字式无线 通信模式。
本发明的有益效果是
1、 实时无线视频传输能力。受短距离无线数字通信数据率的限制，目前已 有的无线传感器网络(WSN) —般不具备实时视频传输能力，从而降低了探测 信息的时效性。本发明通过在普通节点内集成模拟式无线发射模块等方法，在
具备WSN基本功能的前提下，实现了图像传感器输出视频信号的实时无线传 输；
2、 环境适应能力。在路由协议的控制下，通过数字式无线通信模块建立起
中央接收/控制器至每一节点的传输路径。依据环境的变化，可对包括图像传感
器在内的各个传感器的进行参数配置，以获得理想的探测信息，从而使无线传 感器网络具备了对不同环境的适应能力。
图1是本发明的系统框图。其中l-普通节点，2-汇聚节点，3-中央接收/
控制器。
图2为本发明的普通节点原理图，其中1-1-图像传感器模块，1-2-其它传
感器(声音、振动、化学传感器等)，1-3-处理器模块，1-4-无线视频发射模块， 1-5-无线数字通信模块，1-6-能量供应模块。
图3为本发明的汇聚节点原理图，其中2-1-无线视频中继模块，2-2-无线 数字通信模块，2-3-处理器模块，2-4-能量供应模块。
图4为本发明的中央接收/控制器原理图，其中3-1-无线模拟视频接收模
块，3-2-无线数字通信模块，3-3-微型计算机。
具体实施例方式
模拟/数字混合式无线传感器网络存在模拟式无线视频传输模式、数字式无 线通信模式两种工作模式，两种模式可单独或同时工作。
模拟式无线视频传输模式的具体实施方式
如下
第一步在普通节点1中，图像传感器模块1-1采集模拟视频信号，在处理 器模块1-3的控制下，经无线视频发射模块l-4进行高频调制后向空中辐射。
第二步在汇聚节点2中，在处理器模块2-3的控制下，无线模拟视频中继 模块2-l接收到高频调制后的无线模拟视频，经功率放大后再次向空中辐射。
第三步在中央接收/控制器3中，无线模拟视频接收模块3-1接收到高频 调制的模拟视频信号，经解调后恢复为原始视频信号，而后输入至微型计算机
3-3显示输出。
数字式无线通信模式的具体实施方式
如下
第一步在普通节点1中，其它传感器(声音、振动、化学传感器等)1-2
输出的数字探测信号，在处理器模块l-3的控制下，经无线数字通信模块1-5进
行高频调制后向空中辐射。
第二步在路由协议的控制下，网络自动形成源节点至汇聚节点的传输路
径。高频调制后的数字探测信号经该路径传输，并由汇聚节点2中的无线数字 通信模块2-2接收。无线数字通信模块2-2对接收到的数字探测信号进行处理及 功率放大后再次向空中辐射。
第三步在中央接收/控制器3中，无线数字通信模块3-2接收到汇聚节点 发射的高频数字探测信号，经解调后恢复为原始数字信号，而后输入至微型计 算机3-3显示输出。
第四步依据环境及探测需求的变化，中央接收/控制器可通过以上方法的
逆过程，利用无线数字通信通道对图像传感器模块l-l、其它传感器(声音、振
动、化学传感器等)1-2的控制参数进行配置，以获得理想的探测信息。
权利要求
1、模拟/数字混合式无线图像传感器网络，由普通节点、汇聚节点、中央接收/控制器构成；其中，普通节点由图像传感器模块、处理器模块、无线模拟视频发射模块、无线数字通信模块、能量供应模块构成；汇聚节点由无线模拟视频中继模块、无线数字通信模块、处理器模块、能量供应模块构成；中央接收/控制器由无线模拟视频接收模块、无线数字通信模块、微型计算机等构成；其特征在于在模拟式无线视频传输模式时，普通节点的处理器模块输出触发信号至图像传感器模块，图像传感器模块启动并进行采集模拟视频信号，然后将采集到的模拟视频信号输出至无线模拟视频发射模块；无线模拟视频发射模块对模拟视频信号进行高频调制、放大，并向空中辐射，其间能量供应模块提供普通节点工作所需的电源；汇聚节点内的处理器模块输出控制信号至无线模拟视频中继模块，无线模拟视频中继模块启动，并接收模拟视频信号，对信号进行功率放大后再次向空中辐射，期间能量供应模块提供汇聚节点工作所需的电源；中央接收/控制器内的无线模拟视频接收模块接收到视频信号，经解调后恢复为原始视频信号，并输入至微型计算机进行显示输出；在数字式无线通信模式时，普通节点内的无线数据通信模块将声音、振动、化学传感器输出的数字探测信号进行高频调制，并经功率放大后向空中辐射，期间能量供应模块提供普通节点工作所需的电源；通过节点、汇聚节点及中央控制/接收器各自的无线数字通信模块，形成源节点至中央接收/控制器的传输路径，并使数字探测信号沿着传输路径转发至中央接收/控制器，中央接收/控制器通过对传感器的控制参数进行配置，获得探测信息。
全文摘要
本发明为一种模拟/数字混合式无线图像传感器网络，属于光电技术领域。该网络由普通节点、汇聚节点、中央接收/控制器构成；其中，普通节点由图像传感器模块、处理器模块、无线模拟视频发射模块、无线数字通信模块、能量供应模块构成；汇聚节点由无线模拟视频中继模块、无线数字通信模块、处理器模块、能量供应模块构成；中央接收/控制器由无线模拟视频接收模块、无线数字通信模块、微型计算机等构成。本发明通过在普通节点内集成模拟式无线发射模块等方法，在具备WSN基本功能的前提下，实现了图像传感器输出视频信号的实时无线传输。
文档编号H04L29/08GK101350750SQ200810119428
公开日2009年1月21日 申请日期2008年8月29日 优先权日2008年8月29日
发明者勇 宋, 群 郝 申请人:北京理工大学