基于无线Mesh网络的视频传感器节点研究与设计

庞伟栋

(淮北矿业有限责任公司杨庄煤矿，安徽 淮北 235000)

基于无线Mesh网络的视频传感器节点研究与设计

庞伟栋

(淮北矿业有限责任公司杨庄煤矿，安徽 淮北 235000)

视频信息传输对救灾、应急通信和特殊区域监控有着重要意义，网络的适应性和带宽问题是限制视频监控系统发展的重要因素。无线Mesh网络具有带宽高、易组网等优点，能够提供实时的视频传输服务。首先完成对基于Mesh网络的视频监控系统整体架构设计，通过实验仿真的方法对比几种常用的Mesh网络路由协议性能，根据仿真结果和应用需求，选择AODV作为路由协议方案。然后在DM365硬件平台和嵌入式Linux操作系统平台之上完成视频传感器节点设计。最后对无线Mesh网络多跳带宽性能进行测试，测试结果表明系统可以满足应用需求。

无线Mesh网络；视频传感器节点；AODV；嵌入式Linux

由于视频信号具有直观、丰富与时序性的信息内涵，在传达信息方面有着其他信号无法达到的效果，所以视频采集和传输技术对人们生产和生活有着重大意义。近些年，视频监控系统得到了广泛的应用，无线视频监控更是当前视频监控发展的重要方向，由于不需要架设相关线路，无线视频传输在应急救援或特殊地理环境如山地、湖泊、林区等应用场景中体现出更好的灵活性和适应性[1]。然而无线视频监控系统也面临很多的挑战，视频信号信息量大，带宽受限是无线视频监控发展的重要限制因素[2]，所以需要合理地设计无线网络来解决这些问题。

无线Mesh网络(Wireless Mesh Network，WMN)是一种与传统无线网络完全不同的新型无线网络技术，可以看成是多跳的移动Ad Hoc网络与单跳的传统无线局域网(Wireless LAN，WLAN)的融合，并且发挥了两者的优势[3]。WMN具有高速率、大容量、长距离传输、自组网等优势和特点，将无线视频监控系统和WMN相结合，可以在一定程度上解决视频传输的带宽受限问题。本文首先对WMN网络结构进行分析，完成基于WMN的视频监控系统整体架构设计，然后在DM365硬件平台和嵌入式Linux软件平台之上，完成视频传感器节点软、硬件设计，最后给出实验测试结果。

1 视频监控系统整体设计

1.1 系统网络架构

以WMN为基础传输网络设计视频监控系统，根据节点不同的功能及其组合方式，可以将WMN的结构分为3种类型：骨干的Mesh网络结构、客户机结构、混合式结构[4]。骨干Mesh网络结构中，具有网桥或者网关的路由器能够连接外部Internet网络，其他路由器也能够依靠这些路由器访问Internet网络，客户机则是以WLAN形式接入Mesh路由器。客户机结构Mesh网络主要由具有路由转发功能的Mesh客户机组成。客户机之间能够直接进行点对点通信，每个客户机都是对等的，构成对等网络，即Ad Hoc网络。混合式结构中，Mesh客户机能够通过骨干网链接到外部Internet，也可以为其他客户机提供路由服务，客户机的路由功能增强了WMN的覆盖范围和链接性。系统选择混合结构的WMN，视频传感器节点可以直接接入Mesh骨干网络，通过骨干网络将数据转发到服务器，同时也可以为其他传感器节点提供路由服务，为其他节点转发数据，系统整体架构如图1所示。

图1 系统网络整体架构

1.2 网络路由协议选择

无线Mesh网络路由协议可以分为3种类型：先应式路由协议、按需路由协议和混合式路由协议[5]。先应式路由协议(表驱动路由协议)中，所有的路由节点都需要维护网络的路由，一旦网络中有节点移动或者发生故障，导致拓扑结构发生变化，发现拓扑变化的路由节点，就会通知其他路由节点更新路由，网络中所有路由节点也就会更新路由，建立新的路由信息，如DSDV路由协议、WRP路由协议、GSR路由协议等。反应式路由协议(按需路由协议)中，只有节点需要发送数据时，才会寻找合适的路由进行数据传输，都是按需建立网络拓扑结构和生成路由表信息，网络拓扑和路由表可能只是网络的一部分，如AODV路由协议、DSR路由协议、TORA路由协议。混合式路由协议是对两种类型协议的综合，但在应用中仍然存在一定的难点需要解决。通过实验仿真分析，对比典型路由协议的特点，根据对仿真结果的分析来选择适合于系统的路由协议。

仿真软件采用Linux下的NS2 2.3.4 版本，MAC层基于IEEE 802.11协议，通过cbrgen工具产生数据流，设置节点个数、数据流类型(TCP流或CBR流)、最大联机数、每秒发送数据包个数。针对不同网络规模对DSR，AODV，DSDV，WRP四种路由协议性能进行分析，通过setdest工具分别设置节点的个数为10，20，30，40，50，进行仿真，得到不同路由协议和网络规模下的平均端到端延时、网络路由开销、分组成功投递率，结果如图2～4所示。

图2 节点数目对平均端到端时延的影响

图3 节点数目对路由开销的影响

图4 节点数目对分组成功投递率的影响

通过图2可以发现，几种路由协议的平均端到端时延对于网络规模的增加没有明显的规律，按需路由协议时延相对较大。由图4可知，4种路由协议的路由开销也都随网络规模增大而增大，网络规模变大，路由发现和维护所需要的网络资源越大，仍以先应式协议路由开销增幅最大。由图5可知，随着场景中的节点数目越大，4种路由协议的分组成功投递率都有所下降，以AODV协议变化相对缓和。

图5 无线视频传感器节点结构框图

因此，从上节的协议仿真中可以发现，在网络规模较大时，先应式路由协议的端到端时延虽小，但分组成功投递率和路由开销这两方面的性能都不如反应式AODV路由协议表现好。这是因为先应式路由协议需要周期性地更新路由表，随着网络规模的增大，节点更新路由表所占资源越大，影响网络的吞吐量。而AODV协议不需更新路由表，在需要发送数据时，才进行路由发现过程，节省了大量的带宽资源。救援、应急救援通信系统中，现场离调度中心距离较远，网络规模比较大，虽然对视频质量要求不是很高，但是视频本身信息量大，又需要多跳传输，对网络带宽也提出了较高要求，综合无线视频通信系统网络规模、吞吐量等方面的需求和对实验结果的分析，系统最终选择AODV协议作为Mesh网络的路由协议。

2 视频传感器节点硬件设计

视频传感器节点需要能够对图像数据进行采集，实时编码，并进行实时传输，这就对节点硬件的计算能力提出了较高的要求，同时，节点本身能量有限，有需要尽可能地降低节点的能耗，所以合适的硬件平台选择对节点在井下的应用有着重要影响。节点选用TI的DaVinci低功耗、高性能多媒体处理器TMS320DM365做主控芯片[6]，DM365集成了ARM926EJ-S内核和H.264高清编解码协处理器HDVICP[7]，能够完成视频采集和压缩编码工作。CMOS图像传感器模块具有低功耗、高集成度的优点，选择支持较低照度的MT9V136感光芯片的CMOS摄像头可以满足应用的需求。

节点硬件平台主要由以下几个部分构成：主处理器、CMOS摄像头模块、存储器、WiFi无线模块、供电部分等。硬件系统的整体架构如图5所示。节点由CMOS影像传感器将光学影像转换为电信号，再通过视频ADC芯片TVP5146处理为BT.601/BT.656数字YCbCr4∶2∶2(8/16 bit)标准信号的原始视频序列传送到DM365进行H.264视频压缩编码；编码过后的数据打包成统一IP以太网数据包通过USB转WiFi通信模块传输到Mesh网络[8]。

3 视频传感器节点软件设计

视频传感器节点软件在嵌入式Linux平台上开发，Linux具有高度的灵活性，内核小、效率高，可以进行裁剪以满足各种不同的应用需求[9]，这里需要移植内核与驱动程序，并编写视频采集、编码和传输应用程序。摄像头驱动程序和视频采集应用程序是基于V4L2(Video for Linux 2)架构的，V4L2是Linux操作系统为视频设备建立的统一的平台驱动[9]，只需要按照标准去定义驱动层接口函数，应用平台就可以不考虑具体摄像头型号，直接调用V4L2提供的标准操作函数来获取摄像头数据。摄像头驱动程序的主要工作是配置DM365的ISIF控制器并通过I2C总线驱动配置TVP1546内部寄存器使其工作在合适的状态，利用ISIF控制器按照设定的方式获取原始图像数据。利用Linux的V4L2层进行图像数据采集的应用程序流程如图6所示。视频编码模块利用TI提供的Linux下的Codec Engine开发包实现对原始视频数据的编码工作，Codec Engine是连接ARM和DSP或协处理器的桥梁，是介于应用层(ARM侧的应用程序)和信号处理层(协处理器层的算法)之间的软件模块[10]。应用程序调用Codec Engine 的API并传递视频原始数据就可以完成对原始视频数据的H.264编码工作，视频采集模块和视频编码模块之间采用共享内存的方式，以减少数据传递带来的系统开销。

图6 视频数据采集的流程

系统AODV路由协议的实现采用爱立信公司和Uppsala大学联合发布的AODV-UU协议栈，AODV-UU协议栈是基于Linux操作系统的NetFilter框架开发的[11]，可以被直接编译进入Linux内核，也可以作为模块的形式动态加载。AODV-UU利用NetFilter提供的接口来获取并处理通过相应网络接口发送和接收的报文，NetFilter在Linux内核协议栈中注册了相关钩子函数，通过这些钩子函数，NetFilter可以实现对进出Linux系统的网络数据包进行过滤、修改和转发等功能。AODV-UU启动后，会创建一个守护进程，负责完成同其他节点间控制信息的交互以及路由表的建立和维护。

4 系统测试

通过搭建实验平台，测试系统端到端传输带宽与跳数之间的关系，来分析无线Mesh网络提供视频传输服务的能力，在楼宇之间空旷区域布置视频传感器节点，相邻节点之间的距离为75 m，当节点不经过路由节点转发，直接与下一跳节点进行数据传输时，网络会保持8 Mbit/s的传输带宽，但随着数据流传输的跳数增加，网络带宽会急剧下降，在数据传输跳数到5跳后，网络吞吐量下降到1 Mbit/s左右，测试结果如图7所示。视频传感器节点采集480p、25 f/s(帧/秒)的视频，经过H.264编码后，输出码率在1 Mbit/s左右，根据吞吐量实验结果，480p、25 f/s质量级别的视频可以在5跳以内的无线Mesh网络中传输，在实际应用中，降低视频信号的分辨率或帧率还可以支持更多跳数的传输。

图7 无线Mesh网络吞吐量与节点跳数的关系

为提高视频流服务质量，视频传感器节点采用RTP/RTCP(Realtime Transport Protocol/Realtime Transport Control Protocol)协议完成视频流数据的转发，在节点嵌入式Linux环境中移植支持RTP/RTCP协议的LiveMedia开源流媒体服务器和Boa Web服务器，在PC客户端通过浏览器的VLC播放器插件直接访问传感器节点的视频流服务，H.264视频流经过5跳传输之后，在客户端访问到的视频流效果如图8所示。根据以上对实验仿真结果及测试结果的分析，基于AODV路由协议的无线Mesh网络视频传感器节点能够满足实际应用的需求。

5 总结和展望

首先提出无线视频监控系统在实际应用中面临的挑战，提出将无线视频监控系统和WMN相结合来解决无线视频传输系统中的带宽受限问题。分析多种不同的Mesh网络路由协议，通过实验仿真方法对比几种典型Mesh网络路由算法的性能。根据仿真结果，选择AODV路由协议作为系统的Mesh网络组网方案。结合对实际应用场景的分析，在对视频传感器节点对硬件平台的计算能力、传输带宽等方面的需求分析的基础上，完成基于Mesh网络的视频传感器节点软、硬件设计。最后进行系统测试，测试结果表明系统能够满足实际应用需求。课题下一步将对视频编码算法进行研究，研究如何提高视频数据编码效率，从而降低视频输出码率，进一步提高无线网络的带宽利用率。

图8 Web客户端显示效果(截屏)

[1]李勋.无线视频监控系统关键技术研究[D].吉林：吉林大学，2012.

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Research and Design of Video Sensor Node Based on Wireless Mesh Network

PANG Weidong

(HuaibeiMiningCo.,Ltd.YangzhuangCoalMine,AnhuiHuaibei235000,China)

Video information transmission plays an important role in disaster relief, emergency communications and special regional monitoring. However, adaptability and network bandwidth are important factors to restrict the development of video monitoring system. Wireless Mesh network with high bandwidth, easy networking and other advantages, can provide real-time video transmission services. In this article, the framework design of video monitoring system is completed based on WMN and the performance of several kinds of WMN routing methods are compared through simulation. It selects AODV as the routing protocol based on the simulation results and application requirements. Then, it realized the DVC theory-based encoding scheme on the video sensor node based on DM365 and embedded Linux operating system. At last, It test the bandwidth performance of multi-hop wireless Mesh network and testing results show that the system can complete the appropriate functionality to meet the application requirements.

wireless Mesh network; video sensor node; AODV; embedded Linux

TN919.8; TP391

A

10.16280/j.videoe.2015.05.022

2014-06-17

【本文献信息】庞伟栋.基于无线Mesh网络的视频传感器节点研究与设计[J].电视技术,2015，39(5).

庞伟栋(1972— )，副总工程师，从事信号处理、控制方面研究工作。

责任编辑：许 盈