基于TIcc2530无线图像传感器节点的设计.doc

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1、基于无线图像传感器节点的设计王瀚波（ 无锡城市职业技术学院 江苏 无锡 214063 ）TIcc2530【摘 要】： 本文设计了一种实用性较强的无线图像传感器节点， 节点采用高速低功耗的 TIcc2530 作为无线收发器，采用 STM32F103C8T6 作为微处理器。 文章从节点硬件结构设计和软件设计两方面进行了 阐述。【关键词】： 无线传感网；图像传感器节点；TIcc2530;0、引言无线传感器网络 WSN（Wireless Sensor Network）是 一种由传感器节点构成的网络，综合了传感器技术、嵌入式计算技术、现代网络及无线通信技术、分布式信息 处理技术等，能够实时地监测、感知和

2、采集节点部署区的观察者感兴趣的感知对象的各种信息 （如光强、温 度、湿度、噪音和有害气体浓度等物理现象），并对这些 信息进行处理后以无线的方式发送出去， 通过无线网 络最终发送给观察者。 1无线传感器网络有着广阔的应用前景，它在军事国防、灾害监测、智能楼宇等许多领域都有很大的实用价值， 已引起国内外学术界和工业 界的广泛关注与重视。 美国商业周刊和 MIT 技术评论图 1图像传感器节点结构图本方案设计的图像采集节点 ， 传 感 器 模 块 为OV7670 模组，处理器模块采用 STM32F103C8T6 作为 核心 CPU；无线通信模块使用 CC2530 2.4GHz 无线收 发芯片进行无线传

3、输； 能量供应使用 USB 接口 5V 供 电。 整个节点实现对图像数据的采集和压缩，并经无线 传输发送至汇聚节点，实现对环境数据的监测。1.1 图像传感器模块OV7670 CAMERACHIPTM 图像传感器， 体积小、 工作电压低，提供单片 VGA 摄像头和影像处理器的所 有功能。 通过 SCCB 总线控制，可以输出整帧、子采样、在预测未来技术发展的报告中，分别将无线传感网络列为 21 世纪最有影响的 21 项技术和改变世界的 10大技术之一。2在无线传感器网络中，传感器节点具有端节点和取窗口等方式的各种分辨率 8 位影响数据 。该产品路由的功能： 一方面实现数据的采集和处理 ； 另一方面

4、实现数据的融合和路由，对本身采集的数据和收到 的其他节点发送的数据进行综合，转发路由到网关节 点。 3网关节点往往个数有限，而且常常能量能够得到 补充；网关通常使用多种方式（如 Internet、卫星或移动 通信网络等）与外界通信。 具体应用不同，传感器网络 节点的设计也不尽相同，但是其基本结构是一样的。 无 线传感器网络节点的传统结构主要由处理器单元、无 线传输单元、传感器单元和电源模块单元 4 部分组成。1、无线图像传感器节点硬件设计无线图像传感器节点的设计和传统的单值传感器节点一样，要遵循微型化、低成本、扩展性和稳定性好 的基本设计原则。 本方案的节点由以下四个部分组成： 摄像头模块（传

5、感器模块）、无线通信模块、微处理器模VGA 图像最高达到 30 帧/秒。用户可以完全控制图像质量、数据格式和传输方式。 所有图像处理功能过程包括伽玛曲线、白平衡、饱和度、色度等都可以通过 SCCB 接口编程。 OmmiVision 图像传感器应用独有的传感器 技术， 通过减少或消除光学或电子缺陷如固定图案噪 声、托尾、浮散等，提高图像质量，得到清晰的稳定的彩 色图像。1.2 微处理器模块块以及电源模块（见图 1）。传感器模块负责监测区域内信息的采集和数据转换； 微处理器模块负责控制整个传感器节点的操作； 无线通信模块负责与其他传感 器节间的无线通信，交换控制信息和收发采集数据；电 源供给单元为

6、传感器节点提供运行所需的能量。传感器节点采用 STM32F103C8T6 作为微处理器，控制串口摄像头进行图像采集。 STM32 系列微控制器 采用了 ARM 公司为要求高性能（1.25DMIPS/MHz）、低 成本、 低功耗的嵌入式应用专门设计的 Cortex-M3 内核。 STM32 系列产品得益于 Cortex-M3 在架构上进行 的多项改进， 包括提升性能的同时又提高了代码密度的 Thumb-2 指令集和大幅度提高中断响应的紧耦合 嵌套向量中断控制器。 STM32F103C8T6 部分的电路设 计如图 2 所示。CPU 的 PA0PA1， 为 CPU 的 UART2 接口管脚，与无线传

7、输模块的控制信号 RTS、CTS 以及数据传输1.4 电源模块LP2980 是一款 50 mA 的固定输出稳压器，专为满 足电池供电应用的要求而设计。 它采用优化的 VIP（垂 直集成 PNP）工艺，在对电池供电的设计至关重要的各种规格方面，提供了无可比拟的性能，因此在电源模块设计上选用了 LP2980 完成设计。 节点模块由 USB 接 口供电，USB 的 VBUS 管脚提供 5V 电压给电压调整 芯片 LP2980IM5-3.3 的输入管脚， 由 LP2980IM5-3.3 的 OUT 管脚输出 3.3V 电压，为整个系统提供 3.3V 电 源。 节点电路如图 4 所示。RXD、TXD 管

8、脚相连，进行无线数据的传输与控制 ；PA8、PA11、PA12 连接 USB 插座的电源，为整个芯片供电；PA9、PA10 为芯片 UART1 的数据收、发线；PB6、PB7 为 I2C 总 线 的 接 口 管 脚 ；PB10、PB11 为 UART3的数据收、发管脚；PB12PB15 为 SPI2 总线接口。 2.76MHz 晶振与 C16、C17 构成晶振电路， 为 CPU 提供系统时钟。1.3 无线通信模块CC2530 是 用 于 IEEE 802.15.4、ZigBee 和 RF4CE应用的一个真正的片上系统（SoC）解决方案。 它能够以 非常低的总的材料成本建立强大的网络节点。 CC

9、2530图 4 电源模块电路2、无线图像传感器节点软件设计节点控制程序由微处理器 CPU 控制程序和无线 通信模块数据传输程序组成。 微处理器 CPU 控制程序接收图像采集指令， 控制串口摄像头进行图像数据采集， 并将采集的数据递交给无线通信模块进行数据传 输；无线通信模块转发控制指令和采集的图像数据，实 现基于 ZigBee 的无线网络的构建。2.1 微处理器模块 CPU 控制程序微处理器 CPU 控制程序流程如下：CPU 首先进行 初始化，然后进入休眠状态，等待中断触发；UART2 收 到数据后将产生中断，CPU 对收到的数据进行分析 ， 如果该数据是控制指令，则通过芯片 UART1 将指

10、令转发 给 摄 像 头 ， 控 制 摄 像 头进行数据采集 ， 并 通 过UART1 将数据返回给 CPU，一帧图像采集完成。 CPU结合了领先的 RF 收发器的优良性能，业界标准的增强型 8051 CPU， 系统内可编程闪存，8-KB RAM 和许多其他强大的功能。 CC2530 具有不同的运行模式，使得它尤其适应超低功耗要求的系统。运行模式之间的转换时间短进一步确保了低能源消耗。CC2530F256 结合了德州仪器的业界领先的黄金单元 ZigBee 协议栈（Z-StackTm），提供了一个强大和完整的 ZigBee 解决方 案。 CC2530F64 结合了德州仪器的黄金单元 RemoTI，

11、 更好地提供了一个强大和完整的 ZigBee RF4CE 远程控制解决方案。CC2530 是无线 SOC 设计，其内部已经集成了大量必要的电路，因此采用较少的外围电路即可实现信号将收到的数据写入输出缓冲区 ，缓冲区满后将触发的收发功能。 4其电路原理图如图 3 所示。DMA 中断， 将数据递交给 CC2530 无线模块 ； 无线模块进行数据的处理和转发，最终到达汇聚节点。程序流程如图 5 所示。使 用 串 口的 四 个 管 脚CC2530UART0P0_2(RXD)、P0_3(TXD)、P0_4(CTS)、P0_5(RTS)与数据处理芯片 STM32F103C8T6 的 串 口 UART2 进

12、行数据传输与 控制。图 3 无线通信模块电路原理图图 5 微处理器模块 CPU 控制程序流程图(下转第 150 页)，），数值范围附近上下波动C、缺点：对于测量速度较慢或要求数据计算速度较快的实时控制不适用 比较浪费RAM2.2 递推平均滤波法（又称滑动平均滤波法）A、方法：把连续取N个采样值看成一个队列 队列的长度固定为N每次采样到一个新数据放入队尾,并扔掉原来队 首的一次数据.(先进先出原则)差的最小化。 其中算术平均滤波法中N=4;递推平均滤波法（又称滑动平均滤波法）N=8.经过软件滤波处理后，12位ADC采样转换后的数据变化相差最大小于20，满足了项目的要求。3、标准校正减小偏移误差经

13、过前2步骤，ADC采样转换的输出数据的变化范 围大大缩小，变化数值相差最大小于20，基本满足项目的要求。 但是ADC采样输出数值经过软件滤波后，和实 际数值有一定的偏移。 因此还需要加以校准，减小偏移误差。在本设计中，外部有5个模拟量需要采样。在校准把队列中的N个数据进行算术平均运算,得新的滤波结果N值的选取：流量，N=12；压力：N=4；液面，N=412；温度，N=14B、优点：就可获的时候选择5个通道做为参考输入通道，同时提供已知的直流参考电压作为输入（5个电压不相同）。四、结论采用本文所述方法，经过实验，满足了项目对ADC的采样精度，同时也降低了系统的功率损耗。 本文对类似的项目设计有一

14、定的参考意义和实际意义。对周期性干扰有良好的抑制作用，平滑度高适用于高频振荡的系统C、缺点：灵敏度低对偶然出现的脉冲性干扰的抑制作用较差不易消除由于脉冲干扰所引起的采样值偏差 不适用于脉冲干扰比较严重的场合 比较浪费RAM结合实际情况，根据滤波算法的特点，本文采用算参考文献：1蓝厚荣谈谈如何提高单片机的模数转换精度J单片机与嵌 入式系统应用2009, (6)2张栋TMS320F2812芯片ADC模数转换精度的分析J电子技 术应用2010年第09期3邱超嵌入式测控系统的抗干扰设计J福建电脑2007年03期!(上接第 140 页)2.2 无线通信模块数据传输程序被唤醒，调用相应函数对事件进行处理。

15、 数据的传输使用直接存取(DMA) 控制器进行操作 ， 以此减轻 STM32 核传送数据时的负担， 实现 CC2530 在高效利用电源 条件下得高性能。程序流程如图 6 所示。本文研制的节点能够正常控制串口摄像头进行图像采集，并且能够将采集的图像数据经无线进行传输，实现对环境的有效监测。参考文献：1刘超伟;赵俊淋;易卫东;基于 nRF24L01 的无线图像传感器节 点设计实现;电子测量技术J;2008 年 6 期2何磊;无线传感器网络中图像节点的设计与实现D;哈尔滨工 业大学硕士论文;2007 年3朱祥贤;孙岐峰;杨永;无线传感器网络的体系结构及其应用J;信息通信;2009 年第 6 期4姜连祥;汪小燕;无线传感器网络硬件设计综述J;单片机与嵌 入式系统应用;2006 年 11 期图 6 无线通信模块数据传输程序流程图无线通信模块数据传输程序工作在 ZigBee 协议栈应用层，用于转发控制指令及传输串口摄像头模块采集的数据。 程序工作流程如下：节点硬件和 Zigbee 协议栈初始化完成以后， 终端节点自动寻找并加入 Zig-Bee 网络。 然后节点进入休眠状态以节省能耗。 当指令