ZigBee無線視頻傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

ZigBee是以IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)的一種低成本、低功耗的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù),通過ZigBee協(xié)議棧，可將各ZigBee節(jié)點(diǎn)形成一個(gè)節(jié)點(diǎn)容量大、通信范圍廣的ZigBee網(wǎng)絡(luò)。而H.264是當(dāng)今最好的視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)，具有碼流率低、圖像質(zhì)量高、容錯(cuò)能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。使用ZigBee網(wǎng)絡(luò)來傳輸H.264視頻碼流，是實(shí)現(xiàn)無線視頻傳輸系統(tǒng)的一種好方案。通過具體開發(fā)實(shí)例，從硬件和軟件兩個(gè)方面討論了該方案的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

0 ?引言

ZigBee是以IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)的一種低成本、低功耗、網(wǎng)絡(luò)容量大、通信范圍廣的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，可支持多達(dá)65 000個(gè)節(jié)點(diǎn)。ZigBee的工作頻段有3個(gè)，分別是868 MHz、915 MHz、2.4 GHz,當(dāng)工作于2.4 GHz時(shí)，其擁有最高的傳輸速率250 KB/s。在存儲(chǔ)量盡可能小的情況下獲得好的圖像質(zhì)量和低帶寬圖像快速傳輸已成為視頻壓縮的兩大難題。為此ISO/IEC和ITUT兩大國際標(biāo)準(zhǔn)化組織聯(lián)手制定了新一代視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)H.264［3］。H264具有圖像質(zhì)量好、連續(xù)性強(qiáng)、動(dòng)態(tài)圖像質(zhì)量高、壓縮比高、碼流速率可調(diào)等優(yōu)點(diǎn)。本文從硬件和軟件兩個(gè)方面討論使用帶H.264硬件編解碼器、ARM9 CPU核的i.MX27和帶ZigBee協(xié)議棧的微處理器CC2430來共同組建無線視頻傳輸系統(tǒng)。

1 ?系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)如圖1所示，整個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)由一個(gè)ZigBee協(xié)調(diào)器、多個(gè) ZigBee路由器和ZigBee無線視頻終端組成［4］。由于CC2430集成了2.4 GHz DSSS射頻收發(fā)器和單片機(jī)控制器，因此ZigBee設(shè)備可以使用CC2430單芯片來實(shí)現(xiàn)。ZigBee協(xié)調(diào)器用于組建最初的ZigBee網(wǎng)絡(luò)，并為加入網(wǎng)絡(luò)的每個(gè)ZigBee路由器和ZigBee無線視頻終端分配16位網(wǎng)絡(luò)短地址。ZigBee路由器在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中扮演路由和中繼的角色，為各ZigBee無線視頻終端傳輸數(shù)據(jù)并擴(kuò)大無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆秶igBee無線視頻終端根據(jù)分配得到的16位網(wǎng)絡(luò)短地址可以相互之間進(jìn)行雙向無線數(shù)據(jù)通信［5］。i.MX27上采用Linux操作系統(tǒng)，在Linux下通過對采集的圖像進(jìn)行硬件壓縮編碼，各ZigBee無線視頻終端之間的數(shù)據(jù)以H.264碼流的形式進(jìn)行無線傳輸。

2 ?ZigBee無線視頻終端的硬件設(shè)計(jì)

考慮到H.264軟件編解碼需要消耗大量的CPU資源，故本方案中選擇了具有H.264硬件編解碼器及ARM9 CPU核的Freescale微處理器i.MX27。ARM9 CPU核一方面負(fù)責(zé)將攝像頭采集到的YUV圖像數(shù)據(jù)送入H.264硬件編碼器，并將硬件編碼器輸出的H.264碼流通過ZigBee微處理器CC2430無線發(fā)送出去。另一方面通過CC2430接收H.264碼流并送入H.264硬件解碼器，然后將硬件解碼器輸出的YUV圖像數(shù)據(jù)顯示到液晶屏上。ZigBee微處理器CC2430負(fù)責(zé)H.264碼流的收發(fā)工作，并通過SPI接口與i.MX27進(jìn)行通信。 ZigBee無線視頻終端的硬件組成如圖2所示?！　?/p>

為了實(shí)現(xiàn)圖像的采集，本方案采用含有OV9650芯片的CMOS攝像頭，采集到的圖像通過i.MX27的CSI接口傳輸?shù)紿.264硬件編碼器中。對于圖像的顯示，則選擇群創(chuàng)AT070TN83V.1(16∶9，800×480)7英寸TFT液晶屏。該屏支持18位數(shù)字RGB接口，格式為RGB666，即每個(gè)像素由6 bit紅、6 bit綠、6 bit藍(lán)構(gòu)成18 bit數(shù)據(jù)。該屏與i.MX27的LCDC控制器主要通過18根數(shù)據(jù)線(LD［17:0］)、幀同步(VSYNC)、行同步(HSYSNC)、時(shí)鐘(LSCLK)進(jìn)行連接。采用一片三星的K9F2G08R0A NAND Flash芯片(256 M×8 bit)來儲(chǔ)存系統(tǒng)的Bootloader(RedBoot),Linux內(nèi)核，文件系統(tǒng)和視頻程序。由兩片Infineon Technologies的HYB18M512160AF7.5芯片(4 Bank×8 M×16 bit)構(gòu)成128 MB的DDR，主要用于加載Linux操作系統(tǒng)和運(yùn)行視頻編解碼程序。

設(shè)計(jì)一個(gè)10針的JTAG接口，用來燒寫系統(tǒng)的Bootloader、Linux內(nèi)核和文件系統(tǒng)。使用MAX3232構(gòu)成UART接口，用來將調(diào)試信息返回到MiniCom上顯示。因處理器內(nèi)核需要1.8 V、1.5 V電壓，而存儲(chǔ)器和外部I/O需要3.3 V電壓，故把整個(gè)系統(tǒng)的輸入電壓設(shè)為5 V，經(jīng)過DCDC轉(zhuǎn)換器可完成到3.3 V、1.8 V、1.5 V的電壓轉(zhuǎn)換。采用26 MHz的有源晶振，晶振經(jīng)過i.MX27片內(nèi)的PLL電路倍頻后最高可達(dá)到400 MHz。

ZigBee通信模塊以CHIPCON公司的CC2430微處理器為核心。將CC2430的SPI接口與i.MX27的SPI接口連接，H.264碼流通過SPI接口進(jìn)行傳輸。