基于ZigBee协议的列车监控图像传输系统的设计

时间：2024-07-28

王福生

（中国通号工程局集团有限公司天津分公司，天津 300240）

随着武广高铁、哈大高铁等一批高速客运专线的开通运营，我国进入了高铁时代。在高铁时代，铁路信息化建设将发挥更加重要的作用。铁路安防系统通过与信息技术相结合可以最大程度降低人为因素对行车安全的影响。基于无线网络技术的列车监控图像系统可以实现对列车车厢全覆盖监控。当列车重新编组时，系统能够自动组网，无需人工干预。

1 ZigBee协议

1.1 ZigBee协议特点[1]

ZigBee是一种短距离、低速率无线网络技术。ZigBee的物理层和低级MAC层以IEEE 802.15.4作为协议标准。ZigBee可以组成星状、树状和网状无线网络，网络以接力的方式高效地传递数据。

ZigBee有3种工作频率，分别为2.4 GHz（全球通用）、868 MHz（欧洲）和 915 MHz（美国），相应的传输速率分别为250、20、40 kbit/s。网络结点间的距离可以从标准的75 m，到扩展后的几百m，甚至几km。ZigBee协议主要有如下特点。

1）高可靠性。采用了CSMA/CA（载波监听多路访问/碰撞避免）机制，同时预留专用的时隙用于需要固定带宽的通信业务，避免了发送时数据的竞争和冲突；各节点模块之间具有自组网功能，信息在整个ZigBee网络中通过自动路由的方式传输，从而保证信息传输的可靠性。

2）高安全性，保密性。ZigBee提供了数据完整性检查和鉴权功能，采用64位出厂编号并支持通用的AES-128加密算法。

3）网络的自组织、自愈能力强。无需人工干预，网络结点能感知其他结点的存在，并确定连接关系，组成结构化的网络。ZigBee网络能够增加、删除或移动结点，结点发生故障时网络能够自我修复无需人工干预，保证整个系统仍然能正常工作。

1.2 ZigBee协议栈及网络拓扑结构

ZigBee协议栈由一组子层构成，每层为其上层提供一组特定的服务：一个数据实体提供数据传输服务，一个管理实体提供全部其他服务。每个服务实体通过一个服务接入点（SAP）为其上层提供服务接口，并且为每个SAP提供一系列的基本服务指令来实现相应的功能。ZigBee协议栈的体系结构如图1所示。

ZigBee采用基于OSI-7的协议体系[2]，IEEE80.15.4标准制定了物理层和媒体介质接入控制子层；网络层和应用层由ZigBee联盟负责制定。

ZigBee网络中定义了3种类型设备，分别是网络协调器、全功能节点（FFD）和半功能节点（RFD）。网络协调器负责管理本网络，有维护路由链表的能力，且每个网络中只有一个网络协调器；全功能节点起到路由的作用，负责与所控制的子节点通信、汇集数据和发布控制；半功能节点指的是网络中的终端节点。3种类型设备可以组成星状、树状或网状网络。ZigBee网状网络拓扑结构如图2所示。

2 列车监控图像传输系统结构

本系统主要由图像采集系统、无线图像传输网络和列车监控终端组成。系统结构如图3所示。

图像采集系统部分采用OmniVision公司的CMOS图像传感器芯片OV7648[3]和AD公司的高性能JPEG2000专用压缩芯片ADV202，实现实时监控图像的采集、压缩功能。图像采集系统原理如图4所示。

无线图像传输网络采用基于ZigBee协议的网状结构，通过串行接口与ADV202相连接。终端子节点接收经过ADV202压缩后的图像数据，通过ZigBee网络传输至列车监控中心。

列车监控中心的ZigBee模块作为网络协调器接收各车厢传送的实时监控图像，图像经过ADV202解码后送至显示设备供监控人员调用。

3 图像处理算法及仿真

3.1 JPEG2000标准

JPEG2000是JPEG组织制定的新一代图像压缩标准。它放弃了JPEG标准所采用的以离散余弦变换（Discrete Cosine Transform，DCT）为主的区块编码方式，改用以离散小波变换（Discrete Wavelet Transform，DWT）为主的多解析编码方式，同时支持无损压缩和有损压缩，渐进式传输。可对图像进行 ROI（Region of Interest）编码，具有很高的压缩效率和容错性。JPEG2000编码系统结构如图5所示。图像压缩算法仿真对比图如图6所示。

3.2 二维小波变换[4]

对二维图像进行小波分解，首先定义尺度函数：

再定义3个方向的小波函数：

式中，j是尺度标号，m，n是位置标号，i代表水平H，垂直V和对角线方向D。则尺寸为M×N的函数f（x，y）的离散小波变换为：

式中：j0是任意的开始尺度；cj0（m，n）是在尺度j0的f（x，y）的近似。

当j≥j0，dj（m，n）附加了水平、垂直和对角线方向的细节。通常令j0=0，并且选择N=M=2i，j=0，1，…，J-1；m、n=0，1，2，…，2j－ 1。f（x，y）可以通过离散逆小波变换得到。若二维变换的基核可分，则二维尺度函数Φ（x，y）和3个方向的小波函数 ψH（x，y）、ψV（x，y）和 ψD（x，y）都是一维尺度函数Φ和相应的小波函数ψ的乘积。

ψH度量沿着列的变化，ψV响应沿着行的变化， ψD对应对角线方向的变化。

4 高铁沿线网络

哈大高铁390 km，沿途经过沈阳站、辽阳站、鞍山站、海城站、大石桥站、鲅鱼圈站、瓦房店站、大连北站、大连站，共9个高铁站，两个站间40多km，基于ZigBee协议的列车监控图像传输系统是无线网络、物联网技术的应用。该无线网络布网很容易，具体实施时，每1 km左右设一节点，放在高架桥上，每个高铁站设一服务器，负责处理相邻高铁站间无线网络节点的处理，无线网络节点可以和经过它的动车通信，这样地面高铁站和动车建立了通信联系。哈大高铁9个高铁站构成有线局域网，采用双环状网。