基于WIFI的無(wú)線(xiàn)IP攝像頭的設計與實(shí)現

　　攝像頭分為數字攝像頭和模擬攝像頭兩大類(lèi)。數字攝像頭可以將視頻采集設備產(chǎn)生的模擬視頻信號轉換成數字信號，進(jìn)而將其儲存在計算機里。模擬攝像頭捕捉到的視頻信號必須經(jīng)過(guò)攝像頭特定的視頻捕捉卡將模擬信號轉換成數字模式，并加以壓縮后才可以轉換到計算機上運用。數字攝像頭可以直接捕捉影像，然后通過(guò)串、并口或者USB接口傳到計算機里?，F在電腦市場(chǎng)上的攝像頭基本以數字攝像頭為主，而數字攝像頭中又以使用新型數據傳輸接口的USB數字攝像頭為主，目前市場(chǎng)上可見(jiàn)的大部分都是這種產(chǎn)品。除此之外還有一種與視頻采集卡配合使用的產(chǎn)品，但目前還不是主流。由于個(gè)人電腦的迅速普及，模擬攝像頭的整體成本較高等原因，USB接口的傳輸速度遠遠高于串口、并口的速度，因此現在市場(chǎng)熱點(diǎn)主要是USB接口的數字攝像頭。以下主要是指USB接口的數字攝像頭

　　然而從適用領(lǐng)域和范圍來(lái)看，有線(xiàn)攝像頭不夠靈活和方便，移動(dòng)性差，特別是在一些特殊空間（深水、密閉、狹小、不宜通線(xiàn)路）或者時(shí)間（緊急、沒(méi)有時(shí)間拉線(xiàn)路），獲取、采集視頻圖像顯得力不從心，攝像頭與電腦不能進(jìn)行（或不能及時(shí)）有線(xiàn)連接。為此，本文將探討一種以88W8510芯片為核心的WIFI模組來(lái)設計性?xún)r(jià)比高、成本低廉的無(wú)線(xiàn)IP攝像頭。

1 IP攝像頭的無(wú)線(xiàn)設計方案

　　傳統有線(xiàn)數字攝像頭的工作原理：實(shí)景通過(guò)鏡頭（LENS）生成的光學(xué)圖像投射到圖像傳感器表面上，轉為電信號，經(jīng)過(guò)模數轉換（A/D）后變?yōu)閿底謭D像信號，送到數字信號處理芯片（DSP）中加工處理，經(jīng)USB接口通過(guò)有線(xiàn)線(xiàn)路傳輸到電腦中處理，通過(guò)顯示器來(lái)顯示圖像[1]。根據該原理，傳統有線(xiàn)數字攝像頭進(jìn)行無(wú)線(xiàn)改造的關(guān)鍵就是如何將經(jīng)DSP處理送出的數字信號通過(guò)無(wú)線(xiàn)發(fā)送裝置將信號送出，再通過(guò)無(wú)線(xiàn)接收裝置將數字信號上傳給Internet或者PC實(shí)現視頻信號無(wú)線(xiàn)傳輸[2-3]。

　　DSP（digital signal processor）是一種獨特的微處理器，是以數字信號來(lái)處理大量信息的器件。其工作原理是接收模擬信號，轉換為0或1的數字信號。再對數字信號進(jìn)行修改、刪除、強化，并在其他系統芯片中把數字數據解譯回模擬數據或實(shí)際環(huán)境格式。它不僅具有可編程性，而且其實(shí)時(shí)運行速度可達每秒數以千萬(wàn)條復雜指令程序，遠遠超過(guò)通用微處理器，是數字化電子世界中日益重要的電腦芯片。它的強大數據處理能力和高運行速度，是最值得稱(chēng)道的兩大特色

　　作為無(wú)線(xiàn)IP通信一項很好的增值業(yè)務(wù)，本方案利用傳輸價(jià)格低廉的IP承載網(wǎng)，選用美國Marvell公司的88W8510 WIFI模組[4]來(lái)實(shí)現一個(gè)具有IEEE 802.11b/g功能的無(wú)線(xiàn)橋接設備（下稱(chēng)88W8510 WIFI無(wú)線(xiàn)網(wǎng)橋），以構建無(wú)線(xiàn)傳輸環(huán)境，將攝像頭DSP送出的數字信號經(jīng)過(guò)打包分組（IP包），通過(guò)無(wú)線(xiàn)環(huán)境傳送到電腦或無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )，如圖1所示。

2 無(wú)線(xiàn)IP攝像頭的硬件設計

　　用88W8010 WIFI 模組實(shí)現IP攝像頭與無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )橋接的方法如圖2所示。

　　本設計最關(guān)鍵的器件組成就是88W8010和88W8510構成的基于WLAN 802.11b/g的AP和網(wǎng)關(guān)芯片組，88W8510與88W8010芯片的組合在以往的無(wú)線(xiàn)產(chǎn)品中十分常見(jiàn)，是性?xún)r(jià)比很高的801.11g接入點(diǎn)/網(wǎng)關(guān)解決方案，消除了用于有線(xiàn)基礎設施連接的外部CPU和快速以太網(wǎng)端口，大幅減少了總體材料（BOM）成本。

　　2.1 88W8010簡(jiǎn)介

　　88W8010采用2.4 GHz ISM頻段，集成了所有RF模擬基帶收發(fā)功能，具有高性能的外差射頻結構；高線(xiàn)性?xún)戎檬焦β蕿?3 dBm的功放及發(fā)射功率為20 dBm天線(xiàn)分別連接到802.11 b/g的調制方案；對于實(shí)際功率檢測集成了傳輸功率循環(huán)控制功能，采用了高靈敏度的接收器，以保證接收質(zhì)量；低功耗設計及先進(jìn)的電源管理模式，48腳QFN封裝，封裝尺寸僅7 mm×7 mm。

　　88W8010的主要優(yōu)勢在于單一芯片就支持所有RF到模擬基帶的功能和IEEE 802.11b/g的標準，減少了材料成本、簡(jiǎn)化了板級布線(xiàn)設計，并提供了最小的安裝尺寸。與直接轉換結構相比，提高了性能，省略了聲表面帶通濾波器的使用，降低了成本，能夠為天線(xiàn)提供分辨率為0.5 dBm且范圍寬（0 dBm~20 dBm）的發(fā)射功率，成本低、性能高。即使指定參數超過(guò)了額定溫度，供電電電壓和器件的參數改變，該器件的輸出功率也很穩定。此外還改進(jìn)了微弱信號的探測方式，擴大了探測范圍。對于器件收發(fā)、睡眠及節能模式，提供業(yè)界領(lǐng)先的低功耗特性，硬件設計緊湊，減少了空間尺寸。

　　2.2 88W8510簡(jiǎn)介

　　88W8510內置嵌入式ARM 946S-E處理器內核，高多徑時(shí)延擴展寬容，內置天線(xiàn)采用分集接收技術(shù)，對于WEP和80211i AES加密以及CCM信息認證內置硬件加密引擎，支持802.11e QoS質(zhì)量服務(wù)保證，可選配MII或PCI外部接口，集成了采用VCT技術(shù)的10/100 M快速以太網(wǎng)MAC及PHY接口，支持高級安全認證專(zhuān)用的802.1X安全口協(xié)議，256腳TFBGA封裝，封裝尺寸僅17 mm×17 mm。

　　88W8510的優(yōu)勢很多，它是802.11g解決方案，同時(shí)兼容802.11b協(xié)議，接收范圍大，連接魯棒性好，減少了信息的丟失；收發(fā)性能佳、范圍大；在低功耗設計的基礎上，集成了盡可能多的功能和性能提升；引腳兼容Marvell產(chǎn)品中使用802.11b協(xié)議的AP和網(wǎng)關(guān)芯片，方便802.11b和802.11g間的切換。

3 無(wú)線(xiàn)IP攝像頭的軟件實(shí)現

　　3.1 88W8510 WIFI無(wú)線(xiàn)網(wǎng)橋的軟件實(shí)現

　　88W8510 WIFI無(wú)線(xiàn)網(wǎng)橋的軟件系統的設計方案如圖3所示。

　　各部分具體功能和特點(diǎn)如下：

　?。?）Bootloader：是在操作系統運行前的自引導程序，主要完成硬件設備的初始化，建立88W8510 WIFI無(wú)線(xiàn)網(wǎng)橋內存空間的映射圖，為最終調用操作系統內核準備好正確的運行環(huán)境。具體實(shí)現原理是：當系統加電或者復位后，所有的CPU通常都從某個(gè)由CPU預先安排的地址上取指令，而基于CPU構建的嵌入式系統通常都有某種類(lèi)型的固態(tài)存儲設備（如：ROM、EEPROM或 Flash等）被映射到這個(gè)預先安排的地址上。因此在系統加電后，CPU 將首先執行Boot Loader 程序。

　?。?）Ethernet driver：主要是針對88W8510 WIFI無(wú)線(xiàn)網(wǎng)橋和網(wǎng)關(guān)的連接驅動(dòng)。

　?。?）Wireless driver：是88W8510 WIFI無(wú)線(xiàn)網(wǎng)橋中無(wú)線(xiàn)部分的驅動(dòng)。

　?。?）eCOS系統：嵌入式操作系統的種類(lèi)較多，其中比較流行的有VxWorks、Windows CE、Psos、Palm OS、嵌入式Linux等。這些嵌入式操作系統在開(kāi)放性、實(shí)用性以及性能等方面各有千秋，eCOS作為一個(gè)新的選擇，其全稱(chēng)叫嵌入式可配置操作系統eCOS（Embedded Configureable Operating System），它的特點(diǎn)是模塊化、內核可配置性、可裁減性、可移植性和實(shí)時(shí)性[5]。eCOS是一個(gè)針對16位、32位和64位處理器的可移植開(kāi)放源代碼的嵌入式RTOS，與嵌入式Linux不同，它是由專(zhuān)門(mén)設計嵌入式系統的工作組設計的。eCOS具有相當豐富的特性和一個(gè)配置工具，其配置如圖4所示。

　　eCOS配置工具能夠讓使用者選取所需要的特性，而Linux兼容的嵌入式系統在內核裁減后編譯出來(lái)的二進(jìn)制代碼大小在500 kB以上，而且這還只是包含最簡(jiǎn)單的內核模塊，幾乎沒(méi)有加載任何其他的驅動(dòng)與協(xié)議棧。但是eCOS最小版本只有幾百個(gè)字節，一般一個(gè)完整的網(wǎng)路應用，其二進(jìn)制的代碼也就100 KB左右。與此同時(shí)，應用程序不用運行在Linux復雜的內核機制上，針對VAP11G短小精干的嵌入式應用，應用到eCOS最適合，大大節省了Flash ROM和RAM空間大小。

　?。?）其他應用：88W8510 WIFI無(wú)線(xiàn)網(wǎng)橋采用SNMP協(xié)議對相關(guān)參數進(jìn)行配置，通過(guò)圖形化接口使用戶(hù)對于該設備需要完成的功能進(jìn)行直觀(guān)、方便的配置，其配置內容如下：WPA/WPA2、WEP（128 bit）/WEP（64 bit）安全模式參數設置、SSID網(wǎng)絡(luò )設置、802.11 b/g掃描。

　　3.2 88W8510 WIFI無(wú)線(xiàn)網(wǎng)橋軟件工作流程

　　Wi-Fi是一種可以將個(gè)人電腦、手持設備（如PDA、手機）等終端以無(wú)線(xiàn)方式互相連接的技術(shù)。Wi-Fi是一個(gè)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)路通信技術(shù)的品牌，由Wi-Fi聯(lián)盟（Wi-Fi Alliance）所持有。目的是改善基于IEEE 802.11標準的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)路產(chǎn)品之間的互通性?，F時(shí)一般人會(huì )把Wi-Fi及IEEE 802.11混為一談。甚至把Wi-Fi等同于無(wú)線(xiàn)網(wǎng)際網(wǎng)路。

　　88W8510 WIFI無(wú)線(xiàn)網(wǎng)橋關(guān)鍵是將送出的視頻數據IP包轉換成無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )幀后送到AP，經(jīng)AP解包后進(jìn)入視頻監控服務(wù)器，由顯示終端PC請求服務(wù)器獲取相應的視頻數據，具體流程如圖5所示。

　　橋接設備采用的是自動(dòng)聯(lián)網(wǎng)模式，即所有的聯(lián)網(wǎng)過(guò)程都自動(dòng)完成，用戶(hù)不需要干預，用戶(hù)只需設置好基本連接參數，橋接設備會(huì )在每次上電的時(shí)候自動(dòng)掃描網(wǎng)絡(luò )，如果檢測到已經(jīng)設置好的目的網(wǎng)絡(luò )就自動(dòng)進(jìn)行連接，并在連接成功后開(kāi)始進(jìn)入數據包的處理過(guò)程，如果中間出現意外斷網(wǎng)，模塊還會(huì )進(jìn)行自動(dòng)重連。

　　在本方案中，88W8510 WIFI無(wú)線(xiàn)網(wǎng)橋作為一個(gè)轉發(fā)功能將視頻數據直接轉換為802.11網(wǎng)絡(luò )幀進(jìn)行數據傳輸，具體實(shí)現過(guò)程如圖6所示。

　　本方案采用了88W8510 WIFI芯片模組與傳統IP攝像頭，實(shí)現了攝像頭的無(wú)線(xiàn)改造。經(jīng)過(guò)實(shí)際測試，無(wú)線(xiàn)IP攝像頭在20 MHz范圍內，可以實(shí)現無(wú)誤碼通信，視頻圖像傳輸質(zhì)量?jì)?yōu)良、運行穩定、靈活方便。相比其他攝像頭設計方案，本方案具還有低成本（無(wú)論是通信成本還是硬件成本）、低功耗等優(yōu)點(diǎn)，是一種比較有經(jīng)濟和技術(shù)價(jià)值的設計。