基于WIFI的無線IP攝像頭的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　　攝像頭分為數(shù)字?jǐn)z像頭和模擬攝像頭兩大類。數(shù)字?jǐn)z像頭可以將視頻采集設(shè)備產(chǎn)生的模擬視頻信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，進(jìn)而將其儲(chǔ)存在計(jì)算機(jī)里。模擬攝像頭捕捉到的視頻信號(hào)必須經(jīng)過攝像頭特定的視頻捕捉卡將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字模式，并加以壓縮后才可以轉(zhuǎn)換到計(jì)算機(jī)上運(yùn)用。數(shù)字?jǐn)z像頭可以直接捕捉影像，然后通過串、并口或者USB接口傳到計(jì)算機(jī)里?，F(xiàn)在電腦市場(chǎng)上的攝像頭基本以數(shù)字?jǐn)z像頭為主，而數(shù)字?jǐn)z像頭中又以使用新型數(shù)據(jù)傳輸接口的USB數(shù)字?jǐn)z像頭為主，目前市場(chǎng)上可見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(yuǎn)遠(yuǎn)高于串口、并口的速度，因此現(xiàn)在市場(chǎng)熱點(diǎn)主要是USB接口的數(shù)字?jǐn)z像頭。以下主要是指USB接口的數(shù)字?jǐn)z像頭

　　然而從適用領(lǐng)域和范圍來看，有線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、不宜通線路）或者時(shí)間（緊急、沒有時(shí)間拉線路），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)）有線連接。為此，本文將探討一種以88W8510芯片為核心的WIFI模組來設(shè)計(jì)性價(jià)比高、成本低廉的無線IP攝像頭。

1 IP攝像頭的無線設(shè)計(jì)方案

　　傳統(tǒng)有線數(shù)字?jǐn)z像頭的工作原理：實(shí)景通過鏡頭（LENS）生成的光學(xué)圖像投射到圖像傳感器表面上，轉(zhuǎn)為電信號(hào)，經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換（A/D）后變?yōu)閿?shù)字圖像信號(hào)，送到數(shù)字信號(hào)處理芯片（DSP）中加工處理，經(jīng)USB接口通過有線線路傳輸?shù)诫娔X中處理，通過顯示器來顯示圖像[1]。根據(jù)該原理，傳統(tǒng)有線數(shù)字?jǐn)z像頭進(jìn)行無線改造的關(guān)鍵就是如何將經(jīng)DSP處理送出的數(shù)字信號(hào)通過無線發(fā)送裝置將信號(hào)送出，再通過無線接收裝置將數(shù)字信號(hào)上傳給Internet或者PC實(shí)現(xiàn)視頻信號(hào)無線傳輸[2-3]。

　　DSP（digital signal processor）是一種獨(dú)特的微處理器，是以數(shù)字信號(hào)來處理大量信息的器件。其工作原理是接收模擬信號(hào)，轉(zhuǎn)換為0或1的數(shù)字信號(hào)。再對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行修改、刪除、強(qiáng)化，并在其他系統(tǒng)芯片中把數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)解譯回模擬數(shù)據(jù)或?qū)嶋H環(huán)境格式。它不僅具有可編程性，而且其實(shí)時(shí)運(yùn)行速度可達(dá)每秒數(shù)以千萬條復(fù)雜指令程序，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過通用微處理器，是數(shù)字化電子世界中日益重要的電腦芯片。它的強(qiáng)大數(shù)據(jù)處理能力和高運(yùn)行速度，是最值得稱道的兩大特色

　　作為無線IP通信一項(xiàng)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]來實(shí)現(xiàn)一個(gè)具有IEEE 802.11b/g功能的無線橋接設(shè)備（下稱88W8510 WIFI無線網(wǎng)橋），以構(gòu)建無線傳輸環(huán)境，將攝像頭DSP送出的數(shù)字信號(hào)經(jīng)過打包分組（IP包），通過無線環(huán)境傳送到電腦或無線網(wǎng)絡(luò)，如圖1所示。

2 無線IP攝像頭的硬件設(shè)計(jì)

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

　　本設(shè)計(jì)最關(guān)鍵的器件組成就是88W8010和88W8510構(gòu)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線產(chǎn)品中十分常見，是性價(jià)比很高的801.11g接入點(diǎn)/網(wǎng)關(guān)解決方案，消除了用于有線基礎(chǔ)設(shè)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(jié)構(gòu)；高線性內(nèi)置式功率為23 dBm的功放及發(fā)射功率為20 dBm天線分別連接到802.11 b/g的調(diào)制方案；對(duì)于實(shí)際功率檢測(cè)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(shè)計(jì)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(shì)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(biāo)準(zhǔn)，減少了材料成本、簡化了板級(jí)布線設(shè)計(jì)，并提供了最小的安裝尺寸。與直接轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)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?yàn)樘炀€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(shù)超過了額定溫度，供電電電壓和器件的參數(shù)改變，該器件的輸出功率也很穩(wěn)定。此外還改進(jìn)了微弱信號(hào)的探測(cè)方式，擴(kuò)大了探測(cè)范圍。對(duì)于器件收發(fā)、睡眠及節(jié)能模式，提供業(yè)界領(lǐng)先的低功耗特性，硬件設(shè)計(jì)緊湊，減少了空間尺寸。

　　2.2 88W8510簡介

　　88W8510內(nèi)置嵌入式ARM 946S-E處理器內(nèi)核，高多徑時(shí)延擴(kuò)展寬容，內(nèi)置天線采用分集接收技術(shù)，對(duì)于WEP和80211i AES加密以及CCM信息認(rèn)證內(nèi)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(jí)安全認(rèn)證專用的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(shì)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(shè)計(jì)的基礎(chǔ)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 無線IP攝像頭的軟件實(shí)現(xiàn)

　　3.1 88W8510 WIFI無線網(wǎng)橋的軟件實(shí)現(xiàn)

　　88W8510 WIFI無線網(wǎng)橋的軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(tǒng)運(yùn)行前的自引導(dǎo)程序，主要完成硬件設(shè)備的初始化，建立88W8510 WIFI無線網(wǎng)橋內(nèi)存空間的映射圖，為最終調(diào)用操作系統(tǒng)內(nèi)核準(zhǔn)備好正確的運(yùn)行環(huán)境。具體實(shí)現(xiàn)原理是：當(dāng)系統(tǒng)加電或者復(fù)位后，所有的CPU通常都從某個(gè)由CPU預(yù)先安排的地址上取指令，而基于CPU構(gòu)建的嵌入式系統(tǒng)通常都有某種類型的固態(tài)存儲(chǔ)設(shè)備（如：ROM、EEPROM或 Flash等）被映射到這個(gè)預(yù)先安排的地址上。因此在系統(tǒng)加電后，CPU 將首先執(zhí)行Boot Loader 程序。

　?。?）Ethernet driver：主要是針對(duì)88W8510 WIFI無線網(wǎng)橋和網(wǎng)關(guān)的連接驅(qū)動(dòng)。

　?。?）Wireless driver：是88W8510 WIFI無線網(wǎng)橋中無線部分的驅(qū)動(dòng)。

　?。?）eCOS系統(tǒng)：嵌入式操作系統(tǒng)的種類較多，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(tǒng)在開放性、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，其全稱叫嵌入式可配置操作系統(tǒng)eCOS（Embedded Configureable Operating System），它的特點(diǎn)是模塊化、內(nèi)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(duì)16位、32位和64位處理器的可移植開放源代碼的嵌入式RTOS，與嵌入式Linux不同，它是由專門設(shè)計(jì)嵌入式系統(tǒng)的工作組設(shè)計(jì)的。eCOS具有相當(dāng)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(tǒng)在內(nèi)核裁減后編譯出來的二進(jìn)制代碼大小在500 kB以上，而且這還只是包含最簡單的內(nèi)核模塊，幾乎沒有加載任何其他的驅(qū)動(dòng)與協(xié)議棧。但是eCOS最小版本只有幾百個(gè)字節(jié)，一般一個(gè)完整的網(wǎng)路應(yīng)用，其二進(jìn)制的代碼也就100 KB左右。與此同時(shí)，應(yīng)用程序不用運(yùn)行在Linux復(fù)雜的內(nèi)核機(jī)制上，針對(duì)VAP11G短小精干的嵌入式應(yīng)用，應(yīng)用到eCOS最適合，大大節(jié)省了Flash ROM和RAM空間大小。

　　（5）其他應(yīng)用：88W8510 WIFI無線網(wǎng)橋采用SNMP協(xié)議對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行配置，通過圖形化接口使用戶對(duì)于該設(shè)備需要完成的功能進(jìn)行直觀、方便的配置，其配置內(nèi)容如下：WPA/WPA2、WEP（128 bit）/WEP（64 bit）安全模式參數(shù)設(shè)置、SSID網(wǎng)絡(luò)設(shè)置、802.11 b/g掃描。

　　3.2 88W8510 WIFI無線網(wǎng)橋軟件工作流程

　　Wi-Fi是一種可以將個(gè)人電腦、手持設(shè)備（如PDA、手機(jī)）等終端以無線方式互相連接的技術(shù)。Wi-Fi是一個(gè)無線網(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(biāo)準(zhǔn)的無線網(wǎng)路產(chǎn)品之間的互通性?，F(xiàn)時(shí)一般人會(huì)把Wi-Fi及IEEE 802.11混為一談。甚至把Wi-Fi等同于無線網(wǎng)際網(wǎng)路。

　　88W8510 WIFI無線網(wǎng)橋關(guān)鍵是將送出的視頻數(shù)據(jù)IP包轉(zhuǎn)換成無線網(wǎng)絡(luò)幀后送到AP，經(jīng)AP解包后進(jìn)入視頻監(jiān)控服務(wù)器，由顯示終端PC請(qǐng)求服務(wù)器獲取相應(yīng)的視頻數(shù)據(jù)，具體流程如圖5所示。

　　橋接設(shè)備采用的是自動(dòng)聯(lián)網(wǎng)模式，即所有的聯(lián)網(wǎng)過程都自動(dòng)完成，用戶不需要干預(yù)，用戶只需設(shè)置好基本連接參數(shù)，橋接設(shè)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(cè)到已經(jīng)設(shè)置好的目的網(wǎng)絡(luò)就自動(dòng)進(jìn)行連接，并在連接成功后開始進(jìn)入數(shù)據(jù)包的處理過程，如果中間出現(xiàn)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無線網(wǎng)橋作為一個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)功能將視頻數(shù)據(jù)直接轉(zhuǎn)換為802.11網(wǎng)絡(luò)幀進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，具體實(shí)現(xiàn)過程如圖6所示。

　　本方案采用了88W8510 WIFI芯片模組與傳統(tǒng)IP攝像頭，實(shí)現(xiàn)了攝像頭的無線改造。經(jīng)過實(shí)際測(cè)試，無線IP攝像頭在20 MHz范圍內(nèi)，可以實(shí)現(xiàn)無誤碼通信，視頻圖像傳輸質(zhì)量優(yōu)良、運(yùn)行穩(wěn)定、靈活方便。相比其他攝像頭設(shè)計(jì)方案，本方案具還有低成本（無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(jì)和技術(shù)價(jià)值的設(shè)計(jì)。