基于WIFI的無線IP攝像頭的設計與實現(xiàn)

　　攝像頭分為數(shù)字攝像頭和模擬攝像頭兩大類。數(shù)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(shù)字信號，進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)過攝像頭特定的視頻捕捉卡將模擬信號轉換成數(shù)字模式，并加以壓縮后才可以轉換到計算機上運用。數(shù)字攝像頭可以直接捕捉影像，然后通過串、并口或者USB接口傳到計算機里?，F(xiàn)在電腦市場上的攝像頭基本以數(shù)字攝像頭為主，而數(shù)字攝像頭中又以使用新型數(shù)據(jù)傳輸接口的USB數(shù)字攝像頭為主，目前市場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(xiàn)在市場熱點主要是USB接口的數(shù)字攝像頭。以下主要是指USB接口的數(shù)字攝像頭

　　然而從適用領域和范圍來看，有線攝像頭不夠靈活和方便，移動性差，特別是在一些特殊空間（深水、密閉、狹小、不宜通線路）或者時間（緊急、沒有時間拉線路），獲取、采集視頻圖像顯得力不從心，攝像頭與電腦不能進行（或不能及時）有線連接。為此，本文將探討一種以88W8510芯片為核心的WIFI模組來設計性價比高、成本低廉的無線IP攝像頭。

1 IP攝像頭的無線設計方案

　　傳統(tǒng)有線數(shù)字攝像頭的工作原理：實景通過鏡頭（LENS）生成的光學圖像投射到圖像傳感器表面上，轉為電信號，經(jīng)過模數(shù)轉換（A/D）后變?yōu)閿?shù)字圖像信號，送到數(shù)字信號處理芯片（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)字攝像頭進行無線改造的關鍵就是如何將經(jīng)DSP處理送出的數(shù)字信號通過無線發(fā)送裝置將信號送出，再通過無線接收裝置將數(shù)字信號上傳給Internet或者PC實現(xiàn)視頻信號無線傳輸[2-3]。

　　DSP（digital signal processor）是一種獨特的微處理器，是以數(shù)字信號來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(shù)字信號。再對數(shù)字信號進行修改、刪除、強化，并在其他系統(tǒng)芯片中把數(shù)字數(shù)據(jù)解譯回模擬數(shù)據(jù)或實際環(huán)境格式。它不僅具有可編程性，而且其實時運行速度可達每秒數(shù)以千萬條復雜指令程序，遠遠超過通用微處理器，是數(shù)字化電子世界中日益重要的電腦芯片。它的強大數(shù)據(jù)處理能力和高運行速度，是最值得稱道的兩大特色

　　作為無線IP通信一項很好的增值業(yè)務，本方案利用傳輸價格低廉的IP承載網(wǎng)，選用美國Marvell公司的88W8510 WIFI模組[4]來實現(xiàn)一個具有IEEE 802.11b/g功能的無線橋接設備（下稱88W8510 WIFI無線網(wǎng)橋），以構建無線傳輸環(huán)境，將攝像頭DSP送出的數(shù)字信號經(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，如圖1所示。

2 無線IP攝像頭的硬件設計

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

　　本設計最關鍵的器件組成就是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，是性價比很高的801.11g接入點/網(wǎng)關解決方案，消除了用于有線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；對于實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，以保證接收質量；低功耗設計及先進的電源管理模式，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、簡化了板級布線設計，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(jié)能模式，提供業(yè)界領先的低功耗特性，硬件設計緊湊，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，高多徑時延擴展寬容，內(nèi)置天線采用分集接收技術，對于WEP和80211i AES加密以及CCM信息認證內(nèi)置硬件加密引擎，支持802.11e QoS質量服務保證，可選配MII或PCI外部接口，集成了采用VCT技術的10/100 M快速以太網(wǎng)MAC及PHY接口，支持高級安全認證專用的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)勢很多，它是802.11g解決方案，同時兼容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)關芯片，方便802.11b和802.11g間的切換。

3 無線IP攝像頭的軟件實現(xiàn)

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

　　88W8510 WIFI無線網(wǎng)橋的軟件系統(tǒng)的設計方案如圖3所示。

　　各部分具體功能和特點如下：

　　（1）Bootloader：是在操作系統(tǒng)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)核準備好正確的運行環(huán)境。具體實現(xiàn)原理是：當系統(tǒng)加電或者復位后，所有的CPU通常都從某個由CPU預先安排的地址上取指令，而基于CPU構建的嵌入式系統(tǒng)通常都有某種類型的固態(tài)存儲設備（如：ROM、EEPROM或 Flash等）被映射到這個預先安排的地址上。因此在系統(tǒng)加電后，CPU 將首先執(zhí)行Boot Loader 程序。

　　（2）Ethernet driver：主要是針對88W8510 WIFI無線網(wǎng)橋和網(wǎng)關的連接驅動。

　　（3）Wireless driver：是88W8510 WIFI無線網(wǎng)橋中無線部分的驅動。

　?。?）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、實用性以及性能等方面各有千秋，eCOS作為一個新的選擇，其全稱叫嵌入式可配置操作系統(tǒng)eCOS（Embedded Configureable Operating System），它的特點是模塊化、內(nèi)核可配置性、可裁減性、可移植性和實時性[5]。eCOS是一個針對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，它是由專門設計嵌入式系統(tǒng)的工作組設計的。eCOS具有相當豐富的特性和一個配置工具，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動與協(xié)議棧。但是eCOS最小版本只有幾百個字節(jié)，一般一個完整的網(wǎng)路應用，其二進制的代碼也就100 KB左右。與此同時，應用程序不用運行在Linux復雜的內(nèi)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(jié)省了Flash ROM和RAM空間大小。

　　（5）其他應用：88W8510 WIFI無線網(wǎng)橋采用SNMP協(xié)議對相關參數(shù)進行配置，通過圖形化接口使用戶對于該設備需要完成的功能進行直觀、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)設置、SSID網(wǎng)絡設置、802.11 b/g掃描。

　　3.2 88W8510 WIFI無線網(wǎng)橋軟件工作流程

　　Wi-Fi是一種可以將個人電腦、手持設備（如PDA、手機）等終端以無線方式互相連接的技術。Wi-Fi是一個無線網(wǎng)路通信技術的品牌，由Wi-Fi聯(lián)盟（Wi-Fi Alliance）所持有。目的是改善基于IEEE 802.11標準的無線網(wǎng)路產(chǎn)品之間的互通性。現(xiàn)時一般人會把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)橋關鍵是將送出的視頻數(shù)據(jù)IP包轉換成無線網(wǎng)絡幀后送到AP，經(jīng)AP解包后進入視頻監(jiān)控服務器，由顯示終端PC請求服務器獲取相應的視頻數(shù)據(jù)，具體流程如圖5所示。

　　橋接設備采用的是自動聯(lián)網(wǎng)模式，即所有的聯(lián)網(wǎng)過程都自動完成，用戶不需要干預，用戶只需設置好基本連接參數(shù)，橋接設備會在每次上電的時候自動掃描網(wǎng)絡，如果檢測到已經(jīng)設置好的目的網(wǎng)絡就自動進行連接，并在連接成功后開始進入數(shù)據(jù)包的處理過程，如果中間出現(xiàn)意外斷網(wǎng)，模塊還會進行自動重連。

　　在本方案中，88W8510 WIFI無線網(wǎng)橋作為一個轉發(fā)功能將視頻數(shù)據(jù)直接轉換為802.11網(wǎng)絡幀進行數(shù)據(jù)傳輸，具體實現(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，實現(xiàn)了攝像頭的無線改造。經(jīng)過實際測試，無線IP攝像頭在20 MHz范圍內(nèi)，可以實現(xiàn)無誤碼通信，視頻圖像傳輸質量優(yōu)良、運行穩(wěn)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（無論是通信成本還是硬件成本）、低功耗等優(yōu)點，是一種比較有經(jīng)濟和技術價值的設計。