一種基于壓縮感知的無線傳感器圖像采集傳輸系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及無線傳感器網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域，尤其是一種基于壓縮感知的無線傳輸系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 近年來，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的提出大大的改變了世界，物聯(lián)網(wǎng)可W通過無線傳感器技術(shù) 實時的對所需檢測的目標(biāo)物體進(jìn)行各類信息采集，也可通過各種無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)實現(xiàn)人 與各種物體之間的智能化管理、識別和感知。無線傳感器技術(shù)在軍事安全、智能家居、工業(yè) 生產(chǎn)等各方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。
[0003] 已知，傳感器的使用壽命和生命周期是一個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的重要技術(shù)指標(biāo)，運 要求傳感器在低功耗低帶寬的條件下仍能傳輸諸多復(fù)雜信息，尤其在傳輸圖像方面，傳統(tǒng) 的圖像采集與壓縮需要耗費大量的存儲空間，發(fā)送時的大數(shù)據(jù)量也加劇了傳感器節(jié)點的能 量損耗，而且傳感器無線通信存在著大量的數(shù)據(jù)丟失和不穩(wěn)定因素，不完整的數(shù)據(jù)傳輸也 可能導(dǎo)致接收端無法獲得圖像信息。并且傳統(tǒng)的野外圖像獲取設(shè)備多為本地SD卡存儲，由 于設(shè)備需要在一個地方長期放置，大量的圖像信息則保存在本地SD卡，存儲空間不足的弊 端大大凸顯，而且要想獲取采集到的圖像，還需要人工的去實地查找設(shè)備取回SD卡，運樣 并不能實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)概念中所設(shè)及的人與物體之間的智能化管理。
[0004] 如何在減少采集數(shù)據(jù)量的同時獲得豐富信息，W及如何在降低設(shè)備功耗的同時獲 取圖像信息，都是目前圖像信息采集領(lǐng)域迫切需要解決的問題。為此，我們提供了一種基于 壓縮感知的無線傳感器圖像采集傳輸系統(tǒng)。

【發(fā)明內(nèi)容】
陽〇化]本發(fā)明目的在于提供一種成本低、兼容擴(kuò)展性強(qiáng)、功耗低的基于壓縮感知的無線 傳感器圖像采集傳輸系統(tǒng)。
[0006] 為實現(xiàn)上述目的，采用了W下技術(shù)方案：本發(fā)明所述系統(tǒng)由若干終端節(jié)點、匯聚節(jié) 點和PC機(jī)組成；
[0007] 所述每個終端節(jié)點包括圖像采集模塊、卡片式電腦、Zigbee無線通信模塊、被動式 熱釋電紅外傳感器、紅外LED、SD卡和供電模塊；圖像采集模塊的輸出端通過數(shù)據(jù)線與卡片 式電腦連接，圖像采集模塊獲取的圖像信息傳輸至卡片式電腦；被動式熱釋電紅外傳感器 的輸出端通過數(shù)據(jù)線與卡片式電腦連接，被動式熱釋電紅外傳感器獲取到紅外信號后將高 電平信號傳輸至卡片式電腦；紅外LED的輸入端通過數(shù)據(jù)線與卡片式電腦連接，卡片式電 腦控制紅外L邸的開啟關(guān)閉；Zigbee無線通信模塊通過數(shù)據(jù)線與卡片式電腦互通連接，終 端節(jié)點上的Zigbee無線通信模塊與匯聚節(jié)點上的Zigbee無線通信模塊形成網(wǎng)絡(luò)并進(jìn)行通 信；供電模塊與卡片式電腦相連提供電能，SD卡與卡片式電腦連接用于信息儲存；
[000引所述匯聚節(jié)點是W終端節(jié)點為基體，在終端節(jié)點中增設(shè)了WiFi模塊或3G模塊，該WiFi模塊或3G模塊的信號輸入端通過USB數(shù)據(jù)線與卡片式電腦的USB接口相連，卡片式 電腦通過WiFi模塊或3G模塊將信息發(fā)送至互聯(lián)網(wǎng)中，通過互聯(lián)網(wǎng)與PC機(jī)相連進(jìn)行數(shù)據(jù)傳 輸；匯聚節(jié)點上的Zigbee無線通信模塊與終端節(jié)點上的Zigbee無線通信模塊形成網(wǎng)絡(luò)并 進(jìn)行通f目；
[0009] 終端節(jié)點能對圖像信息進(jìn)行采集和壓縮，并通過Zigbee無線通信模塊形成的網(wǎng) 絡(luò)將圖像信息發(fā)送至匯聚節(jié)點；匯聚節(jié)點也能對圖像信息進(jìn)行采集和壓縮，通過Zigbee無 線通信模塊形成的網(wǎng)絡(luò)接收終端節(jié)點的圖像信息，并通過WiFi模塊或3G模塊將已經(jīng)壓縮 的圖像信息發(fā)送至互聯(lián)網(wǎng)中，通過互聯(lián)網(wǎng)與PC機(jī)相連進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，PC機(jī)完成圖像信息的 重構(gòu)與獲取，形成基于壓縮感知的無線傳感器圖像采集傳輸系統(tǒng)。
[0010] 進(jìn)一步的，所述終端節(jié)點與匯聚節(jié)點對圖像信息進(jìn)行壓縮時采用壓縮感知圖像壓 縮算法，運用Matl油2014a/Simulink軟件作為卡片式電腦的軟件開發(fā)環(huán)境，通過Simulink 搭建程序硬件控制模型，通過M-化nction實現(xiàn)對圖像信息的壓縮；Simulink模型和 M-化ntion經(jīng)轉(zhuǎn)換形成mex文件和C語言文件，由卡片式電腦將C語言文件編譯成嵌入式可 執(zhí)行程序。
[0011] 進(jìn)一步的，所述卡片式電腦采用RaspberryPi樹替派開發(fā)板。
[0012] 進(jìn)一步的，所述的圖像采集模塊由攝像頭和0V5647傳感器組成，攝像頭與0V5647 傳感器連接后通過CSI接口與樹替派連接。
[0013] 進(jìn)一步的，所述壓縮感知圖像壓縮算法的具體方法如下：運用Simulink的卡片式 電腦W10次每秒的頻率檢測GPIO23號引腳，當(dāng)檢測到高電平時，將25號引腳至高電平， 同時調(diào)用圖像采集模塊，將圖像采集模塊的攝像頭輸出格式設(shè)置為YCb化，設(shè)備名選擇/ dev/videoO,通過Resize圖像調(diào)整模塊將輸出圖像大小調(diào)整為256X256,通過M-function 提取Y通道信息，進(jìn)行小波變換和觀測得到觀測值y，并保存于Aome/pi目錄下，對圖像進(jìn) 行小波變化和觀測，所用的小波和觀測矩陣W.mat格式封裝保存于Aome/pi目錄下，在程 序流程進(jìn)行到小波變換和觀測時進(jìn)行調(diào)用。
[0014] 進(jìn)一步的，終端節(jié)點和匯聚節(jié)點在獲取圖像信息的同時進(jìn)行壓縮感知編碼，在壓 縮感知算法的圖像處理中，將NXN的圖像首先進(jìn)行9/7小波變換，然后構(gòu)造測量矩陣W，測 量矩陣采用結(jié)構(gòu)化隨機(jī)矩陣，利用W對全部的小波變換系數(shù)進(jìn)行測量，得到MXN大小的測 量系數(shù);M和N為圖片高度和寬度的像素值，K=M/N，K為采樣率。
[0015] 進(jìn)一步的，PC機(jī)接收到匯聚節(jié)點發(fā)來的已經(jīng)壓縮的圖像信息后，通過壓縮感知 SAMP重構(gòu)算法和一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的步長確定方法重構(gòu)出原圖像；所述基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的 步長確定方法如下：
[0016] 首先設(shè)計兩組神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)及訓(xùn)練數(shù)據(jù)，第一種：最高精度恢復(fù)步長S，是尋找能夠 最佳最清晰重構(gòu)圖像的步長；第二種：精度固定最短重構(gòu)時間步長Si,是認(rèn)為在達(dá)到一定 PSNR時圖像清晰度已符合要求所尋找的最短重構(gòu)時間的步長；
[0017] PC機(jī)重構(gòu)圖像時需要的訓(xùn)練步長由最高精度恢復(fù)步長神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和精度固定最短 重構(gòu)時間步長神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練得出；
[0018] 根據(jù)訓(xùn)練要求設(shè)計神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，所述神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)采用輸入層、隱層、輸出層的=層 結(jié)構(gòu)，根據(jù)實際訓(xùn)練結(jié)果，選擇隱層10個隱層節(jié)點、輸入層2個節(jié)點，分別輸入圖像大小數(shù) 據(jù)和采樣率，輸出為步長S或Sl;
[0019] 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)選用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，BP隱層傳遞函數(shù)采用正切Sigmoid函數(shù)tansig，輸出 層神經(jīng)元采用線性函數(shù)purelin;
[0020] 第一種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練數(shù)據(jù)，選擇10張不同大小NXN的圖像（NXN為圖片分辨率 大小，例如1366*766,N*N代表圖片高度和寬度的像素值相乘），分別在30%，50%，70%的 采樣率下人為尋找最大重構(gòu)精度的步長S，運10張圖片的大小數(shù)據(jù)和采樣率作為輸入，尋 找到的步長S作為輸出；
[0021] 第二種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，選擇10張不同大小NXN的圖像（NXN為圖片分辨率大小， 例如1366*766，N*N代表圖片高度和寬度的像素值相乘），分別在30 %，50 %，70 %的采樣率 下尋找在PSNR達(dá)到30化的情況下時間最短的步長si。
[0022] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點：終端節(jié)點和匯聚節(jié)點構(gòu)成無線傳感器網(wǎng) 絡(luò)，通過匯聚節(jié)點實現(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議與TCP/IP協(xié)議的轉(zhuǎn)換，可W實現(xiàn)圖像經(jīng)無線傳 感器網(wǎng)絡(luò)到3G網(wǎng)絡(luò)或者WiFi網(wǎng)絡(luò)的緊密連接，實現(xiàn)圖像信息的即時獲取，大大節(jié)省了人力 和時間。同時匯聚節(jié)點在擔(dān)任協(xié)議轉(zhuǎn)換的同時也進(jìn)行圖像采集，避免了傳統(tǒng)無線傳感器網(wǎng) 絡(luò)需要單獨架設(shè)網(wǎng)關(guān)的必要，且匯聚節(jié)點具有較強(qiáng)擴(kuò)展性，可適用于多種通信協(xié)議的轉(zhuǎn)換。 與傳統(tǒng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)相比，圖像采集發(fā)送采用壓縮感知算法，實現(xiàn)了壓縮感知算法與硬 件節(jié)點的兼容結(jié)合，實現(xiàn)了在低帶寬條件下發(fā)送復(fù)雜多媒體信息的目的，數(shù)據(jù)發(fā)送量大幅 降低，功耗減少，而且本發(fā)明節(jié)點裝置更加廉價，兼容性擴(kuò)展性更強(qiáng)。
【附圖說明】
[0023] 圖1為本發(fā)明系統(tǒng)的終端節(jié)點的硬件結(jié)構(gòu)示意圖。
[0024] 圖2為本發(fā)明系統(tǒng)的匯聚節(jié)點的硬件結(jié)構(gòu)示意圖。
[00巧]圖3為本發(fā)明系統(tǒng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)工作流程圖。
[0026] 圖4為本發(fā)明系統(tǒng)中壓縮感知圖像壓縮算法的流程圖。
[0027]圖5為本發(fā)明系統(tǒng)的壓縮感知圖像壓縮算法的恢復(fù)圖片與原圖片的對比圖。
[002引圖6為本發(fā)明系統(tǒng)的壓縮感知編碼端程序流程圖。
【具體實施方式】
[0029] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步說明：
[0030] 如圖1所示，終端節(jié)點硬件包括卡片式電腦即Raspbe