基于WIFI的無線IP攝像頭的設計與實現

　　攝像頭分為數字攝像頭和模擬攝像頭兩大類。數字攝像頭可以將視頻采集設備產生的模擬視頻信號轉換成數字信號，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過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，然后通過串、并口或者USB接口傳到計算機里。現在電腦市場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，目前市場上可見的大部分都是這種產品。除此之外還有一種與視頻采集卡配合使用的產品，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，因此現在市場熱點主要是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

　　傳統有線數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，經過模數轉換（A/D）后變為數字圖像信號，送到數字信號處理芯片（DSP）中加工處理，經USB接口通過有線線路傳輸到電腦中處理，通過顯示器來顯示圖像[1]。根據該原理，傳統有線數字攝像頭進行無線改造的關鍵就是如何將經DSP處理送出的數字信號通過無線發送裝置將信號送出，再通過無線接收裝置將數字信號上傳給Internet或者PC實現視頻信號無線傳輸[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的數字信號。再對數字信號進行修改、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際環境格式。它不僅具有可編程性，而且其實時運行速度可達每秒數以千萬條復雜指令程序，遠遠超過通用微處理器，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，是最值得稱道的兩大特色

　　作為無線IP通信一項很好的增值業務，本方案利用傳輸價格低廉的IP承載網，選用美國Marvell公司的88W8510 WIFI模組[4]來實現一個具有IEEE 802.11b/g功能的無線橋接設備（下稱88W8510 WIFI無線網橋），以構建無線傳輸環境，將攝像頭DSP送出的數字信號經過打包分組（IP包），通過無線環境傳送到電腦或無線網絡，如圖1所示。

2 無線IP攝像頭的硬件設計

　　用88W8010 WIFI 模組實現IP攝像頭與無線網絡橋接的方法如圖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和網關芯片組，88W8510與88W8010芯片的組合在以往的無線產品中十分常見，是性價比很高的801.11g接入點/網關解決方案，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模擬基帶收發功能，具有高性能的外差射頻結構；高線性內置式功率為23 dBm的功放及發射功率為20 dBm天線分別連接到802.11 b/g的調制方案；對于實際功率檢測集成了傳輸功率循環控制功能，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）的發射功率，成本低、性能高。即使指定參數超過了額定溫度，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。此外還改進了微弱信號的探測方式，擴大了探測范圍。對于器件收發、睡眠及節能模式，提供業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內置嵌入式ARM 946S-E處理器內核，高多徑時延擴展寬容，內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MAC及PHY接口，支持高級安全認證專用的802.1X安全口協議，256腳TFBGA封裝，封裝尺寸僅17 mm×17 mm。

　　88W8510的優勢很多，它是802.11g解決方案，同時兼容802.11b協議，接收范圍大，連接魯棒性好，減少了信息的丟失；收發性能佳、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產品中使用802.11b協議的AP和網關芯片，方便802.11b和802.11g間的切換。

3 無線IP攝像頭的軟件實現

　　3.1 88W8510 WIFI無線網橋的軟件實現

　　88W8510 WIFI無線網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如下：

　　（1）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無線網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境。具體實現原理是：當系統加電或者復位后，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構建的嵌入式系統通常都有某種類型的固態存儲設備（如：ROM、EEPROM或 Flash等）被映射到這個預先安排的地址上。因此在系統加電后，CPU 將首先執行Boot Loader 程序。

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

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

　　（4）eCOS系統：嵌入式操作系統的種類較多，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eCOS（Embedded Configureable Operating System），它的特點是模塊化、內核可配置性、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兼容的嵌入式系統在內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核模塊，幾乎沒有加載任何其他的驅動與協議棧。但是eCOS最小版本只有幾百個字節，一般一個完整的網路應用，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。

　　（5）其他應用：88W8510 WIFI無線網橋采用SNMP協議對相關參數進行配置，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，其配置內容如下：WPA/WPA2、WEP（128 bit）/WEP（64 bit）安全模式參數設置、SSID網絡設置、802.11 b/g掃描。

　　3.2 88W8510 WIFI無線網橋軟件工作流程

　　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是一個無線網路通信技術的品牌，由Wi-Fi聯盟（Wi-Fi Alliance）所持有。目的是改善基于IEEE 802.11標準的無線網路產品之間的互通性。現時一般人會把Wi-Fi及IEEE 802.11混為一談。甚至把Wi-Fi等同于無線網際網路。

　　88W8510 WIFI無線網橋關鍵是將送出的視頻數據IP包轉換成無線網絡幀后送到AP，經AP解包后進入視頻監控服務器，由顯示終端PC請求服務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聯網模式，即所有的聯網過程都自動完成，用戶不需要干預，用戶只需設置好基本連接參數，橋接設備會在每次上電的時候自動掃描網絡，如果檢測到已經設置好的目的網絡就自動進行連接，并在連接成功后開始進入數據包的處理過程，如果中間出現意外斷網，模塊還會進行自動重連。

　　在本方案中，88W8510 WIFI無線網橋作為一個轉發功能將視頻數據直接轉換為802.11網絡幀進行數據傳輸，具體實現過程如圖6所示。

　　本方案采用了88W8510 WIFI芯片模組與傳統IP攝像頭，實現了攝像頭的無線改造。經過實際測試，無線IP攝像頭在20 MHz范圍內，可以實現無誤碼通信，視頻圖像傳輸質量優良、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（無論是通信成本還是硬件成本）、低功耗等優點，是一種比較有經濟和技術價值的設計。