基于SOPC的无线多媒体传感器节点研究

论文摘要

为了实现更为精确、细粒度的环境监测,迫切需要在无线传感器网络(WSN)中引入信息量丰富的图像或视频等多媒体信息,从而形成具备高度感知能力的无线多媒体传感器网络(WMSN)。无线多媒体传感器节点是WMSN的研究热点,目前以传统微处理器构建的多媒体传感器节点存在着处理能力有限、开发自由度不高、扩展移植性不强等问题,针对存在的问题提出并实现了基于可编程片上系统(SOPC)的无线多媒体传感器节点设计方案,最终搭建了一套用于WMSN开发的实验平台。本文的研究内容主要涉及无线多媒体传感器网络体系结构、SOPC软/硬件协同设计方法、NiosⅡ软核处理器的软硬件开发、嵌入式IP核的复用与设计、嵌入式多媒体数据在节点处理技术以及嵌入式μCLinux操作系统的移植等。主要完成了以下工作:1.分析了无线多媒体传感器节点的性能需求和发展趋势,在对比了三种可行节点架构的基础上,提出了基于SOPC的无线多媒体传感器节点设计方案,并对系统核心器件选型作了详细的分析。2.研究了SOPC系统的开发流程和设计方法,重点针对WMSN底层在节点处理和在节点通信部分的IP功能模块进行了设计与实现,完成了图像采集与显示、色度空间变换、运动目标检测、图像边缘提取、JPEG压缩和ZigBee通信接口等功能模块的设计,并通过了节点硬件的综合验证。3.分析了无线多媒体传感器节点的软件架构,给出了系统运行的主流程图,并对嵌入式μCLinux操作系统的移植进行了研究,在节点上完成了嵌入式μCLinux操作系统的移植和运行验证。4.对无线多媒体传感器节点的各个IP功能模块进行了集成,仿真实验和实际硬件调试结果表明,系统所实现功能达到了预定目标。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 选题背景及意义
• 1.3 国内外研究现状
• 1.3.1 国内外SOPC技术发展现状
• 1.3.2 无线多媒体传感器节点研究现状
• 1.4 论文研究内容及结构安排
• 1.4.1 论文研究内容
• 1.4.2 全文结构安排
• 第二章 无线多媒体传感器节点的总体设计方案
• 2.1 节点系统设计方案选型
• 2.1.1 FPGA+Nios Ⅱ软核处理器架构
• 2.1.2 DSP+FPGA协处理器架构
• 2.1.3 ARM微处理器架构
• 2.2 系统性能需求分析
• 2.2.1 核心处理器选型
• 2.2.2 图像传感器选型
• 2.2.3 通信模块选型
• 2.2.4 存储及显示器件选型
• 2.2.5 电源管理器件选型
• 2.3 系统总体设计
• 2.3.1 SOPC开发流程
• 2.3.2 系统总体结构
• 2.3.3 系统总体工作流程
• 2.4 本章小结
• 第三章 基于SOPC的无线多媒体传感器节点底层设计
• 3.1 基于SOPC的硬件平台构建
• 3.1.1 系统开发调试环境
• 3.1.2 IP核复用与设计方法
• 3.1.3 创建Nios Ⅱ系统
• 3.2 传感器在节点图像处理
• 3.2.1 图像采集模块的设计
• 3.2.2 图像显示模块的设计
• 3.2.3 色度空间转换IP核的设计
• 3.2.4 运动目标检测IP核的设计
• 3.2.5 图像边缘提取IP核的设计
• 3.2.6 JPEG压缩IP核的设计
• 3.3 传感器在节点数据通信
• 3.3.1 SPI通信接口设计
• 3.3.2 CRC校验模块设计
• 3.3.3 通信平台构建
• 3.4 SOPC低功耗设计
• 3.5 本章小结
• 第四章 无线多媒体传感器节点系统的软件架构
• 4.1 系统软件结构
• 4.1.1 节点系统软件流程
• 4.1.2 HAL系统库结构
• 4.1.3 HAL设备驱动开发
• 4.2 嵌入式μCLinux操作系统的移植
• 4.2.1 μCLinux系统内核配置
• 4.2.2 建立μCLinux文件系统
• 4.2.3 μCLinux加载运行
• 4.3 本章小结
• 第五章 多媒体传感器节点系统集成及运行结果分析
• 5.1 节点系统集成验证与分析
• 5.1.1 SOPC系统集成
• 5.1.2 Avalon总线仿真验证
• 5.2 系统硬件调试运行结果
• 5.2.1 边缘检测与目标提取
• 5.2.2 运动目标跟踪
• 5.2.3 JPEG压缩与通信
• 5.3 节点系统性能分析
• 5.4 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 本文主要工作总结
• 6.2 未来工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间已发表、录用论文及参与科研项目情况