摘 要： 提出了一種以88W8510芯片為核心的WIFI模組來實現性價比高、成本低廉的無線IP攝像頭解決方案。
關鍵詞： 88W8510；WIFI模組；無線IP攝像頭
攝像頭(Camera)作為一種視頻輸入設備，在過去被廣泛地運用于視頻會議、遠程醫療及實時監控等。近年來，隨著互聯網技術的發展，網絡速度不斷提高，再加上感光成像器件技術的成熟并大量用于攝像頭的制造，使得攝像頭的價格降到普通人可以承受的水平，彼此之間可以通過攝像頭在網絡平臺上進行有影像、有聲音的交談和溝通，還可以將其用于當前各種流行的數碼影像、影音處理。
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。如何將視頻信號從攝像頭端傳到顯示終端處理得到圖像，或者通過現有網絡實現遠程傳輸？無線攝像頭可解決這些問題。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]。
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；可同時連接更多的無線終端，無需降低無線的吞吐性能；可保證傳輸的數據、音頻、視頻數據的連續和穩定性；可外接多口路由器和外部系統總線；減少了物料成本并提供連接電纜故障診斷方法；為改進在公共環境下的安全性，添加了更多的身份認證機構；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。而且更為重要的是，eCOS提供的Linux兼容的API能讓開發人員輕松地將Linux應用移植，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
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。
參考文獻
[1] SUNWOONG J， HOSEONG S， YOUNGJE M.裝備無線自動跟蹤攝像頭的警用車輛支持系統(上、下)[J].電子產品世界，2008(3-4)：160-161，154-155.
[2] 王巖.我有網上千里眼——Llnksys，WvC200無線網絡攝像頭[J].微電腦世界，2007(5)：57.
[3] 佚名.攝像頭也玩無線——Linksys WVC54GC [J].互聯網天地，2006(11)：73.
[4] 88W8510. http： //www. modem-help. co. uk/Marvell/chipsets/88W8510-11bg-Gateway. 2010-07-01.
[5] 宋茂強.通信軟件設計基礎[M].北京：北京郵電大學出版社，2007.