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基于STM32的图像采集和无线传输的研究

摘要 本文提出了一种周期性的基于STM32的图像存储以及运用GPRS技术将图像传输到监控中心的嵌入式系统，监控中心也可以通过GPRS技术发送命令到采集终端，采集终端是基于低能耗、高性能的STM32构成的。实验表明采集终端在采集和图像存储过程中稳定可靠，能够控制不同采集的角度以及上传图像到监控中心，并且可以达到丢包率小于10%，平均延时时间2秒。一种基于STM32芯片的图像采集和无线传输系统，该系统包括：摄像头、控制主板、SP3232集成块、STM32芯片、GPRS模块和公网服务器。摄像头连接控制主板；控制主板包含有SP3232集成块和STM32芯片；控制主板连接GPRS模块；GPRS模块连接公网服务器；STM32芯片控制串口与摄像头相连；摄像头采集图像产生的232电平经过SP3232集成块的转换就可以把232电平转为TTL电平；STM32芯片采集到TTL电平后，将其进行数据压缩打包后，通过GPRS模块无线传输至公网服务器。

1. 引言

基于嵌入式系统和单片机系统与PC机的通信，通过USB与图像采集系统的结合，此串口被广泛用于水文测验、工业控制、环境监测等，这类系统一般采用有线传输方式，例如USB、RS232、RS485等技术。如果远程系统置于极端环境和孤立的地区中将不可用，并且传动效率也将受到损害[1]。相比之下，通过无线传输信道来实现图像的传输可以实现无线传输，图像无线传输技术是图像信息技术与无线技术的结合[2]。与有线传输相比，它具有高弹性和低能耗的优点。基于公共通信网络的无线传输在边远地区具有很强的实用性[3]。本文提出并实现了一种基于中国移动网络GPRS技术支持的无线图像传输和监控系统[4]。在嵌入式系统的一些比较特殊的应用场合, 由于不能采用有线的数据传输方式, 而需要采用短距离的无线数据传输方式. 因为短距离无线数据通信不用布线, 快速布局, 抗干扰能力强、可靠性高、使用灵活等特点, 因此具有有线数据传输无法比拟的便捷性, 在特殊场合具有不可替代性。本实用设计一种基于STM32芯片的图像采集和无线传输系统，具有成本低、体积小、布设方便、运行稳定等特点，克服了现场环境改造困难、布线成本高，条件恶劣等问题，为现场图像的采集和远程图像无线传输的提出了一种解决方案。

1. 系统概述
2. 系统总体设计

无线图像传输系统由采集终端、GPRS通信网络和监控中心组成，如图1。

图1 系统的拓扑结构

采集终端负责采集图像，图像压缩为JPEG格式，存储转换后的图像数据存储在存储单元（SD卡）或通过串口的GPRS DTU发送转换后的图像数据包。如果GPRS DTU数据链路正常运行时，数据将被传送到COMWAY服务器转发数据包到网络监控中心。根据传输协议，监控中心将以一个应答帧为响应帧，以确认数据接收和解码接收到的数据包可以得到一个完整的图像。数据传输后，采集终端会自动切换到低功耗状态。

B.采集终端的硬件设计

采集终端由微机、图像采集单元、数据存储单元、转向机单元、电源单元、复位单元组成,如图二。

图2 采集终端

采集终端采用Cortex-M3内核的STM32微控制器为单片机是专门设计来满足高性能，能耗低，在嵌入式系统的实时能力强的要求。该芯片可以自动切换到低功耗状态，当没有正在执行的任务，可以唤醒操作模式作为时钟或外部中断的到来。由STM32处理器组成的硬件开发平台作为终端进行现场数据采集, 处理器在此处起着数据采集的作用, 它一方面进行实时数据采集, 另一方面通过无线信道和数据处理终端机交换数据。STM32F107是意法半导体推出全新STM32互连型系列微控制器中的一款性能较强产品，是基于Cortex-M3内核的32位微控制器。工作电压为2～3.6 V，主频为72 MHz，片上集成256 kb的Flash和64 kb的SRAM.STM32F107拥有全速USB(OTG)接口，两路CAN2.0B接口，以及以太网10/100 MAC模块，并且带有一个ZigBee无线网络通讯接口，支持JTAG/SWD接口的调试下载，支持IAP。此芯片可以满足工业、医疗、楼宇自动化、家庭音响和家电市场多种产品需求。

STM32微控制器支持多种外设接口。在这项研究中，总线是连接到图像采集单元的控制和配置。图像采集单元能够输出各种格式的图像，并具有图像压缩功能，可以大大减少数据量。无线数据传输，JPEG格式具有一些明显的优势超过其他格式。

1. 弹性压缩率：从10倍到100倍的速度范围；
2. 动态显示率：在全屏显示模式显示率为1至5帧每秒，而在小显示模式显示率为2帧每秒。

数据存储单元采用4GB的SD卡。SD卡有两个通信的工作模式：SD模式和SPI模式。为了避免冗余的硬件电路设计，本研究采用SPI模式与STM微控制器的SPI接口通信。数据存储单元被用作历史图像的存储和分类。它实现了文件系统的移植，它是一种存储机制，需要长时间的存储，需要基于文件和内容的访问数据。监控中心还可以远程查询历史图像和内容文件。

舵机装置SG90转向服务器嵌入式控制器和比较器为角度图像采集单元控制的目的。STM32微控制器通过PWM控制转向机的角度，这个过程可以通过GPRS DTU请求远程监控中心的响应。OV7670是OV公司生产的一颗1/6寸的CMOS VGA图像传感器，其体积小、工作电压低，提供单片VGA摄像头和影像处理器的所有功能。通过SCCB总线控制，可以输出整帧、子采样、取窗口等方式的各种分辨率8位影像数据。支持RawRGB、RGB(CBR4：2：2，RGB565/RGB555/RGB444)，YUV(4：2：2)和 YcbCr(4：2：2)输出格式，支持VGA、CIF和从CIF到40*30的各种尺寸输出。用户可以完全控制图像质量、数据格式和传输方式，摄像头与 STM32的连接如图2所示。

供电单元负责各部分供电。供电方式有2种：由电池供电或者电源供电。考虑这种系统将被部署的关键环境，采集终端使用的电池，并且当确定没有任务在操作时可以自动切换到低功耗状态。

数据传输采用GPRS DTU单元，兼容TCP / IP协议。本单元的目的是建立采集终端和监控中心之间的桥梁。监控中心通过GPRS DTU发送采集命令使采集终端可以基于通信协议实时拍摄照片寄图像的数据包监测中心。监控中心还可以将配置命令发送到采集终端。

总体而言，采集终端的任务包括转向机的定时、实时采集、图像存储和角度控制，监控中心的任务包括接收上传的图像、协议的解码、图像的显示、采集引擎的远程配置、图像内容的检查和图像的历史检查。

1. 传输协议设计
2. 传输协议

传输协议对实时性能和GPRS网络传输可靠性有很大的影响。如果数据包必须被分为不同的信道的条件下，传输延迟会增加，该数据包是巨大的，因此传输协议必须被压缩，而传输效率必须得到充分考虑[8]-[10]。

数据传输可以分为两个目录：上游数据和下游命令。上游的数据主要包括图像数据，文本数据和响应数据，而下游的命令是由远程配置命令，响应命令和历史图像和内容查询组成的，如图3。

图3 采集终端

上游数据和下游命令采取统一的帧格式。一个完整的数据帧将被发送在每一次通信的时候，它包括：2字节的开始代码、一个字节的数据长度、2字节的CRC检查、一个字节的功能代码和功能性数据多达248个字节是可选的。

数据采集终端和监控中心的命令都遵循这种一致的帧格式。采集终端将发送数据包到串口的GPRS DTU。然后GPRS DTU将通过GPRS网络COMWAY -服务器将接收到的数据发送至监控中心，如图4所示。监控中心将解码接收到的数据发送到图像显示的用户界面后，一个图像解码处理就完成了。当用户需要配置采集终端的参数时，监控中心会发出相应的命令。

图4 COMWAY通信

B.图像分割与恢复

无线图像传输系统需要传输两种文件：JPEG格式的图片和TXT格式文件。JPEG格式的图像是由硬件与五千字节的平均体积压缩而成。txt格式的文件arecontents文件通过采集其体积与图像存储量的过程中产生。一个完整的图像和内容的文件太大，一次传输的GPRS DTU，采集终端分为几个包发送这些数据包。为了避免数据包丢失和数据包发送，采集终端将确定每一个数据包，监控中心会在收到所有数据包或超过时间后检查每个数据包。监测中心将发送数据包丢失的数量，采集终端会重新发送丢失的数据包。

1. 系统软件设计
2. 采集终端的软件设计

采集终端的软件设计包括各单元的初始化配置，GPRS DTU通信，数据包分割和协议解码，如图5所示。

图5 采集终端工作流程

系统上电初始化后，Meu将初始化每个单元，直到所有的单元成功初始化响应已经收到。Meu也会适当的设置各个单元的参数。然后采集终端将切换到操作模式，采集终端通过外部中断接收命令。同时，图像采集单元将转换为周期性的采集模式，然后根据采集时间周期性地采集图像并将图像存储在SD卡中的不同文件夹中。采集终端可以使监控中心实时地接收采集命令，通过GPRS DTU将采集的图像压缩传输到监控中心在SD卡上保存一个副本。摄像头的初始化，主要是通过SCCB初始化相关IO口及配置寄存器。初始化后就要进行采集部分，本系统通过一个外部中断来捕捉帧同步信号 (VSYNC)，在中断服务程序里启动OV7670模块的图像数据存储，直到下一次VSHNC信号时就关闭数据存储，至此完成一帧图像存储。在LCD实时显示的同时开始第二帧数据的存储，如此循环，实现摄像头功能。

1. 监控中心的软件设计

在计算机术语中，用户界面通常被称为用户和计算机之间的接口，这是嵌入式系统的重要组成部分。监控中心的用户界面实现了设备的端口配置、图像的接收和显示、转向引擎的控制、采样周期的设置、内容的采集、历史图像的索引[11]-[12]，如图6所示。

图6 监控中心的用户界面

1. 实验和测试
2. 采集终端的功能测试

在测试中，图像采集的acqulsltlon终端模块采集图像数据，并立即将图像数据发送到Meu。Meu收到数据并存储到SD卡或通过GPRS DTU发送到监控中心，图像数据会进行解码并显示在监控中心。

采集终端所采集的图像数据被保存到SD卡中的文件夹中。在SD卡中的图像数据被保存到按时间顺序排列的不同的文件夹中，方便中心服务器检查历史图像目录。在成功收集图像数据后，用户可以在SD卡中实现分类存储，只要存储周期大于一秒。如果存储周期小于一秒，系统将保存在同一秒中收集的最后一个图像。汇聚节点通过USB转串口工具连接到计算机，摄像头节点采集到数据后，将图像压缩，压缩后的数据分包发送给汇聚节点，汇聚节点通过串口发送给计算机，接收到的数据，在上位机进行图像恢复。

目录文件是在图像数据存储保存时产生的最后一级文件夹。图像的存储路径和文件名保存在该文件夹中。监控中心需要检查的历史图像时，将获取的图像通过TXT文件的文件名存储在SD卡上。同时，监控中心通过图像采集模块采集图像数据的具体时间，它为用户查找图像提供了方便。txt文件存储在数据存储的图像目录图里。

转向发动机单元控制采集终端的采集角度，该角度取决于监控中心的参数配置。参数设置成功后，采集终端将发送一个信号到监控中心，通知用户，采集角度已被应用。

系统传输模块（GPRS DTU）利用CONWAY无线串行协议。首先，用户应该配置GPRS DTU的模型到COMWAY并且设置传输速率、数据位和停止位。GPRS DTU配置信息应与采集终端的串口参数不一致。

1. 数据传输的实时性能测试

该系统利用GPRS传输COMWAY无线串口协议，是一个虚拟的串口线，可以无限扩展。在COMWAY服务器通过互联网发送GPRS数据在监控中心运行COMWAY软件。COMWAY软件负责网络数据转换为串行数据，然后串行数据从虚拟串口发送到监控中心。

在数据传输的过程中，GPRS DTU需要COMWAY服务器传输数据和转换数据，这将造成一定程度的延迟时间。在正常的GPRS信号强度下，平均延迟时间小于5秒。表1所示的为采集终端和监控中心之间的传输比较。JPEG格式图像的平均大小约5kb。当GPRS信号较弱的时候将需要超过60秒发送一个JPEG图像。此外，在这种情况下，它会造成数据包丢失。在不同的信号强度和不同的环境条件下，经过大量的性能测试，得到了不同的采集终端的结果。图像数据传输在硬件串口与GPRS之间差异很大。

对GPRS DTU数据传输时间延迟的时间范围可分为两类。在上午ll点至下午17点之间，当网络繁忙时，时间延迟比较严重并且波动在更高的频率。在下午18点到早上7点时，网络是空闲的，时间延迟保持低的水平，波动小于前者。在网络负载较低的情况下，可以更好地传输数据，提高网络传输的性能。

表1 图像传输过程中的参数

据测试，acqulsltlon终端能够在

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