基于STM32F107的圖像采集傳輸系統(tǒng)設計

摘要：設計一種基于ZigBee傳輸技術和JPEG圖像壓縮技術的圖像采集傳輸系統(tǒng)。以STM32F107微控制器為核心，通過攝像頭 OV7670采集到圖像后，對圖像進行JPEG壓縮。壓縮后的數(shù)據(jù)通過ZigBee模塊傳輸?shù)缴衔粰C，在上位機上進行圖像恢復。該系統(tǒng)功耗低，工作穩(wěn)定，適合用于遠程監(jiān)測的圖像采集系統(tǒng)使用。

關鍵詞：STM32;低功耗;OV7670;CC2530

無線傳感網(wǎng)絡是由大量具有通信和計算能力、廉價微型的傳感器節(jié)點通過自組織的無線通信方式，相互傳遞信息，協(xié)同地完成特定功能的智能網(wǎng)絡，在環(huán)境監(jiān)測、安全監(jiān)控、智能家居等領域有著廣大的應用空間。通過圖像信息的分析可以精確、直觀地對目標環(huán)境實施監(jiān)測。本系統(tǒng)通過STM32F107對攝像頭的時序控制，以及ZigBee模塊的使用，實現(xiàn)了圖像信息在無線傳感網(wǎng)絡的實時采集和傳輸。

1 硬件設計方案

1.1 硬件系統(tǒng)結構

系統(tǒng)硬件部分主要由STM32F107、攝像頭OV7670、幀緩存器及ZigBee模塊及其他外設組成。其中，LCD接口主要用于圖像顯示，便于圖像采集程序的調(diào)試，SRAM用于系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲器，F(xiàn)lash用于系統(tǒng)的程序存儲器。系統(tǒng)整體框圖如圖1所示。

1.2 STM32F107微處理器

STM32F107是意法半導體推出全新STM32互連型系列微控制器中的一款性能較強產(chǎn)品，是基于Cortex-M3內(nèi)核的32位微控制器。工作電壓為2～3.6 V，主頻為72 MHz，片上集成256 kb的Flash和64 kb的SRAM.STM32F107擁有全速USB(OTG)接口，兩路CAN2.0B接口，以及以太網(wǎng)10/100 MAC模塊，并且?guī)в幸粋€ZigBee無線網(wǎng)絡通訊接口，支持JTAG/SWD接口的調(diào)試下載，支持IAP。此芯片可以滿足工業(yè)、醫(yī)療、樓宇自動化、家庭音響和家電市場多種產(chǎn)品需求。

1.3 攝像頭OV7670

OV7670是OV公司生產(chǎn)的一顆1/6寸的CMOS VGA圖像傳感器，其體積小、工作電壓低，提供單片VGA攝像頭和影像處理器的所有功能。通過SCCB總線控制，可以輸出整幀、子采樣、取窗口等方式的各種分辨率8位影像數(shù)據(jù)。支持RawRGB、RGB(CBR4：2：2，RGB565/RGB555/RGB444)，YUV(4：2：2)和 YcbCr(4：2：2)輸出格式，支持VGA、CIF和從CIF到40*30的各種尺寸輸出。用戶可以完全控制圖像質(zhì)量、數(shù)據(jù)格式和傳輸方式，攝像頭與 STM32的連接如圖2所示。

1.4 幀緩存器AL422B

由于因為OV7670的像素時鐘最高可達24 MHz，我們用STM32F107的IO口直接抓取，是非常困難并且十分占耗CPU。本系統(tǒng)通過FIFO讀取，芯片的容量為384k字節(jié)，足夠存儲2幀QVGA的圖像數(shù)據(jù)。

1.5 ZigBee模塊

CC2530芯片是TI公司推出的嵌入式ZigBee應用的片上系統(tǒng)，其主要支持2.4GHz IEEE 802.15.4以及ZigBee協(xié)議。該芯片可以非?？焖俚厍袚Q到不同的運行模式，使得其可以應用于低功耗的相關場合。CC2530芯片還提供了32 KB、64 KB、128 KB、256 KB等四種不同的閃存，本系統(tǒng)選用128 KB的閃存。本系統(tǒng)為了有效地提高CC2530無線通訊質(zhì)量且增加通信距離，使用CC2591芯片中的RF端子作為射頻前端，射頻前端CC2591外圍電路如圖3所示。

2 軟件設計方案

2.1 攝像頭初始化及采集

攝像頭的初始化，主要是通過SCCB初始化相關IO口及配置寄存器。初始化后就要進行采集部分，本系統(tǒng)通過一個外部中斷來捕捉幀同步信號 (VSYNC)，在中斷服務程序里啟動OV7670模塊的圖像數(shù)據(jù)存儲，直到下一次VSHNC信號時就關閉數(shù)據(jù)存儲，至此完成一幀圖像存儲。在LCD實時顯示的同時開始第二幀數(shù)據(jù)的存儲，如此循環(huán)，實現(xiàn)攝像頭功能。

部分實驗代碼如下：

2.2 無線網(wǎng)絡的搭建

攝像頭節(jié)點啟動后加入ZigBee網(wǎng)絡，然后低功耗偵聽捕捉中斷，接收中斷后，完成攝像頭初始化，設置好圖像的分辨率，壓縮率以及分包大小，將圖像的大小信息發(fā)送給匯聚節(jié)點后，等待接收匯聚節(jié)點的取包命令，根據(jù)取包命令中的包ID取出相應的數(shù)據(jù)包，最后返回低功耗偵聽模式，具體流程圖如圖 4所示。

2.3 系統(tǒng)測試

匯聚節(jié)點通過USB轉(zhuǎn)串口工具連接到計算機，攝像頭節(jié)點采集到數(shù)據(jù)后，將圖像壓縮，壓縮后的數(shù)據(jù)分包發(fā)送給匯聚節(jié)點，匯聚節(jié)點通過串口發(fā)送給計算機，接收到的數(shù)據(jù)，在上位機進行圖像恢復。使用VC++6.0可以編寫一個圖像恢復工具，通過使用ImageLoad.dll動態(tài)鏈接庫可以減輕編寫多種格式圖像文件的讀寫及編碼解碼工作。將接收到的圖片數(shù)據(jù)提取出以FF D8開始，F(xiàn)F D9結束的JPEG數(shù)據(jù)流，將其放入轉(zhuǎn)換框中，點擊“開始轉(zhuǎn)換”按鈕，得到了轉(zhuǎn)換后的圖片之后，點擊“保存圖片”按鈕將圖片保存。

3 總結

測試結果表明，本系統(tǒng)通過對攝像頭的配置，很好的解決了時序問題，能夠?qū)崿F(xiàn)圖像的實時采集，并且丟包較少，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)在無線傳感網(wǎng)絡的傳輸，最后的圖像恢復效果也較為理想。在本系統(tǒng)的基礎上，可以擴展多個節(jié)點，設計信號調(diào)理電路，即可實現(xiàn)在無線傳感網(wǎng)絡中的多信息采集，應用前景廣泛。