基于STM32F107的圖像采集傳輸系統設計

摘要：設計一種基于ZigBee傳輸技術(shù)和JPEG圖像壓縮技術(shù)的圖像采集傳輸系統。以STM32F107微控制器為核心，通過(guò)攝像頭 OV7670采集到圖像后，對圖像進(jìn)行JPEG壓縮。壓縮后的數據通過(guò)ZigBee模塊傳輸到上位機，在上位機上進(jìn)行圖像恢復。該系統功耗低，工作穩定，適合用于遠程監測的圖像采集系統使用。

關(guān)鍵詞：STM32;低功耗;OV7670;CC2530

無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )是由大量具有通信和計算能力、廉價(jià)微型的傳感器節點(diǎn)通過(guò)自組織的無(wú)線(xiàn)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(luò )，在環(huán)境監測、安全監控、智能家居等領(lǐng)域有著(zhù)廣大的應用空間。通過(guò)圖像信息的分析可以精確、直觀(guān)地對目標環(huán)境實(shí)施監測。本系統通過(guò)STM32F107對攝像頭的時(shí)序控制，以及ZigBee模塊的使用，實(shí)現了圖像信息在無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )的實(shí)時(shí)采集和傳輸。

1 硬件設計方案

1.1 硬件系統結構

系統硬件部分主要由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試，SRAM用于系統的數據存儲器，Flash用于系統的程序存儲器。系統整體框圖如圖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，并且帶有一個(gè)ZigBee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )通訊接口，支持JTAG/SWD接口的調試下載，支持IAP。此芯片可以滿(mǎn)足工業(yè)、醫療、樓宇自動(dòng)化、家庭音響和家電市場(chǎng)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(guò)SCCB總線(xiàn)控制，可以輸出整幀、子采樣、取窗口等方式的各種分辨率8位影像數據。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(hù)可以完全控制圖像質(zhì)量、數據格式和傳輸方式，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(shí)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。本系統通過(guò)FIFO讀取，芯片的容量為384k字節，足夠存儲2幀QVGA的圖像數據。

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，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(guān)場(chǎng)合。CC2530芯片還提供了32 KB、64 KB、128 KB、256 KB等四種不同的閃存，本系統選用128 KB的閃存。本系統為了有效地提高CC2530無(wú)線(xiàn)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(guò)SCCB初始化相關(guān)IO口及配置寄存器。初始化后就要進(jìn)行采集部分，本系統通過(guò)一個(gè)外部中斷來(lái)捕捉幀同步信號 (VSYNC)，在中斷服務(wù)程序里啟動(dòng)OV7670模塊的圖像數據存儲，直到下一次VSHNC信號時(shí)就關(guān)閉數據存儲，至此完成一幀圖像存儲。在LCD實(shí)時(shí)顯示的同時(shí)開(kāi)始第二幀數據的存儲，如此循環(huán)，實(shí)現攝像頭功能。

部分實(shí)驗代碼如下：

2.2 無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的搭建

攝像頭節點(diǎn)啟動(dòng)后加入ZigBee網(wǎng)絡(luò )，然后低功耗偵聽(tīng)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)送給匯聚節點(diǎn)后，等待接收匯聚節點(diǎn)的取包命令，根據取包命令中的包ID取出相應的數據包，最后返回低功耗偵聽(tīng)模式，具體流程圖如圖 4所示。

2.3 系統測試

匯聚節點(diǎn)通過(guò)USB轉串口工具連接到計算機，攝像頭節點(diǎn)采集到數據后，將圖像壓縮，壓縮后的數據分包發(fā)送給匯聚節點(diǎn)，匯聚節點(diǎn)通過(guò)串口發(fā)送給計算機，接收到的數據，在上位機進(jìn)行圖像恢復。使用VC++6.0可以編寫(xiě)一個(gè)圖像恢復工具，通過(guò)使用ImageLoad.dll動(dòng)態(tài)鏈接庫可以減輕編寫(xiě)多種格式圖像文件的讀寫(xiě)及編碼解碼工作。將接收到的圖片數據提取出以FF D8開(kāi)始，FF D9結束的JPEG數據流，將其放入轉換框中，點(diǎn)擊“開(kāi)始轉換”按鈕，得到了轉換后的圖片之后，點(diǎn)擊“保存圖片”按鈕將圖片保存。

3 總結

測試結果表明，本系統通過(guò)對攝像頭的配置，很好的解決了時(shí)序問(wèn)題，能夠實(shí)現圖像的實(shí)時(shí)采集，并且丟包較少，實(shí)現了數據在無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )的傳輸，最后的圖像恢復效果也較為理想。在本系統的基礎上，可以擴展多個(gè)節點(diǎn)，設計信號調理電路，即可實(shí)現在無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )中的多信息采集，應用前景廣泛。