STM32的GPRS農(nóng)田多點(diǎn)圖像傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：設(shè)計(jì)了基于32位STM32F103VET6微控制器的農(nóng)田多點(diǎn)圖像傳輸系統(tǒng)，重點(diǎn)介紹了其軟件和硬件的設(shè)計(jì)過程。在Visual C++6.0平臺(tái)，運(yùn)用Windows socket編寫PC端多線程的服務(wù)器程序，對(duì)農(nóng)田多個(gè)位置的監(jiān)測(cè)終端設(shè)備進(jìn)行圖像傳輸、接收和存儲(chǔ)。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了圖像從監(jiān)測(cè)端到PC服務(wù)器的傳輸和保存等功能。農(nóng)田測(cè)試結(jié)果表明，該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，圖像傳輸速度較快。

引言

農(nóng)田圖像的監(jiān)測(cè)和傳輸對(duì)于農(nóng)田管理具有指導(dǎo)意義，其中的農(nóng)田作物圖像含有的信息量大、形象直觀，對(duì)農(nóng)田合理和高效管理起著重要作用，因此研究該項(xiàng)技術(shù)十分必要。傳統(tǒng)的農(nóng)田作物圖像傳輸往往利用總線結(jié)構(gòu)或以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)等有線方式進(jìn)行圖像傳輸，光纖常用于遠(yuǎn)距離的圖像傳輸，這些有線的圖像傳輸方式都不靈活，而且在許多條件惡劣的地方，由于農(nóng)田需要監(jiān)控的區(qū)域廣、監(jiān)控的農(nóng)田作物繁多，需要花費(fèi)大量人力、物力。隨著圖像處理和移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)的快速發(fā)展，無線的圖像傳輸方式得到技術(shù)人員的青睞。GPRS網(wǎng)絡(luò)具有時(shí)刻在線、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)成熟、以流量計(jì)費(fèi)等優(yōu)點(diǎn)，可根據(jù)用戶需要進(jìn)行農(nóng)田作物圖像數(shù)據(jù)量間歇地傳輸。SIM900A模塊是面向中國的GPRS模塊，具有雙頻信號(hào)。根據(jù)GPRS技術(shù)特點(diǎn)，結(jié)合農(nóng)田圖像多監(jiān)測(cè)點(diǎn)的需求，研究和設(shè)計(jì)了基于SIM900A模塊和STM32F103VET6微控制器的農(nóng)田多點(diǎn)圖像傳輸系統(tǒng)，結(jié)合網(wǎng)絡(luò)套接字通信軟件技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)農(nóng)田多點(diǎn)圖像的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和圖片的本地存儲(chǔ)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

多點(diǎn)圖像傳輸系統(tǒng)以STM32微控制器為主控芯片，結(jié)合網(wǎng)絡(luò)套接字通信軟件技術(shù)，實(shí)現(xiàn)圖像處理壓縮和遠(yuǎn)程傳輸兩大功能。本設(shè)計(jì)用STM32F103VET6(以下簡(jiǎn)稱STM32)芯片控制CMOS圖像傳感器OV2640獲取圖像，OV2640能夠通過硬件電路實(shí)現(xiàn)JPEG壓縮算法，在不影響作物觀測(cè)效果的前提下減小了圖像數(shù)據(jù)量，為圖像的無線傳輸提供了方便。

圖像傳感器采集模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字量，通過8位并行口發(fā)送給STM32，STM32將數(shù)據(jù)發(fā)送給SIM900A，數(shù)據(jù)經(jīng)SIM900A打包成TCP/IP數(shù)據(jù)包，然后通過無線網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商的網(wǎng)關(guān)服務(wù)器，接入Internet，將采集到的圖像數(shù)據(jù)發(fā)送給服務(wù)器。本設(shè)計(jì)利用具有公網(wǎng)固定IP地址的微機(jī)作TCP服務(wù)器。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。

2 監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

通過STM32控制OV2640采集農(nóng)田圖像，并通過GPRS模塊把數(shù)據(jù)傳輸給服務(wù)器，系統(tǒng)硬件電路主要包括以下幾部分：圖像傳感器模塊、微控制器模塊、GPRS通信模塊，電源管理模塊。圖像采集由OV2640傳感器完成，負(fù)責(zé)采集農(nóng)田作物的圖像，并將模擬數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，微控制器通過8位并行數(shù)據(jù)口接收?qǐng)D像數(shù)據(jù)。GPRS通信模塊負(fù)責(zé)把微控制器發(fā)送來的圖像數(shù)據(jù)通過天線傳入Internet，電源管理模塊為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的電源。

2.1 微控制器模塊

STM32F103VET6是高性能、低功耗的32位微控制器，8 MHz的外部晶振經(jīng)倍頻后時(shí)鐘頻率可達(dá)到72MHz，豐富的外設(shè)資源、大容量的FLASH和SRAM存儲(chǔ)器可以滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，其較強(qiáng)的運(yùn)算能力可以保證大批量圖像數(shù)據(jù)快速傳輸和處理。SPI、UART等豐富的串行接口使得控制器與外部芯片數(shù)據(jù)交換更加自由靈活。STM32接口的PC0～PC7作為OV2640并行數(shù)據(jù)交換口，PA9和PA10組成的UART1作為控制OV2640的信號(hào)口使用，PA2和PA3組成的UART2與SIM900A進(jìn)行串口通信。

2.2 OV2640圖像傳感器工作原理

為了采集到清晰的農(nóng)田作物圖像，Omnivision公司的OV2640型圖像傳感器最高圖片輸出分辨率為1600×1200。此傳感器內(nèi)部集成了JPEG壓縮電路，可以通過編程實(shí)現(xiàn)原始的200萬像素圖片的JPEG壓縮，使得圖像數(shù)據(jù)量大量減少，便于GPRS網(wǎng)絡(luò)傳輸，功耗也隨之降低。

STM32通過PC0～PC7端口與OV2640的8位數(shù)據(jù)線D0～D7通信，行同步信號(hào)HREF、像素同步信號(hào)PCLK，以及場(chǎng)同步信號(hào)VSYNC和SCCB總線的SDA和SCL信號(hào)，用于對(duì)傳感器設(shè)備進(jìn)行圖像采集的過程控制。圖像傳感器接口電路設(shè)計(jì)如圖2所示，圖2中AVDD2.8V和DOVDD2.8V由3.3V電源通過LM1117—2.85芯片得到;AVDD2.8V與DOVDD2.8V通過0 Ω電阻相連，此方法減少了相互干擾，XCLK由24 MHz的有源晶振輸出提供信號(hào);DVDD1.5V由LM1117—1.5輸出得到74LVC1G00是與非門電路。

HREF是高電平有效，場(chǎng)同步信號(hào)VSYNC是低電平有效。當(dāng)引腳VSYNC為高電平時(shí)，表示一幀數(shù)據(jù)已經(jīng)準(zhǔn)備好;當(dāng)由高電平變成低電平時(shí)，表明開始傳輸一幀圖像數(shù)據(jù)。為了得到有效的像素?cái)?shù)據(jù)，需要兩個(gè)中斷信號(hào)，捕獲場(chǎng)同步VSYNC的信號(hào)送入中斷引腳PB8，捕獲HREF和PCLK的與非信號(hào)輸出到PB13中斷引腳，使得在行信號(hào)無效時(shí)不輸出像素同步信號(hào)，用其輸出信號(hào)作為像素?cái)?shù)據(jù)同步。OV2640的工作模式是由內(nèi)部寄存器確定的，其與外部的接口為SCCB總線，STM32通過PA9和PA10引腳模擬SCCB總線時(shí)序讀寫OV2640寄存器，設(shè)置其工作模式，本設(shè)計(jì)設(shè)置了輸出圖像的分辨率、亮度、格式等。STM32工作在主模式，對(duì)工作在從模式的OV2640內(nèi)部的寄存器進(jìn)行配置，配置完成后經(jīng)一段圖像采集時(shí)間后，OV2640即開始按照配置的模式工作。本設(shè)計(jì)圖像輸出格式為JPG，分辨率為640×480。

2.3 圖像處理軟件設(shè)計(jì)

圖像處理程序負(fù)責(zé)OV2640初始化配置，以便實(shí)現(xiàn)圖像的采集功能。通過檢測(cè)場(chǎng)同步信號(hào)VSYNC判斷一幀圖像的起始位置，程序中設(shè)計(jì)128個(gè)內(nèi)存單元，可以使系統(tǒng)運(yùn)行流暢。中斷程序檢測(cè)像素同步信號(hào)PCLK來采集圖像數(shù)據(jù)，當(dāng)PCLK為下降沿時(shí)，讀取D0～D7口數(shù)據(jù)，并存入內(nèi)存，等待發(fā)送信號(hào)的到來，這就完成了圖像的采集與發(fā)送。

圖像采集控制程序是基于OV2640指令集編寫的。init()函數(shù)用于設(shè)置圖片大小、通信波特率和圖片壓縮率等圖片參數(shù)，初始化的時(shí)候務(wù)必關(guān)閉串口1，start()函數(shù)用于發(fā)出拍照命令，get()函數(shù)完成獲取圖片信息的功能。

2.4 GPRS通信模塊

SIM900A是2頻的GSM/GPRS模塊，工作頻段為900 MHz或1800 MHz，采用SMT封裝，SIM900A型針對(duì)中國地區(qū)。SIM900A性能穩(wěn)定、體積小、支持標(biāo)準(zhǔn)和擴(kuò)展的AT指令。SIM900A還支持GPRS class8/class10和CS-1、CS-2、CS-3和CS-4的GPRS編碼格式，可以低功耗實(shí)現(xiàn)語音、SMS、數(shù)據(jù)的傳輸。SIM900A和STM32之間的通信主要是通過端口RXD與STM32上的UART2～TXD，TXD與UART2～RXD之間的數(shù)據(jù)交換來完成。其中，SIM900A上的UART2～TXD是發(fā)送串行數(shù)據(jù)口，UART2～RXD是接收數(shù)據(jù)口。

STM32通過AT指令和SIM900A模塊進(jìn)行通信，這些指令是以普通字符串的形式傳輸?shù)摹Ｃ總€(gè)AT命令執(zhí)行后，模塊都會(huì)反饋狀態(tài)信息，表明命令執(zhí)行的結(jié)果，方便程序員了解程序的執(zhí)行情況，要用到AT擴(kuò)展指令中的TCP/IP型。

2.5 GPRS通信模塊與SIM卡的連接

SIM卡具有5個(gè)引腳，分別為SIM卡時(shí)鐘信號(hào)、電源引腳、數(shù)據(jù)引腳、狀態(tài)引腳和復(fù)位引腳。SIM卡的電源電壓為1.8 V，SIM900A模塊對(duì)其供電。

2.6 電源管理

STM32的典型供電電壓是3.3 V，本設(shè)計(jì)采用9 V電源供電，要提供9～3.3 V電壓轉(zhuǎn)換，以LM2576-ADJ芯片為核心的電源電路可為STM32提供3.3 V的電壓。LM2576-ADJ最大可提供2 A的電流。

SIM900A模塊典型供電電壓值為4 V，天線發(fā)送信號(hào)時(shí)的瞬時(shí)最大電流可達(dá)到2 A左右，電流增大會(huì)使SIM900A電壓突降，影響系統(tǒng)穩(wěn)定性和發(fā)射功率。采用低壓差的MIC29302電源芯片和電源引腳并接大容量電容可以解決此問題，回差電壓低于0.3 V，可提供高達(dá)2.8 A左右的電流，能夠滿足SIM900A峰值電流2 A的要求，9 V電源符合其輸入電壓范圍。

3 監(jiān)測(cè)端圖像發(fā)送軟件設(shè)計(jì)

在Keil uVision4.12集成環(huán)境下，開發(fā)了監(jiān)測(cè)端圖像發(fā)送程序，首先進(jìn)行各模塊的初始化工作，使能STM32相關(guān)中斷，接著STM32控制OV2640拍照和圖片的壓縮，壓縮完成后，接著將流式數(shù)據(jù)通過8位并口存入SRAM為10 428字節(jié)的數(shù)組中。設(shè)置串口2的波特率，并將流式數(shù)據(jù)通過串口2發(fā)送至SIM900A，STM32同時(shí)控制SIM900A通過GPRS網(wǎng)絡(luò)連接TCP服務(wù)器，連接過程中首先初始化網(wǎng)絡(luò)，即激活移動(dòng)場(chǎng)景，接著查詢附著是否成功，否則手動(dòng)附著，并向Internet上具有設(shè)定IP地址的服務(wù)器通過AT+CIPSTART指令申請(qǐng)建立連接，將AT+CIPSTART指令返回的IP地址和端口號(hào)存放到一個(gè)buff中，然后將這個(gè)buff里的內(nèi)容寫入到串口2中。如果之后能夠讀取到返回值“CONNECT OK”，就表示TCP連接已經(jīng)成功建立，失敗則收到“CONNECT FAIL”;TCP連接建立成功后，設(shè)置協(xié)議為TCP，SIM900A請(qǐng)求發(fā)送。

接著使用AT+CIPSEND命令發(fā)送信息，監(jiān)測(cè)端將圖片分解成若干個(gè)數(shù)據(jù)包，按照GPRS編碼格式組建數(shù)據(jù)包，將數(shù)據(jù)包發(fā)送到服務(wù)器，需要先發(fā)送數(shù)據(jù)包頭，為了保證圖片傳送的完整性，每次在發(fā)送下一個(gè)數(shù)據(jù)包之前，需等待上個(gè)包發(fā)送成功的回復(fù)，若發(fā)送成功返回指令“OK”，否則返回“FAIL”，系統(tǒng)重新發(fā)送，以確保數(shù)據(jù)包被成功交付。

最后等圖片信息包發(fā)送完畢后，發(fā)送AT+CIP-CLOSE指令關(guān)閉連接。此AT命令沒有返回值，直接將該指令寫到串口2中，如果檢測(cè)到“CLOSE OK”信息，就表示TCP連接已經(jīng)被關(guān)閉。

服務(wù)器端的監(jiān)聽口接收TCP數(shù)據(jù)包，由于采用多線程設(shè)計(jì)，多個(gè)點(diǎn)的圖像監(jiān)測(cè)設(shè)備可以同時(shí)發(fā)送圖像數(shù)據(jù)到服務(wù)器。按程序流程給出進(jìn)行TCP傳輸時(shí)用到的AT擴(kuò)展指令和相關(guān)緩存區(qū)定義。

4 多線程的服務(wù)器端軟件設(shè)計(jì)

基于Visual C++6.0平臺(tái)開發(fā)了服務(wù)器端對(duì)話框形式的程序界面，服務(wù)器端程序設(shè)計(jì)主要運(yùn)用C/S架構(gòu)的套接字，服務(wù)器端程序主要包括3大部分：數(shù)據(jù)流接收、數(shù)據(jù)文件處理并顯示和圖片的硬盤存儲(chǔ)。主線程和用戶子線程分別承擔(dān)不同的任務(wù)：主線程負(fù)責(zé)用戶子線程的創(chuàng)建、界面事件的響應(yīng)和圖片文件存儲(chǔ)等工作。監(jiān)測(cè)子線程主要完成發(fā)送開始采集命令和與監(jiān)測(cè)端進(jìn)行通信的功能，接收完圖像信息后在界面窗口中顯示。各線程運(yùn)行時(shí)相互獨(dú)立，因此每個(gè)監(jiān)測(cè)端與服務(wù)器的數(shù)據(jù)傳輸互不影響。為了防止出現(xiàn)GPRS網(wǎng)絡(luò)連接中斷的情況，程序中采用了斷點(diǎn)續(xù)傳的補(bǔ)救方法，保證了數(shù)據(jù)傳輸過程的準(zhǔn)確和可靠性。

在單個(gè)監(jiān)測(cè)子線程設(shè)計(jì)中，首先創(chuàng)建監(jiān)聽的socket()，用于接收來自網(wǎng)絡(luò)端口的數(shù)據(jù)流，并且分配足夠大的緩沖區(qū)用于存放接收到的數(shù)據(jù)包。在圖片接收過程中，服務(wù)器接收的是分包數(shù)據(jù)流，根據(jù)數(shù)據(jù)包的包頭進(jìn)行數(shù)據(jù)包的排列，并使用校驗(yàn)位進(jìn)行數(shù)據(jù)包校驗(yàn)。當(dāng)數(shù)據(jù)包接收完成后校驗(yàn)完好性，然后將數(shù)據(jù)包保存到一個(gè)文件中，最后調(diào)用OpenCV中的庫函數(shù)完成對(duì)生成的文件進(jìn)行解碼顯示。在硬盤上按照系統(tǒng)要求的文件名建立3個(gè)文件夾，即可自動(dòng)存入3個(gè)不同地點(diǎn)的農(nóng)田圖片。監(jiān)測(cè)端程序如圖3所示，服務(wù)器端單個(gè)監(jiān)測(cè)子線程的工作流程如圖4所示。

5 系統(tǒng)測(cè)試與分析

本設(shè)計(jì)通過SCCB總線設(shè)置OV2640的圖像大小為JPEG壓縮格式，即分辨率為640×480，經(jīng)過JPEG壓縮后數(shù)據(jù)量從185 KB降低至17 KB左右。樣機(jī)制作完成后經(jīng)過多次測(cè)試，傳輸速率可達(dá)10 Kbps，傳輸中存在斷點(diǎn)情況，續(xù)傳功能發(fā)揮了作用。圖像文件發(fā)送到服務(wù)器端時(shí)間測(cè)試結(jié)果如表1所列。

結(jié)語

本文設(shè)計(jì)的基于STM32的GPRS農(nóng)田多點(diǎn)圖像傳輸系統(tǒng)，具有體積小、監(jiān)控范圍大等優(yōu)點(diǎn)，克服了現(xiàn)場(chǎng)布線成本高、環(huán)境惡劣等難題，為農(nóng)田圖像監(jiān)測(cè)和傳輸提出了一種解決方案。由于GPRS通信流量資費(fèi)、速度和網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量的限制，系統(tǒng)傳輸?shù)膱D像分辨率不是很高。隨著4G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，該系統(tǒng)的架構(gòu)很容易升級(jí)到4G網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行遠(yuǎn)程的語音、高清圖像傳輸。