廣告屏受沖擊時的現(xiàn)場實時抓拍系統(tǒng)設計※

陳章，江劍

(南京理工大學 機械工程學院，南京 210094)

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廣告屏受沖擊時的現(xiàn)場實時抓拍系統(tǒng)設計※

陳章，江劍

(南京理工大學 機械工程學院，南京 210094)

摘要:針對廣告屏受沖擊時現(xiàn)場情況無法獲悉的缺點，設計了一種廣告屏受沖擊時現(xiàn)場的實時抓拍系統(tǒng)。系統(tǒng)由加速度傳感器、攝像頭OV2640、SD卡、以太網(wǎng)控制器、以太網(wǎng)接口、路由器和STM32F103ZET6微控制器構成?？筛鶕?jù)沖擊強度實時抓拍現(xiàn)場情況，將照片信息存入SD卡中，并通過以太網(wǎng)實時上傳給監(jiān)控中心。該系統(tǒng)具有成本低、實時性強、穩(wěn)定可靠等優(yōu)點。

關鍵詞:廣告屏；抓拍系統(tǒng)；以太網(wǎng)；STM32F103ZET6；OV2640；μIP；DCMI

引言

隨著網(wǎng)絡和電子技術的快速發(fā)展，加速度傳感器在感受到?jīng)_擊以后，可通過微控制器將攝像頭拍攝的JPEG格式照片存入SD卡，隨后通過網(wǎng)絡傳至監(jiān)控中心，這不僅使廣告屏監(jiān)控擺脫了傳統(tǒng)網(wǎng)絡視頻監(jiān)控的缺點，而且滿足了監(jiān)控方對廣告屏受沖擊現(xiàn)場實時抓拍的迫切需要。

1系統(tǒng)總體方案和可行性分析

針對傳統(tǒng)的廣告屏受沖擊時現(xiàn)場情況無法獲悉的缺點，設計了一種廣告屏受沖擊現(xiàn)場實時抓拍系統(tǒng)。系統(tǒng)總體框架如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)總體框架圖

系統(tǒng)采用以下設計方案：該系統(tǒng)的加速度傳感器時刻檢測加速度值，當廣告屏受到?jīng)_擊所產(chǎn)生的加速度值高于設定的閾值時，啟動圖像采集模塊進行拍照。戶外廣告屏讀取攝像頭傳來的數(shù)據(jù)，獲取到完整照片數(shù)據(jù)之后，將照片保存在SD卡中。當保存完一定數(shù)量的照片到SD卡后停止拍照，再從SD卡中讀取照片數(shù)據(jù)，通過網(wǎng)絡發(fā)送給遠程監(jiān)控中心。遠程監(jiān)控中心根據(jù)自定義協(xié)議獲得照片數(shù)據(jù)，照片實時顯示在監(jiān)控窗口中，并將照片和時間信息保存在硬盤中，便于隨時查看。

2系統(tǒng)硬件設計

系統(tǒng)硬件設計包括微控制器、電源模塊、加速度傳感器模塊、攝像頭模塊、SD卡、以太網(wǎng)控制器、以太網(wǎng)接口幾部分。硬件設計總體框圖如圖2所示。

圖2　硬件設計總體框圖

2.1微控制器

系統(tǒng)的微控制器選用ST公司的STM32F103ZET6(以下簡稱STM32)，具有512 KB的Flash和64 KB的SRAM，主頻達72 MHz,這些資源使得該微控制器非常適合快速處理數(shù)據(jù)[3-4]。對于一幀像素為640×480的清晰的JPEG格式照片，按50∶1比例壓縮，數(shù)據(jù)部分大小一般為45 KB，因此為了配合照片大小，開辟50 KB的內(nèi)存空間給照片使用。

2.2加速度傳感器

加速度傳感器選用ADI公司生產(chǎn)的一款三軸、數(shù)字輸出的加速度傳感器ADXL345。采用官方推薦的I2C總線方式通信，靈敏度高達3.9 mg/LSB，功耗低且體積小，加速度最大量程為±16g[5-6]。為了將碰撞產(chǎn)生的沖擊和輕微振動以及搖晃區(qū)分開，經(jīng)過試驗，本系統(tǒng)設計加速度超過15g則視為發(fā)生沖擊，滿足實際需求。ADXL345加速度傳感器的硬件電路如圖3所示。與微控制器相連的I2C網(wǎng)絡標號為IIC_SDA和IIC_SCL，上拉電阻為4.7 kΩ。加速度傳感器的SDO/ADDR引腳接高電平，則器件讀寫地址為0x3B、0x3A。

圖3　ADXL345硬件電路圖

2.3以太網(wǎng)控制器與接口

以太網(wǎng)控制器芯片選用ENC28J60，該芯片是帶有標準串行外設接口(SPI)的獨立以太網(wǎng)控制器。通過SPI與微控制器的通信傳輸速率高達10 Mb/s，自身帶有MAC層和PHY層[7-9]。

因為該芯片內(nèi)部沒有硬件協(xié)議棧，需要微控制器嵌入軟協(xié)議棧。由于μIP協(xié)議棧代碼非常少，其協(xié)議棧代碼不到6 KB，方便閱讀和移植，且占用的內(nèi)存數(shù)非常少，其硬件處理層、協(xié)議棧層和應用層共用一個全局緩存區(qū)，不存在數(shù)據(jù)的拷貝，極大地節(jié)省了空間和時間，而且不需要操作系統(tǒng)的支持，因此本系統(tǒng)采用輕量級的軟件協(xié)議棧μIP。

以太網(wǎng)控制器硬件電路圖如圖4所示。

圖4　以太網(wǎng)控制器硬件電路圖

以太網(wǎng)控制器選用25 MHz晶振提供時基。與微控制器進行SPI通信的接口網(wǎng)絡標號為NET_CS、NET_SCK、NET_MISO、NET_MOSI。2個LED狀態(tài)燈控制線，用于控制顯示RJ45接口上的LED燈狀態(tài)。差分信號線為TPIN+、TPIN-、TPOUT+、TPOUT-,與RJ45對應的信號線相連。

以太網(wǎng)RJ45接口選用HanRun的HR911105A，帶有2個LED燈和1∶1網(wǎng)絡變壓器，抗干擾能力強,能夠實現(xiàn)長距離的高速網(wǎng)絡傳輸。

以太網(wǎng)RJ45接口電路圖如圖5所示。RJ45接口中的信號線網(wǎng)絡標號為TPOUT+、TPOUT-、TPIN+、TPIN-，與以太網(wǎng)控制器的對應引腳相連。

圖5　RJ45接口硬件電路圖

2.4攝像頭模塊

攝像頭選用OV2640模塊，OV2640是OV公司生產(chǎn)的1/4寸的CMOS UXGA( 1632×1232)圖像傳感器。該傳感器體積小、工作電壓低，通過SCCB總線控制。其高靈敏度、低電壓適合嵌入式應用。用戶可以完全控制圖像質量數(shù)據(jù)格式和傳輸方式，支持多種輸出格式。

采用標準的數(shù)字攝像頭接口(DCMI)使數(shù)據(jù)采集速度比串口攝像頭快得多。支持圖片壓縮，即可直接輸出JPEG圖像數(shù)據(jù)，得到的圖片數(shù)據(jù)量較小，有助于實現(xiàn)網(wǎng)絡傳輸?shù)膶崟r性[10]。攝像頭模塊接口電路略——編者注。

OV2640攝像頭模塊的初始化需要用到SCCB總線控制，分別為SIO_CLK和SIO_DAT 2條信號線。采用模擬數(shù)字攝像頭接口(DCMI)時序的方式采集數(shù)據(jù)，其過程需要用到D0～D7、PCLK、VSYNC、HREF信號線。

2.5SD卡模塊

SD卡模塊有成熟的SPI 協(xié)議來實現(xiàn)與STM32的連接，很容易實現(xiàn)與STM32 的數(shù)據(jù)交互傳遞[11]。選用金士頓容量8 GB的SD卡用于板上存儲照片數(shù)據(jù)。在網(wǎng)絡傳輸照片時它是照片提供方，拍照和網(wǎng)絡傳輸過程分割開，使得實時性更高、傳輸更加穩(wěn)定。本系統(tǒng)采用SPI模式驅動SD卡，最高通信速率達到18 Mbps,每秒可傳輸數(shù)據(jù)2 MB以上。

3系統(tǒng)軟件設計

圖6　系統(tǒng)軟件設計流程圖

該系統(tǒng)要實現(xiàn)感受沖擊后進行拍照的功能，在軟件設計上經(jīng)過以下幾個階段：①系統(tǒng)初始化，主要初始化ADXL345加速度傳感器、OV2640攝像頭、SD卡;②感受到?jīng)_擊后采集像素數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)保存到SD卡中;③讀取SD卡中照片數(shù)據(jù)，將照片數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡發(fā)送給監(jiān)控中心。系統(tǒng)軟件設計流程圖如圖6所示。其中3 s定時器是為防止拍照出現(xiàn)異常而設置的，60 s定時器用于設置拍照總時長。

3.1系統(tǒng)初始化

3.1.1攝像頭OV2640相關初始化

STM32通過SCCB總線初始化攝像頭OV2640。硬件復位之后，STM32通過SCCB讀取攝像頭的ID，檢驗通信是否正常，然后配置攝像頭輸出640×480大小的JPEG圖片，配置攝像頭亮度、曝光度和壓縮比，配置STM32的中斷引腳。

3.1.2加速度傳感器ADXL345相關初始化

STM32通過I2C總線初始化加速度傳感器。首先初始化STM32的I2C接口，讀取ID檢驗通信是否正常，然后配置數(shù)據(jù)輸出頻率為100 Hz，配置13位全分辨率，數(shù)據(jù)右對齊，量程為16g。配置中端映射引腳，設置活動閾值為15g,使能Z軸活動中斷，最后校準。

3.1.3SD卡相關初始化

STM32通過SPI總線初始化SD卡。首先初始化STM32的SPI接口，通過SPI接口按初始化序列初始化SD卡，查看顯示存儲空間、申請空間等。

3.2數(shù)據(jù)保存到SD卡過程

模擬數(shù)字攝像頭接口(DCMI)的時序采集像素數(shù)據(jù)的過程是在VSYNC中斷和PCLK中斷中進行的。VSYNC中斷處理流程圖如圖7所示。

圖7　VSYNC中斷處理流程圖

PCLK處理流程為：PCLK中斷開啟后，一旦進入了PCLK中斷，同時HREF引腳為高電平時，就將像素數(shù)據(jù)保存到事先開辟的緩存中。

當采集完一幀圖像數(shù)據(jù)之后，開始將數(shù)據(jù)寫入SD卡中，SD卡以512字節(jié)為一個扇區(qū)，將數(shù)據(jù)以512字節(jié)為一個單位寫入到SD卡中，每存完一幀圖像數(shù)據(jù)，需要在其后存入4字節(jié)的結束符，以便與下一幀圖像數(shù)據(jù)分割開。此部分算法流程在系統(tǒng)軟件設計流程圖中已體現(xiàn)。

3.3將照片數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡發(fā)送給監(jiān)控中心

系統(tǒng)通過TCP/IP協(xié)議將SD卡中存儲的照片數(shù)據(jù)上傳給監(jiān)控中心。由于ENC28J60不帶有協(xié)議棧，因此用STM32嵌入μIP實現(xiàn)軟協(xié)議棧。通過μIP主動發(fā)送數(shù)據(jù)方式有2種：①先發(fā)送一個數(shù)據(jù)包，收到ACK之后發(fā)送下一個數(shù)據(jù)包，以此循環(huán)，直到數(shù)據(jù)發(fā)完；②通過輪詢方式，利用μIP的周期定時器到時輪詢來發(fā)送數(shù)據(jù)。若采用方式①，一個ACK包需要200 ms，無法保證實時性。因此選用方法②，將周期定時器設置為10 ms，則10 ms發(fā)送一次數(shù)據(jù)包，這樣同時保證了數(shù)據(jù)的可靠性和實時性。

網(wǎng)絡發(fā)送照片數(shù)據(jù)之前需要從SD卡中讀取照片數(shù)據(jù),系統(tǒng)軟件設計流程圖中的網(wǎng)絡發(fā)送照片數(shù)據(jù)流程圖如圖8所示。

圖8　網(wǎng)絡發(fā)送照片數(shù)據(jù)流程圖

網(wǎng)絡發(fā)送一幀照片數(shù)據(jù)的流程為：以結束符為分隔，當從SD卡讀取完一幀照片數(shù)據(jù)后。首先判斷一幀照片數(shù)據(jù)是否發(fā)送完，若未發(fā)送完，將接下來的1 460個數(shù)據(jù)存入μIP發(fā)送緩存中，不足1 460字節(jié)按1 460字節(jié)存入。若沒有照片數(shù)據(jù)需要發(fā)送,則將4字節(jié)結束符存入μIP發(fā)送緩存中。當μIP定時周期到時，在輪詢中發(fā)送μIP緩存數(shù)據(jù)至監(jiān)控中心。

編者注——論文部分程序見本刊網(wǎng)站www.mesnet.com.cn。

4實驗與分析

實驗結果表明，系統(tǒng)使用STM32F103ZET6作為微控制器，成本低、穩(wěn)定性好。充分利用微控制器主頻快速的特點，采用模擬數(shù)字攝像頭接口(DCMI)時序的方式采集圖像，圖像清晰，效果不遜于STM32F4系列芯片所采集圖像。

采用拍照后先存儲再傳輸?shù)姆绞?，將存儲和傳輸分隔開，提高了系統(tǒng)拍照的實時性。采用ENC28J60和μIP協(xié)議棧的方式實現(xiàn)網(wǎng)絡傳輸，網(wǎng)絡傳輸穩(wěn)定性好。μIP采用到時輪詢的方式發(fā)送數(shù)據(jù)，縮短了μIP周期定時器周期值，提高了μIP連續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)的速度。該系統(tǒng)受到TCP/IP協(xié)議自身限制，傳輸照片不宜過大，系統(tǒng)采用JPEG(640×480)格式照片，滿足實際需求。

結語

本文設計了一種廣告屏受到?jīng)_擊時實時抓拍事故現(xiàn)場的系統(tǒng)。采用STM32F103ZET6作為微控制器，使系統(tǒng)在滿足可靠性、穩(wěn)定性和實時性的前提下降低了系統(tǒng)的成本。該系統(tǒng)徹底擺脫了傳統(tǒng)的網(wǎng)絡視頻監(jiān)控在廣告屏監(jiān)控上應用的缺點，解決了廣告屏受沖擊事故現(xiàn)場無法及時記錄的問題，增強了戶外廣告屏的適應能力，能有效減小戶外廣告屏受沖擊后造成的經(jīng)濟損失，對戶外液晶動態(tài)廣告屏的推廣和發(fā)展有重要意義。在現(xiàn)有基礎上，可對廣告屏沖擊時拍照速率做進一步研究和優(yōu)化。

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陳章(碩士),研究方向為機械電子工程;江劍(副教授),研究方向為測控技術及儀器、計算機控制技術、圖像處理及識別。

Scene Real-time Capture System When Advertising Screen Impacted※

Chen Zhang,Jiang Jian

(College of Mechanical Engineering,Nanjing University of Science and Technology,Nanjing 210094,China)

Abstract：Aiming at the defect that the scene condition can not be informed when the advertising screen is impaceted,a scene real-time capture system is designed.The system is composed of acceleration sensor,camera OV2640,SD card,ethernet controller,ethernet interface,router and microprocessor STM32F103ZET6.The system can capture the scene condition according to the impact strength in real-time,then stores the photoes into the SD card,and transmits the pictures to the monitoring center through Ethernet.The system has the advantages of low cost,strong real-time,good stability and reliability.

Key words:advertising screen;capture system;Ethernet;STM32F103ZET6;OV2640;μIP;DCMI

收稿日期：(責任編輯：楊迪娜2015-08-04)

中圖分類號:TP23

文獻標識碼:A