一種基于UART-WIFI的公路圖像采集遠(yuǎn)程報警系統(tǒng)設(shè)計*

朱伶俐，沈碧波

(1.安徽電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子工程系，安徽 蚌埠 233000; 2.安徽蚌明高速公路開發(fā)有限公司高速養(yǎng)護(hù)部)

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一種基于UART-WIFI的公路圖像采集遠(yuǎn)程報警系統(tǒng)設(shè)計*

朱伶俐1，沈碧波2

(1.安徽電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子工程系，安徽 蚌埠 233000; 2.安徽蚌明高速公路開發(fā)有限公司高速養(yǎng)護(hù)部)

摘要:介紹了一種效果直觀的圖片傳輸報警系統(tǒng)，適用于高速公路、橋梁等一些安裝護(hù)欄的公路.由于發(fā)生在高速公路的道路事故大多數(shù)伴隨著護(hù)欄碰撞，因此考慮在護(hù)欄安裝監(jiān)控裝置，利用震動傳感器獲取碰撞事故信息，從而觸發(fā)報警.系統(tǒng)利用STM32F103單片機(jī)和88W8385無線WIFI模塊的UART-WIFI接口方案，通過SDIO接口連接，實現(xiàn)串口設(shè)備接入無線網(wǎng)絡(luò)并收發(fā)數(shù)據(jù)，同時結(jié)合SIM900A模塊通過GSM/GPRS網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)文字短信的發(fā)送和上位機(jī)軟件接收圖片兩種報警方式，從而實現(xiàn)公路交通事故的實時信息獲取.

關(guān)鍵詞:震動傳感器；STM32理器； UART-WIFI模塊； 0V2640攝像頭模塊；SIM900A

針對高速公路交警部門和路況維護(hù)部門對高速公路事故信息獲取的方式存在被動性、延時性和不確定性等問題，提出一種公路圖像采集遠(yuǎn)程報警系統(tǒng).考慮到高速公路事故大多會產(chǎn)生對護(hù)欄的碰撞，本系統(tǒng)在護(hù)欄上安裝監(jiān)控裝置，利用震動傳感器獲取碰撞信號，觸發(fā)報警.本系統(tǒng)采用STM32微處理器和WIFI模塊構(gòu)成基于AP組建的基礎(chǔ)無線網(wǎng)絡(luò)(Infra)，實現(xiàn)護(hù)欄節(jié)點與控制節(jié)點之間的無線通信，將護(hù)欄節(jié)點利用攝像頭采集到的圖像傳輸?shù)娇刂乒?jié)點上，再通過控制節(jié)點上的SIM900A模塊傳到遠(yuǎn)程的上位機(jī)軟件或手機(jī)終端，同時也能夠?qū)崿F(xiàn)實時的文字短信報警.從用戶體驗方面來說，交警或道路維護(hù)部門不僅能實時獲取事故發(fā)生地址信息，也能獲取直觀的事故現(xiàn)場圖像，從而制定最佳救援方案.

1系統(tǒng)概述

系統(tǒng)整體采用三級網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，由護(hù)欄節(jié)點、控制節(jié)點和監(jiān)控平臺三部分構(gòu)成，采用WIFI和GPRS兩種網(wǎng)絡(luò)通信方式實現(xiàn)信息的傳輸，結(jié)構(gòu)如圖1：

圖1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1護(hù)欄節(jié)點

護(hù)欄節(jié)點主要包括單片機(jī)微處理器、震動傳感器、高清夜視紅外攝像頭和WIFI無線網(wǎng)絡(luò)STA站點等幾個模塊.護(hù)欄節(jié)點安裝在公路護(hù)欄上，并通過STA與控制節(jié)點的AP組建WIFI基礎(chǔ)無線網(wǎng)絡(luò)(Infra)局域網(wǎng).當(dāng)事故碰撞產(chǎn)生時，震動傳感器因為碰撞產(chǎn)生電信號，通過串口發(fā)送給微處理器，微處理器將數(shù)據(jù)包通過WIFI無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至控制節(jié)點AP，控制節(jié)點中的微處理器再通過WIFI無線網(wǎng)絡(luò)向局域網(wǎng)內(nèi)所有護(hù)欄節(jié)點發(fā)送控制命令，讓所有攝像頭同時進(jìn)行拍照并將圖片數(shù)據(jù)再次發(fā)送到控制節(jié)點.

考慮到夜晚發(fā)生事故的可能性，護(hù)欄節(jié)點上的攝像頭模塊采用的是高清夜視紅外攝像頭，可在夜晚拍攝出較清楚的事故現(xiàn)場畫面.

在此強(qiáng)調(diào)，護(hù)欄節(jié)點在安裝時需注意：獨立局域網(wǎng)內(nèi)的護(hù)欄節(jié)點攝像頭角度需事先調(diào)節(jié)好，保證該局域網(wǎng)內(nèi)的拍攝范圍全覆蓋，無死角.

1.2控制節(jié)點

控制節(jié)點包括單片機(jī)處理器、gprs/gsm無線通信模塊、WIFI無線接入點AP.控制節(jié)點AP是WIFI局域網(wǎng)的中心.控制節(jié)點位于系統(tǒng)三級網(wǎng)絡(luò)的中間層，連接兩種網(wǎng)絡(luò)：向下通過WIFI網(wǎng)絡(luò)接收護(hù)欄節(jié)點的數(shù)據(jù)，并反饋控制命令；向上利用無線通信模塊通過GPRS接入公網(wǎng)，向監(jiān)控平臺發(fā)送報警短信和事故圖片.

值得說明的是，每個護(hù)欄節(jié)點都有一個根據(jù)公路樁號規(guī)劃的地址信息，但是地址信息沒有寫入護(hù)欄節(jié)點而是寫入了該無線局域網(wǎng)內(nèi)的控制節(jié)點.每個控制節(jié)點都包含了WIFI局域網(wǎng)內(nèi)所有護(hù)欄節(jié)點的地址信息，控制節(jié)點通過來自護(hù)欄節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)包地址確定事故位置，從而將對應(yīng)于這個護(hù)欄節(jié)點的地址信息發(fā)送出去，這樣簡化了護(hù)欄節(jié)點與控制節(jié)點的通信.

此外，控制節(jié)點不包含震動傳感器，它是每個WIFI局域網(wǎng)的中心，只針對護(hù)欄節(jié)點收發(fā)信息同時向監(jiān)控平臺發(fā)送數(shù)據(jù)，因此控制節(jié)點在安裝選址的時候應(yīng)避開護(hù)欄等易產(chǎn)生碰撞的地方，可安裝在綠化帶、隔離帶或標(biāo)志牌等不易受碰撞事故影響的地方，以免造成不必要的損失.

1.3監(jiān)控平臺

本系統(tǒng)的監(jiān)控平臺分兩種，一種是接入移動網(wǎng)絡(luò)的手機(jī)終端，可直接接收文字短信，也可利用手機(jī)APP接收圖片；一種是接入互聯(lián)網(wǎng)的監(jiān)控室計算機(jī)，安裝相應(yīng)上位機(jī)軟件之后，可接收圖片.關(guān)于通過GPRS接收圖片的問題，不管是手機(jī)APP還是計算機(jī)上位機(jī)軟件，目前技術(shù)都已成熟，并且在市場上得到了良好反饋.在這里因篇幅限制，具體軟件的設(shè)計不再贅述.

2硬件設(shè)計

2.1單片機(jī)微處理器

本系統(tǒng)在護(hù)欄節(jié)點和控制節(jié)點都需要單片機(jī)處理器作為各個節(jié)點的CPU.在本系統(tǒng)中，護(hù)欄節(jié)點和控制節(jié)點的處理器均選擇STM32F103單片機(jī).STM32F103是基于ARM系列的32位CPU，時鐘頻率可達(dá)72MHZ,其內(nèi)部包含了三個USART串口模塊，可用于外接RS232標(biāo)準(zhǔn)串口模塊來收發(fā)串口數(shù)據(jù)，同時片內(nèi)集成SDIO接口，用于外接WIFI無線網(wǎng)絡(luò)控制器，實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)的收發(fā).這樣，串口數(shù)據(jù)可通過UART→STM32F103→SDIO→WIFI模塊，即UART-WIFI接口模塊[1]，實現(xiàn)在護(hù)欄節(jié)點和控制節(jié)點之間的無線收發(fā)，如圖2.

圖2　UART-WIFI接口模塊

2.2WIFI模塊

本系統(tǒng)采用臺灣環(huán)隆公司的WM-G-MR-09，即Marvell公司的88w8686模塊[2]，其內(nèi)部集成SPI和SDIO接口，工作采用IEEE802-11b/g網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，該模塊功耗低，但無線傳輸速率高，數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)到54Mbps.該模塊與STM32F103單片機(jī)通過SDIO接口相連，構(gòu)成UART-WIFI模塊.本系統(tǒng)構(gòu)建的是WIFI基礎(chǔ)無線網(wǎng)絡(luò)(Infra)局域網(wǎng)，護(hù)欄節(jié)點上的WIFI模塊為Infra的STA站點，控制節(jié)點上的WIFI模塊為AP無線接入點.

2.3攝像頭OV2640

OV2640攝像頭模塊是目前市場上評價較高的一款CMOS攝像模塊，體積小巧，支持8/10位的數(shù)字傳輸JPEG和YCBCR接口.由于該模塊可直接輸出JPEG圖像，壓縮率高(1024*768圖片可壓縮至20K左右)，壓縮后的圖像可通過GPRS/GSM網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給手機(jī)或遠(yuǎn)端監(jiān)控平臺.OV2640模塊與STM32F103相連時，采用攝像頭8bit數(shù)據(jù)模式，高8位接CPU I/O接口低8位，剩余低2位不接[3].如圖3.

圖3　OV2640模塊與STM32F103連接圖

2.4SIM900A無線GSM/GPRS模塊

SIM900A無線GSM/GPRS模塊.SIM900A模塊是SIMCOM公司推出的雙頻GSM/GPRS模塊，可接入GSM/GPRS網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)遠(yuǎn)程無線通信.本系統(tǒng)只在控制節(jié)點配有SIM900A模塊，以降低系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)成本.STM微處理機(jī)通過串口控制SIM900A，從而進(jìn)行短信和圖片的發(fā)送.

2.5震動傳感器

本系統(tǒng)震動傳感器安裝在護(hù)欄節(jié)點，當(dāng)振動傳感器模塊上壓電陶瓷時，該模塊會產(chǎn)生TTL低電平輸出給STM單片機(jī)，從而觸發(fā)報警工作模式.

2.6電源模塊

考慮到高速公路市電供電的難處，本系統(tǒng)仍然采用9V/5W太陽能電池板結(jié)合3.7V鋰電池供電方案，采用CN3063鋰電池充電管理芯片，內(nèi)部固定的充電電壓可達(dá)到恒壓4.2V，可滿足系統(tǒng)節(jié)點用電的要求，具體方案，可見參考文獻(xiàn)[4].

3系統(tǒng)工作流程

系統(tǒng)初始狀態(tài)各節(jié)點工作狀態(tài)穩(wěn)定，處于待機(jī)狀態(tài)，局域網(wǎng)連接正常.當(dāng)突發(fā)事故引發(fā)護(hù)欄碰撞時，護(hù)欄節(jié)點上的震動傳感器產(chǎn)生電壓信號發(fā)送給該節(jié)點上的單片機(jī)處理器，單片機(jī)命令該節(jié)點通過WIFI向控制節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)包.此時，控制節(jié)點根據(jù)數(shù)據(jù)包來源確定事故地址(即公路樁號)，并通過GSM/GPRS通信模塊向監(jiān)控平臺發(fā)送報警文字短信，短信內(nèi)容包括事故發(fā)生的時間和具體位置.與此同時，控制節(jié)點再次通過WIFI向該局域網(wǎng)內(nèi)所有護(hù)欄節(jié)點發(fā)送命令，啟動局域網(wǎng)內(nèi)所有護(hù)欄節(jié)點上的攝像頭同時進(jìn)行拍照，并再次通過WIFI將圖片數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇刂乒?jié)點，并通過控制節(jié)點上的無線通信模塊傳輸?shù)奖O(jiān)控平臺.這樣監(jiān)控平臺能及時獲取事故的多方位、多角度的現(xiàn)場圖片.

考慮到一次事故的多次碰撞可能性，系統(tǒng)設(shè)置屏蔽功能和自動重拍功能.單個護(hù)欄節(jié)點只接收n秒內(nèi)的第一次碰撞，控制節(jié)點也只在n秒內(nèi)發(fā)送第一次碰撞的文字短信報警信息.在各護(hù)欄節(jié)點第一次拍照結(jié)束并發(fā)送圖片之后，攝像頭會在n秒后自動進(jìn)行第二次拍照并發(fā)送，再次經(jīng)過T時間后若無碰撞產(chǎn)生，則各節(jié)點進(jìn)入待機(jī)狀態(tài).(n和T可根據(jù)各條公路實際要求設(shè)置)

4結(jié)束語

本文主要從硬件結(jié)構(gòu)方面介紹一種基于UART-WIFI與GPRS的公路圖像采集遠(yuǎn)程報警系統(tǒng)，系統(tǒng)通過護(hù)欄節(jié)點上的震動傳感器和攝像頭采集事故信息，然后將數(shù)據(jù)包通過UART-WIFI接口模塊傳給控制節(jié)點處理器，控制節(jié)點再通過GSM/GPRS模塊將圖片數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h(yuǎn)端監(jiān)控平臺上.該系統(tǒng)能夠?qū)⑹鹿市畔崟r、準(zhǔn)確、直觀地發(fā)送到監(jiān)控平臺，能夠直觀反饋事故現(xiàn)場圖像信息.該系統(tǒng)目前已經(jīng)在部分高速公路上測試成功，具有廣闊的應(yīng)用前景.

參考文獻(xiàn)：

[1]潘琢金,李冰,羅振,楊華.基于STM32的UART-WIFI模塊的設(shè)計與實現(xiàn)[J].制造業(yè)自動化,2015(07):127-130.

[2]楚景景.基于88w8686Wi-Fi模塊實現(xiàn)嵌入式終端的圖像傳輸研究[D].北京:北京郵電大學(xué),2015.

[3]王建,梁振濤,鄭文斌,劉志軍.STM32和OV2640的嵌入式圖像采集系統(tǒng)設(shè)計[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用,2014(09):46-48.

[4]朱伶俐,沈碧波.基于SIM900A的高速公路遠(yuǎn)程報警系統(tǒng)設(shè)計[J].通化師范學(xué)院學(xué)報,2015(04):4-6.

(責(zé)任編輯:王前)

A Remote Alarm System for Highway Image Acquisition Based on UART-WiFi

ZHU Ling-li1, SHEN Bi-bo2

(1.AnhuiVocationalcollegeofElectronics&InformationTechnology,Bengbu,Anhui233000,China;2.AnhuiclamMingExpresswayDevelopmentCo.,Ltd.,Bengbu,Anhui233000,China)

Abstract:In this paper, a visual image transmission alarm system is established. It is applicapable to the safe protective railing of expressway and bridge. The vibration sensor is used for getting accident information. The STM32f1032 SCM and 88W8385 wireless wifi UART-WIFI are used. Serial device to achieve access to the wireless network and send and receive data according to SDIO. At the same time, SIM900A is used for achieving text message sending and picture receiving.

Key words：vibration sensor；STM32； UART-WIFI； 0v2640 camera；SIM900A

DOI:10.13877/j.cnki.cn22-1284.2016.06.001

*收稿日期：2016-02-18

作者簡介：朱伶俐，女，安徽阜陽人，教師.

中圖分類號：TP393

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1008-7974(2016)03-0001-03