基于云端的水下監(jiān)測系統(tǒng)

楊科普

摘要

本設(shè)計主要研究基于云端的水下監(jiān)測系統(tǒng)，利用無線傳輸模塊和攝像模塊采集水下的圖像，將數(shù)據(jù)通過以MT7620芯片構(gòu)建的Wi-Fi模塊傳遞到上位機(jī)中顯示，并且上位機(jī)通過Wi-Fi傳輸指令到以Cortex-M3為核心的STM32處理器來控制船體的移動。

【關(guān)鍵詞】MT7620芯片 Cortex-M3 視頻監(jiān)控

1 引言

隨著當(dāng)今社會的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)的普及，自動化、智能化產(chǎn)業(yè)越來越受人們的關(guān)注，更多的智能設(shè)備代替了人工，進(jìn)行一些危險或是高強度的工作。對于水質(zhì)勘察、水下打撈等領(lǐng)域，水下監(jiān)測系統(tǒng)的出現(xiàn)具有重要的意義。本文介紹了以stm32控制的系統(tǒng)通過Wi-Fi把由水下攝像頭拍攝到的圖像通傳輸?shù)缴衔粰C(jī)進(jìn)行視頻監(jiān)控的設(shè)計方案。

2 系統(tǒng)功能與設(shè)計

根據(jù)系統(tǒng)的要求設(shè)計下位機(jī)的數(shù)據(jù)處理、上位機(jī)的數(shù)據(jù)處理、數(shù)字信號的傳輸、模擬信號的傳輸?shù)人膫€方面，體現(xiàn)智能化、小型化等特點，其目的是在于收集水下的情況，動態(tài)拍攝水下環(huán)境等數(shù)字信息量，通過Wi-Fi通信傳輸?shù)缴衔粰C(jī)中顯示，再配合上位機(jī)通過Wi-Fi傳過來的指令控制下位機(jī)的I/O口輸出的PWM的大小，從而驅(qū)動船體的移動和攝像模塊的移動。系統(tǒng)簡單的流程如圖1。

2.1 硬件系統(tǒng)設(shè)計

硬件部分主要由無線傳輸模塊，水下攝像模塊以及MCU處理器組成。由于需要考慮水下的因素和需要傳輸大量視頻圖像，所以無線傳輸方式選用Wi-Fi傳輸，保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和時效性。而在水中攝像和地面上拍攝不一樣，對攝像相模塊的要求較高，所以我們采用了一款免驅(qū)動的USB的水下攝像頭。MCU處理器選用STM32處理器，作為下位機(jī)的核心。

2.1.1 無線傳輸模塊

對于當(dāng)前主流的無線傳輸方式都有NRF射頻傳輸，藍(lán)牙傳輸，Wi-Fi傳輸?shù)取Ｔ诒敬卧O(shè)計中我們對它們進(jìn)行了測試，得出了以下結(jié)論：NRF24L01+無線發(fā)射接收模塊在空氣最大速率1Mbps——2Mbps達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)要求。藍(lán)牙傳輸更容易收到干擾，在水中不是很穩(wěn)定。但是Wi-Fi傳輸相對來說速率更高，穩(wěn)定性更強。我們選用的是Openwrt7620路由，其主芯片MTK7620是一個高度集成的芯片。該模塊符合國際標(biāo)準(zhǔn)的802.11.b/g/n協(xié)議，采用DSSS，OFDM，DPSK，CCK和QAM基帶調(diào)制技術(shù)，最大速率可達(dá)300Mbps.

2.1.2 水下攝像模塊

攝像頭是本系統(tǒng)“眼睛”，故而要進(jìn)行水下圖像拍攝，所采用的攝像模塊的防水性和抗干擾能力要求會很強，而且為了減輕整個系統(tǒng)的重量，我們采取了一款免驅(qū)動的USB的水下攝像頭。

水下攝像頭經(jīng)過光學(xué)成像以后投影到圖像傳感器上，編碼成為數(shù)字信號送入數(shù)字信號處理器中（DSP）進(jìn)行數(shù)據(jù)的壓縮，得到的壓縮數(shù)據(jù)再通過USB協(xié)議傳輸?shù)絎i-Fi路由系統(tǒng)中去。

2.1.3 MCU模塊

本系統(tǒng)采用STM32F103C8T6處理器，工作頻率為72MHZ具有高速的時效性，具有較大的Flash和SRAM空間幾乎不會因為內(nèi)部空間不足而出現(xiàn)死機(jī)或卡頓，有37個I/O輸出口，3個通用定時器，芯片電壓為3.3V，支持全雙工串口通信，可以成功的接收上位機(jī)命令。當(dāng)其完成數(shù)據(jù)處理后通過USAR7再發(fā)送到上位機(jī)中，并且可以根據(jù)接受到的命令控制電機(jī)轉(zhuǎn)動的速率和方向。

2.2 軟件系統(tǒng)的設(shè)計

本系統(tǒng)的軟件主要涉及到兩個部分的程序設(shè)計：下位機(jī)程序的設(shè)計和上位機(jī)的設(shè)計。

2.2.1 下位機(jī)的程序設(shè)計

下位機(jī)程序主要有數(shù)據(jù)傳輸，串口通信，數(shù)據(jù)處理三部分構(gòu)成。其中串口通信是其關(guān)鍵的部分，正是由它收到命令的準(zhǔn)確性和時效性，決定了數(shù)據(jù)處理的方式和數(shù)據(jù)發(fā)送的內(nèi)容。當(dāng)命令通過串口通信發(fā)送過來，由MCU進(jìn)行信息解析，然后改變輸出PWM，從而改變電機(jī)的速率和轉(zhuǎn)動的方向。

2.2.2 上位機(jī)的程序設(shè)計

上位機(jī)由VB語言進(jìn)行編寫，其中包括界面處理和程序邏輯框架，其主要是實現(xiàn)數(shù)據(jù)的接受和發(fā)送，以及圖像的呈現(xiàn)兩部分。圖像數(shù)據(jù)通過攝像頭模塊收集，由Wi-Fi模塊把數(shù)據(jù)傳送出來，上位機(jī)開始接受數(shù)據(jù)，按照事先設(shè)好的協(xié)議進(jìn)行解析，然后把圖像清晰呈現(xiàn)在Android的APP上面，并且操作APP發(fā)送命令，下位機(jī)隨之改變。

3 系統(tǒng)調(diào)試

在編譯和下載中，我們開始完成整個系統(tǒng)的測試，將硬件部分和軟件部分結(jié)合其來，然后按照系統(tǒng)流程圖，一點點進(jìn)行編譯和下載，完成好系統(tǒng)的每一個部分，盡可能完善每一個地點，測試了設(shè)備在水下的圖像情況和在水中的靈活性，觀察圖像通信的時效性和準(zhǔn)確性，其結(jié)果滿足系統(tǒng)的主要目的，達(dá)到了數(shù)據(jù)傳輸?shù)臉?biāo)準(zhǔn)。在完成基本功能之后，我們還完善了人機(jī)交互界面。

4 結(jié)語

本文通過以Cortex-M3為核心的STM32F103C8T6處理器設(shè)計了一個基本的水下監(jiān)測系統(tǒng)。經(jīng)測試，成品基本上可以監(jiān)測淺水區(qū)水下的情況，并且隨著觀察物體移動，完成了人工的工作。相信隨著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，它在未來物聯(lián)網(wǎng)時代具有更加遼闊的前景！

參考文獻(xiàn)

[1]康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬部分/數(shù)字部分[M].北京：高等教育出版社，2006.

[2]吳杰，王冬梅.基于多波束系統(tǒng)和ADCP的水下施工動態(tài)監(jiān)測[J].長江科學(xué)院院報，2004（04）.

[3]徐亞卿，金德鵬.嵌入式移動終端內(nèi)置Wi-Fi的低功耗設(shè)計[J].微計算機(jī)信息，2008（23）.