基于Wi-Fi的便攜智能筆控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

董 輝，田 叮，彭宣聰，唐旺山，吳 祥

(浙江工業(yè)大學(xué) 信息工程學(xué)院，浙江 杭州 310023)

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的迅猛發(fā)展，正在引導(dǎo)一場深刻的信息技術(shù)革命[1-2]。近年來，Wi-Fi技術(shù)的不斷發(fā)展與進(jìn)步，以其傳輸可靠性強(qiáng)、速率高、傳輸距離遠(yuǎn)和組網(wǎng)靈活等優(yōu)點(diǎn)[3]，使其在物聯(lián)網(wǎng)中大量應(yīng)用。新的嵌入式智能產(chǎn)品會(huì)改變傳統(tǒng)產(chǎn)品的一些缺點(diǎn)，極大地方便人們的生活。便攜式智能筆主要通過筆尖的攝像頭對(duì)報(bào)紙、書刊、雜志等文檔里的文字進(jìn)行提取、摘抄存儲(chǔ)或翻譯，一般體型較小、方便攜帶，便于移動(dòng)辦公。目前，脫機(jī)智能筆具有成本高、外觀普通、功耗大、功能有限及交互能力差等缺點(diǎn)。筆者深入研究了Wi-Fi無線通訊技術(shù)，對(duì)便攜智能筆控制系統(tǒng)的軟硬件進(jìn)行了協(xié)同設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了便攜智能筆的低成本要求。

1 系統(tǒng)總體系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于Wi-Fi技術(shù)的便攜智能筆控制系統(tǒng)總體方案如圖1所示，整個(gè)系統(tǒng)主要由控制器模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、顯示模塊、遠(yuǎn)程通信模塊和電源模塊組成。

圖1 便攜智能筆控制系統(tǒng)總體方案Fig.1 General scheme of portable intelligent pen control system

控制器模塊采用STM32F103RCT6，該芯片是一款基于Cortex-M3 ARM內(nèi)核的32位微處理器。微控制器集成了許多模塊，包括存儲(chǔ)器、通訊單元和JATG等豐富的硬件資源，處理器本身具有豐富的外設(shè)模塊，使系統(tǒng)變得更加可靠穩(wěn)定[4]。遠(yuǎn)程通信模塊采用ESP-12S串口Wi-Fi模塊。數(shù)據(jù)采集模塊采用由OmniVision公司生產(chǎn)的OV7725圖像感光元件組成的高清迷你攝像頭和Risym輕觸開關(guān)，顯示模塊采用0.91 in的OLED顯示屏幕和LED顯示燈。

控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的整體功能主要有：設(shè)備通過Wi-Fi連接路由器或手機(jī)熱點(diǎn)上網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備與服務(wù)器之間的遠(yuǎn)程通訊；設(shè)備通過高清迷你攝像頭進(jìn)行圖像數(shù)據(jù)采集，通過Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)按照http post方式傳送圖像的壓縮數(shù)據(jù)到服務(wù)器端；設(shè)備通過OLED顯示屏幕顯示文字或字符，如果文字或字符數(shù)據(jù)一個(gè)屏幕顯示不完全，則屏幕進(jìn)行滾動(dòng)顯示，OLED顯示屏幕的數(shù)據(jù)來自遠(yuǎn)端的服務(wù)器；設(shè)備通過長按開關(guān)鍵實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的開機(jī)和關(guān)機(jī)；設(shè)備在正常的狀態(tài)下指示燈每隔5 s閃爍一次，如果出現(xiàn)異常情況，指示燈常亮；設(shè)備對(duì)鋰電池的電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，如果電池出現(xiàn)低壓情況，通過顯示屏幕進(jìn)行提醒和顯示；設(shè)備能夠進(jìn)行遠(yuǎn)程Wi-Fi參數(shù)配置，通過服務(wù)器與設(shè)備之間建立的連接，實(shí)現(xiàn)Wi-Fi的參數(shù)動(dòng)態(tài)配置。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

基于Wi-Fi的便攜智能筆控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。控制系統(tǒng)采用STM32F103RCT6微控制器，主要的模塊有：電源模塊、OLED屏幕顯示模塊、鋰電池電壓采集模塊、攝像頭模塊、按鍵模塊、Wi-Fi模塊和LED燈指示模塊。

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)Fig.2 System hardware structure

2.1 遠(yuǎn)程通信模塊

ESP-12S是一款專為移動(dòng)設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用設(shè)計(jì)的具有超低功耗的UART-Wi-Fi芯片，該模塊為用戶提供了高度集成的Wi-Fi SOC解決方案，可以作為從機(jī)搭載于其他主機(jī)MCU運(yùn)行[5]。系統(tǒng)采用STM32F103RCT6為主控制器，ESP-12S模塊為從機(jī)使用，將Wi-Fi模塊中的RXD和TXD引腳分別與主控芯片USART3的TXD和RXD連接，實(shí)現(xiàn)主控芯片與模塊之間的數(shù)據(jù)通信。

2.2 數(shù)據(jù)采集模塊

系統(tǒng)的數(shù)據(jù)主要通過攝像頭傳感器進(jìn)行采集，攝像頭分黑白和彩色兩種，系統(tǒng)采用CMOS攝像頭，只需提供文字圖像的灰度信息，而不必提取其彩色信息。

由于系統(tǒng)對(duì)傳感器有體積限制，對(duì)圖像分辨率要求不是高，但是對(duì)幀率要求高，因此采用了低分辨率，高幀率的攝像頭。OV7725是一款低功耗、高性能的VGA(Video graphics array，視頻圖形陣列)CMOS圖像傳感器，通過SCCB接口協(xié)議配置內(nèi)部寄存器，控制CMOS傳感器的工作方式[6]。它支持連續(xù)和隔行兩種掃描方式，VGA與QVGA兩種輸出格式，最高像素為640×480，幀速度為30 fps，數(shù)據(jù)格式包括YUV，YCrCb，RGB 3 種，滿足本系統(tǒng)對(duì)攝像頭的低分辨率、高幀率要求。實(shí)際應(yīng)用測試，攝像頭采集一幀數(shù)據(jù)的時(shí)間和分辨率能夠滿足系統(tǒng)的要求。

2.3 電源模塊

系統(tǒng)采用400 mA的鋰電池供電。鋰電池的充電電路采用TP4056芯片設(shè)計(jì)，TP4056是一款單節(jié)鋰離子電池恒流/恒壓線性充電芯片，采用底部帶散熱片的SOP8封裝以及簡單的外部應(yīng)用電路，非常適合便攜式設(shè)備應(yīng)用。LED燈D3為充電完成指示燈，當(dāng)系統(tǒng)充電完成后，LED燈亮。電容C14和C12為電壓輸入濾波電容，保證輸入電源的穩(wěn)定。引腳PROG為恒流充電電路設(shè)置，R8的阻值通過計(jì)算得到，即

(1)

式中：IBAT為1 A；在預(yù)充電階段，VPROG為0.1 V，在恒流充電階段，VPROG為1 V。TP4056設(shè)計(jì)電路圖如圖3所示。

圖3 TP4056設(shè)計(jì)電路圖Fig.3 TP4056 design circuit diagram

鋰電池不能直接向系統(tǒng)供電，需要有LDO芯片進(jìn)行穩(wěn)壓輸出，采用的LDO穩(wěn)壓芯片為RT9193-33，芯片RT9193-33為系統(tǒng)提供3.3 V的電壓輸出。LED指示燈D4為系統(tǒng)電源指示，當(dāng)系統(tǒng)電源正常供電時(shí)，D4亮；當(dāng)系統(tǒng)電源異常時(shí)，D4熄滅。芯片的EN端控制芯片是否工作，當(dāng)EN端口為低電平時(shí)，芯片停止對(duì)外輸出電壓；當(dāng)EN端口為高電平時(shí)，芯片正常對(duì)外輸出電壓，通過控制芯片的EN引腳可以控制系統(tǒng)是否開機(jī)和關(guān)機(jī)。RT9193-33設(shè)計(jì)電路如圖4所示。

圖4 RT9193-33設(shè)計(jì)電路圖Fig.4 RT9193-33 design circuit diagram

實(shí)際測試結(jié)果顯示：充電模塊輸入電源電壓范圍在-6.5～12 V之間，輸出的電壓穩(wěn)定、轉(zhuǎn)換效率高，具有過流、過溫和過壓保護(hù)功能。

2.4 顯示模塊

系統(tǒng)采用的顯示模塊為OLED顯示屏幕。OLED屏幕為自發(fā)光材料，無需用到背光板，同時(shí)具有視角廣、畫質(zhì)均勻、發(fā)光效率高和功耗低等優(yōu)點(diǎn)。本系統(tǒng)采用的OLED型號(hào)為SSD1306，屏幕尺寸為0.91 in，其中SSD1306與控制器通訊有3 種接口可以選擇，分別為6 800/8 000串口、I2C和SPI接口。

在外接3.3 V電源的實(shí)際工作測試中，正常工作的平均電流2 mA，功耗為P1=3.3 V×2 mA=0.006 6 W，滿足系統(tǒng)的低功耗的要求。由于OLED為自發(fā)光器件，在較強(qiáng)的光照環(huán)境下具有較高的對(duì)比度，適用于多種復(fù)雜工作環(huán)境。

3 軟件設(shè)計(jì)

便攜智能筆控制系統(tǒng)軟件開發(fā)基于ARM公司推出的嵌入式軟件開發(fā)工具RealView MDK，它提供了對(duì)硬件設(shè)備的調(diào)試功能和對(duì)軟件的仿真功能，包含許多經(jīng)典開發(fā)案例模板和固件實(shí)例，同時(shí)還支持多種調(diào)試接口(如UART，JTAG，JLINK等)，可大大減小軟件開發(fā)難度，縮短開發(fā)周期[7]。系統(tǒng)軟件功能如圖5所示，主要包括Wi-Fi參數(shù)配置、攝像頭數(shù)據(jù)采集、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)交互和數(shù)據(jù)顯示。

圖5 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)Fig.5 System software structure

3.1 微控制器主程序設(shè)計(jì)

微控制器上電后，先對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化，然后對(duì)攝像頭進(jìn)行參數(shù)配置，讀取微控制器內(nèi)存中的路由器賬戶和參數(shù)信息，進(jìn)行Wi-Fi聯(lián)網(wǎng)參數(shù)配置，所有參數(shù)配置完成后，系統(tǒng)進(jìn)行狀態(tài)檢測。通過ADC進(jìn)行電池電壓的實(shí)時(shí)采集，將采集到的電壓值進(jìn)行分析處理，當(dāng)采集的電壓值低于設(shè)置值時(shí)，OLED屏幕顯示電池低壓進(jìn)行提醒。當(dāng)檢測拍照按鍵按下時(shí)，系統(tǒng)啟動(dòng)攝像頭開始工作，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)采集完成后，開始?jí)嚎s處理，將壓縮后的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到服務(wù)器中。服務(wù)器向控制器發(fā)送顯示數(shù)據(jù)，微控制器通過串口中斷進(jìn)行數(shù)據(jù)接收，接收數(shù)據(jù)完畢，將數(shù)據(jù)寫入相應(yīng)的OLED寄存器中。系統(tǒng)狀態(tài)指示LED每隔5 s進(jìn)行端口狀態(tài)反轉(zhuǎn)控制，當(dāng)系統(tǒng)工作異常時(shí)，LED燈端口的狀態(tài)停止反轉(zhuǎn)。

3.2 Wi-Fi模塊通訊配置程序

ESP-12S模塊內(nèi)置32 位MCU，系統(tǒng)上電后開始初始化，設(shè)置ESP-12S模塊的工作模式、路由器連接參數(shù)、服務(wù)器的端口和IP參數(shù)。

控制器與ESP-12S模塊的參數(shù)配置通過AT指令進(jìn)行設(shè)置。微控制器通過串口向ESP-12S發(fā)送“AT+CWMODE=1”指令，將ESP-12S的工作模式設(shè)置為STA模式；發(fā)送指令“AT+CWJAP=，”；設(shè)置ESP-12S需要連接的路由器賬戶和密碼；發(fā)送指令“AT+CIPSTART=，，”；設(shè)置ESP-12S模塊所連接服務(wù)器的端口和IP地址。

ESP-12S模塊初始化和微控制初始化完成后，控制板會(huì)自動(dòng)連上設(shè)置的目標(biāo)路由器和服務(wù)器，控制板與服務(wù)器建立遠(yuǎn)程連接，通過TCP/IP的數(shù)據(jù)格式進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

3.3 數(shù)據(jù)聯(lián)網(wǎng)參數(shù)配置流程

由于沒有有效的硬件輸入設(shè)備支持，整個(gè)控制系統(tǒng)工作過程中的動(dòng)態(tài)參數(shù)配置只能通過軟件設(shè)置。系統(tǒng)工作時(shí)，由于工作的環(huán)境不同，ESP-12S模塊的路由器賬戶和密碼參數(shù)也是變化的。為了提高系統(tǒng)的通用性，系統(tǒng)的Wi-Fi參數(shù)配置采用動(dòng)態(tài)配置。首先，控制器與服務(wù)器通過默認(rèn)的路由器參數(shù)建立網(wǎng)絡(luò)連接，服務(wù)器發(fā)送“Wi-Fi ssid:{ssid}pwd:{password}”數(shù)據(jù)包給微控制器，微控制器接收到數(shù)據(jù)包后進(jìn)行解析，并提取路由器的賬戶和密碼信息，將提取的賬戶和密碼信息發(fā)送給服務(wù)器，服務(wù)器確定控制板的反饋信息后，發(fā)送確定數(shù)據(jù)包給控制板，控制板接收到確定信息后，將路由器的賬戶和密碼信息寫入內(nèi)部內(nèi)存中。系統(tǒng)參數(shù)配置成功后，關(guān)機(jī)重啟，ESP-12S模塊初始化時(shí)，系統(tǒng)會(huì)將最新設(shè)置的參數(shù)信息寫入到模塊中，模塊聯(lián)網(wǎng)參數(shù)配置成功。采用純軟件的方式進(jìn)行參數(shù)配置可以有效減少硬件成本，提高系統(tǒng)的可操作性，系統(tǒng)Wi-Fi參數(shù)配置流程圖如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)Wi-Fi參數(shù)配置流程圖Fig.6 System Wi-Fi parameter configuration flow chart

3.4 數(shù)據(jù)協(xié)議

通過互聯(lián)網(wǎng)傳送數(shù)據(jù)時(shí)，數(shù)據(jù)的每個(gè)包為1 024 Byte。由于壓縮后的一幀攝像頭圖像數(shù)據(jù)大于單個(gè)數(shù)據(jù)包傳送的最大值，所以要對(duì)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行拆包處理，為了使服務(wù)器接收到多個(gè)數(shù)據(jù)包后能進(jìn)行正確組合，每個(gè)數(shù)據(jù)包中包含該數(shù)據(jù)包在一幀圖像數(shù)據(jù)中的位置標(biāo)志信息，服務(wù)器首先提取每個(gè)數(shù)據(jù)包的位置標(biāo)志信息，然后將通過標(biāo)志進(jìn)行一幀完整數(shù)據(jù)的組合。

為了確保系統(tǒng)數(shù)據(jù)的可靠性，基于Wi-Fi的便攜智能筆控制系統(tǒng)采用基于TCP/IP協(xié)議設(shè)計(jì)的自定義通訊協(xié)議。該通信協(xié)議數(shù)據(jù)包格式如表1所示。

表1 通信數(shù)據(jù)包格式Table 1 Communication packet format 單位：Byte

3.5 圖像數(shù)據(jù)的壓縮

攝像頭采集的原始數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量較大，直接發(fā)送會(huì)給網(wǎng)絡(luò)造成很大的負(fù)擔(dān)，給系統(tǒng)造成較大的延時(shí)。為了確保數(shù)據(jù)能夠快速有效地傳送到服務(wù)器，需要對(duì)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行二值化處理，將處理后的數(shù)據(jù)壓縮后再發(fā)送到服務(wù)器，可以保證系統(tǒng)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性。

由于系統(tǒng)采用的微控制器不能進(jìn)行復(fù)雜的算法運(yùn)算，綜合考慮后，圖像采用RLE算法進(jìn)行壓縮。RLE(Run-length encoding行程編碼)壓縮算法是Windows系統(tǒng)使用的一種圖像文件壓縮方法，其基本思想是：將一掃描行中顏色值相同的相鄰像素用兩個(gè)Byte來表示，第一個(gè)Byte是一個(gè)計(jì)數(shù)值，用于指定像素重復(fù)的次數(shù)；第二個(gè)Byte是具體像素值[8-9]。編碼以(C，L)形式表示，C為數(shù)值，L為行程長度。例如對(duì)于20 個(gè)數(shù)據(jù){0,0,0,0,0,0,0,0,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1}進(jìn)行行程編碼可得{(0,8),(1,12)} 4 個(gè)單元數(shù)據(jù)。解壓縮過程可逆，可重構(gòu)為原來的數(shù)據(jù)，屬于無損壓縮，行程較短時(shí)，該編碼效率比較低。

設(shè)計(jì)采用基于改進(jìn)的RLE壓縮算法對(duì)二值化圖像進(jìn)行壓縮處理。改進(jìn)的RLE壓縮算法對(duì)二值化圖像進(jìn)行壓縮的過程是：利用單個(gè)Byte表示像素值和該像素值長度信息，Byte的最高位(第7 位)記錄二值化圖像的像素信息，1表示二值化圖像的白色點(diǎn)，0表示二值化圖像的黑色點(diǎn)，剩余6 位記錄該像素的長度信息，如果長度大于一個(gè)Byte所能記錄的最長信息長度，則增加Byte記錄像素信息。對(duì)不同尺寸的二值化圖像進(jìn)行壓縮，壓縮率如表2所示。

表2 圖像壓縮效果Table 2 Image compression effect

系統(tǒng)采用改進(jìn)的RLE壓縮算法對(duì)二值化圖像進(jìn)行壓縮處理后再發(fā)送到服務(wù)器，可以有效解決數(shù)據(jù)傳輸過程中的延時(shí)性問題。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

筆者設(shè)計(jì)的便攜智能筆硬件如圖7所示。

圖7 便攜智能筆硬件Fig.7 The hardware of portable intelligent pen

按下控制板上的拍照按鍵將采集到的圖像數(shù)據(jù)壓縮處理后發(fā)送到服務(wù)器，服務(wù)器對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行解壓和解析，并同步顯示。圖8為服務(wù)器顯示的部分字符數(shù)據(jù)。服務(wù)器正常顯示圖像后，會(huì)將解析后的數(shù)據(jù)發(fā)送至控制板，控制板上的OLED屏幕顯示相應(yīng)數(shù)據(jù)。

圖8 服務(wù)器上顯示的字符Fig.8 Characters displayed on the server

該智能筆對(duì)英文字符的中文翻譯如圖9所示，服務(wù)器根據(jù)不同的需求和場合，將相應(yīng)的解析數(shù)據(jù)發(fā)送到控制板。采用這種方式，在硬件不變的前提下，服務(wù)器只需要對(duì)發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行修改，大大提高了系統(tǒng)通用性，也降低了硬件成本。

圖9 控制板屏幕顯示Fig.9 Control panel screen display

市場上常見的智能筆是通過硬件存儲(chǔ)芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)保存，通過輸出接口讀出數(shù)據(jù)[10]，這種方式使得系統(tǒng)的硬件成本較高。目前市場上具有同樣功能的智能筆的價(jià)格在600 元左右，而筆者所設(shè)計(jì)的便攜智能筆控制系統(tǒng)的成本不足100 元，滿足市場對(duì)低成本的要求。測試表明：筆者所設(shè)計(jì)的便攜智能筆控制系統(tǒng)具有較好的通用性，只需要進(jìn)行軟件方面的調(diào)整，就可以應(yīng)用于不同語言的文字翻譯。

5 結(jié) 論

Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸由于其傳輸速度快、可靠性高、組網(wǎng)成本低，將會(huì)是無線數(shù)據(jù)采集的發(fā)展趨勢。筆者設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)基于OV7725和Wi-Fi技術(shù)的便攜智能筆控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)軟件運(yùn)行在Windows平臺(tái)上，以STM32F103RCT6微控制器為硬件平臺(tái)，通過OV7725采集原始圖像數(shù)據(jù)，微控制器對(duì)圖像進(jìn)行壓縮，利用Wi-Fi技術(shù)和TCP/IP數(shù)據(jù)協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，0.91 in的OLED屏幕對(duì)服務(wù)器發(fā)送給控制板的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示。通過微控制器的內(nèi)存實(shí)現(xiàn)對(duì)Wi-Fi聯(lián)網(wǎng)路由器賬戶和密碼參數(shù)的動(dòng)態(tài)配置，系統(tǒng)整體工作穩(wěn)定、高效。系統(tǒng)通用性較強(qiáng)，硬件成本較低，具有較好的應(yīng)用前景。