基于STM32微控制器的Wi-Fi圖傳系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

陳朋誼，房宇佳，甘偉鵬，邵萬(wàn)鵬，王 燕，夏思雨，阮偉華，王海鵬

（三江學(xué)院 電子信息工程學(xué)院，江蘇 南京210012）

近年來(lái)隨著人工智能的火熱，在圖像識(shí)別的方向也有了長(zhǎng)足的進(jìn)步，有越來(lái)越多的成熟物體檢測(cè)和識(shí)別的模型。而對(duì)于微控制器這種級(jí)別的芯片如果想要實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的識(shí)別和大量的計(jì)算，目前來(lái)說(shuō)很難實(shí)現(xiàn)，但是通過(guò)圖像無(wú)線傳輸?shù)姆椒▽⑽⒖刂破骱陀?jì)算能力強(qiáng)大的設(shè)備結(jié)合起來(lái)，即由本地采集圖像，然后通過(guò)無(wú)線Wi-Fi將圖像數(shù)據(jù)傳輸給計(jì)算機(jī)[1]，在計(jì)算機(jī)端進(jìn)行復(fù)雜的識(shí)別運(yùn)算算法，再將算法處理結(jié)果通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)轿⒖刂破?，最后再由微控制器做出決策。在這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，圖像的傳輸具有極其重要的作用：第一，圖像的傳輸技術(shù)能夠采集具有高清晰度的圖像，這樣可以提高識(shí)別的準(zhǔn)確度；第二，更快的傳輸速度可以使計(jì)算終端接收幀率更高的圖像，提升識(shí)別速度和實(shí)時(shí)性。所以圖像傳輸和人工智能的結(jié)合在未來(lái)將大有潛力。

在無(wú)人機(jī)中經(jīng)常可以看到圖像傳輸（簡(jiǎn)稱“圖傳”）系統(tǒng)的身影[2]，而圖傳系統(tǒng)在安防系統(tǒng)中的地位更是舉足輕重。在移動(dòng)的嵌入式設(shè)備上很多時(shí)候也需要將圖像傳輸?shù)狡渌K端上，以便觀察或者完成其他的操作[3-10]，本文提出并設(shè)計(jì)一種基于Wi-Fi無(wú)線傳輸?shù)牡统杀緢D傳系統(tǒng)。

1 設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1.1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

圖1 所示為整個(gè)原型系統(tǒng)框圖，主要包括兩端，是圖像的采集和發(fā)送端，其中包含攝像頭模塊（OV2640），負(fù)責(zé)圖像的采集和壓縮。微控制MCU（STM32F407ZGT6）用來(lái)接收攝像頭模塊發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)[6]，并將數(shù)據(jù)通過(guò)SPI接口傳輸?shù)絎i-Fi模塊。Wi-Fi模塊（ALK8266）轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)到圖像的接收端，也可轉(zhuǎn)發(fā)另一端消息MCU，另一端圖像接收端用來(lái)查看Wi-Fi發(fā)送過(guò)來(lái)的圖像，這一端是終端接收設(shè)備，可以是一臺(tái)電腦或者手機(jī)，并運(yùn)行上位機(jī)軟件或者瀏覽器。

圖1 基于STM32微控制器的Wi-Fi圖傳原型系統(tǒng)框圖

1.2 軟件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

整個(gè)系統(tǒng)采用由下而上開(kāi)發(fā)的順序，如圖2所示。軟件開(kāi)發(fā)總體分成四層結(jié)構(gòu)，首先要確定最底層的硬件接口，保證所有接口合理分配并和MCU資源接口匹配，例如Wi-Fi模塊需要串行外設(shè)接口（SPI）方式通信，不可以隨意分配端口。上一層需要完成底層驅(qū)動(dòng)的編寫，初始化所有外設(shè)，使MCU控制所有外設(shè)模塊。再上一層就需要完成2個(gè)部分的內(nèi)容，一個(gè)是對(duì)于Wi-Fi模塊中TCP/IP協(xié)議棧配置[7]，另一個(gè)是對(duì)于圖像數(shù)據(jù)的采集和存儲(chǔ)。頂層為應(yīng)用層，主要負(fù)責(zé)完成發(fā)送圖像到其他終端，由于需要發(fā)送圖像到瀏覽器，所以包含WEB服務(wù)器的實(shí)現(xiàn)。

圖2 基于STM32微控制器的圖傳原型系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)順序框圖

1.3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)及流程

首先對(duì)核心板通電，燒錄測(cè)試代碼，觀察到核心板上綠色LED燈進(jìn)行閃爍。實(shí)物效果如圖3所示，通過(guò)串口查看獲取到的圖像數(shù)據(jù)。最終檢測(cè)Wi-Fi模塊，通電啟動(dòng)后查看Wi-Fi模塊狀態(tài)指示燈是否正常，供電電壓是否達(dá)到3.3V，通過(guò)連接熱點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送，串口打印接收到的數(shù)據(jù)。

圖3 圖傳系統(tǒng)整體實(shí)物圖

連接好各模塊后，就可以將圖像數(shù)據(jù)通過(guò)TCP服務(wù)器發(fā)送到連接上的客戶端。圖像發(fā)送的格式為JPEG格式，這是一種壓縮后的圖像格式，JPEG圖像以二進(jìn)制打開(kāi)會(huì)看到編碼是以0XFF、0XD8開(kāi)頭，以0XFF、0XD9結(jié)尾，通過(guò)編寫函數(shù)來(lái)查找特定開(kāi)頭和結(jié)尾的十六進(jìn)制數(shù)，就可以得到寫入SRAM中一幅完整JPEG圖像的開(kāi)頭地址和數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度，特別需要注意的是在向?yàn)g覽器每次發(fā)送圖片之前都要加入如下幀頭：

" --camera "

"Content-Type:image/jpeg "

"Content-Length:"+ ＂jpeg_data_len＂+" "

需要注意參數(shù)“jpeg_data_len”是圖片大小，發(fā)送是需要將整型轉(zhuǎn)化為字符串，這樣瀏覽器就可以一直顯示視頻流直到關(guān)閉瀏覽器。圖像的發(fā)送核心的代碼如圖4所示：

圖4 圖像的發(fā)送核心的代碼截圖

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

搭建好原型系統(tǒng)之后，運(yùn)行調(diào)試程序，攝像頭會(huì)采集圖像信息，傳輸?shù)絊TM32微控制器開(kāi)發(fā)平臺(tái)中進(jìn)行處理，調(diào)用圖像發(fā)送函數(shù)，經(jīng)過(guò)Wi-Fi傳輸?shù)缴衔粰C(jī)和瀏覽器中，打開(kāi)圖像接收上位機(jī)軟件，輸入代碼中設(shè)置的IP地址和端口號(hào)，然后點(diǎn)擊啟動(dòng)。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象如圖5所示，上位機(jī)程序接收?qǐng)D像。瀏覽器接收到的圖像如圖6所示。

圖5 上位機(jī)接收?qǐng)D像

圖6 瀏覽器接收到的圖像

3 結(jié)論

本論文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一套基于微控制器的低成本無(wú)線圖傳系統(tǒng)，可通過(guò)Wi-Fi技術(shù)實(shí)現(xiàn)較高幀率的無(wú)線圖像傳輸，利用成本較低、在資源有限的微控制器上實(shí)現(xiàn)攝像頭數(shù)據(jù)的采集和發(fā)送，Wi-Fi模塊可以讓嵌入式設(shè)備連接網(wǎng)絡(luò)，并且可以通過(guò)瀏覽器直接查看視頻，整套系統(tǒng)成本約為150元。傳輸?shù)乃俣瘸^(guò)許多同類原型系統(tǒng)，為后來(lái)此類圖傳問(wèn)題提供了一種可行的解決思路。