一種基于Eps32模塊的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

摘要：目前遠(yuǎn)程監(jiān)控一直被人們應(yīng)用于各種場景，如遠(yuǎn)程智能家居、遠(yuǎn)程監(jiān)控車輛等應(yīng)用場景，因此該研究針對(duì)遠(yuǎn)程智能監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行深入研究，主要應(yīng)用于家居的溫濕度檢測，同時(shí)進(jìn)行了報(bào)警功能的提醒。文章采用ESP-32S Module模塊組進(jìn)行鏈接云端，云端使用base.apk文件進(jìn)行鏈接云端，同時(shí)內(nèi)置溫濕度傳感器以及內(nèi)置氣體檢測傳感器，進(jìn)行電腦傳輸數(shù)據(jù)和穿透，最終發(fā)送udp數(shù)據(jù)表。另外該電路板還能夠進(jìn)行遠(yuǎn)程視頻查看視頻，能夠通過p10液晶顯示屏顯示當(dāng)前時(shí)間，經(jīng)過測試系統(tǒng)最后成功上線。

關(guān)鍵詞：STM32單片機(jī);遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng);ESP-32S Module模塊

中圖分類號(hào)：TP311? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2022）26-0072-04

近幾年，我國新增了上百萬個(gè)監(jiān)控設(shè)備，隨著監(jiān)控系統(tǒng)的不斷擴(kuò)展，對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)的要求也越來越高。在各種不同的場合，遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控系統(tǒng)得到了廣泛的應(yīng)用。該系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)對(duì)交通、旅游景點(diǎn)、室內(nèi)區(qū)域進(jìn)行實(shí)時(shí)、遠(yuǎn)距離的監(jiān)視，并擁有車輛跟蹤、異常報(bào)警、調(diào)查取證等功能。特別是在因特網(wǎng)B/S體系結(jié)構(gòu)中， PC和手機(jī)網(wǎng)絡(luò)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)的技術(shù)要求越來越高。在網(wǎng)絡(luò)時(shí)代，面對(duì)復(fù)雜、多變的智能視頻平臺(tái)建設(shè)的需要，單一的嵌入式視頻語義呈現(xiàn)方法不僅會(huì)降低實(shí)時(shí)性，而且會(huì)對(duì)原始視頻造成嚴(yán)重?fù)p害，無法滿足遠(yuǎn)程用戶對(duì)視頻分析結(jié)果的復(fù)雜要求，缺乏交互性。因此，有效地存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)發(fā)遠(yuǎn)程監(jiān)控視頻，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能要求，使其在Web上得到可靠的顯示和實(shí)時(shí)性，對(duì)于遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控平臺(tái)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)具有很大的實(shí)際應(yīng)用意義。

1 開發(fā)背景

遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控是計(jì)算機(jī)視覺研究中的一個(gè)熱點(diǎn)問題。視頻監(jiān)控技術(shù)是當(dāng)今監(jiān)控領(lǐng)域的發(fā)展趨勢，也是當(dāng)今信息技術(shù)發(fā)展的必然趨勢，受到了企業(yè)界、學(xué)術(shù)界和政府的高度關(guān)注。它能夠?qū)崟r(shí)、形象、真實(shí)地反映被監(jiān)測的目標(biāo)，極大地提高了企業(yè)和有關(guān)部門的工作效率，減少了生產(chǎn)成本，改善了人民群眾的生活質(zhì)量。在發(fā)生安全事故時(shí)，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常，并對(duì)監(jiān)測人員進(jìn)行預(yù)警，對(duì)事故進(jìn)行密切跟蹤，采取相應(yīng)的對(duì)策，可以更迅速、更精確地提前預(yù)防事故的發(fā)生。隨著視頻監(jiān)控系統(tǒng)的智能化要求越來越高，遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控系統(tǒng)不僅要實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的視頻播放，還必須將監(jiān)控視頻存儲(chǔ)起來，以滿足各種不同的要求。在遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)的設(shè)計(jì)上，傳統(tǒng)的方法是通過本地服務(wù)器來存儲(chǔ)和處理最后的顯示，但是隨著對(duì)監(jiān)控的要求越來越高，單個(gè)區(qū)域的服務(wù)器需要大量的網(wǎng)絡(luò)來進(jìn)行實(shí)時(shí)的視頻監(jiān)控。

2 研究現(xiàn)狀

2.1 國外現(xiàn)狀

在國外，遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)為各個(gè)行業(yè)提供了便利，許多科研單位和公司都在進(jìn)行嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)，目前的面向市場的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)主要有視頻采集、壓縮算法實(shí)時(shí)監(jiān)控、嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)以及系統(tǒng)集成化監(jiān)控系統(tǒng)等。視頻監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)字化主要對(duì)視頻、音頻、控制等進(jìn)行模塊化的實(shí)現(xiàn)。從虛擬狀態(tài)向數(shù)字化轉(zhuǎn)變，實(shí)現(xiàn)了對(duì)圖像采集和壓縮、圖像傳輸以及視頻監(jiān)控等功能，可以與其他的信息管理系統(tǒng)在一個(gè)統(tǒng)一的操作環(huán)境下進(jìn)行，實(shí)現(xiàn)了對(duì)系統(tǒng)的管理與控制和系統(tǒng)之間的無縫對(duì)接，并最終將監(jiān)控圖像進(jìn)行實(shí)時(shí)傳輸，甚至部分遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)還加入了大數(shù)據(jù)技術(shù)，形成無線追蹤的功能。

2.2 國內(nèi)現(xiàn)狀

隨著國內(nèi)的不斷發(fā)展，嵌入式網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)測系統(tǒng)采用了嵌入式系統(tǒng)，將采集到的視頻資料進(jìn)行壓縮和傳送，由遠(yuǎn)程監(jiān)控端通過客戶端或?yàn)g覽器實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測。嵌入式網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)測系統(tǒng)能夠有效地利用網(wǎng)絡(luò)資源，通過添加IP地址來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的快速擴(kuò)充;利用實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)對(duì)整個(gè)監(jiān)控服務(wù)器進(jìn)行管理，大大提高了實(shí)時(shí)性、穩(wěn)定性和可靠性;同時(shí)，通過網(wǎng)絡(luò)的雙向傳送，還可以利用監(jiān)控客戶端來控制現(xiàn)場的各種監(jiān)控設(shè)備，對(duì)現(xiàn)場全面監(jiān)控，從而達(dá)到更好地適應(yīng)用戶需要的目的。隨著網(wǎng)絡(luò)通信、計(jì)算機(jī)、多媒體、人工智能等技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)視頻監(jiān)控系統(tǒng)提出了更高的要求。我國的視頻監(jiān)控技術(shù)自問世以來，發(fā)展迅速。最初的模擬視頻監(jiān)視系統(tǒng)采用的是AV或同軸電纜將影像傳送至監(jiān)視器的電視墻壁，結(jié)合了視頻矩陣、視頻錄像機(jī)等多種功能。由于采用模擬信號(hào)進(jìn)行短途傳送抗干擾性差，采用同軸電纜使得線路更加復(fù)雜，擴(kuò)展性不強(qiáng)，不同廠商的產(chǎn)品無法相互連接，造成了系統(tǒng)的高成本。

3 研究意義

近年來遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控一直被應(yīng)用于各種場景，可以應(yīng)用于企業(yè)設(shè)施和智能家居的監(jiān)控中。本研究中使用該遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)主要檢測房間內(nèi)的溫濕度以及氣體的檢測，同時(shí)還可以進(jìn)行攝像頭的監(jiān)控，能夠檢測到房間的基礎(chǔ)信息，這樣人們不在家中就通過電腦就能查看到家里的溫濕度情況、氣體情況。通過這樣的設(shè)計(jì)，人們可以放心出行，尤其是出差的人群在外面通過遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)就可以查看到家里情況確保安全。

4 相關(guān)技術(shù)

4.1 C語言技術(shù)

C語言完成了整個(gè)電路的編程，C語言是一種非常方便的編程技術(shù)，它的應(yīng)用范圍較廣。最近幾年，我們開始用C語言編寫代碼，這是一種非常方便的編程方式，C語言可以讓電路板更加靈活，使用該語言能夠?qū)σ曨l監(jiān)控系統(tǒng)的程序進(jìn)行寫入，并且使用燒錄器進(jìn)行燒錄，通過運(yùn)行程序，整體視頻監(jiān)控系統(tǒng)則能夠運(yùn)轉(zhuǎn)。本文以C語言為核心技術(shù)，利用C語言實(shí)現(xiàn)了良好的可移植性，具有較強(qiáng)的開發(fā)能力。在多次的調(diào)試和維護(hù)之后，以單片為基礎(chǔ)的控制器已經(jīng)達(dá)到了該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求。以STM32單片機(jī)為核心，開發(fā)了一種智能化的茶葉系統(tǒng)。在茶葉系統(tǒng)的運(yùn)行中，只需要通過手機(jī)上的Wi-Fi模塊來設(shè)定，而且在選定好的工作方式后，不用擔(dān)心會(huì)發(fā)生什么問題。

4.2 AltiumDesigner技術(shù)

這款軟件是為了繪制出原理圖，另外還可以讓設(shè)計(jì)更加直觀，運(yùn)用AltiumDesigner畫PCB也可以畫出電路板的各個(gè)功能模塊，該軟件多年來一直是電路原理圖的勾畫的首選，但是勾勒的過程中也要跟隨電路板PCB的尺寸進(jìn)行調(diào)整，如果AltiumDesigner軟件面對(duì)復(fù)雜功能的電路圖紙，則需要通過第三方軟件將PCB的邊框?qū)搿?/p>

4.3 Visual Studio2019

美國微軟公司開發(fā)的一套軟件包VS，是一套包含了大多數(shù)軟件開發(fā)過程所需的工具，例如UML工具、代碼控制工具、集成開發(fā)環(huán)境以及更多的工具。微軟支持的所有平臺(tái)都編寫了該代碼，它是當(dāng)前最受歡迎的Windows平臺(tái)軟件的集成開發(fā)環(huán)境，最新的版本是Visual Studio 2019。

2018年6月，微軟公司宣布將會(huì)開發(fā) Visual Studio 2019，截至目前，Visual Studio 2019已經(jīng)發(fā)布了四個(gè)版本，分別是2018年12月的Preview 1、2019年1月的Preview 2、2019年2月13日的Preview 4。

5 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

5.1 ESP-32S Module

ESP32-S 是一款通用型Wi-Fi-BT-BLE MCU模組，功能強(qiáng)大，用途廣泛，可以用于低功耗傳感器網(wǎng)絡(luò)和要求極高的任務(wù)，例如語音編碼、音頻流和MP3解碼等。整體原理是：GPIO主要用來輸出輸入，能夠輸出模擬信號(hào)，GND為接地，通過CSI傳輸溫濕度傳感器信號(hào)，通過sd接口進(jìn)行導(dǎo)入攝像頭的信號(hào)。

ESP-WROOM-32集成了傳統(tǒng)藍(lán)牙、低功耗藍(lán)牙和Wi-Fi，具有廣泛的用途。Wi-Fi支持極大范圍的通信連接，也支持通過路由器直接連接互聯(lián)網(wǎng);而藍(lán)牙可以讓用戶連接手機(jī)或者廣播BLE Beacon以便于信號(hào)檢測。ESP32芯片的睡眠電流小于5uA，使其適用于電池供電的可穿戴電子設(shè)備。ESP-WROOM-32支持的數(shù)據(jù)傳輸速率高達(dá)150 Mbps，經(jīng)過功率放大器后，輸出功率可達(dá)到22 dBm，可實(shí)現(xiàn)最大范圍的無線通信。

esp32模組是攝像頭的主要控制，其外部控制器對(duì)OV2640寄存器的配置參數(shù)通過SCCB總線傳輸過去，而SCCB總線跟I2C十分類似，在esp32驅(qū)動(dòng)中直接使用片上I2C外設(shè)與它通訊。 SCCB與標(biāo)準(zhǔn)的I2C協(xié)議的區(qū)別是它每次傳輸只能寫入或讀取一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，而I2C協(xié)議是支持突發(fā)讀寫的，即在一次傳輸中可以寫入多個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)（EEPROM中的頁寫入時(shí)序即突發(fā)寫）。攝像頭占據(jù)了esp32的大部分IO，剩余的IO僅僅可以控制SD卡和補(bǔ)光燈，其中攝像頭的視頻流的維持占據(jù)了模組wii的絕大多數(shù)流量，圖1為ESP32的主要原理圖。

5.2 攝像頭OV2640 Camera鏈接模塊

OV2640 Camera鏈接模塊在遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)中，起到的作用是為了讓監(jiān)控到的鏡頭更為清晰，同時(shí)還可以通過幀的形式進(jìn)行傳輸數(shù)據(jù)，將監(jiān)控到的室內(nèi)空氣溫度以及濕度情況形成數(shù)據(jù)的形式傳輸?shù)诫娔X中，同時(shí)還可以鏈接手機(jī)客戶端。在輸出程序方面主要是使用HS2進(jìn)行輸出，OV2640攝像頭模塊，采用1/4寸的OV2640百萬高清CMOS傳感器制作，具有高靈敏度、高靈活性、支持JPEG輸出等特點(diǎn)，可以支持曝光、白平衡、色度、飽和度、對(duì)比度等眾多參數(shù)設(shè)置，支持JPEG/RGB565格式輸出，可以滿足不同場合需求。主要原理通是過VS和HS行場信號(hào)進(jìn)行傳輸數(shù)據(jù)，RST是復(fù)位鍵，通過該模塊鏈接ESP32模塊組以及攝像頭模塊。本研究中使用的攝像頭為OV2640 模塊進(jìn)行攝像，然后傳輸數(shù)據(jù)。

5.3 PSRAM模塊

Psram用來緩存攝像頭幀數(shù)據(jù)，攝像頭模塊是通過配網(wǎng)App進(jìn)行配網(wǎng)連接到Wi-Fi，然后Wi-Fi的id和密碼存到內(nèi)部，下次自動(dòng)連接，等到網(wǎng)絡(luò)連接后自動(dòng)連接NABTO平臺(tái)，平臺(tái)回復(fù)信息進(jìn)行握手連接，同時(shí)手機(jī)也連接NABTO平臺(tái)，在同一個(gè)局域網(wǎng)設(shè)備自動(dòng)綁定到一起，下一次手機(jī)連接平臺(tái)，平臺(tái)進(jìn)行協(xié)商，然后手機(jī)和攝像頭通過udp通訊（內(nèi)網(wǎng)穿透）。

5.4 ESP8266串口下載模塊

ESP8266進(jìn)行串口下載一般是通過互聯(lián)網(wǎng)或者局域網(wǎng)進(jìn)行通信，采用TXD發(fā)送數(shù)據(jù)和RXD和接收數(shù)據(jù)，然后RST空值高低電平，GND為接地，VCC為供電模塊，其中GPIO包含F(xiàn)lash下載以及下載模式的選擇，運(yùn)用ESP8266串口模塊進(jìn)行下載。

6 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

6.1 8266主函數(shù)設(shè)置

首先建立鏈接，然后設(shè)置波特率串口115200，然后設(shè)置mac地址，建立網(wǎng)絡(luò)鏈接端口，鏈接mqtt參數(shù)賦值，然后設(shè)置定時(shí)器，建立網(wǎng)絡(luò)鏈接SAT，通過8266模塊便可以進(jìn)行下載，下面為鏈接的流程。

6.2 云端畫板創(chuàng)建

在建立云端畫板時(shí)，首先需要通過mqtt進(jìn)行數(shù)據(jù)的連接，建立連接后在畫板上進(jìn)行注冊賬號(hào)，通過注冊后的賬號(hào)進(jìn)行登錄才可以進(jìn)行畫板創(chuàng)建、設(shè)置顏色等設(shè)置，然后展示畫板。

6.3 STM32單片機(jī)模塊

該單片機(jī)與遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)相結(jié)合，能夠很好地保護(hù)電路，主要是因?yàn)樵撃K具有保護(hù)電路的作用。該單片機(jī)可以形成最小系統(tǒng)，建立復(fù)位鍵和“重置”鍵一樣，當(dāng)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)生死機(jī)后，可以進(jìn)行重啟，也就是復(fù)位恢復(fù)到原來的狀態(tài)。此外該電路能夠?qū)㈦娙莸某潆娺_(dá)到最大，當(dāng)電容短路時(shí)，RST端處于高電平并能自動(dòng)設(shè)定。當(dāng)電容器內(nèi)的電力到達(dá)供電時(shí)，電容器的充電能力就會(huì)變成0，而電容器則與RST的斷開相對(duì)應(yīng)。微處理器可以在最大RST管腳維持在2以上的轉(zhuǎn)速下進(jìn)行重置。

7 系統(tǒng)的測試

7.1 登錄測試

在登錄的時(shí)候需要云端匹配密碼，匹配ID后才能進(jìn)行登陸，然后寫入正確的用戶名和密碼后，點(diǎn)擊登錄，便可進(jìn)入電腦云端界面進(jìn)行檢測，圖3是遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)的登錄測試。

7.2 氣體檢測測試

氣體檢測測試可以顯示房間的氣體指數(shù)，同時(shí)在下方還會(huì)顯示日期和時(shí)間。

7.3 溫濕度檢測測試

當(dāng)鏈接云端成功后，能夠準(zhǔn)確地查看到房間的溫濕度檢測情況，通過畫板可以看到當(dāng)前檢測的溫度以及濕度，通過監(jiān)控到的濕度和溫度能夠明確當(dāng)前的溫度是否處于比較溫暖的狀態(tài)，濕度是否良好，同時(shí)下方顯示當(dāng)前日期。

7.4 視頻監(jiān)控檢測測試

下載手機(jī)base.apk文件后進(jìn)行鏈接，然后手機(jī)會(huì)識(shí)別攝像頭所監(jiān)控的錄像，可以通過連接手機(jī)查看當(dāng)前監(jiān)控情況。

7.5 報(bào)警檢測測試

在報(bào)警檢測時(shí)可以查看到當(dāng)前的溫度濕度，通過tvoc傳感器進(jìn)行檢測溫濕度后，然后tvoc會(huì)給予響應(yīng)，并且形成響應(yīng)值，溫濕度低于最低相應(yīng)值時(shí)會(huì)進(jìn)行報(bào)警，此外將每次檢測的溫濕度形成列表的形式。

7.6 時(shí)間檢測

通過液晶板能夠查看當(dāng)前時(shí)間，由于光纖的問題雖不是很清晰，但是卻能夠顯示當(dāng)前的時(shí)間，整體系統(tǒng)不僅可以監(jiān)控視頻還可以監(jiān)測時(shí)間。

8 結(jié)論

本研究主要進(jìn)行了遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，采用了ESP-32S Module模塊以及STM32進(jìn)行設(shè)計(jì)，同時(shí)還鏈接了p10液晶電路板，與此同時(shí)通過連接OV2640攝像頭模塊進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，通過nabto穿透傳輸將攝像頭模塊檢測到的溫度和濕度的數(shù)據(jù)以及房間內(nèi)的氣體數(shù)據(jù)映射到電腦軟件VS2019軟件中，檢測溫濕度以及氣體的溫濕度傳感器通過ESP-32S Module模塊內(nèi)置并且鏈接Wi-Fi模塊中，整個(gè)系統(tǒng)的云端采用阿里云服務(wù)器，阿里云是通過mqtt服務(wù)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)的，整體遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)能夠檢測房間的溫濕度、氣體以及當(dāng)前時(shí)間，同時(shí)還能夠形成報(bào)警響應(yīng)列表以及查看視頻監(jiān)控畫面，經(jīng)過測試，本遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)成功上線。

整個(gè)系統(tǒng)仍然存在很多不足，沒有采用連接手機(jī)App端進(jìn)行連接，而是采用云端設(shè)備的傳輸在電腦端進(jìn)行檢測，希望進(jìn)一步升級(jí)該系統(tǒng)。

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【通聯(lián)編輯：代影】

收稿日期：2022-06-20

作者簡介：向善德（2000—） ，男，湖北黃石人，本科，主要研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)。