余金遙+孫先松

摘要：為了實(shí)現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)距離無線傳輸，滿足在無人干預(yù)的情況下仍然能實(shí)時獲取各種圖像信息，該文針對當(dāng)前無線傳輸?shù)亩鄻有?，進(jìn)行了基于GPRS的無線圖片傳輸?shù)难芯?。該研究采用STM32F103作為主芯片、以SIM900A作為無線傳輸模塊、OV7670進(jìn)行圖片信息的采集，詳細(xì)論述其工作原理以及圖片數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn)。

關(guān)鍵詞：SIM900A；無線圖像傳輸；STM32F103；OV7670

中圖分類號：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2017）28-0201-03

當(dāng)代電子行業(yè)和通訊技術(shù)飛速發(fā)展，無線通訊技術(shù)已經(jīng)和我們的日常生活密不可分。日常常見的主要有WIFI、ZigBee、bluetooth等無線通信技術(shù)，這些技術(shù)都是以短距離傳輸為主，對于工作環(huán)境也有較高要求。而GPRS支持遠(yuǎn)距離無線傳輸，在很多環(huán)境惡劣、工作節(jié)點(diǎn)較為分散、工作距離遠(yuǎn)的場合被廣泛使用。

多媒體技術(shù)也是當(dāng)今社會發(fā)展的一大熱點(diǎn)，科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展也加快了二者的融合，為人們的生活帶來了更大的便捷。人們也不再僅僅只滿足之前的文字和語音信息，對圖片甚至是視頻的需求也愈發(fā)的強(qiáng)烈。所以，針對該課題的研究有著較高的實(shí)用價值，對實(shí)際應(yīng)用有著十分重要的意義。

1 總體設(shè)計(jì)方案

在平常生活當(dāng)中，我們身邊對于這種裝置的需求很小，平常所使用的都是WIFI、Bluetooth等無線技術(shù)，但是在某些場合，比如，農(nóng)田、高速公路等相對偏遠(yuǎn)的工作環(huán)境時，該遠(yuǎn)距離無線傳輸技術(shù)能起到更到的作用，在農(nóng)田里面可以用來給專家進(jìn)行遠(yuǎn)距離的現(xiàn)場指導(dǎo)，防止災(zāi)害蔓延，高速公路上可以隨時傳回發(fā)生交通事故地段的實(shí)時圖像，以便隨時監(jiān)管。

在總體設(shè)計(jì)中，所有工作節(jié)點(diǎn)均掛有攝像頭和GPRS無線傳輸模塊，節(jié)點(diǎn)可以有規(guī)律的間隔一定時間進(jìn)行現(xiàn)場拍攝，也可以接受命令，受控制的進(jìn)行圖片拍攝，然后將所拍攝的圖片由無線模塊經(jīng)過GPRS網(wǎng)絡(luò)傳輸至上位機(jī)終端，這里的上位機(jī)終端，可以是手機(jī)，也可以是電腦端的上位機(jī)軟件等，此處，采用電腦端的上位機(jī)軟件作為終端。

該方案主要是利用STM32芯片控制攝像頭對現(xiàn)場進(jìn)行拍攝，然后通過GPRS模塊發(fā)送至上位機(jī)終端，以便用戶獲取信息。

2 硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)需求，采用STM32F103C8T6作為主芯片，該芯片具有高速，抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，也能夠添加其他外設(shè)，以便提供更多功能。攝像頭選用帶FIFO的OV7670模塊，在獲取圖片數(shù)據(jù)時，直接對模塊的數(shù)據(jù)FIFO存儲器進(jìn)行讀操作。GPRS模塊選用SIM900A。SIM900A具有標(biāo)準(zhǔn)的AT命令接口，通過串口與芯片連接，二者可以很好進(jìn)行通信。

本次設(shè)計(jì)的原理框圖如圖1所示。該系統(tǒng)由四大模塊組成：電源供電模塊、芯片最小系統(tǒng)、GPRS模塊以及攝像頭模塊。芯片最小系統(tǒng)作為該系統(tǒng)的核心模塊，主控芯片扮演著大腦的角色，控制其他模塊的協(xié)調(diào)運(yùn)行以及圖片數(shù)據(jù)流的傳輸；電源供電系統(tǒng)通過轉(zhuǎn)換芯片得到對應(yīng)的電壓給各個模塊供電工作；整個系統(tǒng)由攝像頭模塊采集圖片數(shù)據(jù)，SIM900A模塊發(fā)送圖片數(shù)據(jù)至服務(wù)器端。各個模塊具體分析如下：

1） 電源供電模塊：對于一個運(yùn)行系統(tǒng)來說，電源是一個系統(tǒng)的靈魂，電源不穩(wěn)定，或者是交流分量過大等都會嚴(yán)重影響電路運(yùn)行的穩(wěn)定性。通過查閱器件的用戶手冊可知各器件之間的工作電壓不一致，所以器件的供電得分開得到，再考慮到由于使用了開關(guān)電源供電，因?yàn)殚_關(guān)電源文波較大，首先使用DC-DC模塊TPS5430得到文波較小的5V電源，如圖2所示。再將5V電源分別通過MIC29302WU和AMS1117得到4.1V和3.3V電源，分別給芯片和GPRS模塊供電，這里攝像頭和主控芯片電源一樣，都為3.3V。由于AMS1117的外圍電路較為簡單，所以在此不做贅述。

GPRS模塊的電源為4.1V，由芯片MIC29302WU接上外圍器件得到，其電路圖如圖3所示，其電壓計(jì)算公式如式（1）所示。

2） 芯片最小系統(tǒng)：最小系統(tǒng)由STM32F103作為核心芯片，另外加上晶振電路和復(fù)位電路。在此不過多贅述。

3） GPRS模塊：該部分實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳輸，部分電路圖如圖4所示，它通過串口UART（PA9與PA10）與主控芯片相連進(jìn)行通信，硬件上還包含卡座、天線等其他外圍電路。硬件電路主要注意GPRS模塊的供電電源為4.1V，需要經(jīng)過轉(zhuǎn)換芯片得到相應(yīng)的匹配電源才能給模塊供電。主控芯片通過串口發(fā)送對應(yīng)的AT指令，控制GPRS模塊工作、休眠、連接網(wǎng)絡(luò)以及發(fā)送數(shù)據(jù)等功能，通過GPRS網(wǎng)絡(luò)將采集的圖片發(fā)送至服務(wù)器端并顯示出來。

4） 攝像頭模塊：攝像頭模塊OV7670兼容IIC接口，通過IIC與芯片連接，主控芯片STM32F103C8T6通過IIC接口控制OV7670進(jìn)行圖像數(shù)據(jù)的采集。該攝像頭模塊引出18個引腳，包括電源、數(shù)據(jù)、時鐘等引腳，在硬件電路連接上主要注意以下兩點(diǎn)：

（1） 攝像頭模塊對時鐘的要求較高，最好是通過芯片輸出一個8M的時鐘提供給模塊；

（2） IIC的data引腳一定要接上拉電阻，也可在芯片引腳配置時，設(shè)置成上拉輸入，否則數(shù)據(jù)傳輸會失敗。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

在本系統(tǒng)中，SIM900A和OV7670均為模塊化，接下來就只用再做一系列的初始化以及調(diào)用相應(yīng)模塊的函數(shù)方法即可。如圖5為軟件實(shí)現(xiàn)流程圖。

該系統(tǒng)主要工作模式如下：在連接網(wǎng)絡(luò)的情況下，服務(wù)器端下發(fā)拍照命令，GPRS模塊接收命令，然后通過串口傳遞命令到主控芯片，觸發(fā)中斷，然后芯片控制攝像頭拍攝照片，通過IIC采集圖片數(shù)據(jù)，再由SIM900A將圖片發(fā)送至服務(wù)器端并將圖片顯示出來。

軟件的核心部分主要包括OV7670的圖片數(shù)據(jù)采集以及SIM900A無線數(shù)據(jù)的傳輸，該兩部分均采用模塊化處理，封裝出相應(yīng)的函數(shù)接口，在使用的時候調(diào)用對應(yīng)的接口即可。endprint

3.2 服務(wù)器端軟件設(shè)計(jì)

服務(wù)器端軟件可以對外提供網(wǎng)絡(luò)接口，SIM900A模塊可以通過GPRS網(wǎng)絡(luò)撥號與服務(wù)器連接，并通過SIM900A模塊自帶的TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧完成與服務(wù)器之間的圖片數(shù)據(jù)交互?；谝陨弦?，設(shè)計(jì)了通信軟件。終端設(shè)備連接至服務(wù)器，一個服務(wù)器可與多個終端設(shè)備連接，監(jiān)控多個終端數(shù)據(jù)。服務(wù)器采用普通Internet上的主機(jī)方式，作為TCP服務(wù)器端，可從外部訪問，其上運(yùn)行TCP端口監(jiān)聽程序，接收來自移動臺的TCP數(shù)據(jù)包，并向移動臺發(fā)送回應(yīng)數(shù)據(jù)[4]。

3.3 SIM900A上線流程設(shè)計(jì)

SIM900A模塊對外提供串口接口，通過3線或者9線串口都能與之通信。微處理器可通過發(fā)送AT指令詢問模塊狀態(tài)以及控制模塊做出相應(yīng)操作。軟件編程上，使用狀態(tài)機(jī)編程的方式實(shí)現(xiàn)SIM900A的上線流程，由于編寫的程序過長，在此只說明其上線流程，大致分為以下幾個步驟：（1）進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)注冊前的準(zhǔn)備工作，包括檢查模塊以及SIM卡是否正常，和查詢SIM卡的信號值，以便進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)注冊；（2）進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)注冊和設(shè)置GPRS業(yè)務(wù)；（3）設(shè)置APN接入點(diǎn)；（4）設(shè)置要連接的服務(wù)器類型和端口號，進(jìn)行IP撥號；（5）待連接到遠(yuǎn)端服務(wù)器成功，并進(jìn)入透傳模式后，可隨意發(fā)送數(shù)據(jù)。

3.4 OV7670使用設(shè)計(jì)方法

攝像頭模塊OV7670對外提供了SCCB接口，STM32F103通過該接口與之連接，通過SCCB控制模塊，輸出各種影像數(shù)據(jù)。本次采用QVGA的圖片數(shù)據(jù)格式作為輸出格式，即圖片的分辨率為320*240。

根據(jù)該攝像頭的使用手冊，其工作的像素時鐘可以高達(dá)24Mhz，如果用單片機(jī)的IO口直接對數(shù)據(jù)進(jìn)行操作，數(shù)據(jù)會很容易遺漏。然而該模塊提供了數(shù)據(jù)FIFO，單片機(jī)獲取圖片數(shù)據(jù)，可以通過操作該FIFO數(shù)據(jù)隊(duì)列，即可穩(wěn)定的對數(shù)據(jù)進(jìn)行讀寫，獲取圖片數(shù)據(jù)便更加方便，這樣一來即需要單片機(jī)的IO口需要很高的讀寫速率，也不會占用太多CPU資源?？梢哉f，帶FIFO的OV7670模塊大大提高了微處理對圖像數(shù)據(jù)的收集。此次所使用的攝像頭模塊所帶有的FIFO隊(duì)列的容量是 384K 字節(jié)，足夠存儲 2 幀 QVGA 的圖像數(shù)據(jù)。

軟件編程方面，帶FIFO的OV7670模塊的圖片數(shù)據(jù)處理如下所示：在進(jìn)行圖片數(shù)據(jù)采集之前，先對SCCB接口進(jìn)行時序的配置；然后再對攝像頭模塊相關(guān)寄存器進(jìn)行配置，比如模塊始終、輸出格式等，在配置寄存器時，最好將配置過的寄存器的值通過串口打印出來，確保寄存器配置的正確性；接著根據(jù)模塊使用手冊里面的模塊數(shù)據(jù)讀取時序，獲取模塊數(shù)據(jù)即可。此時獲取的模塊數(shù)據(jù)，顯示出來有可能不清楚，所以還需要重新配置攝像頭焦距、分辨率等，調(diào)整設(shè)置各項(xiàng)參數(shù)從而得到清晰的圖片。對于圖片的拍攝流程，處理方式為時間片輪詢和中斷拍照方式，一方面設(shè)置定時器時間，時間輪詢到則拍照并將數(shù)據(jù)上傳至服務(wù)器；另一方面，由按鍵控制外部中斷進(jìn)行拍照。

3.5 圖片數(shù)據(jù)的處理方式

圖片數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量較大，若在傳輸過程中丟掉數(shù)據(jù)，會影響整個圖片的顯示。為保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，必須進(jìn)行流控制。在處理圖像數(shù)據(jù)的傳輸?shù)臅r候采用了兩種控制方法。1）數(shù)據(jù)分包法。顧名思義就是將一包數(shù)據(jù)分開成幾包甚至是十幾包發(fā)送。分開的每一包分別加上協(xié)議頭與協(xié)議尾，再給到串口，寫入GPRS模塊緩沖器，由模塊通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送。服務(wù)器端接收數(shù)據(jù)包，再將數(shù)據(jù)整合還原成一整包數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)分包法保證了每一分包數(shù)據(jù)安全不遺漏的傳輸至目的地，雖然花費(fèi)的時間比較多，但是能更好地保證數(shù)據(jù)的安全傳輸，能更好地適用于數(shù)據(jù)量大的數(shù)據(jù)傳輸。2） 硬件握手法。該方法采用兩個硬件信號RTS/CTS作流控制。當(dāng)系統(tǒng)工作時，通過控制串口中RTS和CTS兩個硬件信號控制數(shù)據(jù)流的發(fā)送與停止。此次采用數(shù)據(jù)分包法進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，硬件握手法在此不作過多贅述。該系統(tǒng)將從攝像頭模塊的FIFO中獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行分包，分若干次傳輸給SIM900A，將數(shù)據(jù)分包傳輸給服務(wù)器。

4 結(jié)束語

本文主要研究了一種基于GPRS網(wǎng)絡(luò)的無線圖片傳輸技術(shù)，該圖像無線傳輸系統(tǒng)以ST公司的STM32F103C8T6為硬件平臺，控制攝像頭模塊OV7670進(jìn)行現(xiàn)場拍照，并控制模塊SIM900A通過GPRS網(wǎng)絡(luò)將收集的圖片數(shù)據(jù)傳輸?shù)接脩艚K端。該系統(tǒng)能夠滿足人為遠(yuǎn)距離控制并準(zhǔn)確的得到相關(guān)實(shí)時圖片信息的要求，成本低， 維護(hù)方便，具有廣闊的應(yīng)用前景。

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