STM32的GPRS農田多點圖像傳輸系統設計*

周亞強 ， 馬俊，杜軍

(1.青海師范大學 計算機學院， 西寧 810008； 2.青海師范大學 物理系)

* 基金項目：國家級-教育部春暉項目(Z2011019)。

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STM32的GPRS農田多點圖像傳輸系統設計*

周亞強1， 馬俊2，杜軍1

(1.青海師范大學 計算機學院， 西寧 810008； 2.青海師范大學 物理系)

* 基金項目：國家級-教育部春暉項目(Z2011019)。

摘要:設計了基于32位STM32F103VET6微控制器的農田多點圖像傳輸系統，重點介紹了其軟件和硬件的設計過程。在Visual C++ 6.0平臺，運用Windows socket編寫PC端多線程的服務器程序，對農田多個位置的監測終端設備進行圖像傳輸、接收和存儲。該系統實現了圖像從監測端到PC服務器的傳輸和保存等功能。農田測試結果表明，該系統運行穩定，圖像傳輸速度較快。

關鍵詞:STM32；OV2640圖像傳感器；SIM900A模塊；圖像傳輸；GPRS

引言

農田圖像的監測和傳輸對于農田管理具有指導意義，其中的農田作物圖像含有的信息量大、形象直觀，對農田合理和高效管理起著重要作用，因此研究該項技術十分必要[1]。傳統的農田作物圖像傳輸往往利用總線結構或以太網網絡等有線方式進行圖像傳輸，光纖常用于遠距離的圖像傳輸，這些有線的圖像傳輸方式都不靈活[2-4]，而且在許多條件惡劣的地方，由于農田需要監控的區域廣、監控的農田作物繁多，需要花費大量人力、物力[5]。隨著圖像處理和移動網絡傳輸技術的快速發展，無線的圖像傳輸方式得到技術人員的青睞。GPRS網絡具有時刻在線、網絡架構成熟、以流量計費等優點,可根據用戶需要進行農田作物圖像數據量間歇地傳輸[6]。SIM900A模塊是面向中國的GPRS模塊，具有雙頻信號。根據GPRS技術特點，結合農田圖像多監測點的需求，研究和設計了基于SIM900A模塊和STM32F103VET6微控制器的農田多點圖像傳輸系統，結合網絡套接字通信軟件技術,實現了對農田多點圖像的遠程監測和圖片的本地存儲[7-10]。

1系統總體設計

多點圖像傳輸系統以STM32微控制器為主控芯片，結合網絡套接字通信軟件技術，實現圖像處理壓縮和遠程傳輸兩大功能。本設計用STM32F103VET6(以下簡稱STM32)芯片控制CMOS圖像傳感器OV2640獲取圖像，OV2640能夠通過硬件電路實現JPEG壓縮算法，在不影響作物觀測效果的前提下減小了圖像數據量，為圖像的無線傳輸提供了方便。

圖像傳感器采集模擬信號轉換成相應的數字量，通過8位并行口發送給STM32，STM32將數據發送給SIM900A，數據經SIM900A打包成TCP/IP數據包，然后通過無線網絡運營商的網關服務器，接入Internet，將采集到的圖像數據發送給服務器。本設計利用具有公網固定IP地址的微機作TCP服務器。系統總體結構設計如圖1所示。

圖1　系統總體結構設計

2監控系統硬件設計

圖2　圖像傳感器接口電路設計

通過STM32控制OV2640采集農田圖像，并通過GPRS模塊把數據傳輸給服務器，系統硬件電路主要包括以下幾部分：圖像傳感器模塊、微控制器模塊、GPRS通信模塊，電源管理模塊。圖像采集由OV2640傳感器完成，負責采集農田作物的圖像，并將模擬數據轉換成數字量，微控制器通過8位并行數據口接收圖像數據。GPRS通信模塊負責把微控制器發送來的圖像數據通過天線傳入Internet，電源管理模塊為系統提供穩定的電源。

2.1微控制器模塊

STM32F103VET6是高性能、低功耗的32位微控制器，8 MHz的外部晶振經倍頻后時鐘頻率可達到72 MHz，豐富的外設資源、大容量的FLASH和SRAM存儲器可以滿足系統設計要求，其較強的運算能力可以保證大批量圖像數據快速傳輸和處理。SPI、UART等豐富的串行接口使得控制器與外部芯片數據交換更加自由靈活。STM32接口的PC0～PC7作為OV2640并行數據交換口，PA9和PA10組成的UART1作為控制OV2640的信號口使用，PA2和PA3組成的UART2與SIM900A進行串口通信。

2.2OV2640圖像傳感器工作原理

為了采集到清晰的農田作物圖像，Omnivision公司的OV2640型圖像傳感器最高圖片輸出分辨率為1600×1200。此傳感器內部集成了JPEG壓縮電路，可以通過編程實現原始的200萬像素圖片的JPEG壓縮，使得圖像數據量大量減少，便于GPRS網絡傳輸，功耗也隨之降低。

STM32通過PC0～PC7端口與OV2640的8位數據線D0～D7通信，行同步信號HREF、像素同步信號PCLK，以及場同步信號VSYNC和SCCB總線的SDA和SCL信號，用于對傳感器設備進行圖像采集的過程控制。圖像傳感器接口電路設計如圖2所示，圖2中AVDD2.8V和DOVDD2.8V由3.3V電源通過LM1117-2.85芯片得到；AVDD2.8V與DOVDD2.8V通過0 Ω電阻相連，此方法減少了相互干擾，XCLK由24 MHz的有源晶振輸出提供信號；DVDD1.5V由LM1117-1.5輸出得到74LVC1G00是與非門電路。

HREF是高電平有效，場同步信號VSYNC是低電平有效。當引腳VSYNC為高電平時，表示一幀數據已經準備好；當由高電平變成低電平時，表明開始傳輸一幀圖像數據。為了得到有效的像素數據，需要兩個中斷信號，捕獲場同步VSYNC的信號送入中斷引腳PB8，捕獲HREF和PCLK的與非信號輸出到PB13中斷引腳，使得在行信號無效時不輸出像素同步信號，用其輸出信號作為像素數據同步。OV2640的工作模式是由內部寄存器確定的，其與外部的接口為SCCB總線，STM32通過PA9和PA10引腳模擬SCCB總線時序讀寫OV2640寄存器，設置其工作模式，本設計設置了輸出圖像的分辨率、亮度、格式等。STM32工作在主模式，對工作在從模式的OV2640內部的寄存器進行配置，配置完成后經一段圖像采集時間后，OV2640即開始按照配置的模式工作。本設計圖像輸出格式為JPG，分辨率為640×480。

2.3圖像處理軟件設計

圖像處理程序負責OV2640初始化配置，以便實現圖像的采集功能。通過檢測場同步信號VSYNC判斷一幀圖像的起始位置，程序中設計128個內存單元，可以使系統運行流暢。中斷程序檢測像素同步信號PCLK來采集圖像數據，當PCLK為下降沿時，讀取D0～D7口數據，并存入內存，等待發送信號的到來，這就完成了圖像的采集與發送。

圖像采集控制程序是基于OV2640指令集編寫的。init()函數用于設置圖片大小、通信波特率和圖片壓縮率等圖片參數，初始化的時候務必關閉串口1，start()函數用于發出拍照命令, get()函數完成獲取圖片信息的功能。

2.4GPRS通信模塊

SIM900A是2頻的GSM/GPRS模塊，工作頻段為900 MHz或1800 MHz,采用SMT封裝，SIM900A型針對中國地區。SIM900A性能穩定、體積小、支持標準和擴展的AT指令。SIM900A還支持GPRS class8/class10和CS-1、CS-2、CS-3和CS-4的GPRS編碼格式，可以低功耗實現語音、SMS、數據的傳輸。SIM900A和STM32之間的通信主要是通過端口RXD與STM32上的UART2～TXD，TXD與UART2～RXD之間的數據交換來完成。其中，SIM900A上的UART2～TXD是發送串行數據口，UART2～RXD是接收數據口。

STM32通過AT指令和SIM900A模塊進行通信，這些指令是以普通字符串的形式傳輸的。每個AT命令執行后,模塊都會反饋狀態信息,表明命令執行的結果，方便程序員了解程序的執行情況，要用到AT擴展指令中的TCP/IP型。

2.5GPRS通信模塊與SIM卡的連接

SIM卡具有5個引腳，分別為SIM卡時鐘信號、電源引腳、數據引腳、狀態引腳和復位引腳。SIM卡的電源電壓為1.8 V，SIM900A模塊對其供電。

2.6電源管理

STM32的典型供電電壓是3.3 V，本設計采用9 V電源供電，要提供9～3.3 V電壓轉換，以LM2576-ADJ芯片為核心的電源電路可為STM32提供3.3 V的電壓。LM2576-ADJ最大可提供2 A的電流。

SIM900A模塊典型供電電壓值為4 V,天線發送信號時的瞬時最大電流可達到2 A左右，電流增大會使SIM900A電壓突降，影響系統穩定性和發射功率。采用低壓差的MIC29302電源芯片和電源引腳并接大容量電容可以解決此問題，回差電壓低于0.3 V，可提供高達2.8 A 左右的電流，能夠滿足SIM900A峰值電流2 A的要求，9 V電源符合其輸入電壓范圍。

3監測端圖像發送軟件設計

在Keil uVision4.12集成環境下，開發了監測端圖像發送程序，首先進行各模塊的初始化工作，使能STM32相關中斷，接著STM32控制OV2640拍照和圖片的壓縮，壓縮完成后，接著將流式數據通過8位并口存入SRAM為10 428字節的數組中。設置串口2的波特率，并將流式數據通過串口2發送至SIM900A，STM32同時控制SIM900A通過GPRS網絡連接TCP服務器，連接過程中首先初始化網絡，即激活移動場景，接著查詢附著是否成功，否則手動附著，并向Internet上具有設定IP地址的服務器通過AT+CIPSTART指令申請建立連接，將AT+CIPSTART指令返回的IP地址和端口號存放到一個buff中，然后將這個buff里的內容寫入到串口2中。如果之后能夠讀取到返回值“CONNECT OK”，就表示TCP連接已經成功建立，失敗則收到“CONNECT FAIL”； TCP連接建立成功后，設置協議為TCP，SIM900A請求發送。

接著使用AT+CIPSEND命令發送信息，監測端將圖片分解成若干個數據包，按照GPRS編碼格式組建數據包，將數據包發送到服務器,需要先發送數據包頭，為了保證圖片傳送的完整性，每次在發送下一個數據包之前，需等待上個包發送成功的回復，若發送成功返回指令“OK”，否則返回“FAIL”，系統重新發送，以確保數據包被成功交付。

最后等圖片信息包發送完畢后，發送AT+CIPCLOSE指令關閉連接。此AT命令沒有返回值，直接將該指令寫到串口2中，如果檢測到“CLOSE OK”信息，就表示TCP連接已經被關閉。

服務器端的監聽口接收TCP數據包，由于采用多線程設計，多個點的圖像監測設備可以同時發送圖像數據到服務器。按程序流程給出進行TCP傳輸時用到的AT擴展指令和相關緩存區定義。

char recvbuf[64]= {0x0}; //用于接收串口返回信息

char tmpbuf[64]= {0x0}; //用于存放臨時信息

"AT+CSTT="CMNET" "

//啟動任務并設置APN、用戶名、密碼

"AT+CIICR " //激活移動場景

"AT+CGATT? "

//查詢附著是否成功，否則手動附著

"AT+CIPSTART="TCP","" //向服務器申請建立連接

"AT+CIPSEND" //發送信息

"AT+CIPCCFG? " //查詢模塊緩沖區的大小

"AT+CIPCLOSE " //關閉連接

4多線程的服務器端軟件設計

基于Visual C++ 6.0平臺開發了服務器端對話框形式的程序界面，服務器端程序設計主要運用C/S架構的套接字，服務器端程序主要包括3大部分：數據流接收、數據文件處理并顯示和圖片的硬盤存儲。主線程和用戶子線程分別承擔不同的任務：主線程負責用戶子線程的創建、界面事件的響應和圖片文件存儲等工作。監測子線程主要完成發送開始采集命令和與監測端進行通信的功能，接收完圖像信息后在界面窗口中顯示。各線程運行時相互獨立，因此每個監測端與服務器的數據傳輸互不影響。為了防止出現GPRS網絡連接中斷的情況，程序中采用了斷點續傳的補救方法，保證了數據傳輸過程的準確和可靠性。

在單個監測子線程設計中，首先創建監聽的socket()，用于接收來自網絡端口的數據流，并且分配足夠大的緩沖區用于存放接收到的數據包。在圖片接收過程中，服務器接收的是分包數據流，根據數據包的包頭進行數據包的排列，并使用校驗位進行數據包校驗。當數據包接收完成后校驗完好性，然后將數據包保存到一個文件中，最后調用OpenCV中的庫函數完成對生成的文件進行解碼顯示。在硬盤上按照系統要求的文件名建立3個文件夾，即可自動存入3個不同地點的農田圖片。監測端程序如圖3所示，服務器端單個監測子線程的工作流程如圖4所示。

圖3　監測端程序流程

圖4　服務器端單個子線程的軟件工作流程

5系統測試與分析

本設計通過SCCB總線設置OV2640的圖像大小為JPEG壓縮格式，即分辨率為640×480，經過JPEG壓縮后數據量從185 KB降低至17 KB左右。樣機制作完成后經過多次測試，傳輸速率可達10 Kbps，傳輸中存在斷點情況，續傳功能發揮了作用。圖像文件發送到服務器端時間測試結果如表1所列。

表1　圖像文件發送到服務器端時間測試結果

結語

參考文獻

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周亞強、杜軍(碩士研究生)，主要研究方向為電子信息技術；馬俊(教授)，主要研究方向為電子信息技術、無線電與智能系統。

GPRS Farmland Multipoint Image Transfer System Based on STM32

Zhou Yaqiang1,Ma Jun2,Du Jun1

(1.College of Computer Science,QingHai Normal University,Xining 810008,China;

2.Department of Physics,QingHai Normal University)

Abstract：A farmland image transmission system based on 32-bit microcontroller STM32F103VET6 is designed.This paper introduces the design of its hardware and software.Under the Visual C++ 6.0 platform,the multithread server program operated on PC is designed using the Windows socket.It can transmit,receive and store the images for the multiple terminal equipments.The system completes the function of image transmission and preservation from the surveillance cameras to the PC server.The test results show that the system can run stably,image can be transmissted faster.

Key words:STM32;OV2640 imaging sensor;SIM900A module;image transmission;GPRS

收稿日期：(責任編輯：楊迪娜2015-04-22)

中圖分類號:TP393.2

文獻標識碼:A