廣告屏受沖擊時的現場實時抓拍系統設計※

陳章，江劍

(南京理工大學 機械工程學院，南京 210094)

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廣告屏受沖擊時的現場實時抓拍系統設計※

陳章，江劍

(南京理工大學 機械工程學院，南京 210094)

摘要:針對廣告屏受沖擊時現場情況無法獲悉的缺點，設計了一種廣告屏受沖擊時現場的實時抓拍系統。系統由加速度傳感器、攝像頭OV2640、SD卡、以太網控制器、以太網接口、路由器和STM32F103ZET6微控制器構成。可根據沖擊強度實時抓拍現場情況，將照片信息存入SD卡中，并通過以太網實時上傳給監控中心。該系統具有成本低、實時性強、穩定可靠等優點。

關鍵詞:廣告屏；抓拍系統；以太網；STM32F103ZET6；OV2640；μIP；DCMI

引言

隨著網絡和電子技術的快速發展，加速度傳感器在感受到沖擊以后，可通過微控制器將攝像頭拍攝的JPEG格式照片存入SD卡，隨后通過網絡傳至監控中心，這不僅使廣告屏監控擺脫了傳統網絡視頻監控的缺點，而且滿足了監控方對廣告屏受沖擊現場實時抓拍的迫切需要。

1系統總體方案和可行性分析

針對傳統的廣告屏受沖擊時現場情況無法獲悉的缺點，設計了一種廣告屏受沖擊現場實時抓拍系統。系統總體框架如圖1所示。

圖1　系統總體框架圖

系統采用以下設計方案：該系統的加速度傳感器時刻檢測加速度值，當廣告屏受到沖擊所產生的加速度值高于設定的閾值時，啟動圖像采集模塊進行拍照。戶外廣告屏讀取攝像頭傳來的數據，獲取到完整照片數據之后，將照片保存在SD卡中。當保存完一定數量的照片到SD卡后停止拍照，再從SD卡中讀取照片數據，通過網絡發送給遠程監控中心。遠程監控中心根據自定義協議獲得照片數據，照片實時顯示在監控窗口中，并將照片和時間信息保存在硬盤中，便于隨時查看。

2系統硬件設計

系統硬件設計包括微控制器、電源模塊、加速度傳感器模塊、攝像頭模塊、SD卡、以太網控制器、以太網接口幾部分。硬件設計總體框圖如圖2所示。

圖2　硬件設計總體框圖

2.1微控制器

系統的微控制器選用ST公司的STM32F103ZET6(以下簡稱STM32)，具有512 KB的Flash和64 KB的SRAM，主頻達72 MHz,這些資源使得該微控制器非常適合快速處理數據[3-4]。對于一幀像素為640×480的清晰的JPEG格式照片，按50∶1比例壓縮，數據部分大小一般為45 KB，因此為了配合照片大小，開辟50 KB的內存空間給照片使用。

2.2加速度傳感器

加速度傳感器選用ADI公司生產的一款三軸、數字輸出的加速度傳感器ADXL345。采用官方推薦的I2C總線方式通信，靈敏度高達3.9 mg/LSB，功耗低且體積小，加速度最大量程為±16g[5-6]。為了將碰撞產生的沖擊和輕微振動以及搖晃區分開，經過試驗，本系統設計加速度超過15g則視為發生沖擊，滿足實際需求。ADXL345加速度傳感器的硬件電路如圖3所示。與微控制器相連的I2C網絡標號為IIC_SDA和IIC_SCL，上拉電阻為4.7 kΩ。加速度傳感器的SDO/ADDR引腳接高電平，則器件讀寫地址為0x3B、0x3A。

圖3　ADXL345硬件電路圖

2.3以太網控制器與接口

以太網控制器芯片選用ENC28J60，該芯片是帶有標準串行外設接口(SPI)的獨立以太網控制器。通過SPI與微控制器的通信傳輸速率高達10 Mb/s，自身帶有MAC層和PHY層[7-9]。

因為該芯片內部沒有硬件協議棧，需要微控制器嵌入軟協議棧。由于μIP協議棧代碼非常少，其協議棧代碼不到6 KB，方便閱讀和移植，且占用的內存數非常少，其硬件處理層、協議棧層和應用層共用一個全局緩存區，不存在數據的拷貝，極大地節省了空間和時間，而且不需要操作系統的支持，因此本系統采用輕量級的軟件協議棧μIP。

以太網控制器硬件電路圖如圖4所示。

圖4　以太網控制器硬件電路圖

以太網控制器選用25 MHz晶振提供時基。與微控制器進行SPI通信的接口網絡標號為NET_CS、NET_SCK、NET_MISO、NET_MOSI。2個LED狀態燈控制線，用于控制顯示RJ45接口上的LED燈狀態。差分信號線為TPIN+、TPIN-、TPOUT+、TPOUT-,與RJ45對應的信號線相連。

以太網RJ45接口選用HanRun的HR911105A，帶有2個LED燈和1∶1網絡變壓器，抗干擾能力強,能夠實現長距離的高速網絡傳輸。

以太網RJ45接口電路圖如圖5所示。RJ45接口中的信號線網絡標號為TPOUT+、TPOUT-、TPIN+、TPIN-，與以太網控制器的對應引腳相連。

圖5　RJ45接口硬件電路圖

2.4攝像頭模塊

攝像頭選用OV2640模塊，OV2640是OV公司生產的1/4寸的CMOS UXGA( 1632×1232)圖像傳感器。該傳感器體積小、工作電壓低，通過SCCB總線控制。其高靈敏度、低電壓適合嵌入式應用。用戶可以完全控制圖像質量數據格式和傳輸方式，支持多種輸出格式。

采用標準的數字攝像頭接口(DCMI)使數據采集速度比串口攝像頭快得多。支持圖片壓縮，即可直接輸出JPEG圖像數據，得到的圖片數據量較小，有助于實現網絡傳輸的實時性[10]。攝像頭模塊接口電路略——編者注。

OV2640攝像頭模塊的初始化需要用到SCCB總線控制，分別為SIO_CLK和SIO_DAT 2條信號線。采用模擬數字攝像頭接口(DCMI)時序的方式采集數據，其過程需要用到D0～D7、PCLK、VSYNC、HREF信號線。

2.5SD卡模塊

SD卡模塊有成熟的SPI 協議來實現與STM32的連接，很容易實現與STM32 的數據交互傳遞[11]。選用金士頓容量8 GB的SD卡用于板上存儲照片數據。在網絡傳輸照片時它是照片提供方，拍照和網絡傳輸過程分割開，使得實時性更高、傳輸更加穩定。本系統采用SPI模式驅動SD卡，最高通信速率達到18 Mbps,每秒可傳輸數據2 MB以上。

3系統軟件設計

圖6　系統軟件設計流程圖

該系統要實現感受沖擊后進行拍照的功能，在軟件設計上經過以下幾個階段：①系統初始化，主要初始化ADXL345加速度傳感器、OV2640攝像頭、SD卡;②感受到沖擊后采集像素數據，并將數據保存到SD卡中;③讀取SD卡中照片數據，將照片數據通過網絡發送給監控中心。系統軟件設計流程圖如圖6所示。其中3 s定時器是為防止拍照出現異常而設置的，60 s定時器用于設置拍照總時長。

3.1系統初始化

3.1.1攝像頭OV2640相關初始化

STM32通過SCCB總線初始化攝像頭OV2640。硬件復位之后，STM32通過SCCB讀取攝像頭的ID，檢驗通信是否正常，然后配置攝像頭輸出640×480大小的JPEG圖片，配置攝像頭亮度、曝光度和壓縮比，配置STM32的中斷引腳。

3.1.2加速度傳感器ADXL345相關初始化

STM32通過I2C總線初始化加速度傳感器。首先初始化STM32的I2C接口，讀取ID檢驗通信是否正常，然后配置數據輸出頻率為100 Hz，配置13位全分辨率，數據右對齊，量程為16g。配置中端映射引腳，設置活動閾值為15g,使能Z軸活動中斷，最后校準。

3.1.3SD卡相關初始化

STM32通過SPI總線初始化SD卡。首先初始化STM32的SPI接口，通過SPI接口按初始化序列初始化SD卡，查看顯示存儲空間、申請空間等。

3.2數據保存到SD卡過程

模擬數字攝像頭接口(DCMI)的時序采集像素數據的過程是在VSYNC中斷和PCLK中斷中進行的。VSYNC中斷處理流程圖如圖7所示。

圖7　VSYNC中斷處理流程圖

PCLK處理流程為：PCLK中斷開啟后，一旦進入了PCLK中斷，同時HREF引腳為高電平時，就將像素數據保存到事先開辟的緩存中。

當采集完一幀圖像數據之后，開始將數據寫入SD卡中，SD卡以512字節為一個扇區，將數據以512字節為一個單位寫入到SD卡中，每存完一幀圖像數據，需要在其后存入4字節的結束符，以便與下一幀圖像數據分割開。此部分算法流程在系統軟件設計流程圖中已體現。

3.3將照片數據通過網絡發送給監控中心

系統通過TCP/IP協議將SD卡中存儲的照片數據上傳給監控中心。由于ENC28J60不帶有協議棧，因此用STM32嵌入μIP實現軟協議棧。通過μIP主動發送數據方式有2種：①先發送一個數據包，收到ACK之后發送下一個數據包，以此循環，直到數據發完；②通過輪詢方式，利用μIP的周期定時器到時輪詢來發送數據。若采用方式①，一個ACK包需要200 ms，無法保證實時性。因此選用方法②，將周期定時器設置為10 ms，則10 ms發送一次數據包，這樣同時保證了數據的可靠性和實時性。

網絡發送照片數據之前需要從SD卡中讀取照片數據,系統軟件設計流程圖中的網絡發送照片數據流程圖如圖8所示。

圖8　網絡發送照片數據流程圖

網絡發送一幀照片數據的流程為：以結束符為分隔，當從SD卡讀取完一幀照片數據后。首先判斷一幀照片數據是否發送完，若未發送完，將接下來的1 460個數據存入μIP發送緩存中，不足1 460字節按1 460字節存入。若沒有照片數據需要發送,則將4字節結束符存入μIP發送緩存中。當μIP定時周期到時，在輪詢中發送μIP緩存數據至監控中心。

編者注——論文部分程序見本刊網站www.mesnet.com.cn。

4實驗與分析

實驗結果表明，系統使用STM32F103ZET6作為微控制器，成本低、穩定性好。充分利用微控制器主頻快速的特點，采用模擬數字攝像頭接口(DCMI)時序的方式采集圖像，圖像清晰，效果不遜于STM32F4系列芯片所采集圖像。

采用拍照后先存儲再傳輸的方式，將存儲和傳輸分隔開，提高了系統拍照的實時性。采用ENC28J60和μIP協議棧的方式實現網絡傳輸，網絡傳輸穩定性好。μIP采用到時輪詢的方式發送數據，縮短了μIP周期定時器周期值，提高了μIP連續發送數據的速度。該系統受到TCP/IP協議自身限制，傳輸照片不宜過大，系統采用JPEG(640×480)格式照片，滿足實際需求。

結語

本文設計了一種廣告屏受到沖擊時實時抓拍事故現場的系統。采用STM32F103ZET6作為微控制器，使系統在滿足可靠性、穩定性和實時性的前提下降低了系統的成本。該系統徹底擺脫了傳統的網絡視頻監控在廣告屏監控上應用的缺點，解決了廣告屏受沖擊事故現場無法及時記錄的問題，增強了戶外廣告屏的適應能力，能有效減小戶外廣告屏受沖擊后造成的經濟損失，對戶外液晶動態廣告屏的推廣和發展有重要意義。在現有基礎上，可對廣告屏沖擊時拍照速率做進一步研究和優化。

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陳章(碩士),研究方向為機械電子工程;江劍(副教授),研究方向為測控技術及儀器、計算機控制技術、圖像處理及識別。

Scene Real-time Capture System When Advertising Screen Impacted※

Chen Zhang,Jiang Jian

(College of Mechanical Engineering,Nanjing University of Science and Technology,Nanjing 210094,China)

Abstract：Aiming at the defect that the scene condition can not be informed when the advertising screen is impaceted,a scene real-time capture system is designed.The system is composed of acceleration sensor,camera OV2640,SD card,ethernet controller,ethernet interface,router and microprocessor STM32F103ZET6.The system can capture the scene condition according to the impact strength in real-time,then stores the photoes into the SD card,and transmits the pictures to the monitoring center through Ethernet.The system has the advantages of low cost,strong real-time,good stability and reliability.

Key words:advertising screen;capture system;Ethernet;STM32F103ZET6;OV2640;μIP;DCMI

收稿日期：(責任編輯：楊迪娜2015-08-04)

中圖分類號:TP23

文獻標識碼:A