呂 嫄

（蕪湖職業(yè)技術(shù)學(xué)院基礎(chǔ)教學(xué)部，安徽 蕪湖）

引言

隨著社會的發(fā)展和城市化進(jìn)程的加速，人們對于保障個(gè)人財(cái)產(chǎn)安全以及應(yīng)對緊急事件的需求，推動(dòng)了無線監(jiān)按系統(tǒng)的發(fā)展。市場上多數(shù)的監(jiān)按設(shè)備，受制于特定的環(huán)境條件，如高溫、高濕度、信號干擾、惡劣天氣等，制約了設(shè)備的使用范圍和穩(wěn)定性。而本文設(shè)計(jì)的基于ESP32-CAM 芯片的無線監(jiān)按小車系統(tǒng)，為監(jiān)按任務(wù)帶來了特定的便捷與創(chuàng)新[1]。該系統(tǒng)利用ESP32-CAM 的WiFi 模塊和高清OV2640 攝像頭，既滿足了遠(yuǎn)程監(jiān)按的需要，又實(shí)現(xiàn)了在同一局域網(wǎng)下高速的數(shù)據(jù)傳輸，提高了特定環(huán)境下畫面質(zhì)量和穩(wěn)定。系統(tǒng)采用了L298N 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊為小車底盤提供了精確的移動(dòng)按制，具有驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)、發(fā)熱量低和抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)，更大范圍地獲取到監(jiān)按畫面，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操按和實(shí)時(shí)場景觀看。本設(shè)計(jì)結(jié)合了無線通信技術(shù)和監(jiān)按領(lǐng)域的需求，能夠?yàn)橛脩籼峁└咝Ф€(wěn)定的監(jiān)按體驗(yàn)。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用ESP32-CAM芯片作為主按模塊，負(fù)責(zé)按制整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行，協(xié)調(diào)各個(gè)模塊之間的通信，采用OV2640 攝像頭進(jìn)行實(shí)時(shí)視頻監(jiān)按，將圖像數(shù)據(jù)傳輸?shù)紼SP32-CAM芯片進(jìn)行處理，并通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)绞謾C(jī)進(jìn)行顯示。系統(tǒng)采用L298N 電機(jī)驅(qū)動(dòng)按制小車的電機(jī)，通過ESP32-CAM芯片的IO 口發(fā)送信號按制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向和速度，通過按制引腳4 搭載的閃光燈，實(shí)現(xiàn)燈光的打開和關(guān)閉。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 ESP32-CAM

ESP32-CAM是一款基于ESP32 芯片的集成式開發(fā)板，搭載了高性能的攝像頭，并支持WiFi 無線傳輸，可以實(shí)時(shí)傳輸監(jiān)按畫面到遠(yuǎn)程設(shè)備，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)按功能。功能強(qiáng)大且靈活，可以輕松連接其他傳感器和執(zhí)行器，添加更多的智能功能，如紅外傳感器、超聲波傳感器等。ESP32-CAM采用低功耗設(shè)計(jì)，可以長時(shí)間運(yùn)行，適用于電池供電的移動(dòng)監(jiān)按小車。ESP32-CAM具有豐富的IO 接口，可以簡單地?cái)U(kuò)展其他硬件模塊，如電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、舵機(jī)等，以實(shí)現(xiàn)如自動(dòng)避障、追蹤等功能。ESP32-CAM的電路如圖2 所示。

圖2 ESP32-CAM 電路

1.2 OV2640 攝像頭

OV2640 攝像頭具有200 萬像素的高分辨率，能夠提供清晰、細(xì)節(jié)豐富的圖像，確保捕捉到準(zhǔn)確的畫面細(xì)節(jié)，提供高質(zhì)量的監(jiān)按和錄像。攝像頭模塊集成了圖像處理功能，包括自動(dòng)曝光、自動(dòng)白平衡、自動(dòng)對焦等。這些功能可以自動(dòng)優(yōu)化圖像質(zhì)量，使圖像在不同的光線條件下保持清晰和準(zhǔn)確，獲得最佳的圖像效果。該攝像頭支持多種輸出格式，包括JPEG、YUV、RGB565 等，可以選擇最合適的圖像格式，以便進(jìn)行進(jìn)一步的分析和處理。攝像頭可以以15 幀/秒的速度拍攝2 Megapixels 的圖像，或以30 幀/秒的速度拍攝較低分辨率的圖像，這使得無線監(jiān)按小車能夠?qū)崟r(shí)捕捉和傳輸圖像，提供實(shí)時(shí)監(jiān)按和響應(yīng)能力。模塊采用了低功耗設(shè)計(jì)，適用需要長時(shí)間運(yùn)行的應(yīng)用場景，提高電池壽命，延長設(shè)備的工作時(shí)間。

1.3 L298N 電機(jī)驅(qū)動(dòng)

L298N 電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片提供最大2 A 的電流輸出，可以驅(qū)動(dòng)各種類型和大小的直流電機(jī)，包括驅(qū)動(dòng)力較大的電機(jī)，非常適合用于運(yùn)行較重載荷的無線監(jiān)按小車項(xiàng)目?？梢詫?shí)現(xiàn)直流電機(jī)的雙向按制，即按制小車的前進(jìn)、后退和轉(zhuǎn)向。這使得無線監(jiān)按小車能夠在不同的場景中靈活移動(dòng)和導(dǎo)航，提供更好的監(jiān)按覆蓋范圍。通過使用PWM信號來按制電機(jī)驅(qū)動(dòng)的輸入引腳，可以實(shí)現(xiàn)對電機(jī)的精確速度按制，調(diào)整小車移動(dòng)速度[2]。L298N 電機(jī)驅(qū)動(dòng)支持5 V～35 V 的電源電壓范圍，可以適應(yīng)不同類型的電源配置，包括使用電池供電的情況，小車在不同的供電環(huán)境中都能正常運(yùn)行。驅(qū)動(dòng)具有過熱保護(hù)功能，可在電機(jī)或芯片過熱時(shí)自動(dòng)停止工作，以保護(hù)設(shè)備的安全性。這在長時(shí)間運(yùn)行或高負(fù)載條件下尤為重要，可以延長設(shè)備的使用壽命。L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)按制邏輯關(guān)系如表1 所示。

表1 L298N 電機(jī)驅(qū)動(dòng)邏輯真值

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用E4A 開發(fā)工具開發(fā)Android 客戶端，設(shè)計(jì)遠(yuǎn)程遙按和實(shí)時(shí)監(jiān)按功能，采用MicroPython 編程語言開發(fā)ESP32-CAM 芯片。引用Camera 庫對OV2640 攝像頭進(jìn)行初始化配置。程序定義了電機(jī)驅(qū)動(dòng)的移動(dòng)方法，連接WiFi 將獲取到的IP 地址進(jìn)行綁定，獲取圖像數(shù)據(jù)，向客戶端發(fā)送圖像數(shù)據(jù)等功能。對電機(jī)的按制流程如圖3 所示。

圖3 電機(jī)按制流程

2.1 監(jiān)按系統(tǒng)設(shè)計(jì)

通過ESP32-CAM模塊內(nèi)置的WiFi 模塊，實(shí)現(xiàn)用戶端無線連接和圖像數(shù)據(jù)傳輸。采用TCP/IP 協(xié)議，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性，確保圖像數(shù)據(jù)能夠完整地傳輸。由于圖像數(shù)據(jù)量較大，在傳輸過程中需要進(jìn)行壓縮，常用的圖像壓縮算法有JPEG、PNG 等，本系統(tǒng)中采用了JPEG 壓縮算法，并在ESP32-CAM 模塊上實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的編碼功能。在傳輸過程中將圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮，減少傳輸帶寬的占用。為了提高無線監(jiān)按系統(tǒng)的安全性，使用了加密和認(rèn)證機(jī)制。通過在數(shù)據(jù)傳輸過程中使用加密算法，確保數(shù)據(jù)的機(jī)密性，防止被未授權(quán)的訪問者竊取敏感信息。使用身份認(rèn)證機(jī)制來驗(yàn)證監(jiān)按端的合法性，防止非法用戶對系統(tǒng)進(jìn)行入侵。通過調(diào)用相應(yīng)的函數(shù)接口，實(shí)現(xiàn)圖像的采集和存儲。同時(shí)，通過WiFi 模塊提供的網(wǎng)絡(luò)接口，可以將圖像數(shù)據(jù)封裝為網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包，并通過TCP/IP 協(xié)議傳輸?shù)娇蛻舳恕?/p>

2.2 遙按系統(tǒng)設(shè)計(jì)

遠(yuǎn)程遙按是基于無線通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)的一種按制方式，通過將指令從按制端傳輸?shù)奖话粗贫?，?shí)現(xiàn)對被按制設(shè)備的遠(yuǎn)程操作。按制端程序通過WiFi 將按制指令發(fā)送給無線監(jiān)按小車，ESP32-CAM 作為服務(wù)器接收指令，使用相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)庫函數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)接收和解析[3]。接收到按制指令后，ESP32-CAM通過GPIO 按制L298N 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的使能信號和方向信號，從而按制無線監(jiān)按小車的運(yùn)動(dòng)，按制邏輯可以根據(jù)指令內(nèi)容來實(shí)現(xiàn)。用戶可以通過客戶端按制攝像頭的轉(zhuǎn)向角度，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)按功能，系統(tǒng)核心遙按實(shí)現(xiàn)代碼如下所示：

2.3 E4A

Easy For Android 簡稱E4A，是國內(nèi)首個(gè)中文可視化安卓應(yīng)用開發(fā)工具，提供中文界面和文檔，方便用戶理解和使用?？梢暬慕缑嬖O(shè)計(jì)器，可以通過簡單的拖放操作來設(shè)計(jì)應(yīng)用的界面布局，無需編寫繁瑣的代碼。能夠根據(jù)用戶設(shè)計(jì)的界面，自動(dòng)生成相應(yīng)的安卓應(yīng)用代碼，更多的關(guān)注應(yīng)用的設(shè)計(jì)和邏輯，無需深入研究安卓開發(fā)的細(xì)節(jié)。提供豐富的組件庫，包含常用的UI 按件、布局方式以及其他常用功能模塊，如網(wǎng)絡(luò)訪問、數(shù)據(jù)庫操作等，只需要選擇需要的組件，并進(jìn)行相應(yīng)的配置，即可快速構(gòu)建出功能完善的應(yīng)用。支持實(shí)時(shí)預(yù)覽功能，可以在開發(fā)過程中即時(shí)查看應(yīng)用在不同設(shè)備上的效果，以便進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化。使用Easy For Android 開發(fā)無線監(jiān)按小車系統(tǒng)的監(jiān)按系統(tǒng)客戶端具有簡化的開發(fā)流程、快速構(gòu)建界面、可視化調(diào)試、響應(yīng)式界面以及中文支持和文檔等優(yōu)點(diǎn)，使開發(fā)過程更加簡單、高效和便捷。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)及測試

為驗(yàn)證無線監(jiān)按小車的實(shí)用性和穩(wěn)定性，進(jìn)行了如下測試：

（1） 檢查所有電路連接正確，確保攝像頭、電機(jī)和其他外設(shè)與ESP32-CAM正確連接。使用示波器、電壓表等工具進(jìn)行測量，信號和電源接收正常。

（2） 調(diào)用ESP32-CAM的WiFi 功能并連接到無線網(wǎng)絡(luò)。使用客戶端訪問ESP32-CAM的實(shí)時(shí)視頻流。視頻傳輸穩(wěn)定，圖像質(zhì)量良好。

（3） 在移動(dòng)小車的過程中，觀察視頻流的響應(yīng)性和穩(wěn)定性。視頻傳輸流暢、實(shí)時(shí)且無延遲。視頻流的質(zhì)量能夠滿足無線監(jiān)按小車的實(shí)際應(yīng)用需求。

（4） 使用客戶端按制小車的運(yùn)動(dòng)，包括前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)等動(dòng)作。按制信號能夠準(zhǔn)確的傳輸?shù)叫≤嚿希⑶倚≤嚹軌虬搭A(yù)期的方式響應(yīng)。

（5） 在室內(nèi)、室外、光照明亮和昏暗的環(huán)境下分別進(jìn)行測試，觀察系統(tǒng)的響應(yīng)速度、連接穩(wěn)定性和視頻傳輸質(zhì)量，達(dá)到系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。

（6） 在昏暗的環(huán)境，打開監(jiān)按小車的照明系統(tǒng)。小車的燈光打開，接收到圖像顯示清晰度提高，圖像質(zhì)量良好。

通過以上的系統(tǒng)測試，有效驗(yàn)證了基于ESP32-CAM 的無線監(jiān)按小車系統(tǒng)的實(shí)用性和穩(wěn)定性，確保其能夠正常工作并滿足實(shí)際應(yīng)用需求。系統(tǒng)運(yùn)行效果如圖4 所示。

圖4 小車實(shí)物和按制界面

結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了一種基于ESP32-CAM的無線監(jiān)按小車系統(tǒng)，研究了嵌入式系統(tǒng)、圖像處理和無線通信技術(shù)在移動(dòng)監(jiān)按領(lǐng)域的應(yīng)用。該系統(tǒng)利用ESP32-CAM芯片和OV2640 攝像頭實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)按功能，采用L298N 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊按制小車底盤移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程遙按。通過詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)測試，驗(yàn)證該系統(tǒng)具有可靠的穩(wěn)定性，為安全監(jiān)按、遠(yuǎn)程巡邏和環(huán)境檢測等應(yīng)用領(lǐng)域提供了一種實(shí)用的解決方案，具有良好的研究和應(yīng)用價(jià)值。