低功耗微型圖像采集系統(tǒng)
作者：2016級(jí)王廣晗 精儀系
指導(dǎo)老師：趙嘉昊 精儀系
關(guān)鍵詞： 微型傳感系統(tǒng) 自供電 視頻監(jiān)控
摘要
本系統(tǒng)將圖像采集和無線傳輸集成到39*21mm的PCB上，待機(jī)功耗小于1mW，可用太陽能供電持續(xù)工作，可用射頻等方式喚醒并不斷傳輸圖片，作為傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)失效時(shí)的備份。
硬件選型
攝像頭采用OV2640攝像頭，接口為DCMI和I2C,支持JPEG輸出。其運(yùn)行時(shí)典型功耗為140mW，支持硬件待機(jī)。模組體積約為6*6*5mm（不含排線）。最大分辨率為1600*1200，為減少傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量和RAM占用，采用320*240分辨率。
主控芯片采用STM32F446RE單片機(jī)。該單片機(jī)帶有DCMI接口和大量其他外設(shè)資源，“睡眠”和“停止”低功耗模式。其封裝為LQFP64，大小10*10mm，是支持DCMI的單片機(jī)中體積較小的一種。
無線通信采用EBYTE的E22-400T22S模塊，其主控芯片是SX1268，433MHz頻段的LoRa調(diào)制。空中速率最高為67.5kbps，即只需2~3s傳輸一張320*240的JPEG圖。通信距離遠(yuǎn)，最遠(yuǎn)可達(dá)5000m，而最高速率最低功率下也可覆蓋整個(gè)家。支持低功耗空中喚醒，接收平均功耗很低。UART接口，編程方便。大小26*16mm，郵票孔接口，可以很方便地嵌入PCB板中。
圖1 開發(fā)板版本的系統(tǒng)
設(shè)計(jì)的PCB為雙層板，大小39*21mm，背面放無線通信模塊，其余元件位于正面。由于無法回學(xué)校，沒有加裝太陽能自供電模塊，采用排針輸入3.3V供電和燒錄程序。
圖2 電路原理圖
圖3 PCB設(shè)計(jì)圖
軟件邏輯
圖3 數(shù)據(jù)流
圖4 工作邏輯框圖
系統(tǒng)上電初始化后進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)，攝像頭關(guān)閉，單片機(jī)處于停止模式，無線模塊處于低功耗接收模式。一個(gè)計(jì)數(shù)器用于決定喚醒時(shí)機(jī)：初始值為一正數(shù)，代表傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)的基站每5秒給系統(tǒng)發(fā)送一個(gè)信息，收到該信息后計(jì)數(shù)器被重置；同時(shí)計(jì)數(shù)器每10秒減1。當(dāng)傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)由于停電或被破壞，停止發(fā)送信息，不久計(jì)數(shù)器就會(huì)減到0，系統(tǒng)被喚醒。
喚醒后，一個(gè)拍攝周期是采集一幀圖像，無線傳輸，傳輸完后視幀率設(shè)定決定暫時(shí)休眠還是立即拍下一幀。高幀率模式3s左右一幀，幀率取決于無線傳輸時(shí)間，即JPEG圖像的大小。低功耗模式6~60s一幀可調(diào)，拍攝周期越長功耗越低。
開發(fā)采用STM32CubeMX和Keil，用到的單片機(jī)片內(nèi)資源有TIM、DCMI、I2C、UART、RTC、DMA、GPIO和外部中斷等。
功能展示
圖5 PCB成品（手工焊接）
上位機(jī)為串口助手工具，可以顯示串口收到的JPEG格式圖片。
圖6 接收圖片效果
