广告屏受冲击时的现场实时抓拍系统设计※

陈章，江剑

(南京理工大学 机械工程学院，南京 210094)



广告屏受冲击时的现场实时抓拍系统设计※

陈章，江剑

(南京理工大学 机械工程学院，南京 210094)

摘要:针对广告屏受冲击时现场情况无法获悉的缺点，设计了一种广告屏受冲击时现场的实时抓拍系统。系统由加速度传感器、摄像头OV2640、SD卡、以太网控制器、以太网接口、路由器和STM32F103ZET6微控制器构成。可根据冲击强度实时抓拍现场情况，将照片信息存入SD卡中，并通过以太网实时上传给监控中心。该系统具有成本低、实时性强、稳定可靠等优点。

关键词:广告屏；抓拍系统；以太网；STM32F103ZET6；OV2640；μIP；DCMI

引言

随着网络和电子技术的快速发展，加速度传感器在感受到冲击以后，可通过微控制器将摄像头拍摄的JPEG格式照片存入SD卡，随后通过网络传至监控中心，这不仅使广告屏监控摆脱了传统网络视频监控的缺点，而且满足了监控方对广告屏受冲击现场实时抓拍的迫切需要。

1系统总体方案和可行性分析

针对传统的广告屏受冲击时现场情况无法获悉的缺点，设计了一种广告屏受冲击现场实时抓拍系统。系统总体框架如图1所示。

图1　系统总体框架图

系统采用以下设计方案：该系统的加速度传感器时刻检测加速度值，当广告屏受到冲击所产生的加速度值高于设定的阈值时，启动图像采集模块进行拍照。户外广告屏读取摄像头传来的数据，获取到完整照片数据之后，将照片保存在SD卡中。当保存完一定数量的照片到SD卡后停止拍照，再从SD卡中读取照片数据，通过网络发送给远程监控中心。远程监控中心根据自定义协议获得照片数据，照片实时显示在监控窗口中，并将照片和时间信息保存在硬盘中，便于随时查看。

2系统硬件设计

系统硬件设计包括微控制器、电源模块、加速度传感器模块、摄像头模块、SD卡、以太网控制器、以太网接口几部分。硬件设计总体框图如图2所示。

图2　硬件设计总体框图

2.1微控制器

系统的微控制器选用ST公司的STM32F103ZET6(以下简称STM32)，具有512 KB的Flash和64 KB的SRAM，主频达72 MHz,这些资源使得该微控制器非常适合快速处理数据[3-4]。对于一帧像素为640×480的清晰的JPEG格式照片，按50∶1比例压缩，数据部分大小一般为45 KB，因此为了配合照片大小，开辟50 KB的内存空间给照片使用。

2.2加速度传感器

加速度传感器选用ADI公司生产的一款三轴、数字输出的加速度传感器ADXL345。采用官方推荐的I2C总线方式通信，灵敏度高达3.9 mg/LSB，功耗低且体积小，加速度最大量程为±16g[5-6]。为了将碰撞产生的冲击和轻微振动以及摇晃区分开，经过试验，本系统设计加速度超过15g则视为发生冲击，满足实际需求。ADXL345加速度传感器的硬件电路如图3所示。与微控制器相连的I2C网络标号为IIC_SDA和IIC_SCL，上拉电阻为4.7 kΩ。加速度传感器的SDO/ADDR引脚接高电平，则器件读写地址为0x3B、0x3A。

图3　ADXL345硬件电路图

2.3以太网控制器与接口

以太网控制器芯片选用ENC28J60，该芯片是带有标准串行外设接口(SPI)的独立以太网控制器。通过SPI与微控制器的通信传输速率高达10 Mb/s，自身带有MAC层和PHY层[7-9]。

因为该芯片内部没有硬件协议栈，需要微控制器嵌入软协议栈。由于μIP协议栈代码非常少，其协议栈代码不到6 KB，方便阅读和移植，且占用的内存数非常少，其硬件处理层、协议栈层和应用层共用一个全局缓存区，不存在数据的拷贝，极大地节省了空间和时间，而且不需要操作系统的支持，因此本系统采用轻量级的软件协议栈μIP。

以太网控制器硬件电路图如图4所示。

图4　以太网控制器硬件电路图

以太网控制器选用25 MHz晶振提供时基。与微控制器进行SPI通信的接口网络标号为NET_CS、NET_SCK、NET_MISO、NET_MOSI。2个LED状态灯控制线，用于控制显示RJ45接口上的LED灯状态。差分信号线为TPIN+、TPIN-、TPOUT+、TPOUT-,与RJ45对应的信号线相连。

以太网RJ45接口选用HanRun的HR911105A，带有2个LED灯和1∶1网络变压器，抗干扰能力强,能够实现长距离的高速网络传输。

以太网RJ45接口电路图如图5所示。RJ45接口中的信号线网络标号为TPOUT+、TPOUT-、TPIN+、TPIN-，与以太网控制器的对应引脚相连。

图5　RJ45接口硬件电路图

2.4摄像头模块

摄像头选用OV2640模块，OV2640是OV公司生产的1/4寸的CMOS UXGA( 1632×1232)图像传感器。该传感器体积小、工作电压低，通过SCCB总线控制。其高灵敏度、低电压适合嵌入式应用。用户可以完全控制图像质量数据格式和传输方式，支持多种输出格式。

采用标准的数字摄像头接口(DCMI)使数据采集速度比串口摄像头快得多。支持图片压缩，即可直接输出JPEG图像数据，得到的图片数据量较小，有助于实现网络传输的实时性[10]。摄像头模块接口电路略——编者注。

OV2640摄像头模块的初始化需要用到SCCB总线控制，分别为SIO_CLK和SIO_DAT 2条信号线。采用模拟数字摄像头接口(DCMI)时序的方式采集数据，其过程需要用到D0～D7、PCLK、VSYNC、HREF信号线。

2.5SD卡模块

SD卡模块有成熟的SPI 协议来实现与STM32的连接，很容易实现与STM32 的数据交互传递[11]。选用金士顿容量8 GB的SD卡用于板上存储照片数据。在网络传输照片时它是照片提供方，拍照和网络传输过程分割开，使得实时性更高、传输更加稳定。本系统采用SPI模式驱动SD卡，最高通信速率达到18 Mbps,每秒可传输数据2 MB以上。

3系统软件设计

图6　系统软件设计流程图

该系统要实现感受冲击后进行拍照的功能，在软件设计上经过以下几个阶段：①系统初始化，主要初始化ADXL345加速度传感器、OV2640摄像头、SD卡;②感受到冲击后采集像素数据，并将数据保存到SD卡中;③读取SD卡中照片数据，将照片数据通过网络发送给监控中心。系统软件设计流程图如图6所示。其中3 s定时器是为防止拍照出现异常而设置的，60 s定时器用于设置拍照总时长。

3.1系统初始化

3.1.1摄像头OV2640相关初始化

STM32通过SCCB总线初始化摄像头OV2640。硬件复位之后，STM32通过SCCB读取摄像头的ID，检验通信是否正常，然后配置摄像头输出640×480大小的JPEG图片，配置摄像头亮度、曝光度和压缩比，配置STM32的中断引脚。

3.1.2加速度传感器ADXL345相关初始化

STM32通过I2C总线初始化加速度传感器。首先初始化STM32的I2C接口，读取ID检验通信是否正常，然后配置数据输出频率为100 Hz，配置13位全分辨率，数据右对齐，量程为16g。配置中端映射引脚，设置活动阈值为15g,使能Z轴活动中断，最后校准。

3.1.3SD卡相关初始化

STM32通过SPI总线初始化SD卡。首先初始化STM32的SPI接口，通过SPI接口按初始化序列初始化SD卡，查看显示存储空间、申请空间等。

3.2数据保存到SD卡过程

模拟数字摄像头接口(DCMI)的时序采集像素数据的过程是在VSYNC中断和PCLK中断中进行的。VSYNC中断处理流程图如图7所示。

图7　VSYNC中断处理流程图

PCLK处理流程为：PCLK中断开启后，一旦进入了PCLK中断，同时HREF引脚为高电平时，就将像素数据保存到事先开辟的缓存中。

当采集完一帧图像数据之后，开始将数据写入SD卡中，SD卡以512字节为一个扇区，将数据以512字节为一个单位写入到SD卡中，每存完一帧图像数据，需要在其后存入4字节的结束符，以便与下一帧图像数据分割开。此部分算法流程在系统软件设计流程图中已体现。

3.3将照片数据通过网络发送给监控中心

系统通过TCP/IP协议将SD卡中存储的照片数据上传给监控中心。由于ENC28J60不带有协议栈，因此用STM32嵌入μIP实现软协议栈。通过μIP主动发送数据方式有2种：①先发送一个数据包，收到ACK之后发送下一个数据包，以此循环，直到数据发完；②通过轮询方式，利用μIP的周期定时器到时轮询来发送数据。若采用方式①，一个ACK包需要200 ms，无法保证实时性。因此选用方法②，将周期定时器设置为10 ms，则10 ms发送一次数据包，这样同时保证了数据的可靠性和实时性。

网络发送照片数据之前需要从SD卡中读取照片数据,系统软件设计流程图中的网络发送照片数据流程图如图8所示。

图8　网络发送照片数据流程图

网络发送一帧照片数据的流程为：以结束符为分隔，当从SD卡读取完一帧照片数据后。首先判断一帧照片数据是否发送完，若未发送完，将接下来的1 460个数据存入μIP发送缓存中，不足1 460字节按1 460字节存入。若没有照片数据需要发送,则将4字节结束符存入μIP发送缓存中。当μIP定时周期到时，在轮询中发送μIP缓存数据至监控中心。

编者注——论文部分程序见本刊网站www.mesnet.com.cn。

4实验与分析

实验结果表明，系统使用STM32F103ZET6作为微控制器，成本低、稳定性好。充分利用微控制器主频快速的特点，采用模拟数字摄像头接口(DCMI)时序的方式采集图像，图像清晰，效果不逊于STM32F4系列芯片所采集图像。

采用拍照后先存储再传输的方式，将存储和传输分隔开，提高了系统拍照的实时性。采用ENC28J60和μIP协议栈的方式实现网络传输，网络传输稳定性好。μIP采用到时轮询的方式发送数据，缩短了μIP周期定时器周期值，提高了μIP连续发送数据的速度。该系统受到TCP/IP协议自身限制，传输照片不宜过大，系统采用JPEG(640×480)格式照片，满足实际需求。

结语

本文设计了一种广告屏受到冲击时实时抓拍事故现场的系统。采用STM32F103ZET6作为微控制器，使系统在满足可靠性、稳定性和实时性的前提下降低了系统的成本。该系统彻底摆脱了传统的网络视频监控在广告屏监控上应用的缺点，解决了广告屏受冲击事故现场无法及时记录的问题，增强了户外广告屏的适应能力，能有效减小户外广告屏受冲击后造成的经济损失，对户外液晶动态广告屏的推广和发展有重要意义。在现有基础上，可对广告屏冲击时拍照速率做进一步研究和优化。

参考文献

[1] Don Shaw,刘艳艳.室内数码广告屏显示技术的变革[J] .现代显示,2010(11)：8-54.

[2] 孙斌.智能视频监控技术及其主要应用[J] .电子技术与软件工程,2015(13)：107.

[3] 王建,梁振涛,郑文斌,等.STM32和OV2640的嵌入式图像采集系统设计[J] .单片机与嵌入式系统应用,2014(9)：46-48.

[4] 陈鑫,秦宏伟,陈春雨,等.基于Cortex_M3内核的STM32微控制器研究与电路设计[J] .大庆师范学院学报,2013,33(6)：44-47.

[5] 李兴法,尹冠飞.数字式加速度传感器ADXL345的原理及应用[J] .黑龙江科技信息,2010(36)：2-14.

[6] 黄晓东,黄晓华.微电子机械系统ADXL345的应用研究[J] .企业技术开发,2012,31(16)：28-30.

[7] 张庆辉,马延立.STM32F103VET6和ENC28J60的嵌入式以太网接口设计[J] .单片机与嵌入式系统应用，2012(9)：23-32.

[8] 于浩洋,邵国平,秦杰.基于ENC28J60以太网控制器的SPI接口设计[J] .黑龙江工程学院学报:自然科学版,2009,23(2)：63-65.

[9] 刘宗铭,卓振泰,何明华.基于ENC28J60的以太网接口的设计与实现[J] .电子器件,2013,36(6)：919-923.

[10] 程磊,刘波,徐建省,等.基于OV2640的微型胶囊内窥镜系统设计[J] .传感器与微系统,2014,33(2)：73-79.

[11] 周娇,蒋求生,朱承志.带SD卡的简易广告屏设计[J] .科学信息,2012(34)：298-299.

陈章(硕士),研究方向为机械电子工程;江剑(副教授),研究方向为测控技术及仪器、计算机控制技术、图像处理及识别。

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：(责任编辑：杨迪娜2015-08-04)

中图分类号:TP23

文献标识码:A