一种基于UART-WIFI的公路图像采集远程报警系统设计*

朱伶俐，沈碧波

(1.安徽电子信息职业技术学院 电子工程系，安徽 蚌埠 233000; 2.安徽蚌明高速公路开发有限公司高速养护部)



一种基于UART-WIFI的公路图像采集远程报警系统设计*

朱伶俐1，沈碧波2

(1.安徽电子信息职业技术学院 电子工程系，安徽 蚌埠 233000; 2.安徽蚌明高速公路开发有限公司高速养护部)

摘要:介绍了一种效果直观的图片传输报警系统，适用于高速公路、桥梁等一些安装护栏的公路.由于发生在高速公路的道路事故大多数伴随着护栏碰撞，因此考虑在护栏安装监控装置，利用震动传感器获取碰撞事故信息，从而触发报警.系统利用STM32F103单片机和88W8385无线WIFI模块的UART-WIFI接口方案，通过SDIO接口连接，实现串口设备接入无线网络并收发数据，同时结合SIM900A模块通过GSM/GPRS网络实现文字短信的发送和上位机软件接收图片两种报警方式，从而实现公路交通事故的实时信息获取.

关键词:震动传感器；STM32理器； UART-WIFI模块； 0V2640摄像头模块；SIM900A

针对高速公路交警部门和路况维护部门对高速公路事故信息获取的方式存在被动性、延时性和不确定性等问题，提出一种公路图像采集远程报警系统.考虑到高速公路事故大多会产生对护栏的碰撞，本系统在护栏上安装监控装置，利用震动传感器获取碰撞信号，触发报警.本系统采用STM32微处理器和WIFI模块构成基于AP组建的基础无线网络(Infra)，实现护栏节点与控制节点之间的无线通信，将护栏节点利用摄像头采集到的图像传输到控制节点上，再通过控制节点上的SIM900A模块传到远程的上位机软件或手机终端，同时也能够实现实时的文字短信报警.从用户体验方面来说，交警或道路维护部门不仅能实时获取事故发生地址信息，也能获取直观的事故现场图像，从而制定最佳救援方案.

1系统概述

系统整体采用三级网络结构，由护栏节点、控制节点和监控平台三部分构成，采用WIFI和GPRS两种网络通信方式实现信息的传输，结构如图1：

图1　系统结构

1.1护栏节点

护栏节点主要包括单片机微处理器、震动传感器、高清夜视红外摄像头和WIFI无线网络STA站点等几个模块.护栏节点安装在公路护栏上，并通过STA与控制节点的AP组建WIFI基础无线网络(Infra)局域网.当事故碰撞产生时，震动传感器因为碰撞产生电信号，通过串口发送给微处理器，微处理器将数据包通过WIFI无线网络发送至控制节点AP，控制节点中的微处理器再通过WIFI无线网络向局域网内所有护栏节点发送控制命令，让所有摄像头同时进行拍照并将图片数据再次发送到控制节点.

考虑到夜晚发生事故的可能性，护栏节点上的摄像头模块采用的是高清夜视红外摄像头，可在夜晚拍摄出较清楚的事故现场画面.

在此强调，护栏节点在安装时需注意：独立局域网内的护栏节点摄像头角度需事先调节好，保证该局域网内的拍摄范围全覆盖，无死角.

1.2控制节点

控制节点包括单片机处理器、gprs/gsm无线通信模块、WIFI无线接入点AP.控制节点AP是WIFI局域网的中心.控制节点位于系统三级网络的中间层，连接两种网络：向下通过WIFI网络接收护栏节点的数据，并反馈控制命令；向上利用无线通信模块通过GPRS接入公网，向监控平台发送报警短信和事故图片.

值得说明的是，每个护栏节点都有一个根据公路桩号规划的地址信息，但是地址信息没有写入护栏节点而是写入了该无线局域网内的控制节点.每个控制节点都包含了WIFI局域网内所有护栏节点的地址信息，控制节点通过来自护栏节点发送的数据包地址确定事故位置，从而将对应于这个护栏节点的地址信息发送出去，这样简化了护栏节点与控制节点的通信.

此外，控制节点不包含震动传感器，它是每个WIFI局域网的中心，只针对护栏节点收发信息同时向监控平台发送数据，因此控制节点在安装选址的时候应避开护栏等易产生碰撞的地方，可安装在绿化带、隔离带或标志牌等不易受碰撞事故影响的地方，以免造成不必要的损失.

1.3监控平台

本系统的监控平台分两种，一种是接入移动网络的手机终端，可直接接收文字短信，也可利用手机APP接收图片；一种是接入互联网的监控室计算机，安装相应上位机软件之后，可接收图片.关于通过GPRS接收图片的问题，不管是手机APP还是计算机上位机软件，目前技术都已成熟，并且在市场上得到了良好反馈.在这里因篇幅限制，具体软件的设计不再赘述.

2硬件设计

2.1单片机微处理器

本系统在护栏节点和控制节点都需要单片机处理器作为各个节点的CPU.在本系统中，护栏节点和控制节点的处理器均选择STM32F103单片机.STM32F103是基于ARM系列的32位CPU，时钟频率可达72MHZ,其内部包含了三个USART串口模块，可用于外接RS232标准串口模块来收发串口数据，同时片内集成SDIO接口，用于外接WIFI无线网络控制器，实现无线数据的收发.这样，串口数据可通过UART→STM32F103→SDIO→WIFI模块，即UART-WIFI接口模块[1]，实现在护栏节点和控制节点之间的无线收发，如图2.

图2　UART-WIFI接口模块

2.2WIFI模块

本系统采用台湾环隆公司的WM-G-MR-09，即Marvell公司的88w8686模块[2]，其内部集成SPI和SDIO接口，工作采用IEEE802-11b/g网络标准，该模块功耗低，但无线传输速率高，数据传输速率可达到54Mbps.该模块与STM32F103单片机通过SDIO接口相连，构成UART-WIFI模块.本系统构建的是WIFI基础无线网络(Infra)局域网，护栏节点上的WIFI模块为Infra的STA站点，控制节点上的WIFI模块为AP无线接入点.

2.3摄像头OV2640

OV2640摄像头模块是目前市场上评价较高的一款CMOS摄像模块，体积小巧，支持8/10位的数字传输JPEG和YCBCR接口.由于该模块可直接输出JPEG图像，压缩率高(1024*768图片可压缩至20K左右)，压缩后的图像可通过GPRS/GSM网络发送给手机或远端监控平台.OV2640模块与STM32F103相连时，采用摄像头8bit数据模式，高8位接CPU I/O接口低8位，剩余低2位不接[3].如图3.

图3　OV2640模块与STM32F103连接图

2.4SIM900A无线GSM/GPRS模块

SIM900A无线GSM/GPRS模块.SIM900A模块是SIMCOM公司推出的双频GSM/GPRS模块，可接入GSM/GPRS网络实现远程无线通信.本系统只在控制节点配有SIM900A模块，以降低系统的网络成本.STM微处理机通过串口控制SIM900A，从而进行短信和图片的发送.

2.5震动传感器

本系统震动传感器安装在护栏节点，当振动传感器模块上压电陶瓷时，该模块会产生TTL低电平输出给STM单片机，从而触发报警工作模式.

2.6电源模块

考虑到高速公路市电供电的难处，本系统仍然采用9V/5W太阳能电池板结合3.7V锂电池供电方案，采用CN3063锂电池充电管理芯片，内部固定的充电电压可达到恒压4.2V，可满足系统节点用电的要求，具体方案，可见参考文献[4].

3系统工作流程

系统初始状态各节点工作状态稳定，处于待机状态，局域网连接正常.当突发事故引发护栏碰撞时，护栏节点上的震动传感器产生电压信号发送给该节点上的单片机处理器，单片机命令该节点通过WIFI向控制节点发送数据包.此时，控制节点根据数据包来源确定事故地址(即公路桩号)，并通过GSM/GPRS通信模块向监控平台发送报警文字短信，短信内容包括事故发生的时间和具体位置.与此同时，控制节点再次通过WIFI向该局域网内所有护栏节点发送命令，启动局域网内所有护栏节点上的摄像头同时进行拍照，并再次通过WIFI将图片数据传输到控制节点，并通过控制节点上的无线通信模块传输到监控平台.这样监控平台能及时获取事故的多方位、多角度的现场图片.

考虑到一次事故的多次碰撞可能性，系统设置屏蔽功能和自动重拍功能.单个护栏节点只接收n秒内的第一次碰撞，控制节点也只在n秒内发送第一次碰撞的文字短信报警信息.在各护栏节点第一次拍照结束并发送图片之后，摄像头会在n秒后自动进行第二次拍照并发送，再次经过T时间后若无碰撞产生，则各节点进入待机状态.(n和T可根据各条公路实际要求设置)

4结束语

本文主要从硬件结构方面介绍一种基于UART-WIFI与GPRS的公路图像采集远程报警系统，系统通过护栏节点上的震动传感器和摄像头采集事故信息，然后将数据包通过UART-WIFI接口模块传给控制节点处理器，控制节点再通过GSM/GPRS模块将图片数据传输到远端监控平台上.该系统能够将事故信息实时、准确、直观地发送到监控平台，能够直观反馈事故现场图像信息.该系统目前已经在部分高速公路上测试成功，具有广阔的应用前景.

参考文献：

[1]潘琢金,李冰,罗振,杨华.基于STM32的UART-WIFI模块的设计与实现[J].制造业自动化,2015(07):127-130.

[2]楚景景.基于88w8686Wi-Fi模块实现嵌入式终端的图像传输研究[D].北京:北京邮电大学,2015.

[3]王建,梁振涛,郑文斌,刘志军.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(09):46-48.

[4]朱伶俐,沈碧波.基于SIM900A的高速公路远程报警系统设计[J].通化师范学院学报,2015(04):4-6.

(责任编辑:王前)

A Remote Alarm System for Highway Image Acquisition Based on UART-WiFi

ZHU Ling-li1, SHEN Bi-bo2

(1.AnhuiVocationalcollegeofElectronics&InformationTechnology,Bengbu,Anhui233000,China;2.AnhuiclamMingExpresswayDevelopmentCo.,Ltd.,Bengbu,Anhui233000,China)

Abstract:In this paper, a visual image transmission alarm system is established. It is applicapable to the safe protective railing of expressway and bridge. The vibration sensor is used for getting accident information. The STM32f1032 SCM and 88W8385 wireless wifi UART-WIFI are used. Serial device to achieve access to the wireless network and send and receive data according to SDIO. At the same time, SIM900A is used for achieving text message sending and picture receiving.

Key words：vibration sensor；STM32； UART-WIFI； 0v2640 camera；SIM900A

DOI:10.13877/j.cnki.cn22-1284.2016.06.001

*收稿日期：2016-02-18

作者简介：朱伶俐，女，安徽阜阳人，教师.

中图分类号：TP393

文献标志码：A

文章编号：1008-7974(2016)03-0001-03