基于STM32F107的图像采集传输系统设计

摘要：设计一种基于ZigBee传输技术和JPEG图像压缩技术的图像采集传输系统。以STM32F107微控制器为核心，通过摄像头 OV7670采集到图像后，对图像进行JPEG压缩。压缩后的数据通过ZigBee模块传输到上位机，在上位机上进行图像恢复。该系统功耗低，工作稳定，适合用于远程监测的图像采集系统使用。

关键词：STM32;低功耗;OV7670;CC2530

无线传感网络是由大量具有通信和计算能力、廉价微型的传感器节点通过自组织的无线通信方式，相互传递信息，协同地完成特定功能的智能网络，在环境监测、安全监控、智能家居等领域有着广大的应用空间。通过图像信息的分析可以精确、直观地对目标环境实施监测。本系统通过STM32F107对摄像头的时序控制，以及ZigBee模块的使用，实现了图像信息在无线传感网络的实时采集和传输。

1 硬件设计方案

1.1 硬件系统结构

系统硬件部分主要由STM32F107、摄像头OV7670、帧缓存器及ZigBee模块及其他外设组成。其中，LCD接口主要用于图像显示，便于图像采集程序的调试，SRAM用于系统的数据存储器，Flash用于系统的程序存储器。系统整体框图如图1所示。

1.2 STM32F107微处理器

STM32F107是意法半导体推出全新STM32互连型系列微控制器中的一款性能较强产品，是基于Cortex-M3内核的32位微控制器。工作电压为2～3.6 V，主频为72 MHz，片上集成256 kb的Flash和64 kb的SRAM.STM32F107拥有全速USB(OTG)接口，两路CAN2.0B接口，以及以太网10/100 MAC模块，并且带有一个ZigBee无线网络通讯接口，支持JTAG/SWD接口的调试下载，支持IAP。此芯片可以满足工业、医疗、楼宇自动化、家庭音响和家电市场多种产品需求。

1.3 摄像头OV7670

OV7670是OV公司生产的一颗1/6寸的CMOS VGA图像传感器，其体积小、工作电压低，提供单片VGA摄像头和影像处理器的所有功能。通过SCCB总线控制，可以输出整帧、子采样、取窗口等方式的各种分辨率8位影像数据。支持RawRGB、RGB(CBR4：2：2，RGB565/RGB555/RGB444)，YUV(4：2：2)和 YcbCr(4：2：2)输出格式，支持VGA、CIF和从CIF到40*30的各种尺寸输出。用户可以完全控制图像质量、数据格式和传输方式，摄像头与 STM32的连接如图2所示。

1.4 帧缓存器AL422B

由于因为OV7670的像素时钟最高可达24 MHz，我们用STM32F107的IO口直接抓取，是非常困难并且十分占耗CPU。本系统通过FIFO读取，芯片的容量为384k字节，足够存储2帧QVGA的图像数据。

1.5 ZigBee模块

CC2530芯片是TI公司推出的嵌入式ZigBee应用的片上系统，其主要支持2.4GHz IEEE 802.15.4以及ZigBee协议。该芯片可以非常快速地切换到不同的运行模式，使得其可以应用于低功耗的相关场合。CC2530芯片还提供了32 KB、64 KB、128 KB、256 KB等四种不同的闪存，本系统选用128 KB的闪存。本系统为了有效地提高CC2530无线通讯质量且增加通信距离，使用CC2591芯片中的RF端子作为射频前端，射频前端CC2591外围电路如图3所示。

2 软件设计方案

2.1 摄像头初始化及采集

摄像头的初始化，主要是通过SCCB初始化相关IO口及配置寄存器。初始化后就要进行采集部分，本系统通过一个外部中断来捕捉帧同步信号 (VSYNC)，在中断服务程序里启动OV7670模块的图像数据存储，直到下一次VSHNC信号时就关闭数据存储，至此完成一帧图像存储。在LCD实时显示的同时开始第二帧数据的存储，如此循环，实现摄像头功能。

部分实验代码如下：

2.2 无线网络的搭建

摄像头节点启动后加入ZigBee网络，然后低功耗侦听捕捉中断，接收中断后，完成摄像头初始化，设置好图像的分辨率，压缩率以及分包大小，将图像的大小信息发送给汇聚节点后，等待接收汇聚节点的取包命令，根据取包命令中的包ID取出相应的数据包，最后返回低功耗侦听模式，具体流程图如图 4所示。

2.3 系统测试

汇聚节点通过USB转串口工具连接到计算机，摄像头节点采集到数据后，将图像压缩，压缩后的数据分包发送给汇聚节点，汇聚节点通过串口发送给计算机，接收到的数据，在上位机进行图像恢复。使用VC++6.0可以编写一个图像恢复工具，通过使用ImageLoad.dll动态链接库可以减轻编写多种格式图像文件的读写及编码解码工作。将接收到的图片数据提取出以FF D8开始，FF D9结束的JPEG数据流，将其放入转换框中，点击“开始转换”按钮，得到了转换后的图片之后，点击“保存图片”按钮将图片保存。

3 总结

测试结果表明，本系统通过对摄像头的配置，很好的解决了时序问题，能够实现图像的实时采集，并且丢包较少，实现了数据在无线传感网络的传输，最后的图像恢复效果也较为理想。在本系统的基础上，可以扩展多个节点，设计信号调理电路，即可实现在无线传感网络中的多信息采集，应用前景广泛。