基于STM32的無線視頻傳輸控制系統設計

趙佳，李永亮，曹磊

（1.河北師范大學職業技術學院，河北石家莊，050024；2.32039部隊，北京，100094）

0 引言

無線通信技術與嵌入式技術的不斷發展使得兩者完美融合，并廣泛應用于家居、工業、交通、軍事等行業。在科學技術不斷發展的今天，利用嵌入式與無線通信技術結合，只需要很少的成本就可以實現一套無線視頻傳輸系統，并在其中加入無線控制有更廣闊的應用前景[1-3]。相比于有線視頻傳輸控制，它結構更加簡單，布放設置更加容易。

本文設計的視頻無線傳輸控制系統是一個具有遠程無線控制、遠程無線視頻傳輸等功能為一體的系統。遠程無線控制：STM32單片機接受上位機通過無線傳輸模塊發送的指令，遠程控制云臺舵機等執行機構動作。遠程無線視頻傳輸：下位機攝像頭等傳感器的數據經過無線模塊上傳至上位機，上位機端接收并顯示。與一般視頻傳輸控制系統不同的是，它不僅可以通過無線信號實現普通視頻傳輸控制功能，還可以較方便的擴展功能并搭載于不同平臺，實現360度的無死角監控。

1 系統方案設計

本系統通過無線信號進行系統的遠程控制，同時將攝像頭的高清圖像通過無線信號進行上傳，將圖像在上位機實時顯示，使系統在視域外也能很好的進行工作。系統主要以電源模塊、控制模塊、通信模塊、傳感器模塊、執行模塊等構成的硬件部分和上位機軟件部分組成。系統主要硬件結構如圖1所示。

圖1 系統硬件結構框圖

2 硬件部分介紹

■2.1 控制模塊

控制模塊選用意法半導體公司(ST)設計生產的STM32 F103RCT6型號單片機。依據芯片手冊及系統需求，設計了時鐘電路、復位電路等外圍電路，并預留了傳感器、步進電機等模塊的接口。該模塊負責收集傳感器數據，監測當前環境，并接收上位機經過WiFi發送的的控制指令，對云臺舵機、步進電機等進行控制。STM32外圍電路結構如圖2所示。

圖2 STM32外圍電路結構圖

■2.2 通信模塊

通信模塊選用MediaTek的LinkIt 7688模塊用來實現無線通信[4]。LinkIt 7688包含MPU，支持C語言和Python等語言開發[5]。LinkIt 7688與STM32單片機之間使用RS232通信協議進行通信，使用RX、TX、GND三線實現全雙工通信。LinkIt 7688使用WiFi (802.11n)與上位機進行通信。LinkIt 7688模塊還需要接收圖像傳感器的圖像數據，圖像傳感器以USB口輸出，通過串口與控制模塊連接。

■2.3 傳感器模塊

傳感器模塊由圖像傳感器、微波感應模塊、超聲波傳感器等傳感器組成，負責感知當前環境參數轉化為電信號傳遞給控制模塊[6]。圖像傳感器上電后直接將圖像數據發送至LinkIt 7688 WiFi模塊，然后上傳至上位機。微波感應模塊受STM32單片機控制，當微波感應模塊使能端置高電平時開始測量，并將數據發送至STM32單片機。超聲波感應模塊同樣受STM32單片機控制，單片機每隔100ms發送至超聲波感應模塊一個18us的高電平信號，超聲波模塊工作，然后由與單片機相連的ECHO端高電平時間計算得出距離[7]。該模塊框圖如圖3所示。

圖3 傳感器模塊框圖

■2.4 執行模塊

執行模塊由云臺舵機、步進電機等執行機構組成，負責接收上位機控制指令改變攝像頭角度、實現系統移動等功能。云臺舵機所需功率較小，直接由STM32單片機控制信號驅動，步進電機功率較大，由STM32控制步進電機驅動板，步進電機驅動板由12V電源供電在STM32單片機控制下驅動步進電機。執行模塊框圖如圖4所示。

圖4 執行模塊框圖

3 上位機軟件設計

本設計選用PC機作為上位機，實現圖形化操作和顯示。上位機軟件主要實現接收LinkIt 7688上傳的視頻信號進行顯示，并對下位機發送指令進行控制。無線視頻傳輸控制功能需要使用WiFi模塊驅動程序和C#接口程序來實現，使用C#編程語言來實現接口程序設計，并結合硬件設備嵌入式編程。控制功能通過控制Q、W、E、A、S、D六個按鈕實現探測車逆時針旋轉、前進、順時針旋轉、左平移、后退、右平移動作，舵機云臺通過方向鍵Up、Down、Left和Right鍵實現云臺的水平旋轉和垂直旋轉。該應用程序具有檢索視頻信號、捕獲、顯示、遠程控制等功能。上位機軟件界面如圖5所示。

圖5 上位機軟件界面

4 系統實現

本設計基于STM32單片機設計制作了無線視頻傳輸控制系統，完成了模塊選擇、電路設計、軟件編寫等工作，實現了上位機與下位機通過無線信號傳輸圖像數據和控制指令，并在上位機顯示視頻圖像和下位機接收上位機控制指令等功能。上位機接收顯示如圖6所示，圖中顯示內容為本設計的主要硬件部分。

圖6 上位機接收圖像顯示

攝像頭將圖像轉化為數字信號，通過USB接口將圖像數據發送至LinkIt 7688[8]，LinkIt 7688將圖像數據轉化為WiFi信號上傳至上位機，上位機程序偵聽指定端口的圖像數據，顯示視頻圖像。下位機端LinkIt 7688接收上位機WiFi信號，將WiFi信號中包含的控制指令轉化為串口信號，通過串口將其傳輸給STM32單片機，STM32單片機依據控制指令做出相應動作。在該系統的實際測試中：上位機接收畫面流暢、清晰；下位機可以依據上位機指令進行控制；視頻傳輸與控制距離可以達到最遠40米。

5 小結

本文開展的無線視頻傳輸控制具有深遠的意義，特別是實現了無線視頻傳輸和無線控制的結合，達到了預期的設計要求，實現了穩定的無線視頻傳輸控制。該系統可以搭載在探測車、云臺探頭等多種設備上使用，可以代替人類進入危險或未知區域進行探測、樣本采集和實現智能監測云臺等功能。有效防止了人類進入危險地區探測，降低生命財產損失和降低云臺檢測功耗等問題。