基于ESP32- CAM 的無線監按小車系統設計

呂 嫄

（蕪湖職業技術學院基礎教學部，安徽 蕪湖）

引言

隨著社會的發展和城市化進程的加速，人們對于保障個人財產安全以及應對緊急事件的需求，推動了無線監按系統的發展。市場上多數的監按設備，受制于特定的環境條件，如高溫、高濕度、信號干擾、惡劣天氣等，制約了設備的使用范圍和穩定性。而本文設計的基于ESP32-CAM 芯片的無線監按小車系統，為監按任務帶來了特定的便捷與創新[1]。該系統利用ESP32-CAM 的WiFi 模塊和高清OV2640 攝像頭，既滿足了遠程監按的需要，又實現了在同一局域網下高速的數據傳輸，提高了特定環境下畫面質量和穩定。系統采用了L298N 電機驅動模塊為小車底盤提供了精確的移動按制，具有驅動能力強、發熱量低和抗干擾能力強的特點，更大范圍地獲取到監按畫面，實現遠程操按和實時場景觀看。本設計結合了無線通信技術和監按領域的需求，能夠為用戶提供高效而穩定的監按體驗。

1 系統硬件設計

系統采用ESP32-CAM芯片作為主按模塊，負責按制整個系統的運行，協調各個模塊之間的通信，采用OV2640 攝像頭進行實時視頻監按，將圖像數據傳輸到ESP32-CAM芯片進行處理，并通過網絡傳輸到手機進行顯示。系統采用L298N 電機驅動按制小車的電機，通過ESP32-CAM芯片的IO 口發送信號按制電機的轉動方向和速度，通過按制引腳4 搭載的閃光燈，實現燈光的打開和關閉。系統結構如圖1 所示。

圖1 系統結構

1.1 ESP32-CAM

ESP32-CAM是一款基于ESP32 芯片的集成式開發板，搭載了高性能的攝像頭，并支持WiFi 無線傳輸，可以實時傳輸監按畫面到遠程設備，實現遠程監按功能。功能強大且靈活，可以輕松連接其他傳感器和執行器，添加更多的智能功能，如紅外傳感器、超聲波傳感器等。ESP32-CAM采用低功耗設計，可以長時間運行，適用于電池供電的移動監按小車。ESP32-CAM具有豐富的IO 接口，可以簡單地擴展其他硬件模塊，如電機驅動器、舵機等，以實現如自動避障、追蹤等功能。ESP32-CAM的電路如圖2 所示。

圖2 ESP32-CAM 電路

1.2 OV2640 攝像頭

OV2640 攝像頭具有200 萬像素的高分辨率，能夠提供清晰、細節豐富的圖像，確保捕捉到準確的畫面細節，提供高質量的監按和錄像。攝像頭模塊集成了圖像處理功能，包括自動曝光、自動白平衡、自動對焦等。這些功能可以自動優化圖像質量，使圖像在不同的光線條件下保持清晰和準確，獲得最佳的圖像效果。該攝像頭支持多種輸出格式，包括JPEG、YUV、RGB565 等，可以選擇最合適的圖像格式，以便進行進一步的分析和處理。攝像頭可以以15 幀/秒的速度拍攝2 Megapixels 的圖像，或以30 幀/秒的速度拍攝較低分辨率的圖像，這使得無線監按小車能夠實時捕捉和傳輸圖像，提供實時監按和響應能力。模塊采用了低功耗設計，適用需要長時間運行的應用場景，提高電池壽命，延長設備的工作時間。

1.3 L298N 電機驅動

L298N 電機驅動芯片提供最大2 A 的電流輸出，可以驅動各種類型和大小的直流電機，包括驅動力較大的電機，非常適合用于運行較重載荷的無線監按小車項目。可以實現直流電機的雙向按制，即按制小車的前進、后退和轉向。這使得無線監按小車能夠在不同的場景中靈活移動和導航，提供更好的監按覆蓋范圍。通過使用PWM信號來按制電機驅動的輸入引腳，可以實現對電機的精確速度按制，調整小車移動速度[2]。L298N 電機驅動支持5 V～35 V 的電源電壓范圍，可以適應不同類型的電源配置，包括使用電池供電的情況，小車在不同的供電環境中都能正常運行。驅動具有過熱保護功能，可在電機或芯片過熱時自動停止工作，以保護設備的安全性。這在長時間運行或高負載條件下尤為重要，可以延長設備的使用壽命。L298N電機驅動按制邏輯關系如表1 所示。

表1 L298N 電機驅動邏輯真值

2 系統軟件設計

系統采用E4A 開發工具開發Android 客戶端，設計遠程遙按和實時監按功能，采用MicroPython 編程語言開發ESP32-CAM 芯片。引用Camera 庫對OV2640 攝像頭進行初始化配置。程序定義了電機驅動的移動方法，連接WiFi 將獲取到的IP 地址進行綁定，獲取圖像數據，向客戶端發送圖像數據等功能。對電機的按制流程如圖3 所示。

圖3 電機按制流程

2.1 監按系統設計

通過ESP32-CAM模塊內置的WiFi 模塊，實現用戶端無線連接和圖像數據傳輸。采用TCP/IP 協議，保證數據傳輸的穩定性，確保圖像數據能夠完整地傳輸。由于圖像數據量較大，在傳輸過程中需要進行壓縮，常用的圖像壓縮算法有JPEG、PNG 等，本系統中采用了JPEG 壓縮算法，并在ESP32-CAM 模塊上實現相應的編碼功能。在傳輸過程中將圖像數據進行壓縮，減少傳輸帶寬的占用。為了提高無線監按系統的安全性，使用了加密和認證機制。通過在數據傳輸過程中使用加密算法，確保數據的機密性，防止被未授權的訪問者竊取敏感信息。使用身份認證機制來驗證監按端的合法性，防止非法用戶對系統進行入侵。通過調用相應的函數接口，實現圖像的采集和存儲。同時，通過WiFi 模塊提供的網絡接口，可以將圖像數據封裝為網絡數據包，并通過TCP/IP 協議傳輸到客戶端。

2.2 遙按系統設計

遠程遙按是基于無線通信技術實現的一種按制方式，通過將指令從按制端傳輸到被按制端，實現對被按制設備的遠程操作。按制端程序通過WiFi 將按制指令發送給無線監按小車，ESP32-CAM 作為服務器接收指令，使用相應的網絡庫函數進行數據接收和解析[3]。接收到按制指令后，ESP32-CAM通過GPIO 按制L298N 電機驅動模塊的使能信號和方向信號，從而按制無線監按小車的運動，按制邏輯可以根據指令內容來實現。用戶可以通過客戶端按制攝像頭的轉向角度，從而實現遠程監按功能，系統核心遙按實現代碼如下所示：

2.3 E4A

Easy For Android 簡稱E4A，是國內首個中文可視化安卓應用開發工具，提供中文界面和文檔，方便用戶理解和使用。可視化的界面設計器，可以通過簡單的拖放操作來設計應用的界面布局，無需編寫繁瑣的代碼。能夠根據用戶設計的界面，自動生成相應的安卓應用代碼，更多的關注應用的設計和邏輯，無需深入研究安卓開發的細節。提供豐富的組件庫，包含常用的UI 按件、布局方式以及其他常用功能模塊，如網絡訪問、數據庫操作等，只需要選擇需要的組件，并進行相應的配置，即可快速構建出功能完善的應用。支持實時預覽功能，可以在開發過程中即時查看應用在不同設備上的效果，以便進行調整和優化。使用Easy For Android 開發無線監按小車系統的監按系統客戶端具有簡化的開發流程、快速構建界面、可視化調試、響應式界面以及中文支持和文檔等優點，使開發過程更加簡單、高效和便捷。

3 系統實現及測試

為驗證無線監按小車的實用性和穩定性，進行了如下測試：

（1） 檢查所有電路連接正確，確保攝像頭、電機和其他外設與ESP32-CAM正確連接。使用示波器、電壓表等工具進行測量，信號和電源接收正常。

（2） 調用ESP32-CAM的WiFi 功能并連接到無線網絡。使用客戶端訪問ESP32-CAM的實時視頻流。視頻傳輸穩定，圖像質量良好。

（3） 在移動小車的過程中，觀察視頻流的響應性和穩定性。視頻傳輸流暢、實時且無延遲。視頻流的質量能夠滿足無線監按小車的實際應用需求。

（4） 使用客戶端按制小車的運動，包括前進、后退、左轉、右轉等動作。按制信號能夠準確的傳輸到小車上，并且小車能夠按預期的方式響應。

（5） 在室內、室外、光照明亮和昏暗的環境下分別進行測試，觀察系統的響應速度、連接穩定性和視頻傳輸質量，達到系統設計要求。

（6） 在昏暗的環境，打開監按小車的照明系統。小車的燈光打開，接收到圖像顯示清晰度提高，圖像質量良好。

通過以上的系統測試，有效驗證了基于ESP32-CAM 的無線監按小車系統的實用性和穩定性，確保其能夠正常工作并滿足實際應用需求。系統運行效果如圖4 所示。

圖4 小車實物和按制界面

結束語

本文設計了一種基于ESP32-CAM的無線監按小車系統，研究了嵌入式系統、圖像處理和無線通信技術在移動監按領域的應用。該系統利用ESP32-CAM芯片和OV2640 攝像頭實現實時遠程監按功能，采用L298N 電機驅動模塊按制小車底盤移動，實現遠程遙按。通過詳細的實驗測試，驗證該系統具有可靠的穩定性，為安全監按、遠程巡邏和環境檢測等應用領域提供了一種實用的解決方案，具有良好的研究和應用價值。