基于无线图像传输的智能侦察系统研究

作者简介：徐迎曦（1976—），女，河南息县人，讲师，硕士，研究方向：计算机控制、传感器技术（E-mail：）；李传锋（1976—），男，河南鹿邑人，副教授，博士，研究方向：计算机控制、智能控制。

摘要：针对环境恶劣、空间狭小等人不宜进去的地方，以及在化工、火灾、排雷等存在危险的地区，开发一种代替工作人员的无线图像智能传输侦察系统。首先，利用侦察模块采集到现场的图像信息，通过无线形式将图像传送到手持控制终端进行显示。其次，手持终端搭载的控制器通过三维加速度倾角传感器和无线模块，进行重力感应遥控侦察设备的运动方向。再次，利用超声波模块进行避障处理和光电开关传感器模块进行防掉入悬崖之中；最后，利用无线图像传输模块nRF24L01，设计了两种无线数据传输方案，成功解决了无线传输数据丢包的问题。

关键词：无线图像传输；侦察系统；超声波避障；STM32；重力感应控制

中图分类号：TP273 文献标识码：A

1引言

图像传输已广泛应用于各个领域，与传统的有线传输相比，图像无线传输无需布线，在安装、监控节点增加和节点的移动等方面都具有优势。移动侦察机器人作为一种新型灵活的侦察设备，在搜索救援、反恐防毒、易燃易爆等领域有着广泛的应用[1-4]，尤其在一些防爆、核化、污染、恶劣环境及空间狭小等人不宜进去的地方应用更为突出。针对未知环境下侦察机器人的自主导航问题，文献[5]提出了一种基于视觉目标跟踪的侦察机器人导航方法，能够使侦察机器人实时准确地跟踪视觉引导目标。文献[6]设计具有火灾识别、视频压缩、通信报警等功能的消防侦察机器人的通信系统。文献[7]为了实现侦察机器人对运动目标的跟踪，开发了一种可以调节速度的位置伺服运动控制器，并安装于二自由度云台上。而一些现实的侦察系统需要依靠各种传感器，检测到有用图像信息通过无线传输的方式把信号传送到监测中心，同时发出报警信号。因而，如何把图像信息稳定采集并传输到显示设备，以及进行合理的避障报警处理等功能的研究具有良好的现实意义。

本文着重于图像无线传输功能的搭建和数据传输方案以及图像识别技术的设计，并用侦察车搭载图像采集、无线发送设备。系统核心采用STM32和STC系列微处理器，包括图像采集模块、无线传输模块、重力感应远程控制、超声波避障模块和TFT触摸屏连接；搭载光电开关，防止侦察车掉入悬崖之中；系统能对恶劣环境进行侦察，配备照明系统通过nRF24L01无线模块实时发送高清图像信息，采用重力感应无线遥控设备；系统采用3.2寸TFT超大屏幕显示图像信息，并配备SD卡存储关键的图片信息，使得侦察工作更有实际应用意义；系统搭载高精度超声波模块，防止撞到障碍物损坏小车以及图像采集设备，使得设计更加人性化，同时也保证了侦察系统的安全可靠性。

2系统主体结构设计

系统集图像信息采集、无线传输显示以及图像识别于一体，且侦察设备采用无线控制。能采集所监控现场的图像信息，通过无线射频模块将图像发送到接收端的同时，方便做出判断，能控制搭载着视频采集装置的小车，寻找需要的目标后使用无线的形式发回信息，并在彩屏上显示采集到的图像。手持终端采用重力感应控制，在侦察车行驶时采用超声波和光电开关来实现小车的测距避障和防止掉入悬崖，保证图像采集、发送设备的安全。是一种基于嵌入式开发板处理器的低成本图像无线传输系统，系统的主体结构及实物图分别如图1、图2所示。

系统核心采用STM32和STC15系列微处理器，STM32系列处理器是由意法半导体ST公司生产、基于ARM公司Cortex-M3内核的微控制器，专门为微控制系统、汽车控制系统、工业控制系统和无线网络等嵌入式应用领域而设计，具有高性能、低功耗、高集成度、丰富且性能出众的片上外设、编程复杂度低等优点。STC15系列单片机中包含中央处理器、程序存储器（Flash）、数据存储器（RAM）、EEPROM、定时/计数器、I/O接口、UART接口和中断系统、SPI接口、高速A/D转换模块、PWM（或捕捉/比较单元）以及硬件看门狗、电源监控、片内RC振荡器等模块等，几乎包含了数据采集和控制中所需的所有单元模块，完全称得上一个片上系统（SOC），很容易地构成典型的测控系统。

侦察系统中的直流电机采用STC15F61S2单片机的PWM进行控制；在侦察设备前后各装一个超声波模块，通过查询法测距进行避障的处理；在设备的前后各装一个光电开关，用查询法测距进行防止掉入悬崖之中；采用光敏检测传感器模块检测光照的强度，当光线较暗时自动打开照明设备；基于nRF24L01无线模块，利用中断法接收数据，保证通信的正常运行；采用液晶模块可以实时显示超声波距离以及光电开关的状态。

2.1动力驱动设计

电机和驱动芯片的选择，通过数据测定和分析比较，确定最佳的设计方案。直流电机容易控制，只需要正负两根线就可以使电机转动，若使电机反向转动，只需要反接正负极即可。直流电机可以节省单片机的输出口，为后续工作提供更多的可操作空间，更便于电路的扩展，同时也可以节约单片机内部定时器和中断资源。该驱动电路既可以用来驱动直流电动机，又可以驱动步进电动机以及继电器线圈等感性负载；采用标准逻辑电平信号控制；具有两个使能控制端，在不受输入信号影响的情况下允许或禁止器件工作有一个逻辑电源输入端，使内部逻辑电路部分在低电压下工作；可以外接检测电阻，将变化量反馈给控制电路。动力驱动原理如图3所示。

该驱动电路具有过电压和过电流保护、可单独控制两台直流电机、具有PWM脉宽平滑调速、可实现正反转信号指示、具有转速可调及抗干扰能力强的优点。直流电机采用STC15F61S2单片机的PWM进行控制。

2.2.2超声波测距功能实现

在侦察车避障功能实现时，需要检测前方的路况，对比考虑了红外对管与超声波两种器件。因为红外对管价格较便宜，但是测量距离太近，当检测到障碍物，速度过快就会撞上，从而损坏图像采集车。采用HC-SR04超声波模块可提供2cm-400cm的非接触式距离感测功能，测距精度可高达3mm，本系统采用超声波模块实现障碍物的检测，让运动中的侦察车能及时减速并躲开障碍物，从而保护侦察车以及图像采集设备的安全。模块主要包括超声波发射器、接收器与控制电路。工作时，保证测量周期为60ms以上，以防止发射信号对回响信号的影响。

2.3图像采集模块设计

系统采用OV7670图像传感器，它具有体积小，工作电压低，提供单片VGA摄像头和影像处理器的所有功能。采用带有AL422B高速缓存的OV7670模块，该模块内部电路已经连接好，外部预留OV7670传感器的各引脚接口，方便与外电路的连接。OV7670输出的图像数据先暂存在AL422B中，然后由STM32处理器读取，因此AL422B的数据输入是OV7670的输出，AL422B的数据输出是STM32处理器的输入，AL422B是整个系统传输的关键，它在图像采集电路中的连接设计最为重要，VGA图像传输速度最高达到30帧/秒。

由于OV7670输出的图像数据流频率较高，为了使得STM32处理器和传感器之间的速度匹配，在OV7670和STM32F103VET6处理器之间添加AL422B高速缓存，将输入的高速图像数据流暂存，供STM32处理器读出，从而实现完整一帧图像的采集，其总体结构如图5所示。

3手持无线智能终端设计

手持终端部分包括重力遥控和LCD液晶显示，其中集成了SSD1298驱动控制器的LCD作为显示模块，nRF24L01无线作为通信模块，重力感应作为控制模块，重点对无线通信部分进行设计，图像数据为无线传输方式。重力感应系统控制小车的前进，按键控制重力感应系统是否开启，这样就能避免重力感应的影响。手持终端部分结构图如图7所示。

3.1三维加速度传感器

系统应用重力感应技术，通过对重力的判断，控制芯片自动的识别，在方便使用的同时，还对其重力感应进行了优化，在使用的时候才打开，这样，就减少重力对小车的影响。设计是向后倾斜时候，小车就向前移动，当向前倾斜的时候就向后移动，当向左倾斜的时候就向左拐弯，当向右倾斜的时候就向右拐弯。

MMA845是一款具有12位分辨率的智能低功耗、三轴、电容式微机械加速度传感器。这款加速度传感器具有丰富嵌入式功能，带有灵活的用户可编程选项，可以配置多达两个中断引脚。嵌入式中断功能可以节省整体功耗，解除主处理器不断轮询数据的负担。

3.2TFT触摸屏模块

彩屏支持240RGBx320点分辨率，支持262，144色的系统单芯片包括720通道的原驱动，320通道的门驱动器，172800字节的图形数据和电源电路的RAM驱动。LCD由驱动IC SSD1298控制，SSD1298内有172800Byte的图形显示数据存储器（GDDRAM），在LCD液晶屏上显示数据时，通过LCM和处理器的接口把像素值写入SSD1298的GDDRAM中，其余工作由SSD1298完成与处理器无关。LCM和STM32处理器的连接如图8所示。

4图像信息无线传输设计

在选用无线模块时有nRF24L01无线和315无线，考虑到作品需要传输大量的图像信息，且传输图像的时候容易丢包，而图像在传输过程中有一个数据包的丢失都会导致整个图像的传输失败，因此采用的比较稳定的传输模式，无线nRF24L01则成为了首选。

在NRF24L01无线模块通信上，设计了两种无线数据传输方案，成功解决了无线传输数据丢包的问题。通过对两种方案进行了论证，设计出适用于本图像无线传输系统的通信程序，最终实现了数据的无丢失发送与接收，并对无线传输模块进行了接收数据的正确性和静态数据的传输速度测试。

基于NRF24L01模块，采用了简单的图像压缩和解压缩技术，设计并制作了图像无线传输系统的原理系统，对系统进行了整体性能测试，得出了系统整体传输速率。

要驱动LCD首先要对LCD进行配置，包括FSMC的配置，引脚配置和相应的寄存器的配置，这些配置都在初始化中完成，然后就可以对LCD进行操作，程序流程图如图9所示。

在视频显示部分选择了可以存储的触控彩屏，从而可以更好的收集周边的信息。以便实现图像数据的记录。静态图像显示的结果如图10所示。

6结束语

结合计算机控制、无线图像传输和传感器检测技术，开发了一种以嵌入式处理器为核心的低成本无线图像传输智能侦察系统。系统集图像采集、无线传输显示以及图像识别于一体，能采集所监控现场的图像信息，并通过无线射频模块将图像信息发送到接收端的同时，方便监控人员做出判断。能够利用手持终端进行控制搭载着视频采集装置的侦察车，侦察到需要的目标对象利用无线的方式发回信息，并在彩屏上显示采集到的图像。通过nRF24L01无线模块通信，利用重力感应来控制侦察车的运行轨迹，通过车载摄像头来拍摄侦察车周围的图像可以进行研究。以后将采用基于RFID和WIFI双重无线传输设计，以及图像识别技术，将采集到的图像进行实时识别，在触摸屏上自动标示目标物体，同时搭载机械手臂对目标进行故障处理，将会应用于一些特殊的场所完成侦察排障任务。

参考文献

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