紅外野生動(dòng)物智能拍攝相機(jī)摘要：野生動(dòng)物是生物多樣性保護(hù)的重要內(nèi)容之一，針對(duì)野生動(dòng)物監(jiān)測(cè)與生物多樣性研究的問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一款基于紅外傳感技術(shù)的野外智能拍攝相機(jī)，該相機(jī)以STM32F407ZGT6嵌入式處理器為核心，集成熱體紅外傳感器感知野生動(dòng)物釋放的熱體紅外信號(hào)，集成圖像傳感器對(duì)野生動(dòng)物進(jìn)行拍照取證，集成紅外補(bǔ)光燈組實(shí)現(xiàn)夜間拍攝時(shí)補(bǔ)光照明，集成溫濕度傳感器采集野生動(dòng)物出沒生境信息，集成SD卡用于存儲(chǔ)拍攝圖片，集成4G通信模塊實(shí)現(xiàn)拍攝及監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程上云傳輸。據(jù)此設(shè)計(jì)方案，本文完成了嵌入式硬件電路設(shè)計(jì)，給出了各單元電路設(shè)計(jì)說(shuō)明，完成了嵌入式軟件設(shè)計(jì)，給出了主控程序及各子程序的設(shè)計(jì)說(shuō)明。設(shè)計(jì)作品測(cè)試表明，能夠?qū)崿F(xiàn)課題任務(wù)書中的野生動(dòng)物感知、拍攝、存儲(chǔ)和傳輸?shù)裙δ埽诟袘?yīng)拍攝靈敏度上還存在不足，有待持續(xù)研究及改善。關(guān)鍵詞：熱紅外傳感；野生動(dòng)物；紅外相機(jī)；4G通信Abstract:Wildanimalsareoneoftheimportantcontentsofbiodiversityconservation.Aimingattheproblemsofwildanimalmonitoringandbiodiversityresearch,thispaperdesignsafieldintelligentshootingcamerabasedoninfraredsensingtechnology.ThiscameratakestheSTM32F407ZGT6embeddedprocessorasthecoreandintegratesathermalbodyinfraredsensortoperceivethethermalbodyinfraredsignalsreleasedbywildanimals.Theintegratedimagesensorisusedtotakephotosofwildanimalsforevidencecollection.Theintegratedinfraredsupplementarylightgroupisusedtoprovidesupplementarylightingduringnightshooting.Theintegratedtemperatureandhumiditysensorisusedtocollectinformationonthehabitatswherewildanimalsarepresent.TheintegratedSDcardisusedtostorethecapturedpictures.Theintegrated4Gcommunicationmoduleisusedtoremotelytransmittheshootingandmonitoringdatatothecloud.Basedonthisdesignscheme,thispaperhascompletedthedesignoftheembeddedhardwarecircuit,giventhedesigndescriptionsofeachunitcircuit,completedthedesignoftheembeddedsoftware,andgiventhedesigndescriptionsofthemaincontrolprogramandeachsubroutine.Thetestsofthedesignworksshowthatthefunctionssuchasperception,shooting,storageandtransmissionofwildanimalsintheprojecttaskbookcanberealized.However,therearestilldeficienciesinthesensitivityofsensingandshooting,whichneedtobecontinuouslystudiedandimproved.Keywords:Thermalinfraredsensing;Wildanimals;Infraredcamera;4Gcommunication目錄TOC\o"1-3"\h\u16663第一章緒論 頁(yè)共69頁(yè)第一章緒論課題研究的背景及意義隨著社會(huì)的發(fā)展，生物多樣性保護(hù)的重要性逐漸突顯。野生動(dòng)物監(jiān)測(cè)已成為生態(tài)保護(hù)、物種研究和環(huán)境評(píng)估的核心手段。通過(guò)長(zhǎng)期觀測(cè)野生動(dòng)物活動(dòng)規(guī)律，更夠評(píng)估種群的動(dòng)態(tài)、棲息地健康狀況及氣候變化影響，為制定科學(xué)保護(hù)政策提供依據(jù)。但是，目前市面上廣泛應(yīng)用的紅外抓拍相機(jī)，存在嚴(yán)重的續(xù)航時(shí)間短、頻繁更換電池、漏拍空拍等問(wèn)題，頻繁更換電池留下的人體氣味會(huì)干擾動(dòng)物活動(dòng)和破壞生境，熱紅外感知最遠(yuǎn)20m距離會(huì)造成動(dòng)物漏拍問(wèn)題，且在氣流擾動(dòng)情況下會(huì)出現(xiàn)大量空白現(xiàn)象，約占所有收集照片的70%-80%，為后期照片數(shù)據(jù)清洗和歸集帶來(lái)量大的工作，特別是對(duì)于一個(gè)國(guó)家級(jí)保護(hù)區(qū)而言，每年度需要清洗數(shù)據(jù)量會(huì)達(dá)到數(shù)十萬(wàn)張之多，避免空拍問(wèn)題就成為當(dāng)前紅外相機(jī)的最核心問(wèn)題。為此，本課題以“紅外野生動(dòng)物拍攝智能相機(jī)設(shè)計(jì)”為題，擬設(shè)計(jì)一種兼具熱紅外感知和視覺感知拍攝的相機(jī)，實(shí)現(xiàn)野外環(huán)境的野生動(dòng)物拍攝，通過(guò)降低能耗指標(biāo)和增加光伏供電技術(shù)避免人工更換電池，通過(guò)微功耗視覺AI感知技術(shù)識(shí)別過(guò)濾照片而避免空拍，極大的減少后期數(shù)據(jù)清洗工作理，通過(guò)4G通信技術(shù)遠(yuǎn)程回傳數(shù)據(jù)，避免人類活動(dòng)干擾動(dòng)物生境，從而更好的監(jiān)測(cè)和取證野生動(dòng)物種群、分布、數(shù)量、棲息地、行為習(xí)慣等數(shù)據(jù)，為加強(qiáng)生物多樣性保護(hù)與評(píng)估提供數(shù)據(jù)支撐，具有重要的技術(shù)研究?jī)r(jià)值和工程應(yīng)用價(jià)值。1.2國(guó)內(nèi)外研究的技術(shù)現(xiàn)狀1.2.1國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀近些年，國(guó)內(nèi)學(xué)者研究方向主要朝著智能化、集成化高性能、成像更加清晰的發(fā)展。例如王晨陽(yáng)REF_Ref28542\r\h[1]在《一種智能化野外紅外相機(jī)系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)》中采用基于Wi-Fi和Lo-Ra的網(wǎng)絡(luò)傳輸方法,可實(shí)時(shí)回傳視頻數(shù)據(jù)，利用太陽(yáng)能弱光發(fā)電方法延長(zhǎng)相機(jī)續(xù)航。蔡海蛟REF_Ref28725\r\h[2]在《基于嵌入式技術(shù)的便攜式紅外相機(jī)的設(shè)計(jì)》中利用Linux操作系統(tǒng)的ARM9微處理器,從FPGA接收?qǐng)D像數(shù)據(jù),采用有觸摸功能的LCD顯示器上顯示圖像和接收用戶的控制命令,并將圖像數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到SD卡中。張麗莉REF_Ref28813\r\h[3]在《多功能紅外監(jiān)控相機(jī)軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)》中使用NT96450芯片和無(wú)線通信模塊H330,搭載響應(yīng)速度快的uITRON實(shí)時(shí)操作系統(tǒng),并采用了帶有超聲電機(jī)自動(dòng)控制焦距的CMOS圖像傳感器。采用TCP協(xié)議棧來(lái)保證網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。公彥超REF_Ref28872\r\h[4]在《基于DM3730的長(zhǎng)波紅外相機(jī)系統(tǒng)》中采用集成了圖像信號(hào)處理器（ISP）的DM3730作為主控，該芯片還集成了一個(gè)ARMCortex-A8和一個(gè)C64X+DSP核心,并且集成了顯示子系統(tǒng)（DSS）進(jìn)行LCD顯示。極高的集成度使的采用其他模塊減少，減小了電路板尺寸,提高了可靠性。除了上述研究成果外，還有許多學(xué)者在進(jìn)一步對(duì)紅外相機(jī)的研究和完善，推動(dòng)我國(guó)對(duì)野外紅外拍攝智能相機(jī)的發(fā)展。1.2.2國(guó)外研究現(xiàn)狀國(guó)外學(xué)者的研究更加傾向于采用嵌入式現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門陣列（FPGA）來(lái)進(jìn)行研究和實(shí)現(xiàn)，更加注重設(shè)備的成本以及成像的清晰度和完整度。Bieszczad

GREF_Ref28954\r\h[5]在《SoC-FPGAembeddedsystemforreal-timethermalimageprocessing》中采用最先進(jìn)的SoC-FPGA技術(shù)來(lái)完成系統(tǒng)設(shè)計(jì),該技術(shù)將ARMCortex-A9雙核處理器嵌入到Altera可編程邏輯陣列中，可將實(shí)時(shí)圖像數(shù)據(jù)傳輸至計(jì)算系統(tǒng)。BieszczadG、SosnowskiT、MaduraHREF_Ref29013\r\h[6]等在《Adaptable

infrared

imageprocessing

module

implemented

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FPGA》中使用諸如流水線和并行處理等特殊處理技術(shù)。使用FPGA和基于32位ARM7處理器作為微控制器讀取圖片數(shù)據(jù)后可在顯示器上顯示。AlsuwailemAMREF_Ref29081\r\h[7]在《Real-timeFPGA-basedimageenhancementusinghistogramprojectiontechniqueforuncooledinfraredimagers》中利用現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（FPGA）實(shí)現(xiàn)直方圖投影（HP）技術(shù)，具有簡(jiǎn)單、快捷、靈活和開發(fā)成本低等優(yōu)點(diǎn)。這種可編程硬件環(huán)境可以進(jìn)一步的提高圖像質(zhì)量。EdgarsL、AndrejsC、RihardsNREF_Ref29176\r\h[8]等在《InfraredImagePre-ProcessingandIR/RGBRegistrationwithFPGAImplementation》中用異構(gòu)片上系統(tǒng)（HSoC）FPGA架構(gòu)，將所有計(jì)算密集型任務(wù)在數(shù)字邏輯中實(shí)現(xiàn)，圖像采集和預(yù)處理的完整數(shù)字電路設(shè)計(jì)。并使用微處理器單元（MPU）來(lái)協(xié)調(diào)數(shù)據(jù)在基于FPGA的加速器之間的傳輸。1.3課題研究的主要任務(wù)1.3.1硬件設(shè)計(jì)1、根據(jù)課題任務(wù)書設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)硬件方案框圖，選擇性價(jià)比合適的嵌入式處理器，以及熱體紅外、圖像傳感、光照傳感、溫濕度傳感、紅外補(bǔ)光、4G通信等傳感器及模塊，確定技術(shù)指標(biāo)及設(shè)計(jì)思路。2、設(shè)計(jì)最小系統(tǒng)（實(shí)現(xiàn)復(fù)位、時(shí)鐘、下載和啟動(dòng)）電路、傳感器接口電路、通信接口電路、顯示接口電路和人機(jī)接口電路，繪制電路原理圖。3、設(shè)計(jì)電路PCB圖，制作電路板（或用通用板）焊接器件實(shí)現(xiàn)樣機(jī)作品。4、編程最小系統(tǒng)測(cè)試驗(yàn)證硬件作品上電及工作正常。1.3.2軟件設(shè)計(jì)1、根據(jù)軟件部分的總體方案及框圖，選擇熟悉或處理器支持的C或C++語(yǔ)言開發(fā)環(huán)境工具軟件，熟練掌握開發(fā)工具軟件。2、編寫最小系統(tǒng)軟件，實(shí)現(xiàn)復(fù)位、啟動(dòng)和狀態(tài)指示，測(cè)試驗(yàn)證主控程序流程。3、編程實(shí)現(xiàn)紅外感知、視覺感知、拍攝取證、空拍處理、數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ堋?.4本文的章節(jié)安排本文正文一共分為七章，具體如下：第一章緒論，介紹本課題的研究背景及意義、以及分析國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀；介紹課題主要研究任務(wù)。第二章總體方案設(shè)計(jì)，進(jìn)行總體需求分析，明確設(shè)計(jì)任務(wù)中硬件和軟件的技術(shù)指標(biāo)性需求；給出硬件以及軟件總體解決方案。第三章主要技術(shù)研究，介紹本課題所涉及到的傳感檢測(cè)技術(shù)、總線接口技術(shù)以及傳輸通信技術(shù)。第四章嵌入式硬件設(shè)計(jì)，介紹硬件的選型，本課題的最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)、相關(guān)電子電路設(shè)計(jì)。第五章嵌入式軟件設(shè)計(jì)，介紹課題使用到的軟件開發(fā)環(huán)境及使用方法、主控制程序以及相關(guān)的子程序；簡(jiǎn)述軟件的編譯及下載。第六章調(diào)試與測(cè)試，介紹該課題相關(guān)的硬件調(diào)試情況、軟件調(diào)試情況以及測(cè)試情況。第七章總結(jié)與展望，進(jìn)行總結(jié)，分析不足之處，并針對(duì)所存在的不足提出相關(guān)的改進(jìn)措施和展望。總體設(shè)計(jì)方案2.1總體需求本課題以嵌入式處理器為核心，集成CMOS圖像傳感器采集拍攝圖像，集成熱體紅外傳感器感知?jiǎng)游餆狍w，集成光照傳感器檢測(cè)環(huán)境光線，集成紅外LED對(duì)夜間環(huán)境補(bǔ)光，集成溫濕度傳感器監(jiān)測(cè)生境參數(shù)，集成4G通訊模塊實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸，集成SD卡實(shí)現(xiàn)拍攝圖像本地保存，集成LCD顯示屏和人機(jī)接口方便安裝觀察，集成供電、監(jiān)測(cè)、通信等狀態(tài)指示器指示各類工作狀態(tài)。嵌入式軟件采用C或C++語(yǔ)言編程實(shí)現(xiàn)。2.1.1硬件需求1、嵌入式處理器：選擇內(nèi)置數(shù)字?jǐn)z像頭接口（DCMI）支持CMOS圖像傳感器接口，內(nèi)置SDIO接口連接SD卡。168MHz主頻，方便對(duì)圖像進(jìn)行JPEG編碼處理。2、4G通信模塊：選擇采用4GCAT.1物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)和AT固件的4G模塊。3、CMOS圖像傳感器：應(yīng)選擇成像光譜涵蓋可見光譜和近紅外光譜（850mm）的傳感器，支持白晝彩色成像和底單夜間近紅外補(bǔ)光成像，光學(xué)像素為200萬(wàn)像素。4、溫濕度傳感器：測(cè)量范圍溫度在0-50°C精度不大于±2，濕度在20-90%RH精度不大于±5。5、人體紅外傳感器：檢測(cè)范圍在3-7米（可調(diào)），檢測(cè)角度小于等于120°，帶有菲尼爾透鏡并且檢測(cè)到紅外熱輻射變化后延遲時(shí)間可調(diào)。6、光照傳感器：選擇光敏電阻模塊檢測(cè)光照強(qiáng)度，可直接輸出TTL電平方便處理器感應(yīng)。7、SD卡儲(chǔ)存：普通SD卡即可，方便安裝。8、LCD顯示屏：選擇TFT彩屏，分辨率不低于320*240，屏幕成像清晰且有低功耗模式以便在野外環(huán)境下減少電量消耗。9、近紅外補(bǔ)光燈：選擇在800-1500nm范圍內(nèi)補(bǔ)光燈，方便夜間拍攝并且不會(huì)驚擾到動(dòng)物。10、電源模塊：選擇可充電電池供電方便進(jìn)行更換和重復(fù)使用降低成本并且電容量不少于18000mWh方便野外長(zhǎng)時(shí)間拍攝。2.1.2軟件需求1、主程序：驅(qū)動(dòng)各模塊運(yùn)行，接收來(lái)自人體紅外傳感器的信息，判斷是否開啟紅外補(bǔ)光燈后讀取溫濕度傳感器、圖像傳感器的數(shù)據(jù)信息并處理后，將圖像數(shù)據(jù)保存在本地SD卡中，溫濕度數(shù)據(jù)通過(guò)4G模塊遠(yuǎn)程無(wú)線傳輸，上傳到onenet云平臺(tái)顯示。2、初始化子程序：對(duì)處理器和各模塊接口功能的初始化。3、4G聯(lián)網(wǎng)子程序：實(shí)現(xiàn)對(duì)4G通信模塊和onenet云平臺(tái)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)聯(lián)接。4、終端狀態(tài)監(jiān)測(cè)子程序：實(shí)現(xiàn)對(duì)終端狀態(tài)工作狀態(tài)的顯示，以便了解工作運(yùn)行是否正常。5、紅外與光照檢測(cè)：進(jìn)行紅外熱輻射變化與環(huán)境光線檢測(cè)，若檢測(cè)紅外闖入并到光線變暗，啟動(dòng)補(bǔ)光；否則只啟動(dòng)紅外抓拍。6、拍照和數(shù)據(jù)采集子程序：進(jìn)行圖片拍攝和溫濕度采集。7、數(shù)據(jù)儲(chǔ)存子程序：保存拍攝的圖片在SD卡中。8、數(shù)據(jù)傳輸云端子程序：將相機(jī)是否進(jìn)行了拍攝和溫濕度數(shù)據(jù)傳輸至onenet云平臺(tái)。9、異常處理：在系統(tǒng)出現(xiàn)異常時(shí)，將系統(tǒng)初始化。2.2總體方案2.2.1硬件總體方案如圖2.1所示，由嵌入式處理器分別集成紅外傳感器、圖像傳感器、溫濕度傳感器、光照傳感器、光敏電路、LCD顯示屏、4G通信模塊、近紅外LED燈、人機(jī)接口、SD存儲(chǔ)卡、電源等單元電路組成。其中：紅外傳感器監(jiān)測(cè)熱體紅外信號(hào)感知?jiǎng)游锍霈F(xiàn)，圖像傳感器為CMOS傳感器可實(shí)現(xiàn)可見光和近紅外光成像，溫濕度傳感器采集生境溫濕度參數(shù)，光照傳感器實(shí)現(xiàn)環(huán)境光照強(qiáng)度監(jiān)測(cè)以便感知夜間條件，光敏電路主要由光敏電阻構(gòu)成檢測(cè)環(huán)境光照強(qiáng)度。處理器，選用內(nèi)置數(shù)字?jǐn)z像頭接口（DCMI）和支持SDIO接口連接SD卡的STM32F407系列處理器；通信，采用TTL轉(zhuǎn)串口接口的4G通信模塊以及SIM卡座，實(shí)現(xiàn)4G遠(yuǎn)程通信；顯示，由一個(gè)2.8寸TFTLCD彩屏組成，高分辨率方便監(jiān)測(cè)圖像傳感器是否正常，儲(chǔ)存：由SD卡組成；近紅外補(bǔ)光燈，為一個(gè)850nm的紅外燈，方便相機(jī)在夜晚進(jìn)行拍攝；人機(jī)接口，為L(zhǎng)ED燈和按鍵組成，LED指示電源和通信等工作狀態(tài),按鍵控制復(fù)位；電源，電源電路輸出5V和3.3V電路組成，向各單元電路提供所需電源。圖2.1硬件電路設(shè)計(jì)方案框圖2.2.2軟件總體方案采用嵌入式C語(yǔ)言進(jìn)行設(shè)計(jì)開發(fā)，軟件設(shè)計(jì)開發(fā)工具為KeiluVision5。如圖2.2所示，軟件由主控程序、初始化、狀態(tài)顯示、數(shù)據(jù)采集、通信聯(lián)網(wǎng)、數(shù)據(jù)發(fā)送子程序組成，其中主控程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)各功能模塊子程序的調(diào)度及流程控制，控制主程序循環(huán)運(yùn)行。圖2.2軟件設(shè)計(jì)方案框圖主要技術(shù)研究3.1總線接口技術(shù)3.1.1USART接口技術(shù)本課題主要使用到USART接口通信技術(shù)，該通信技術(shù)具有同步通信和異步通信功能，是在單片機(jī)最常用的一種通信技術(shù)。在異步通信模式下與UART類似，通過(guò)發(fā)送和接收線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；在同步通信模式下，需要額外增加時(shí)鐘信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)同步數(shù)據(jù)傳輸。該技術(shù)在本課題中主要負(fù)責(zé)MCU和4G通信模塊數(shù)據(jù)通信和程序的下載。該接口使用USART通信協(xié)議，是一種同步、異步串行通信協(xié)議，使用TX線發(fā)送數(shù)據(jù)與接收設(shè)備的RX相連接，RX線接收數(shù)據(jù)與接收設(shè)備的TX相連接。其數(shù)據(jù)幀格式如圖3.1和3.2所示，在串口通信協(xié)議層中，規(guī)定了數(shù)據(jù)包的內(nèi)容，包括起始位、數(shù)據(jù)位、校驗(yàn)位和停止位。只有通訊雙方數(shù)據(jù)包格式一致，才能正常收發(fā)數(shù)據(jù)進(jìn)行通訊。圖3.1USART通信協(xié)議數(shù)據(jù)幀格式-無(wú)校驗(yàn)位圖3.2USART通信協(xié)議數(shù)據(jù)幀格式-有校驗(yàn)位起始位：一個(gè)數(shù)據(jù)包從起始位開始，直到停止位結(jié)束。起始位固定為低電平，標(biāo)志一個(gè)數(shù)據(jù)幀的開始。數(shù)據(jù)位：數(shù)據(jù)幀的有效數(shù)據(jù)，緊接著起始位之后，數(shù)據(jù)位采用低位先行的方式傳輸，數(shù)據(jù)位由于編碼的方式不同一般約定為5到8位或9位。校驗(yàn)位：數(shù)據(jù)校驗(yàn)位是可選的，在數(shù)據(jù)位之后，用于數(shù)據(jù)驗(yàn)證。數(shù)據(jù)通信相對(duì)來(lái)說(shuō)容易受到外部干擾從而導(dǎo)致傳輸?shù)臄?shù)據(jù)出現(xiàn)偏差，所以通過(guò)校驗(yàn)位可有效解決這個(gè)問(wèn)題。計(jì)算數(shù)據(jù)位和校驗(yàn)位“1”的位數(shù)是偶數(shù)為偶校驗(yàn)，奇數(shù)為奇校驗(yàn)也可采用無(wú)校驗(yàn)。停止位：停止位在最后，用于數(shù)據(jù)幀間隔，固定為高電平，可以是1位、1.5、2位的高電平。波特率：串口在進(jìn)行異步通訊時(shí)，由于沒有時(shí)鐘信號(hào)，通訊設(shè)備之間就需要約定好波特率來(lái)同步數(shù)據(jù)采樣時(shí)刻，即每個(gè)碼元的長(zhǎng)度。常見的波特率有9600、38400、115200。3.1.2SCCB接口技術(shù)SCCB是OmniVision公司開發(fā)的一種串行相機(jī)控制總線協(xié)議，主要用于圖像傳感器（如CMOS攝像頭）與主控制器（如MCU、FPGA、DSP等）之間的配置和控制通信。它是I2C總線的一種簡(jiǎn)化變種，專為攝像頭模組設(shè)計(jì)，具有低功耗、簡(jiǎn)單易用的特點(diǎn)。但對(duì)于I2C總線而言，SCCB不支持多主模式，僅支持單主設(shè)備控制。SCCB在寫操作后要求必須發(fā)送NA（NoAcknowledge）信號(hào)，而I2C使用ACK/NACK。SCCB的起始信號(hào)、停止信號(hào)及數(shù)據(jù)有效性與I2C完全一樣。起始信號(hào)，在SIO_C為高電平時(shí)，SIO_D出現(xiàn)一個(gè)下降沿，則SCCB開始傳輸。停止信號(hào)，在SIO_C為高電平時(shí)，SIO_D出現(xiàn)一個(gè)上升沿，則SCCB停止傳輸。在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中，當(dāng)SIO_C為高電平時(shí)，SIO_D不允許有數(shù)據(jù)變化，也就是說(shuō)，SIO_D上的電平變換只能發(fā)生在SIO_C為低電平的時(shí)候，SIO_D的信號(hào)在SIO_C為高電平時(shí)被采集。SCCB_E為多子設(shè)備的主設(shè)備選擇信號(hào)。該協(xié)議時(shí)序如圖3.3所示。圖3.3SCCB通信協(xié)議時(shí)序圖SCCB數(shù)據(jù)寫過(guò)程：在SCCB協(xié)議中定義的讀寫操作與I2C也是一樣的。它定義了兩種寫操作，即三步寫操作和兩步寫操作。SCCB三步寫操作，第一階段發(fā)送從設(shè)備的ID地址+W標(biāo)志(等于I2C的設(shè)備地址：7位設(shè)備地址+讀寫方向標(biāo)志)，第二階段發(fā)送從設(shè)備目標(biāo)寄存器的8位地址，第三階段發(fā)送要寫入寄存器的8位數(shù)據(jù)。兩步寫操作沒有第三階段，即只向從設(shè)備傳輸了設(shè)備ID+W標(biāo)志和目的寄存器的地址，兩步寫操作是用來(lái)配合讀寄存器數(shù)據(jù)操作的，它與讀操作一起使用，實(shí)現(xiàn)I2C的復(fù)合過(guò)程。[Start]→[設(shè)備地址(寫)]→[寄存器地址]→[數(shù)據(jù)]→[Stop]SCCB數(shù)據(jù)讀過(guò)程：SCCB的讀操作可分為兩個(gè)階段，在第一階段中發(fā)送從設(shè)備的設(shè)備ID+R標(biāo)志(設(shè)備地址+讀方向標(biāo)志)，在第二階段中讀取寄存器中的8位數(shù)據(jù)和寫NA

位(非應(yīng)答信號(hào))。由于兩步讀操作沒有確定目的寄存器的地址，所以在讀操作前，必需有一個(gè)兩步寫操作，以提供讀操作中的寄存器地址。寫階段：發(fā)送要讀取的寄存器地址。[Start]→[設(shè)備地址(寫)]→[寄存器地址]→[Stop]讀階段：重新啟動(dòng)總線，讀取數(shù)據(jù)。[Start]→[設(shè)備地址(讀)]→[數(shù)據(jù)]→[NA]→[Stop]3.2CMOS圖像傳感技術(shù)CMOS圖像傳感器是一種將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的半導(dǎo)體器件，主要由像素陣列、色彩濾鏡陣列、微透鏡、讀出電路、接口組成。成像原理基于光電轉(zhuǎn)換和信號(hào)讀出兩大核心過(guò)程，將入射的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字圖像。本設(shè)計(jì)采用的CMOS圖像傳感器是一顆1/4寸的CMOSUXGA（1632*1232）圖像傳感器。采用Bayer濾色片其可見光成像頻段通常在400nm～700nm，藍(lán)(B)敏感波段為400nm～500nm，峰值波長(zhǎng)為400nm～450nm；綠(G)敏感波段為500nm～600nm，峰值波長(zhǎng)為530nm～550nm；紅(R)敏感波段為580nm～700nm峰值波長(zhǎng)為600nm～620nm。近紅外成像頻段700nm～1000nm（>1000nm時(shí)硅的量子效率急劇下降），最好的近紅外成像頻段在800nm～900nm。具體頻段如圖3.4所示。根據(jù)設(shè)計(jì)要求等多方面考慮本設(shè)計(jì)采用850nm的近紅外成像頻段。圖3.4成像光譜曲線圖3.34G傳輸通信技術(shù)4G模塊（LTE模塊）是一種基于第四代移動(dòng)通信技術(shù)（4G

LTE）的嵌入式硬件設(shè)備，主要用到的是LTE數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，用于實(shí)現(xiàn)高速無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸。處理器控制4G模塊實(shí)現(xiàn)入網(wǎng)、TCP連接、數(shù)據(jù)傳輸、TCP斷開等操作，從而實(shí)現(xiàn)向云端的數(shù)據(jù)傳輸,具有高通信速率、強(qiáng)靈活性、高智能性的特點(diǎn)LTE系統(tǒng)引入了OFDM和MIMO（多輸入多輸出）等關(guān)鍵技術(shù)，顯著增加了頻譜效率和數(shù)據(jù)傳輸速率，并支持多種帶寬分配：1.4MHz，3MHz，5MHz，10MHz，15MHz和20MHz等。LTE數(shù)據(jù)傳輸采用基于IP的數(shù)據(jù)傳輸方式，采用AES（高級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn)）算法進(jìn)行數(shù)據(jù)加密，因此可以實(shí)現(xiàn)高速、高效和安全的數(shù)據(jù)傳輸。采用Cat1通信，Cat1通信是一種基4GLTE網(wǎng)絡(luò)的物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)，是LTE技術(shù)框架下針對(duì)中低速物聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景優(yōu)化的終端類別，依托LTE網(wǎng)絡(luò)提供經(jīng)濟(jì)、高效的連接方案。具有低功耗、低成本和較廣的網(wǎng)絡(luò)覆蓋等特點(diǎn)，采用分層設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，包括物理層、數(shù)據(jù)層、網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層，確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)母咝院涂煽啃?，廣泛應(yīng)用與物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域。4G模塊連接MQTT服務(wù)器步驟：硬件連接：將4G模塊通過(guò)USART接口連接到主控設(shè)備。插入有效的SIM卡（確保已開通流量），連接天線。配置參數(shù)：配置4G模塊與服務(wù)器建立連接相應(yīng)的參數(shù)，如用戶名、密碼、服務(wù)器IP地址和端口號(hào)等。建立MQTT連接：通過(guò)AT指令進(jìn)行初始化、移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)連接、建立TCP連接、MQTT連接報(bào)文和訂閱主題、發(fā)送消息實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。嵌入式硬件設(shè)計(jì)4.1硬件選型4.1.1微控制器（MCU）選型微控制器作為本設(shè)計(jì)的主控芯片，有著非常重要的作用。要有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力來(lái)對(duì)圖像進(jìn)行處理，同時(shí)還要有較好的控制驅(qū)動(dòng)能力以及豐富的外設(shè)接口，以及多種低功耗模式（睡眠、停機(jī)、待機(jī)），可滿足低功耗長(zhǎng)壽命電池供電的便攜式相機(jī)設(shè)備在野外工作。目前流行的常用的微控制器主要有51系列單片機(jī)和STM32系列單片機(jī)，考慮到課題所需接口數(shù)量及類型較多，使用51單片機(jī)需要進(jìn)行擴(kuò)展，選用STM32系列單片機(jī)可以有效規(guī)避這類問(wèn)題。STM32是新一代的32位微控制器，采用Cortex-M內(nèi)核。STM32系列涵蓋了從低端到高端的各種性能和功能需求，按性能可分為主流（F0、F1、F3等系列）、超低功耗（L0、L1、L4等系列）、高性能型（F4、F7等系列），按內(nèi)核可將分為Cortex-M0（F0系列）、Cortex-M3（F1、F3系列）、Cortex-M4（F4系列）、Cortex-M7（F系列）等。綜合考慮本課題的要求和需求等因素，選用Cortex-M4內(nèi)核高性能型的STM32F407ZGT6單片機(jī)作為主控芯片。STM32F407ZGT6引腳如圖4.1所示。具有168MHz主頻、1024K片上FLASH和192K的SRAM,支持浮點(diǎn)運(yùn)算和數(shù)字信號(hào)處理（DSP），適合圖像處理中的實(shí)時(shí)操作（如JPEG編碼、簡(jiǎn)單濾鏡、邊緣檢測(cè)等）?？赏ㄟ^(guò)DMA（直接內(nèi)存訪問(wèn)）減輕CPU負(fù)擔(dān)，高效傳輸圖像數(shù)據(jù)。擁有144個(gè)外設(shè)接口，其中攝像頭接口（DCMI），直接支持并行攝像頭模塊，無(wú)需外部轉(zhuǎn)換芯片，方便使用；SDIO接口，可連接SD卡存儲(chǔ)照片；顯示接口（FSMC）可驅(qū)動(dòng)LCD屏幕實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)預(yù)覽，以監(jiān)測(cè)圖像傳感器是否正常工作。還集成USART、SPI、IIC等常用通信接口。存儲(chǔ)擴(kuò)展靈活，支持外部SRAM或SDRAM（通過(guò)FSMC），擴(kuò)展內(nèi)存以緩存高分辨率圖像。在高性能的同時(shí)，還具有體積較小、成本較低的優(yōu)點(diǎn)，工作溫度為-40℃～+85℃，能夠基本滿足終端設(shè)計(jì)所需的控制要求。STM32F407ZGT6引腳定義如圖4.1所示。圖4.1STM32F103C8T6引腳定義圖4.1.2圖像傳感器選型圖像傳感器是本課題最重要的一個(gè)傳感器。在保證成像清晰的前提下要綜合考慮成本、功耗的問(wèn)題。本課題選用200W像素的OV2640，如圖4.2所示，引腳功能如表4.1所示。OV2640是一款常見的低成本、低功耗CMOS圖像傳感器，廣泛應(yīng)用于嵌入式相機(jī)和物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備中。OV2640工作電壓為3.3V，功耗較低（工作電流約20mA），適合電池供電的野外長(zhǎng)期監(jiān)控設(shè)備。集成度高，體積小，便于嵌入到便攜或隱蔽的野外相機(jī)中。內(nèi)置DSP（數(shù)字信號(hào)處理器），可直接輸出JPEG格式圖像，減少外部處理需求。工作溫度范圍較寬（-30°C~70°C），能滿足多數(shù)野外環(huán)境需求。圖4.2OV2640模組引腳圖表4.1OV2640引腳功能表引腳名稱功能SCLSCCB總線時(shí)鐘線SDASCCB總線數(shù)據(jù)線D0-D7像素?cái)?shù)據(jù)輸出引腳PCLK像素時(shí)鐘信號(hào)PWDN掉電/省電模式控制VSYNC幀同步信號(hào)HREF行同步信號(hào)RST復(fù)位引腳FLASH控制LED閃光燈4.1.3人體紅外傳感器選型本課題選用HC-sr501人體紅外傳感器,如圖4.3所示。該傳感器全自動(dòng)感應(yīng)，直接輸出數(shù)字信號(hào)（高/低電平），易于使用。當(dāng)人進(jìn)入其感應(yīng)范圍則輸出高電平，人離開感應(yīng)范圍則自動(dòng)延時(shí)關(guān)閉高電平，輸出低電平。通過(guò)調(diào)節(jié)參數(shù)，檢測(cè)范圍可在3-7米內(nèi)調(diào)節(jié)，觸發(fā)后信號(hào)輸出的持續(xù)時(shí)間可在2.5-200秒內(nèi)調(diào)節(jié)。有兩種觸發(fā)模式：支持單次觸發(fā)（L）或重復(fù)觸發(fā)（H）。低功耗，工作電壓為5V，工作電流靜態(tài)約65μA，適合電池供電場(chǎng)景。圖4.3HC-sr501模組引腳圖4.1.4溫濕度傳感器選型本課題選用DHT11溫濕度傳感器，如圖4.4所示。引腳1是電源，引腳2是數(shù)據(jù)輸出引腳，引腳3懸空不用外接電路，引腳4是GND。該傳感器直接輸出數(shù)字信號(hào)（單總線協(xié)議），無(wú)需額外ADC模塊，簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)。集成度高，可以同時(shí)測(cè)量溫度和濕度（溫度范圍：0~50°C，溫度精度：±2°C，濕度范圍：20%~90%RH，濕度精度：±5%RH），節(jié)省硬件空間。在常規(guī)環(huán)境下表現(xiàn)穩(wěn)定，校準(zhǔn)數(shù)據(jù)已存儲(chǔ)在傳感器中。工作電壓為3.3V，工作電流低（約0.5~2.5mA），適合電池供電設(shè)備。圖4.4DHT11引腳定義圖4.1.54G模塊選型本課題選用銀爾達(dá)Core-Air780e如圖4.3所示，采用4GCat1通信，通過(guò)串口收發(fā)AT指令集來(lái)完成數(shù)據(jù)的讀取、存儲(chǔ)等，通過(guò)AT指令來(lái)連接到服務(wù)器，從而完成數(shù)據(jù)通信。供電電壓為5-16V,波特率1200-921600，工作環(huán)境-40℃~85℃，3.3VTTL電平串口，兼容5V電平。覆蓋國(guó)內(nèi)三大運(yùn)營(yíng)商（移動(dòng)/聯(lián)通/電信）4GLTE頻段，方便使用。支持PSM（省電模式）和eDRX（擴(kuò)展空閑模式），適合電池供電設(shè)備。圖4.3Air-780e引腳定義圖4.1.6供電電源選型考慮在野外使用，采用了18650可充電鋰電池為設(shè)備提供3.3V和5V電源。使用電池供電方便在野外環(huán)境下更換電源，采用可充電電池可以節(jié)約成本反復(fù)利用，減少環(huán)境污染。4.2最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)最小系統(tǒng)主要由STM32F407ZGT6主控芯片、復(fù)位電路、時(shí)鐘電路、程序下載接口、啟動(dòng)配置五部分構(gòu)成。4.2.1復(fù)位電路如圖4.2所示，電路采用采用低電平復(fù)位的方式。先并聯(lián)一個(gè)按鍵和一個(gè)電容，再串聯(lián)一個(gè)上拉電阻。上拉電阻一端接3.3V電源，另一端接電容和按鍵的并聯(lián)結(jié)點(diǎn)，然后該結(jié)點(diǎn)接芯片的NRST引腳。電路工作原理如下：當(dāng)電源接通后，電容C12充電導(dǎo)致瞬間短路將RESET拉低至低電平，處理器復(fù)位到初始狀態(tài)，隨著電容充電結(jié)束形成斷路，RESET直接接到VCC電源，RESET拉高至高電平，處理器進(jìn)入正常工作狀態(tài)。按鍵SW1用于將RESET引腳強(qiáng)制拉低至低電平，松開后，電容C12再次充電完成復(fù)位。圖4.2復(fù)位電路設(shè)計(jì)4.2.2時(shí)鐘電路時(shí)鐘電路是單片機(jī)運(yùn)行的“節(jié)奏控制器”，其穩(wěn)定性和精度直接影響系統(tǒng)可靠性。設(shè)計(jì)上采用了一個(gè)32.768KHz的低速晶振X2和一個(gè)8MHz的高速晶振X1，其中X2和兩個(gè)10P的電容C4和C5形成低速外部時(shí)鐘源電路，由PC14-OSC32_IN和PC15-OSC32_OUT接口提供低速時(shí)鐘源信號(hào)；X1和兩個(gè)22P電容C6和C7、一個(gè)1M歐姆的電阻R2形成高速外部時(shí)鐘源電路，由PH0-OSC_IN和PH1-OSC_OUT接口提供高速時(shí)鐘源信號(hào)。電路設(shè)計(jì)如圖4.3和圖4.4所示。圖4.3低速時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)圖4.4高速時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)4.2.3程序下載接口電路如圖4.5所示，設(shè)計(jì)中采用串口通信的方式為設(shè)備下載程序。通過(guò)芯片CH340C將USB轉(zhuǎn)為串口，以此實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)與嵌入式設(shè)備之間通訊。芯片的RST#和DTR#與單片機(jī)RESET和BOOT1引腳相連接，來(lái)控制復(fù)位和串口收發(fā)數(shù)據(jù)。USB的USB_D+和USB_D-數(shù)據(jù)通過(guò)CH340C芯片后轉(zhuǎn)換為串口數(shù)據(jù)TXD和RXD。RXD與單片機(jī)USART_TX(PA9)相連，TXD與USART_RX(PA10)相連進(jìn)行串口通信。圖4.5USB轉(zhuǎn)串口下載電路設(shè)計(jì)4.2.4啟動(dòng)配置電路電路設(shè)計(jì)如圖4.6所示。啟動(dòng)配置帶電路主要作用是確保單片機(jī)上電或復(fù)位時(shí)能夠按照預(yù)期的方式正確初始化并進(jìn)入正常工作狀態(tài)。BOOT0對(duì)應(yīng)STM32單片機(jī)上的148號(hào)引腳，串聯(lián)一個(gè)10K的電阻R13后接地。BOOT1對(duì)應(yīng)單片機(jī)上的48號(hào)引腳，串聯(lián)一個(gè)10K的電阻R12后接地。圖4.6啟動(dòng)配置電路4.3圖像傳感器電路設(shè)計(jì)電路設(shè)計(jì)如圖4.7所示，主要完成圖像采集功能。U10和U11用于提供OV2640穩(wěn)定的1.3V和2.8V工作電壓。Y1用于產(chǎn)生24MHz的時(shí)鐘輸入OV2640的OV_XCLK引腳。MOS作為閃光燈LED3和LED4D1開關(guān)。JP4中引腳8控制模塊的復(fù)位連接STM32的PG15引腳，引腳17控制模塊的省電模式連接STM32的PG9引腳（高電平有效），引腳3和5分別是SCCB協(xié)議的時(shí)鐘和數(shù)據(jù)總線連接STM32的PD6和PD7引腳，引腳18與PA8連接用于控制閃光燈的開和關(guān)。其余引腳和STM32復(fù)用的數(shù)字?jǐn)z像頭接口（DCMI）相連接，引腳4和6為幀同步信號(hào)和行同步信號(hào)與PB7和PA4連接，引腳15是像素時(shí)鐘信號(hào)與PA6連接，引腳5、7、16和9至14傳輸像素?cái)?shù)據(jù)分別和STM32的PC6、PC7、PE6、PC8、PC7、PC11、PC9、PE5、PB6連接。圖4.7圖像傳感器電路設(shè)計(jì)4.4人體紅外傳感器電路設(shè)計(jì)該電路主要完成紅外信號(hào)檢測(cè)功能。模塊只有3個(gè)外接引腳，引腳1接3.3V電源，引腳2為輸出引腳，監(jiān)測(cè)到人體紅外時(shí)會(huì)輸出高電平，正常情況下為低電平，該引腳和STM32的PG6引腳連接，引腳3連接地。電路設(shè)計(jì)如圖4.8所示。圖4.8人體紅外傳感器電路設(shè)計(jì)4.5溫濕度傳感器電路設(shè)計(jì)該電路主要完成溫濕度采集功能，設(shè)計(jì)中溫濕度傳感采用數(shù)字信號(hào)輸出，引腳1連接3.3V電源，引腳4連接地線，引腳2是模塊的數(shù)據(jù)輸出引腳，與STM32的PG7引腳連接，外接一個(gè)4.7K的上拉電阻R31來(lái)滿足時(shí)序要求，確?？偩€空閑時(shí)處于高電平，提高抗干擾能力。模塊輸出數(shù)字信號(hào)，不需要單片機(jī)額外進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換。4.7K的R32與LED2串聯(lián)接地，LED2作為電源指示燈，接通電源時(shí)點(diǎn)亮。電路設(shè)計(jì)如圖4.9所示。圖4.9溫濕度傳感器電路設(shè)計(jì)4.64G通信模塊電路設(shè)計(jì)4G通信模塊與STM32的連接只需要4個(gè)引腳就能進(jìn)行通信。JP8中引腳1連接5V供電電源，模塊的接收數(shù)據(jù)引腳RXD（引腳2）與STM32的USART2_TX（PA2）連接，模塊的發(fā)送數(shù)據(jù)引腳TXD（引腳3）與STM32的USART2_RX（PA3）連接，通過(guò)引腳2和3與STM32進(jìn)行串口通信，引腳4接地。電路設(shè)計(jì)如圖4.10所示。5V電源進(jìn)入后通過(guò)U13進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換，然后接一個(gè)濾波電路對(duì)VBAT管腳進(jìn)行濾波。KEY2電路是模塊復(fù)位電路，LED5是模塊電源指示燈，LED6是模塊4G信號(hào)指示燈，CARD是模塊6-pinSIM接口電路。4G芯片U14的M_RXD與M_TXD引腳通過(guò)外接電壓轉(zhuǎn)換電路，將1.8V電壓轉(zhuǎn)換為3.3V電壓后與引腳2和引腳3連接。圖4.104G通信模塊電路設(shè)計(jì)4.7LCD顯示屏電路設(shè)計(jì)顯示屏主要用于相機(jī)開機(jī)時(shí)顯示初始化情況和監(jiān)測(cè)圖像傳感器是否正常。為實(shí)現(xiàn)屏幕實(shí)時(shí)圖像傳感器采集的畫面，選用STM32的顯示接口（FSMC）與TFTLCD顯示屏進(jìn)行連接。模塊的復(fù)位引腳與單片機(jī)RESET引腳連接在一起，單片機(jī)的復(fù)位按鍵按下與單片機(jī)一同復(fù)位。JP5的引腳11（LCD_BL）與STM32的PB15連接，用于控制LCD背光。U15是顯示屏，其余引腳連接和電路設(shè)計(jì)如圖4.11所示。圖4.11TFTLCD顯示電路設(shè)計(jì)4.7SD卡儲(chǔ)存電路設(shè)計(jì)SD卡模塊主要與STM32的SDIO接口連接。SD卡的命令引腳（CMD）與STM32的SDIO_CMD（PD2）連接，時(shí)鐘引腳（CLK）與STM32的SDIO_SCK（PC12）連接，數(shù)據(jù)引腳（DATA0-DATA3）分別與STM32的SDIO_D0（PC8）、SDIO_D0（PC9）、SDIO_D0（PC10）、SDIO_D0（PC11）連接，這幾個(gè)引腳都連接一個(gè)47K的上拉電阻。引腳4（VDD）連接3.3V電源，引腳10和引腳6接地。電路設(shè)計(jì)如圖4.12所示。與圖像傳感器共用PC8、PC9、PC11引腳，使用時(shí)要注意分時(shí)復(fù)用。圖4.12SD卡儲(chǔ)存電路設(shè)計(jì)4.7光照與補(bǔ)光燈電路設(shè)計(jì)紅外補(bǔ)光燈電路主要是單片機(jī)接收光敏模塊信號(hào)來(lái)控制紅外燈的開關(guān)。光敏模塊輸出引腳連接STM32的PG8，用于單片機(jī)獲取模塊信號(hào)。STM32的PA15引腳連接一個(gè)100歐電阻分壓后連接一個(gè)紅外燈后接地，用于單片機(jī)點(diǎn)亮紅外燈。電路設(shè)計(jì)如圖4.13所示。圖4.13紅外補(bǔ)光燈電路設(shè)計(jì)嵌入式軟件設(shè)計(jì)5.1軟件開發(fā)環(huán)境本課題軟件部分開發(fā)所使用的軟件是KeiluVision5，編程語(yǔ)言采用C語(yǔ)言。該軟件是德國(guó)Keil公司開發(fā)的集成開發(fā)環(huán)境（IDE），主要用于嵌入式系統(tǒng)的軟件開發(fā)，尤其專注于ARMCortex-M系列微控制器的開發(fā)。在Keil官網(wǎng)下載完軟件后根據(jù)引導(dǎo)完成軟件的安裝，激活MDK,另外還需要根據(jù)不同系列STM32芯片來(lái)安裝芯片pack包，完成這些步驟后就可以創(chuàng)建工程文件，選擇芯片型號(hào)進(jìn)行代碼編寫，軟件界面如圖5.1所示。圖5.1KeiluVision5軟件界面C語(yǔ)言是一種通用、高效的編程語(yǔ)言，具有高效、可移植、靈活、易學(xué)易用等特點(diǎn)，擁有豐富的底層控制能力，支持面向過(guò)程和面向?qū)ο蟮木幊谭绞?，可以進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)和程序復(fù)用?？梢浦残詮?qiáng)，可跨平臺(tái)使用，至今仍是系統(tǒng)級(jí)開發(fā)和嵌入式領(lǐng)域的首選。5.2主控程序主控程序主要由初始化子程序、4G聯(lián)網(wǎng)子程序、顯示各模塊狀態(tài)子程序、人體紅外和光亮判斷、拍照和數(shù)據(jù)采集子程序、數(shù)據(jù)儲(chǔ)存子程序、數(shù)據(jù)傳輸云端子程序和異?；謴?fù)組成。過(guò)調(diào)用這些流程，可達(dá)到預(yù)設(shè)功能。主控程序的功能是啟動(dòng)各個(gè)部分，判斷是否有人經(jīng)過(guò)，當(dāng)有人經(jīng)過(guò)進(jìn)行拍照和監(jiān)測(cè)溫濕度，在天暗的情況需要開啟紅外燈補(bǔ)光。然后將圖片進(jìn)行保存，溫濕度數(shù)據(jù)通過(guò)4G發(fā)送至云端。其具體過(guò)程如下：初始化子程序：主要實(shí)現(xiàn)對(duì)處理器及模塊接口的初始化，以保證處理器及模塊正常工作。初始化串口、引腳等，定義所使用引腳工作模式，設(shè)置串口通信的相關(guān)參數(shù)如數(shù)據(jù)位、波特率等，初始化串口通信中斷函數(shù)。4G聯(lián)網(wǎng)子程序：主要實(shí)現(xiàn)對(duì)4G通信模塊的控制并和onenet云平臺(tái)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)聯(lián)接。顯示各模塊狀態(tài)子程序：主要實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)、溫濕度傳感器、紅外傳感器、SD卡、圖像傳感器等工作狀態(tài)的顯示，以便了解工作狀態(tài)及運(yùn)行是否正常。人體紅外、光亮判斷：判斷是否監(jiān)測(cè)到人體紅外、判斷環(huán)境是否變暗。拍照和數(shù)據(jù)采集子程序：對(duì)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。數(shù)據(jù)儲(chǔ)存子程序：將采集到的圖像數(shù)據(jù)保存在SD卡中。數(shù)據(jù)傳輸云端子程序：通過(guò)與4G通信模塊和MQTT協(xié)議將數(shù)據(jù)進(jìn)行組包，將采集溫濕度數(shù)據(jù)儲(chǔ)存至云平臺(tái)。異常：在系統(tǒng)發(fā)生異常情況時(shí)，將系統(tǒng)進(jìn)行初始化。主控程序流程如圖5.2所示。圖5.2主控程序流程圖5.3初始化子程序進(jìn)入初始化子流程后對(duì)如下部分進(jìn)行初始化端口初始化：對(duì)串口和各模塊電路使用到的引腳進(jìn)行初始化配置，如表5.1所示。對(duì)使用到的USART1和USART2串口設(shè)置通信相關(guān)參數(shù)如數(shù)據(jù)位、校驗(yàn)位、波特率等，初始化串口通信中斷函數(shù)。其中SD卡與圖像傳感器共用PC8、PC9、PC11引腳，使用時(shí)要注意分時(shí)復(fù)用。OV2640圖像傳感器初始化：先硬件復(fù)位后，配置寄存器，包括輸出格式、分辨率、曝光時(shí)間、亮度、對(duì)比度、色度等參數(shù)。LCD顯示初始化：對(duì)顯示屏控制芯片的寄存器進(jìn)行配置，包括分辨率、掃描方向等參數(shù)。表5.1初始化端口表對(duì)象作用狀態(tài)復(fù)用USART1用于程序下載USART2與4G模塊通信PG9、PG15控制OV2640的低功耗開關(guān)和復(fù)位推挽輸出PD6、PD7OV2640的SCCB總線的SCL和SDA推挽輸出PA4、PA6、PB6、PB7、PC6~PC9、PC11、PE5、PE6OV2640數(shù)據(jù)傳輸推挽輸出復(fù)用為DCMI接口PD0,1,4,5,8,9,10,14,15、PB15、PE7~15、PF12、PG12控制TFTLCD顯示屏推挽輸出復(fù)用為FSMC接口（PB15除外）PC8~PC12、PD2控制SD卡推挽輸出復(fù)用為SDIO接口PG6獲取人體紅外傳感器數(shù)據(jù)輸入PG7獲取溫濕度傳感器數(shù)據(jù)開漏輸出PG8獲取光敏模塊數(shù)據(jù)輸入PA15控制紅外LED燈推挽輸出PA0控制LCD背光輸入5.44G與云平臺(tái)聯(lián)網(wǎng)子程序進(jìn)入子流程后先打開串口，然后通過(guò)串口發(fā)送通過(guò)MQTT協(xié)議聯(lián)網(wǎng)的相關(guān)AT命令。判斷和云平臺(tái)聯(lián)網(wǎng)是否成功，聯(lián)網(wǎng)成功后返回主程序，沒有成功的重復(fù)發(fā)送聯(lián)網(wǎng)請(qǐng)求直到超過(guò)連接次數(shù)后設(shè)置網(wǎng)絡(luò)異常標(biāo)志后返回。主要AT+MQTT相關(guān)命令如下：AT+MCONFIG：設(shè)置MQTT相關(guān)參數(shù)AT+MIPSTART：建立TCP連接AT+MCONNECT：客戶端向服務(wù)器請(qǐng)求會(huì)話連接AT+MSUB：訂閱主題4G與云平臺(tái)聯(lián)網(wǎng)子流程如圖5.3所示。圖5.34G與云平臺(tái)聯(lián)網(wǎng)流程圖5.5顯示各模塊狀態(tài)子程序該子流程主要用于各部分上電后工作狀態(tài)在LCD顯示屏上進(jìn)行顯示。進(jìn)入該子流程后依次判斷4G模塊、傳感器和SD卡是否初始化完成進(jìn)入正常工作，然后在顯示屏上顯示該模塊準(zhǔn)備就緒的字符。這樣方便了解各模塊工作狀態(tài)。子流程如圖5.4所示。圖5.4顯示各模塊狀態(tài)流程圖5.6圖像傳感器數(shù)據(jù)采集子程序該主流程用于圖像傳感器數(shù)據(jù)采集，主要通過(guò)一行一行的數(shù)據(jù)采集來(lái)完成一幀。在一行數(shù)據(jù)采集完成后會(huì)判讀一幀數(shù)據(jù)是否采集完成，沒有采集完成行指針指向下一行開啟新的一行數(shù)據(jù)采集，直到完成一幀后返回主流程。子流程如圖5.5所示。圖5.5圖像傳感器數(shù)據(jù)采集流程圖5.7溫濕度傳感器數(shù)據(jù)采集子程序該子流程主要用于溫濕度傳感器采集溫度和濕度數(shù)據(jù)。進(jìn)入子流程后，指針指向包首，然后讀寫一字節(jié)數(shù)據(jù)，直到數(shù)據(jù)全部發(fā)完后完成采集工作返回主流程。子流程如圖5.6所示。圖5.6溫濕度傳感器數(shù)據(jù)采集流程圖5.8數(shù)據(jù)儲(chǔ)存子程序該子流程主要是通過(guò)SD卡對(duì)拍攝的圖片進(jìn)行本地儲(chǔ)存。進(jìn)入子流程后，首先打開要寫入的SD卡文件，然后將圖片保存在文件中。如果寫入成功就關(guān)閉文件后回到主程序，寫入失敗后嘗試恢復(fù)并重新寫入數(shù)據(jù)。子流程如圖5.7所示。圖5.7數(shù)據(jù)儲(chǔ)存流程圖5.94G傳輸數(shù)據(jù)至云端子流程該流程主要通過(guò)4G模塊將溫濕度數(shù)據(jù)傳輸至云平臺(tái)，方便遠(yuǎn)程獲取拍照時(shí)環(huán)境的溫濕度信息。進(jìn)入子流程后，指針指向包首，讀一字節(jié)，然后發(fā)送一字節(jié)給云平臺(tái)，直到數(shù)據(jù)包全部發(fā)完后返回主流程。子流程如圖5.8所示。圖5.84G傳輸數(shù)據(jù)至云端流程圖5.104G模塊軟件配置本設(shè)計(jì)采用的4G模塊支持阿里云、騰訊云、移動(dòng)onenet等云平臺(tái)，此次設(shè)計(jì)云平臺(tái)采用移動(dòng)onenet平臺(tái)。首先需要注冊(cè)并登錄onenet物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，創(chuàng)建新產(chǎn)品和設(shè)備并配置。創(chuàng)建完成后，根據(jù)自己的情況在產(chǎn)品開發(fā)中選擇設(shè)置物模型，添加自定義功能點(diǎn)。物模型就是自己要上傳數(shù)據(jù)的屬性信息，這里定義了相機(jī)和溫濕度信息。如圖5.9所示。圖5.9onenet界面5.11軟件編譯及下載完成各部分的程序編寫后，使用KeiluVision5軟件菜單欄左上角上的Rebuild按鈕編譯程序，檢查軟件下方輸出的編譯結(jié)果是否存在報(bào)錯(cuò)或警告，若出現(xiàn)報(bào)錯(cuò)或者警告信息，便根據(jù)提示找到有問(wèn)題的地方并按照指示修改程序代碼，直到編譯結(jié)果無(wú)報(bào)錯(cuò)或者警告。編譯無(wú)錯(cuò)誤后，打開程序下載軟件串口ISP。打開軟件后選擇串口COM號(hào)和串口通信使用的波特率，文件選擇工程文件夾里面的.hex格式文件，進(jìn)入BootLoader根據(jù)系統(tǒng)設(shè)置選擇的是DTR低電平復(fù)位RTS高電平進(jìn)入BootLoader，最后選擇開始編程即可。如圖5.10所示。圖5.10ISP下載程序界面調(diào)試與測(cè)試6.1硬件調(diào)試先根據(jù)原理圖焊接電路板，焊接完成后檢查焊接點(diǎn)是否飽滿，有沒有出現(xiàn)虛焊等問(wèn)題。檢查無(wú)誤后，在將各模塊插進(jìn)去前應(yīng)先仔細(xì)觀察電路板各模塊引腳的位置順序。防止模塊引腳插錯(cuò)不能正常工作或者電源接錯(cuò)導(dǎo)致上電后出現(xiàn)模塊損壞的情況。檢查無(wú)誤后開啟電源，對(duì)設(shè)備進(jìn)行調(diào)試。觀察各模塊是否都能夠正常上電，主控芯片、溫濕度傳感器、光敏模塊、4G模塊電源燈點(diǎn)亮，LCD上電正常。若某個(gè)模塊出現(xiàn)異常發(fā)熱、冒煙或者無(wú)法正常上電的現(xiàn)象，則需立即斷電并重新檢查硬件電路是否插錯(cuò)，仔細(xì)觀察各模塊引腳位置，排除故障后，再次進(jìn)行上電調(diào)試，直至各部分都能正常上電。6.2軟件調(diào)試先對(duì)一個(gè)模塊的功能進(jìn)行調(diào)試，下載程序至主控芯片后，觀察該部分功能運(yùn)行是否達(dá)到要求。圖像傳感器可以采集圖像信息并拍攝，SD卡可以儲(chǔ)存拍攝的圖片，人體紅外傳感器可以檢測(cè)到紅外信號(hào)，溫濕度傳感器可以采集溫濕度數(shù)據(jù)，LCD可以正常顯示，紅外補(bǔ)光燈可以點(diǎn)亮，光敏電阻模塊可以檢測(cè)到環(huán)境光的明暗，4G模塊可以與onenet云平臺(tái)進(jìn)行連接和數(shù)據(jù)傳輸。若能各部分正常實(shí)現(xiàn)功能，就可將各部分整合在一起完成整體功能。若不能達(dá)到整體功能，觀察主程序是什么地方出現(xiàn)問(wèn)題。通過(guò)注釋與本功能不相關(guān)的程序進(jìn)行修改后，通過(guò)ISP下載至單片機(jī)后觀察該部分是否完成預(yù)期工作。達(dá)到預(yù)期后，在對(duì)整體功能進(jìn)行調(diào)試，直到達(dá)到整體功能要求。6.3調(diào)試結(jié)果經(jīng)過(guò)硬件和軟件的調(diào)試過(guò)后，樣機(jī)的調(diào)試結(jié)果達(dá)到設(shè)計(jì)要求。當(dāng)設(shè)備監(jiān)測(cè)到紅外信號(hào)改變，同時(shí)檢測(cè)環(huán)境光照強(qiáng)度。在環(huán)境亮?xí)r，圖像傳感器進(jìn)行正常拍攝，環(huán)境暗時(shí)，打開紅外補(bǔ)光燈進(jìn)行拍攝。拍攝完成后圖片保存在本地SD卡中。同時(shí)溫濕度傳感器采集拍攝時(shí)的溫濕度。在對(duì)圖片和溫濕度采集完成后，云平臺(tái)收到相機(jī)成功拍攝了圖片的字符“OK”和溫濕度數(shù)據(jù)?？赏ㄟ^(guò)云平臺(tái)收到“OK”的時(shí)間來(lái)表示拍攝的大致時(shí)間，可通過(guò)時(shí)間找到對(duì)應(yīng)的溫濕度數(shù)據(jù)。如圖6.1為設(shè)備正常上電后狀態(tài)。圖6.1硬件正常工作狀態(tài)圖如圖6.2為onenet云平臺(tái)數(shù)據(jù)界面。相機(jī)進(jìn)行了拍攝，并上傳了溫濕度數(shù)據(jù)。圖6.2onenet云平臺(tái)界面如圖6.3為在自然光下檢測(cè)到紅外信號(hào)時(shí)拍攝的圖片。圖6.3白天拍攝圖像如圖6.4為在夜晚通過(guò)紅外補(bǔ)光燈拍攝的圖片。圖6.4夜晚拍攝圖像總結(jié)與展望7.1總結(jié)本課題在分析了解紅外相機(jī)的原理及監(jiān)測(cè)方法之后，設(shè)計(jì)了一種基于嵌入式處理器的紅外野生動(dòng)物拍攝智能相機(jī)設(shè)計(jì)，結(jié)合傳感器技術(shù)、4G遠(yuǎn)程通信技術(shù)、數(shù)據(jù)處理技術(shù)以及數(shù)據(jù)本地存儲(chǔ)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)紅外野生動(dòng)物拍攝智能相機(jī)拍攝的圖片進(jìn)行本地保存和可在遠(yuǎn)程了解拍攝時(shí)環(huán)境的溫濕度情況。完成了智能相機(jī)的設(shè)計(jì)：1、在硬件設(shè)計(jì)方面主要包括元器件選型和硬件電路的設(shè)計(jì)，電路PCB的設(shè)計(jì)和繪制，制作電路板焊接器件。2、在軟件設(shè)計(jì)方面主要完成了處理器與傳感器的數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)的本地保存、設(shè)備和云平臺(tái)之間的遠(yuǎn)程通信、LCD顯示和處理器控制紅外補(bǔ)光燈。該裝置主要應(yīng)用于野外等復(fù)雜環(huán)境，無(wú)論在夜晚還是白天當(dāng)有動(dòng)物經(jīng)過(guò)，設(shè)備檢測(cè)到紅外信號(hào)后進(jìn)行拍攝，拍攝到的圖片保存在SD卡中，將溫濕度數(shù)據(jù)通過(guò)4G模塊上傳云平臺(tái)，方便遠(yuǎn)程查看野生動(dòng)物的大致的生存環(huán)境情況。本次設(shè)計(jì)無(wú)論是從硬件部分還是軟件部分的設(shè)計(jì)都已完成。本次課題研究取得了一定的成果，但也存在一些不足的地方。像存在空拍和漏拍的情況以及降低功耗等問(wèn)題需要在未來(lái)的研究中來(lái)進(jìn)一步改進(jìn)和完善。7.2展望隨著對(duì)生態(tài)保護(hù)意識(shí)的提升和科技的發(fā)展，紅外野生動(dòng)物拍攝智能相機(jī)在科研、生態(tài)監(jiān)測(cè)及自然