一种基于arduino的图像采集与通信系统电路的制作方法

1.本发明涉及图像采集通信领域，特别涉及一种基于arduino的图像采集与通信系统电路。


背景技术：

2.图像采集与通信系统电路是一种进行移动机器人图像采集通信的系统，随着时代的发展，人们越来越注重智能机器人的开发，希望其能代替人进行工作，比如远程对大棚内作物进行监控和图像采集，但要做到像人一样自主工作，那么就需要其具有人一样的感知并能对相应的感知做出相应的反应，而实现像人一样感知中最重要的部分之一就是对图像的采集处理及传输。嵌入式的图像采集与无线传输系统设计是以单片机为主要的控制核心，通过摄像头采集图像信息，同时将采集到的视频信息传递给搭载的控制器进行处理，处理后通过局域网进行无线传输，这就实现了图像采集与无线传输，进而就可以实现远程控制与分析，随着科技的不断发展，人们对于图像采集与通信系统电路的制造工艺要求也越来越高。
3.目前在农业领域，远程视频传输系统能够对农作物长势和病虫害防治提供充分的远程监控和分析条件，有助于保障农作物安全；在林业领域，远程视频传输系统能够监控树木长势和病虫害防治，以及预防监测火灾风险；在工业领域，远程视频传输系统能够起到安防监控、保障生产物料和工作人员人身安全的作用，国内在农林业的图像采集方面也有了较为成熟的方案，但受地区经济和科技水平限制，推广成本较高的农林业图像采集系统并不现实，为此，我们提出一种基于arduino的图像采集与通信系统电路。


技术实现要素：

4.解决的技术问题：针对现有技术的不足，本发明提供了一种基于arduino的图像采集与通信系统电路，以arduino uno所搭载的atmega328p芯片作为舵机驱动的控制核心，选用两个ts90a舵机实现两自由度的摄像头云台，选用coms摄像头ov2640作为图像数据采集传感器，选用esp32 wifi模块作为处理图像数据采集及存储和数据传输的模块，设计出图像采集和通信的外围电路及硬件系统，并设计出实现图像采集及存储和舵机驱动的软件，可以有效解决背景技术中的问题。
5.技术方案：为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：一种基于arduino的图像采集与通信系统电路，包括主控机、图像数据采集传感器、上位机、存储卡、第一自由度舵机、第二自由度舵机与舵机云台驱动机，所述主控机与舵机云台驱动机的位置连接，所述主控机连接有图像数据采集传感器、上位机与存储卡，所述舵机云台驱动机连接有第一自由度舵机与第二自由度舵机。
6.作为本技术一种优选的技术方案，所述主控机与上位机、舵机云台驱动机之间双向电性连接，所述主控机的输入端与图像数据采集传感器的输出端电性连接，所述主控机的输出端与存储卡的输入端电性连接，所述舵机云台驱动机的输出端与第一自由度舵机、
第二自由度舵机的输入端电性连接。
7.作为本技术一种优选的技术方案，所述舵机云台驱动机内部设置有存储器、外设接口、pwm通道、8通道10位adc、23个可编程io端口、定时器、计数器、通信接口、可编程串行接口。
8.作为本技术一种优选的技术方案，所述主控机为2.4ghz的wifi加蓝牙双模双核mcu芯片，支持高达240mhz的时钟频率，且主控机采用的处理器运算能力为600mips，拥有34个gpio端口，采用台积电超低功耗的40nm制程工艺制造，供电电压为3.3v。
9.作为本技术一种优选的技术方案，所述主控机配有触摸感应针脚，内置霍尔效应传感器和内置温度传感器，集成了天线开关、射频balun、功率放大器、低噪声放大器、滤波器以及电源管理模块。
10.作为本技术一种优选的技术方案，所述图像数据采集传感器与主控机之间进行连接，且图像数据采集传感器上设置有sio_c和sio_d引脚，所述sio_c和sio_d引脚为sccb协议的通信引脚，所述图像数据采集传感器采用两线式sccb传输，所述sccb协议为类iic协议，起始信号为sio_c引脚处于高电平时，所述sio_d引脚触发一个下降沿，此时sccb开始传输，终止信号为sio_c引脚处于高电平时，所述sio_d引脚触发一个上升沿，此时sccb停止传输。
11.作为本技术一种优选的技术方案，所述存储卡与主控机之间进行连接，且存储卡读写有两种工作模式，分别为sd模式和spi模式，所述存储卡主要工作于4bit的sd模式下，此时读写时钟可达50mhz，所述存储卡有8个引脚，工作电压为3.3v，其中cmd和data0-3共五个引脚需要接47k-50k的上拉电阻。
12.作为本技术一种优选的技术方案，所述舵机云台驱动机连接第一自由度舵机与第二自由度舵机的位置，所述舵机云台驱动机上的arduino uno开发板作为舵机驱动电路，所述舵机云台驱动机通过串口通信接收到主控机发来的舵机控制信号后，发出pwm信号控制舵机转动至特定角度，所述舵机云台驱动机通过arduino uno给第一自由度舵机与第二自由度舵机提供vcc和gnd，同时用其中两个支持analog模拟输出模式的io口输出舵机控制信号。
13.有益效果：与现有技术相比，本发明提供了一种基于arduino的图像采集与通信系统电路，具备以下有益效果：该一种基于arduino的图像采集与通信系统电路，以arduino uno所搭载的atmega328p芯片作为舵机驱动的控制核心，选用两个ts90a舵机实现两自由度的摄像头云台，选用coms摄像头ov2640作为图像数据采集传感器，选用esp32 wifi模块作为处理图像数据采集及存储和数据传输的模块，设计出图像采集和通信的外围电路及硬件系统，并设计出实现图像采集及存储和舵机驱动的软件，最后利用pyqt5提供的控件编写上位机ui交互界面，通过udp传输协议实现局域网内无线数据传输，从而实现远程操控舵机和将采集到的图像存储至micro sd卡中等功能，整个图像采集与通信系统电路结构简单，操作方便，使用的效果相对于传统方式更好。
附图说明
14.图1为本发明一种基于arduino的图像采集与通信系统电路的整体系统结构示意图。
15.图2为本发明一种基于arduino的图像采集与通信系统电路中整体电路的结构示意图。
16.图3为本发明一种基于arduino的图像采集与通信系统电路中atmega328p最小系统原理图。
17.图4为本发明一种基于arduino的图像采集与通信系统电路中esp32最小系统原理图。
18.图5为本发明一种基于arduino的图像采集与通信系统电路中ov2640与esp32连接原理图。
19.图6为本发明一种基于arduino的图像采集与通信系统电路中micro sd卡与esp32连接原理图。
20.图7为本发明一种基于arduino的图像采集与通信系统电路中舵机驱动电路原理图。
21.图中：1、主控机；2、图像数据采集传感器；3、上位机；4、存储卡；5、第一自由度舵机；6、第二自由度舵机；7、舵机云台驱动机。
具体实施方式
22.下面将结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，但是本领域技术人员将会理解，下列所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
23.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
24.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
25.如图1-7所示，一种基于arduino的图像采集与通信系统电路，包括主控机1、图像数据采集传感器2、上位机3、存储卡4、第一自由度舵机5、第二自由度舵机6与舵机云台驱动机7，主控机1与舵机云台驱动机7的位置连接，主控机1连接有图像数据采集传感器2、上位机3与存储卡4，舵机云台驱动机7连接有第一自由度舵机5与第二自由度舵机6，以arduino uno所搭载的atmega328p芯片作为舵机驱动的控制核心，选用两个ts90a舵机实现两自由度的摄像头云台，选用coms摄像头ov2640作为图像数据采集传感器，选用esp32 wifi模块作为处理图像数据采集及存储和数据传输的模块，设计出图像采集和通信的外围电路及硬件
系统，并设计出实现图像采集及存储和舵机驱动的软件。
26.进一步的，主控机1与上位机3、舵机云台驱动机7之间双向电性连接，主控机1的输入端与图像数据采集传感器2的输出端电性连接，主控机1的输出端与存储卡4的输入端电性连接，舵机云台驱动机7的输出端与第一自由度舵机5、第二自由度舵机6的输入端电性连接。
27.进一步的，舵机云台驱动机7内部设置有存储器、外设接口、pwm通道、8通道10位adc、23个可编程io端口、定时器、计数器、通信接口、可编程串行接口。
28.进一步的，主控机1为2.4ghz的wifi加蓝牙双模双核mcu芯片，支持高达240mhz的时钟频率，且主控机1采用的处理器运算能力为600mips，拥有34个gpio端口，采用台积电超低功耗的40nm制程工艺制造，供电电压为3.3v。
29.进一步的，主控机1配有触摸感应针脚，内置霍尔效应传感器和内置温度传感器，集成了天线开关、射频balun、功率放大器、低噪声放大器、滤波器以及电源管理模块。
30.进一步的，图像数据采集传感器2与主控机1之间进行连接，且图像数据采集传感器2上设置有sio_c和sio_d引脚，sio_c和sio_d引脚为sccb协议的通信引脚，图像数据采集传感器2采用两线式sccb传输，sccb协议为类iic协议，起始信号为sio_c引脚处于高电平时，sio_d引脚触发一个下降沿，此时sccb开始传输，终止信号为sio_c引脚处于高电平时，sio_d引脚触发一个上升沿，此时sccb停止传输。
31.进一步的，存储卡4与主控机1之间进行连接，且存储卡4读写有两种工作模式，分别为sd模式和spi模式，存储卡4主要工作于4bit的sd模式下，此时读写时钟可达50mhz，存储卡4有8个引脚，工作电压为3.3v，其中cmd和data0-3共五个引脚需要接47k-50k的上拉电阻。
32.进一步的，舵机云台驱动机7连接第一自由度舵机5与第二自由度舵机6的位置，舵机云台驱动机7上的arduino uno开发板作为舵机驱动电路，舵机云台驱动机7通过串口通信接收到主控机1发来的舵机控制信号后，发出pwm信号控制舵机转动至特定角度，舵机云台驱动机7通过arduino uno给第一自由度舵机5与第二自由度舵机6提供vcc和gnd，同时用其中两个支持analog模拟输出模式的io口输出舵机控制信号。
33.工作原理：本发明包括主控机1、图像数据采集传感器2、上位机3、存储卡4、第一自由度舵机5、第二自由度舵机6、舵机云台驱动机7，通过对图像采集与通信系统研究背景及现的分析，在此次研究中决定采用esp32作为下位机的主控并配合ov2640摄像头进行图像采集和wifi联网，同时通过esp32搭建局域网内的web服务器以实现实时视频流传输，采用atmega328p作为舵机云台驱动核心用以驱动两自由度舵机云台实现多角度多方位的图像数据采集，并支持远程控制将采集到的图像存储到micro sd卡中；同时采用pyqt 5开发上位机，通过向esp32所搭建的web服务器发送http协议实现实时视频监控，并通过udp协议使其可以满足远程控制的需要；
34.esp32是由乐鑫出品的一块2.4ghz的wifi加蓝牙双模双核mcu芯片，支持高达240mhz的时钟频率，所采用的处理器运算能力高达600mips，拥有34个gpio端口，采用台积电超低功耗的40nm制程工艺制造，供电电压仅需3.3v，其作为esp8266的继任者，相较于esp8266更为强大，它增加了额外的cpu内核，更快的wifi，更多的gpio，并支持蓝牙4.2和蓝牙低功耗。
35.此外，esp32配有触摸感应针脚，可用于唤醒esp32深度睡眠，内置霍尔效应传感器和内置温度传感器，集成了天线开关、射频balun、功率放大器、低噪声放大器、滤波器以及电源管理模块，极大减少了pcb板的面积，同时又具有超高的射频性能、稳定性、通用性和可靠性，以及超低的功耗，满足不同的功耗需求，适用于各种应用场景。
36.采用一款高性能200w像素的ov2640摄像头模块。该模块用omnivision公司生产的一颗清晰度为1632*1232的1/4英寸cmos图像传感器作为核心部件，同时集成有源晶振和fifo芯片，方便mcu读取图像数据。其具有高灵敏度、低电压的特点，由于其较高的性价比，被广泛用于需要图像采集和视频监控的物联网场景，同时集成12m有源晶振，无需外部提供时钟。同时采用8位数据接口，使用sccb协议作为控制接口实现图像数据的传输。
37.摄像头在采集图像时必须全面考虑摄像头安装的高度，摄像头的俯仰角，并且务必保证摄像头安装在小车左右正中间位置，不然会造成硬件误差，因此为了实现多角度多方位的图像数据采集同时又便于校准所采集图像中的作物所在画面中的位置，本次设计采用两自由度的舵机云台，以实现对摄像头图像采集角度的多方位调节。
38.为了减轻移动机器人平台的承重压力，本次设计中的舵机云台采用轻质的亚克力板为主体结构，并通过螺丝、螺母以及铜柱进行固定。
39.与此同时，该两自由度舵机云台采用了两个ts90a舵机用于调节图像采集角度，目前可以实现俯仰角120
°
，水平角度180
°
范围内的方向调节。
40.在机器人控制系统中，舵机控制效果是性能的重要影响因素。舵机可以在微机电系统和航模中作为基本的输出执行机构，其简单的控制和输出使得单片机系统可以轻松操控。舵机是一种伺服的驱动器，适用于那些需要角度不断变化并可以保持的控制系统。
41.ts90a舵机有仅有3条导线，分别为vcc电源线、gnd地线和控制信号线，只需要通过施加pwm调制后的控制信号便可控制舵机保持在特定角度。pwm全称为pulse width modulation，意为脉冲宽度调制，是通过调节数字输出信号的脉冲宽度实现对模拟电路的控制，通过占空比便可等效不同的模拟信号。
42.舵机的控制信号由接收机的通道进入信号调制芯片，获得直流偏置电压。舵机的控制一般需要一个20ms左右的时基脉冲，该脉冲的高电平一般在0.5ms-2.5ms范围内，总间隔为2ms，而脉冲的宽度将决定马达转动的距离，将获得的直流偏置电压与电位器的电压比较，获得电压差输出，电压差的正负输出到电机驱动芯片决定电机的正反转，当电机转速一定时，通过级联减速齿轮带动电位器旋转，使得电压差为0，电机停止转动，此时舵机保持在特定角度。
43.本设计采用基于atmega328p的arduino uno开发板作为舵机驱动电路，atmega328p通过串口通信接收到esp32发来的舵机控制信号后，发出pwm信号控制舵机转动至特定角度，以实现对图像采集角度的调节。
44.通过arduino uno给两个ts90a舵机提供vcc和gnd，同时用其中两个支持analog模拟输出模式的io口输出舵机控制信号。
45.系统上电后开始初始化，接着esp32开始联网接入wifi，成功接入wifi后等待上位机的视频流传输命令，获得视频流传输命令后将ov2640摄像头采集到的图像信息通过web服务器上传至局域网内的上位机，此时默认清晰度为sxga(1280*1024)，对于默认清晰度的选择将在第五章性能分析中详细阐述。上位机通过udp协议向下位机esp32发送控制命令，
esp32在接受到断开视频流控制命令后，作出断开视频流的操作；在接受到舵机转向命令时，esp32通过串口向arduino uno发出舵机驱动指令，后由arduino uno根据收到的指令控制舵机进行转向；在接受到图像采集命令时，esp32将ov2640摄像头模块采集到的图像信息存储至micro sd卡中并等待停止采集指令。
46.以arduino uno所搭载的atmega328p芯片作为舵机驱动的控制核心，选用两个ts90a舵机实现两自由度的摄像头云台，选用coms摄像头ov2640作为图像数据采集传感器，选用esp32 wifi模块作为处理图像数据采集及存储和数据传输的模块，设计出图像采集和通信的外围电路及硬件系统，并设计出实现图像采集及存储和舵机驱动的软件，最后利用pyqt5提供的控件编写上位机ui交互界面，通过udp传输协议实现局域网内无线数据传输，从而实现远程操控舵机和将采集到的图像存储至micro sd卡中等功能。
47.需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二(一号、二号)等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
48.以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。

技术特征：
1.一种基于arduino的图像采集与通信系统电路，包括主控机(1)、图像数据采集传感器(2)、上位机(3)、存储卡(4)、第一自由度舵机(5)、第二自由度舵机(6)与舵机云台驱动机(7)，其特征在于：所述主控机(1)与舵机云台驱动机(7)的位置连接，所述主控机(1)连接有图像数据采集传感器(2)、上位机(3)与存储卡(4)，所述舵机云台驱动机(7)连接有第一自由度舵机(5)与第二自由度舵机(6)。2.根据权利要求1所述的一种基于arduino的图像采集与通信系统电路，其特征在于：所述主控机(1)与上位机(3)、舵机云台驱动机(7)之间双向电性连接，所述主控机(1)的输入端与图像数据采集传感器(2)的输出端电性连接，所述主控机(1)的输出端与存储卡(4)的输入端电性连接，所述舵机云台驱动机(7)的输出端与第一自由度舵机(5)、第二自由度舵机(6)的输入端电性连接。3.根据权利要求1所述的一种基于arduino的图像采集与通信系统电路，其特征在于：所述舵机云台驱动机(7)内部设置有存储器、外设接口、pwm通道、8通道10位adc、23个可编程io端口、定时器、计数器、通信接口、可编程串行接口。4.根据权利要求1所述的一种基于arduino的图像采集与通信系统电路，其特征在于：所述主控机(1)为2.4ghz的wifi加蓝牙双模双核mcu芯片，支持高达240mhz的时钟频率，且主控机(1)采用的处理器运算能力为600mips，拥有34个gpio端口，采用台积电超低功耗的40nm制程工艺制造，供电电压为3.3v。5.根据权利要求1所述的一种基于arduino的图像采集与通信系统电路，其特征在于：所述主控机(1)配有触摸感应针脚，内置霍尔效应传感器和内置温度传感器，集成了天线开关、射频balun、功率放大器、低噪声放大器、滤波器以及电源管理模块。6.根据权利要求1所述的一种基于arduino的图像采集与通信系统电路，其特征在于：所述图像数据采集传感器(2)与主控机(1)之间进行连接，且图像数据采集传感器(2)上设置有sio_c和sio_d引脚，所述sio_c和sio_d引脚为sccb协议的通信引脚，所述图像数据采集传感器(2)采用两线式sccb传输，所述sccb协议为类iic协议，起始信号为sio_c引脚处于高电平时，所述sio_d引脚触发一个下降沿，此时sccb开始传输，终止信号为sio_c引脚处于高电平时，所述sio_d引脚触发一个上升沿，此时sccb停止传输。7.根据权利要求1所述的一种基于arduino的图像采集与通信系统电路，其特征在于：所述存储卡(4)与主控机(1)之间进行连接，且存储卡(4)读写有两种工作模式，分别为sd模式和spi模式，所述存储卡(4)主要工作于4bit的sd模式下，此时读写时钟可达50mhz，所述存储卡(4)有8个引脚，工作电压为3.3v，其中cmd和data0-3共五个引脚需要接47k-50k的上拉电阻。8.根据权利要求1所述的一种基于arduino的图像采集与通信系统电路，其特征在于：所述舵机云台驱动机(7)连接第一自由度舵机(5)与第二自由度舵机(6)的位置，所述舵机云台驱动机(7)上的arduino uno开发板作为舵机驱动电路，所述舵机云台驱动机(7)通过串口通信接收到主控机(1)发来的舵机控制信号后，发出pwm信号控制舵机转动至特定角度，所述舵机云台驱动机(7)通过arduino uno给第一自由度舵机(5)与第二自由度舵机(6)提供vcc和gnd，同时用其中两个支持analog模拟输出模式的io口输出舵机控制信号。

技术总结
本发明公开了一种基于arduino的图像采集与通信系统电路，包括主控机、图像数据采集传感器、上位机、存储卡、第一自由度舵机、第二自由度舵机与舵机云台驱动机，所述主控机与舵机云台驱动机的位置连接，所述主控机连接有图像数据采集传感器、上位机与存储卡。本发明所述的一种基于arduino的图像采集与通信系统电路，以Arduino UNO所搭载的ATmega328P芯片作为舵机驱动的控制核心，选用两个TS90A舵机实现两自由度的摄像头云台，选用COMS摄像头OV2640作为图像数据采集传感器，选用ESP32WiFi模块作为处理图像数据采集及存储和数据传输的模块，设计出图像采集和通信的外围电路及硬件系统，并设计出实现图像采集及存储和舵机驱动的软件。和舵机驱动的软件。和舵机驱动的软件。


技术研发人员：胡春华 张佳
受保护的技术使用者：弗斯飞智能科技（苏州）有限公司
技术研发日：2023.04.18
技术公布日：2023/7/21