低功耗微型图像采集系统

作者：2016级王广晗 精仪系

指导老师：赵嘉昊 精仪系

关键词： 微型传感系统 自供电 视频监控

摘要

本系统将图像采集和无线传输集成到39*21mm的PCB上，待机功耗小于1mW，可用太阳能供电持续工作，可用射频等方式唤醒并不断传输图片，作为传统监控系统失效时的备份。

硬件选型

摄像头采用OV2640摄像头，接口为DCMI和I2C,支持JPEG输出。其运行时典型功耗为140mW，支持硬件待机。模组体积约为6*6*5mm（不含排线）。最大分辨率为1600*1200，为减少传输的数据量和RAM占用，采用320*240分辨率。

    主控芯片采用STM32F446RE单片机。该单片机带有DCMI接口和大量其他外设资源，“睡眠”和“停止”低功耗模式。其封装为LQFP64，大小10*10mm，是支持DCMI的单片机中体积较小的一种。

    无线通信采用EBYTE的E22-400T22S模块，其主控芯片是SX1268，433MHz频段的LoRa调制。空中速率最高为67.5kbps，即只需2~3s传输一张320*240的JPEG图。通信距离远，最远可达5000m，而最高速率最低功率下也可覆盖整个家。支持低功耗空中唤醒，接收平均功耗很低。UART接口，编程方便。大小26*16mm，邮票孔接口，可以很方便地嵌入PCB板中。

图1 开发板版本的系统

    设计的PCB为双层板，大小39*21mm，背面放无线通信模块，其余元件位于正面。由于无法回学校，没有加装太阳能自供电模块，采用排针输入3.3V供电和烧录程序。

图2 电路原理图

图3 PCB设计图

软件逻辑

图3 数据流

图4 工作逻辑框图

    系统上电初始化后进入待机状态，摄像头关闭，单片机处于停止模式，无线模块处于低功耗接收模式。一个计数器用于决定唤醒时机：初始值为一正数，代表传统监控系统的基站每5秒给系统发送一个信息，收到该信息后计数器被重置；同时计数器每10秒减1。当传统监控系统由于停电或被破坏，停止发送信息，不久计数器就会减到0，系统被唤醒。

    唤醒后，一个拍摄周期是采集一帧图像，无线传输，传输完后视帧率设定决定暂时休眠还是立即拍下一帧。高帧率模式3s左右一帧，帧率取决于无线传输时间，即JPEG图像的大小。低功耗模式6~60s一帧可调，拍摄周期越长功耗越低。

    开发采用STM32CubeMX和Keil，用到的单片机片内资源有TIM、DCMI、I2C、UART、RTC、DMA、GPIO和外部中断等。

功能展示

图5 PCB成品（手工焊接）

上位机为串口助手工具，可以显示串口收到的JPEG格式图片。

图6 接收图片效果