红外野生动物拍摄智能相机设计

红外野生动物智能拍摄相机摘要：野生动物是生物多样性保护的重要内容之一，针对野生动物监测与生物多样性研究的问题，本文设计了一款基于红外传感技术的野外智能拍摄相机，该相机以STM32F407ZGT6嵌入式处理器为核心，集成热体红外传感器感知野生动物释放的热体红外信号，集成图像传感器对野生动物进行拍照取证，集成红外补光灯组实现夜间拍摄时补光照明，集成温湿度传感器采集野生动物出没生境信息，集成SD卡用于存储拍摄图片，集成4G通信模块实现拍摄及监测数据远程上云传输。据此设计方案，本文完成了嵌入式硬件电路设计，给出了各单元电路设计说明，完成了嵌入式软件设计，给出了主控程序及各子程序的设计说明。设计作品测试表明，能够实现课题任务书中的野生动物感知、拍摄、存储和传输等功能，但在感应拍摄灵敏度上还存在不足，有待持续研究及改善。关键词：热红外传感；野生动物；红外相机；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目录TOC\o"1-3"\h\u16663第一章绪论 页共69页第一章绪论课题研究的背景及意义随着社会的发展，生物多样性保护的重要性逐渐突显。野生动物监测已成为生态保护、物种研究和环境评估的核心手段。通过长期观测野生动物活动规律，更够评估种群的动态、栖息地健康状况及气候变化影响，为制定科学保护政策提供依据。但是，目前市面上广泛应用的红外抓拍相机，存在严重的续航时间短、频繁更换电池、漏拍空拍等问题，频繁更换电池留下的人体气味会干扰动物活动和破坏生境，热红外感知最远20m距离会造成动物漏拍问题，且在气流扰动情况下会出现大量空白现象，约占所有收集照片的70%-80%，为后期照片数据清洗和归集带来量大的工作，特别是对于一个国家级保护区而言，每年度需要清洗数据量会达到数十万张之多，避免空拍问题就成为当前红外相机的最核心问题。为此，本课题以“红外野生动物拍摄智能相机设计”为题，拟设计一种兼具热红外感知和视觉感知拍摄的相机，实现野外环境的野生动物拍摄，通过降低能耗指标和增加光伏供电技术避免人工更换电池，通过微功耗视觉AI感知技术识别过滤照片而避免空拍，极大的减少后期数据清洗工作理，通过4G通信技术远程回传数据，避免人类活动干扰动物生境，从而更好的监测和取证野生动物种群、分布、数量、栖息地、行为习惯等数据，为加强生物多样性保护与评估提供数据支撑，具有重要的技术研究价值和工程应用价值。1.2国内外研究的技术现状1.2.1国内研究现状近些年，国内学者研究方向主要朝着智能化、集成化高性能、成像更加清晰的发展。例如王晨阳REF_Ref28542\r\h[1]在《一种智能化野外红外相机系统分析与设计》中采用基于Wi-Fi和Lo-Ra的网络传输方法,可实时回传视频数据，利用太阳能弱光发电方法延长相机续航。蔡海蛟REF_Ref28725\r\h[2]在《基于嵌入式技术的便携式红外相机的设计》中利用Linux操作系统的ARM9微处理器,从FPGA接收图像数据,采用有触摸功能的LCD显示器上显示图像和接收用户的控制命令,并将图像数据存储到SD卡中。张丽莉REF_Ref28813\r\h[3]在《多功能红外监控相机软件系统的设计与实现》中使用NT96450芯片和无线通信模块H330,搭载响应速度快的uITRON实时操作系统,并采用了带有超声电机自动控制焦距的CMOS图像传感器。采用TCP协议栈来保证网络数据传输的可靠性。公彦超REF_Ref28872\r\h[4]在《基于DM3730的长波红外相机系统》中采用集成了图像信号处理器（ISP）的DM3730作为主控，该芯片还集成了一个ARMCortex-A8和一个C64X+DSP核心,并且集成了显示子系统（DSS）进行LCD显示。极高的集成度使的采用其他模块减少，减小了电路板尺寸,提高了可靠性。除了上述研究成果外，还有许多学者在进一步对红外相机的研究和完善，推动我国对野外红外拍摄智能相机的发展。1.2.2国外研究现状国外学者的研究更加倾向于采用嵌入式现场可编程逻辑门阵列（FPGA）来进行研究和实现，更加注重设备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》中采用最先进的SoC-FPGA技术来完成系统设计,该技术将ARMCortex-A9双核处理器嵌入到Altera可编程逻辑阵列中，可将实时图像数据传输至计算系统。BieszczadG、SosnowskiT、MaduraHREF_Ref29013\r\h[6]等在《Adaptable

infrared

imageprocessing

module

implemented

in

FPGA》中使用诸如流水线和并行处理等特殊处理技术。使用FPGA和基于32位ARM7处理器作为微控制器读取图片数据后可在显示器上显示。AlsuwailemAMREF_Ref29081\r\h[7]在《Real-timeFPGA-basedimageenhancementusinghistogramprojectiontechniqueforuncooledinfraredimagers》中利用现场可编程门阵列（FPGA）实现直方图投影（HP）技术，具有简单、快捷、灵活和开发成本低等优点。这种可编程硬件环境可以进一步的提高图像质量。EdgarsL、AndrejsC、RihardsNREF_Ref29176\r\h[8]等在《InfraredImagePre-ProcessingandIR/RGBRegistrationwithFPGAImplementation》中用异构片上系统（HSoC）FPGA架构，将所有计算密集型任务在数字逻辑中实现，图像采集和预处理的完整数字电路设计。并使用微处理器单元（MPU）来协调数据在基于FPGA的加速器之间的传输。1.3课题研究的主要任务1.3.1硬件设计1、根据课题任务书设计要求，设计硬件方案框图，选择性价比合适的嵌入式处理器，以及热体红外、图像传感、光照传感、温湿度传感、红外补光、4G通信等传感器及模块，确定技术指标及设计思路。2、设计最小系统（实现复位、时钟、下载和启动）电路、传感器接口电路、通信接口电路、显示接口电路和人机接口电路，绘制电路原理图。3、设计电路PCB图，制作电路板（或用通用板）焊接器件实现样机作品。4、编程最小系统测试验证硬件作品上电及工作正常。1.3.2软件设计1、根据软件部分的总体方案及框图，选择熟悉或处理器支持的C或C++语言开发环境工具软件，熟练掌握开发工具软件。2、编写最小系统软件，实现复位、启动和状态指示，测试验证主控程序流程。3、编程实现红外感知、视觉感知、拍摄取证、空拍处理、数据传输等功能。1.4本文的章节安排本文正文一共分为七章，具体如下：第一章绪论，介绍本课题的研究背景及意义、以及分析国内外研究现状；介绍课题主要研究任务。第二章总体方案设计，进行总体需求分析，明确设计任务中硬件和软件的技术指标性需求；给出硬件以及软件总体解决方案。第三章主要技术研究，介绍本课题所涉及到的传感检测技术、总线接口技术以及传输通信技术。第四章嵌入式硬件设计，介绍硬件的选型，本课题的最小系统设计、相关电子电路设计。第五章嵌入式软件设计，介绍课题使用到的软件开发环境及使用方法、主控制程序以及相关的子程序；简述软件的编译及下载。第六章调试与测试，介绍该课题相关的硬件调试情况、软件调试情况以及测试情况。第七章总结与展望，进行总结，分析不足之处，并针对所存在的不足提出相关的改进措施和展望。总体设计方案2.1总体需求本课题以嵌入式处理器为核心，集成CMOS图像传感器采集拍摄图像，集成热体红外传感器感知动物热体，集成光照传感器检测环境光线，集成红外LED对夜间环境补光，集成温湿度传感器监测生境参数，集成4G通讯模块实现远程数据传输，集成SD卡实现拍摄图像本地保存，集成LCD显示屏和人机接口方便安装观察，集成供电、监测、通信等状态指示器指示各类工作状态。嵌入式软件采用C或C++语言编程实现。2.1.1硬件需求1、嵌入式处理器：选择内置数字摄像头接口（DCMI）支持CMOS图像传感器接口，内置SDIO接口连接SD卡。168MHz主频，方便对图像进行JPEG编码处理。2、4G通信模块：选择采用4GCAT.1物联网通信技术和AT固件的4G模块。3、CMOS图像传感器：应选择成像光谱涵盖可见光谱和近红外光谱（850mm）的传感器，支持白昼彩色成像和底单夜间近红外补光成像，光学像素为200万像素。4、温湿度传感器：测量范围温度在0-50°C精度不大于±2，湿度在20-90%RH精度不大于±5。5、人体红外传感器：检测范围在3-7米（可调），检测角度小于等于120°，带有菲尼尔透镜并且检测到红外热辐射变化后延迟时间可调。6、光照传感器：选择光敏电阻模块检测光照强度，可直接输出TTL电平方便处理器感应。7、SD卡储存：普通SD卡即可，方便安装。8、LCD显示屏：选择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环境下减少电量消耗。9、近红外补光灯：选择在800-1500nm范围内补光灯，方便夜间拍摄并且不会惊扰到动物。10、电源模块：选择可充电电池供电方便进行更换和重复使用降低成本并且电容量不少于18000mWh方便野外长时间拍摄。2.1.2软件需求1、主程序：驱动各模块运行，接收来自人体红外传感器的信息，判断是否开启红外补光灯后读取温湿度传感器、图像传感器的数据信息并处理后，将图像数据保存在本地SD卡中，温湿度数据通过4G模块远程无线传输，上传到onenet云平台显示。2、初始化子程序：对处理器和各模块接口功能的初始化。3、4G联网子程序：实现对4G通信模块和onenet云平台进行网络联接。4、终端状态监测子程序：实现对终端状态工作状态的显示，以便了解工作运行是否正常。5、红外与光照检测：进行红外热辐射变化与环境光线检测，若检测红外闯入并到光线变暗，启动补光；否则只启动红外抓拍。6、拍照和数据采集子程序：进行图片拍摄和温湿度采集。7、数据储存子程序：保存拍摄的图片在SD卡中。8、数据传输云端子程序：将相机是否进行了拍摄和温湿度数据传输至onenet云平台。9、异常处理：在系统出现异常时，将系统初始化。2.2总体方案2.2.1硬件总体方案如图2.1所示，由嵌入式处理器分别集成红外传感器、图像传感器、温湿度传感器、光照传感器、光敏电路、LCD显示屏、4G通信模块、近红外LED灯、人机接口、SD存储卡、电源等单元电路组成。其中：红外传感器监测热体红外信号感知动物出现，图像传感器为CMOS传感器可实现可见光和近红外光成像，温湿度传感器采集生境温湿度参数，光照传感器实现环境光照强度监测以便感知夜间条件，光敏电路主要由光敏电阻构成检测环境光照强度。处理器，选用内置数字摄像头接口（DCMI）和支持SDIO接口连接SD卡的STM32F407系列处理器；通信，采用TTL转串口接口的4G通信模块以及SIM卡座，实现4G远程通信；显示，由一个2.8寸TFTLCD彩屏组成，高分辨率方便监测图像传感器是否正常，储存：由SD卡组成；近红外补光灯，为一个850nm的红外灯，方便相机在夜晚进行拍摄；人机接口，为LED灯和按键组成，LED指示电源和通信等工作状态,按键控制复位；电源，电源电路输出5V和3.3V电路组成，向各单元电路提供所需电源。图2.1硬件电路设计方案框图2.2.2软件总体方案采用嵌入式C语言进行设计开发，软件设计开发工具为KeiluVision5。如图2.2所示，软件由主控程序、初始化、状态显示、数据采集、通信联网、数据发送子程序组成，其中主控程序实现对各功能模块子程序的调度及流程控制，控制主程序循环运行。图2.2软件设计方案框图主要技术研究3.1总线接口技术3.1.1USART接口技术本课题主要使用到USART接口通信技术，该通信技术具有同步通信和异步通信功能，是在单片机最常用的一种通信技术。在异步通信模式下与UART类似，通过发送和接收线进行数据传输；在同步通信模式下，需要额外增加时钟信号来实现同步数据传输。该技术在本课题中主要负责MCU和4G通信模块数据通信和程序的下载。该接口使用USART通信协议，是一种同步、异步串行通信协议，使用TX线发送数据与接收设备的RX相连接，RX线接收数据与接收设备的TX相连接。其数据帧格式如图3.1和3.2所示，在串口通信协议层中，规定了数据包的内容，包括起始位、数据位、校验位和停止位。只有通讯双方数据包格式一致，才能正常收发数据进行通讯。图3.1USART通信协议数据帧格式-无校验位图3.2USART通信协议数据帧格式-有校验位起始位：一个数据包从起始位开始，直到停止位结束。起始位固定为低电平，标志一个数据帧的开始。数据位：数据帧的有效数据，紧接着起始位之后，数据位采用低位先行的方式传输，数据位由于编码的方式不同一般约定为5到8位或9位。校验位：数据校验位是可选的，在数据位之后，用于数据验证。数据通信相对来说容易受到外部干扰从而导致传输的数据出现偏差，所以通过校验位可有效解决这个问题。计算数据位和校验位“1”的位数是偶数为偶校验，奇数为奇校验也可采用无校验。停止位：停止位在最后，用于数据帧间隔，固定为高电平，可以是1位、1.5、2位的高电平。波特率：串口在进行异步通讯时，由于没有时钟信号，通讯设备之间就需要约定好波特率来同步数据采样时刻，即每个码元的长度。常见的波特率有9600、38400、115200。3.1.2SCCB接口技术SCCB是OmniVision公司开发的一种串行相机控制总线协议，主要用于图像传感器（如CMOS摄像头）与主控制器（如MCU、FPGA、DSP等）之间的配置和控制通信。它是I²C总线的一种简化变种，专为摄像头模组设计，具有低功耗、简单易用的特点。但对于I²C总线而言，SCCB不支持多主模式，仅支持单主设备控制。SCCB在写操作后要求必须发送NA（NoAcknowledge）信号，而I²C使用ACK/NACK。SCCB的起始信号、停止信号及数据有效性与I2C完全一样。起始信号，在SIO_C为高电平时，SIO_D出现一个下降沿，则SCCB开始传输。停止信号，在SIO_C为高电平时，SIO_D出现一个上升沿，则SCCB停止传输。在数据传输过程中，当SIO_C为高电平时，SIO_D不允许有数据变化，也就是说，SIO_D上的电平变换只能发生在SIO_C为低电平的时候，SIO_D的信号在SIO_C为高电平时被采集。SCCB_E为多子设备的主设备选择信号。该协议时序如图3.3所示。图3.3SCCB通信协议时序图SCCB数据写过程：在SCCB协议中定义的读写操作与I2C也是一样的。它定义了两种写操作，即三步写操作和两步写操作。SCCB三步写操作，第一阶段发送从设备的ID地址+W标志(等于I2C的设备地址：7位设备地址+读写方向标志)，第二阶段发送从设备目标寄存器的8位地址，第三阶段发送要写入寄存器的8位数据。两步写操作没有第三阶段，即只向从设备传输了设备ID+W标志和目的寄存器的地址，两步写操作是用来配合读寄存器数据操作的，它与读操作一起使用，实现I2C的复合过程。[Start]→[设备地址(写)]→[寄存器地址]→[数据]→[Stop]SCCB数据读过程：SCCB的读操作可分为两个阶段，在第一阶段中发送从设备的设备ID+R标志(设备地址+读方向标志)，在第二阶段中读取寄存器中的8位数据和写NA

位(非应答信号)。由于两步读操作没有确定目的寄存器的地址，所以在读操作前，必需有一个两步写操作，以提供读操作中的寄存器地址。写阶段：发送要读取的寄存器地址。[Start]→[设备地址(写)]→[寄存器地址]→[Stop]读阶段：重新启动总线，读取数据。[Start]→[设备地址(读)]→[数据]→[NA]→[Stop]3.2CMOS图像传感技术CMOS图像传感器是一种将光信号转换为电信号的半导体器件，主要由像素阵列、色彩滤镜阵列、微透镜、读出电路、接口组成。成像原理基于光电转换和信号读出两大核心过程，将入射的光信号转换为数字图像。本设计采用的CMOS图像传感器是一颗1/4寸的CMOSUXGA（1632*1232）图像传感器。采用Bayer滤色片其可见光成像频段通常在400nm～700nm，蓝(B)敏感波段为400nm～500nm，峰值波长为400nm～450nm；绿(G)敏感波段为500nm～600nm，峰值波长为530nm～550nm；红(R)敏感波段为580nm～700nm峰值波长为600nm～620nm。近红外成像频段700nm～1000nm（>1000nm时硅的量子效率急剧下降），最好的近红外成像频段在800nm～900nm。具体频段如图3.4所示。根据设计要求等多方面考虑本设计采用850nm的近红外成像频段。图3.4成像光谱曲线图3.34G传输通信技术4G模块（LTE模块）是一种基于第四代移动通信技术（4G

LTE）的嵌入式硬件设备，主要用到的是LTE数据传输技术，用于实现高速无线数据传输。处理器控制4G模块实现入网、TCP连接、数据传输、TCP断开等操作，从而实现向云端的数据传输,具有高通信速率、强灵活性、高智能性的特点LTE系统引入了OFDM和MIMO（多输入多输出）等关键技术，显著增加了频谱效率和数据传输速率，并支持多种带宽分配：1.4MHz，3MHz，5MHz，10MHz，15MHz和20MHz等。LTE数据传输采用基于IP的数据传输方式，采用AES（高级加密标准）算法进行数据加密，因此可以实现高速、高效和安全的数据传输。采用Cat1通信，Cat1通信是一种基4GLTE网络的物联网通信技术，是LTE技术框架下针对中低速物联网场景优化的终端类别，依托LTE网络提供经济、高效的连接方案。具有低功耗、低成本和较广的网络覆盖等特点，采用分层设计结构，包括物理层、数据层、网络层和传输层，确保数据传输的高效性和可靠性，广泛应用与物联网领域。4G模块连接MQTT服务器步骤：硬件连接：将4G模块通过USART接口连接到主控设备。插入有效的SIM卡（确保已开通流量），连接天线。配置参数：配置4G模块与服务器建立连接相应的参数，如用户名、密码、服务器IP地址和端口号等。建立MQTT连接：通过AT指令进行初始化、移动网络连接、建立TCP连接、MQTT连接报文和订阅主题、发送消息实现数据传输。嵌入式硬件设计4.1硬件选型4.1.1微控制器（MCU）选型微控制器作为本设计的主控芯片，有着非常重要的作用。要有强大的数据处理能力来对图像进行处理，同时还要有较好的控制驱动能力以及丰富的外设接口，以及多种低功耗模式（睡眠、停机、待机），可满足低功耗长寿命电池供电的便携式相机设备在野外工作。目前流行的常用的微控制器主要有51系列单片机和STM32系列单片机，考虑到课题所需接口数量及类型较多，使用51单片机需要进行扩展，选用STM32系列单片机可以有效规避这类问题。STM32是新一代的32位微控制器，采用Cortex-M内核。STM32系列涵盖了从低端到高端的各种性能和功能需求，按性能可分为主流（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），按内核可将分为Cortex-M0（F0系列）、Cortex-M3（F1、F3系列）、Cortex-M4（F4系列）、Cortex-M7（F系列）等。综合考虑本课题的要求和需求等因素，选用Cortex-M4内核高性能型的STM32F407ZGT6单片机作为主控芯片。STM32F407ZGT6引脚如图4.1所示。具有168MHz主频、1024K片上FLASH和192K的SRAM,支持浮点运算和数字信号处理（DSP），适合图像处理中的实时操作（如JPEG编码、简单滤镜、边缘检测等）。可通过DMA（直接内存访问）减轻CPU负担，高效传输图像数据。拥有144个外设接口，其中摄像头接口（DCMI），直接支持并行摄像头模块，无需外部转换芯片，方便使用；SDIO接口，可连接SD卡存储照片；显示接口（FSMC）可驱动LCD屏幕实现实时预览，以监测图像传感器是否正常工作。还集成USART、SPI、IIC等常用通信接口。存储扩展灵活，支持外部SRAM或SDRAM（通过FSMC），扩展内存以缓存高分辨率图像。在高性能的同时，还具有体积较小、成本较低的优点，工作温度为-40℃～+85℃，能够基本满足终端设计所需的控制要求。STM32F407ZGT6引脚定义如图4.1所示。图4.1STM32F103C8T6引脚定义图4.1.2图像传感器选型图像传感器是本课题最重要的一个传感器。在保证成像清晰的前提下要综合考虑成本、功耗的问题。本课题选用200W像素的OV2640，如图4.2所示，引脚功能如表4.1所示。OV2640是一款常见的低成本、低功耗CMOS图像传感器，广泛应用于嵌入式相机和物联网设备中。OV2640工作电压为3.3V，功耗较低（工作电流约20mA），适合电池供电的野外长期监控设备。集成度高，体积小，便于嵌入到便携或隐蔽的野外相机中。内置DSP（数字信号处理器），可直接输出JPEG格式图像，减少外部处理需求。工作温度范围较宽（-30°C~70°C），能满足多数野外环境需求。图4.2OV2640模组引脚图表4.1OV2640引脚功能表引脚名称功能SCLSCCB总线时钟线SDASCCB总线数据线D0-D7像素数据输出引脚PCLK像素时钟信号PWDN掉电/省电模式控制VSYNC帧同步信号HREF行同步信号RST复位引脚FLASH控制LED闪光灯4.1.3人体红外传感器选型本课题选用HC-sr501人体红外传感器,如图4.3所示。该传感器全自动感应，直接输出数字信号（高/低电平），易于使用。当人进入其感应范围则输出高电平，人离开感应范围则自动延时关闭高电平，输出低电平。通过调节参数，检测范围可在3-7米内调节，触发后信号输出的持续时间可在2.5-200秒内调节。有两种触发模式：支持单次触发（L）或重复触发（H）。低功耗，工作电压为5V，工作电流静态约65μA，适合电池供电场景。图4.3HC-sr501模组引脚图4.1.4温湿度传感器选型本课题选用DHT11温湿度传感器，如图4.4所示。引脚1是电源，引脚2是数据输出引脚，引脚3悬空不用外接电路，引脚4是GND。该传感器直接输出数字信号（单总线协议），无需额外ADC模块，简化电路设计。集成度高，可以同时测量温度和湿度（温度范围：0~50°C，温度精度：±2°C，湿度范围：20%~90%RH，湿度精度：±5%RH），节省硬件空间。在常规环境下表现稳定，校准数据已存储在传感器中。工作电压为3.3V，工作电流低（约0.5~2.5mA），适合电池供电设备。图4.4DHT11引脚定义图4.1.54G模块选型本课题选用银尔达Core-Air780e如图4.3所示，采用4GCat1通信，通过串口收发AT指令集来完成数据的读取、存储等，通过AT指令来连接到服务器，从而完成数据通信。供电电压为5-16V,波特率1200-921600，工作环境-40℃~85℃，3.3VTTL电平串口，兼容5V电平。覆盖国内三大运营商（移动/联通/电信）4GLTE频段，方便使用。支持PSM（省电模式）和eDRX（扩展空闲模式），适合电池供电设备。图4.3Air-780e引脚定义图4.1.6供电电源选型考虑在野外使用，采用了18650可充电锂电池为设备提供3.3V和5V电源。使用电池供电方便在野外环境下更换电源，采用可充电电池可以节约成本反复利用，减少环境污染。4.2最小系统设计最小系统主要由STM32F407ZGT6主控芯片、复位电路、时钟电路、程序下载接口、启动配置五部分构成。4.2.1复位电路如图4.2所示，电路采用采用低电平复位的方式。先并联一个按键和一个电容，再串联一个上拉电阻。上拉电阻一端接3.3V电源，另一端接电容和按键的并联结点，然后该结点接芯片的NRST引脚。电路工作原理如下：当电源接通后，电容C12充电导致瞬间短路将RESET拉低至低电平，处理器复位到初始状态，随着电容充电结束形成断路，RESET直接接到VCC电源，RESET拉高至高电平，处理器进入正常工作状态。按键SW1用于将RESET引脚强制拉低至低电平，松开后，电容C12再次充电完成复位。图4.2复位电路设计4.2.2时钟电路时钟电路是单片机运行的“节奏控制器”，其稳定性和精度直接影响系统可靠性。设计上采用了一个32.768KHz的低速晶振X2和一个8MHz的高速晶振X1，其中X2和两个10P的电容C4和C5形成低速外部时钟源电路，由PC14-OSC32_IN和PC15-OSC32_OUT接口提供低速时钟源信号；X1和两个22P电容C6和C7、一个1M欧姆的电阻R2形成高速外部时钟源电路，由PH0-OSC_IN和PH1-OSC_OUT接口提供高速时钟源信号。电路设计如图4.3和图4.4所示。图4.3低速时钟电路设计图4.4高速时钟电路设计4.2.3程序下载接口电路如图4.5所示，设计中采用串口通信的方式为设备下载程序。通过芯片CH340C将USB转为串口，以此实现计算机与嵌入式设备之间通讯。芯片的RST#和DTR#与单片机RESET和BOOT1引脚相连接，来控制复位和串口收发数据。USB的USB_D+和USB_D-数据通过CH340C芯片后转换为串口数据TXD和RXD。RXD与单片机USART_TX(PA9)相连，TXD与USART_RX(PA10)相连进行串口通信。图4.5USB转串口下载电路设计4.2.4启动配置电路电路设计如图4.6所示。启动配置带电路主要作用是确保单片机上电或复位时能够按照预期的方式正确初始化并进入正常工作状态。BOOT0对应STM32单片机上的148号引脚，串联一个10K的电阻R13后接地。BOOT1对应单片机上的48号引脚，串联一个10K的电阻R12后接地。图4.6启动配置电路4.3图像传感器电路设计电路设计如图4.7所示，主要完成图像采集功能。U10和U11用于提供OV2640稳定的1.3V和2.8V工作电压。Y1用于产生24MHz的时钟输入OV2640的OV_XCLK引脚。MOS作为闪光灯LED3和LED4D1开关。JP4中引脚8控制模块的复位连接STM32的PG15引脚，引脚17控制模块的省电模式连接STM32的PG9引脚（高电平有效），引脚3和5分别是SCCB协议的时钟和数据总线连接STM32的PD6和PD7引脚，引脚18与PA8连接用于控制闪光灯的开和关。其余引脚和STM32复用的数字摄像头接口（DCMI）相连接，引脚4和6为帧同步信号和行同步信号与PB7和PA4连接，引脚15是像素时钟信号与PA6连接，引脚5、7、16和9至14传输像素数据分别和STM32的PC6、PC7、PE6、PC8、PC7、PC11、PC9、PE5、PB6连接。图4.7图像传感器电路设计4.4人体红外传感器电路设计该电路主要完成红外信号检测功能。模块只有3个外接引脚，引脚1接3.3V电源，引脚2为输出引脚，监测到人体红外时会输出高电平，正常情况下为低电平，该引脚和STM32的PG6引脚连接，引脚3连接地。电路设计如图4.8所示。图4.8人体红外传感器电路设计4.5温湿度传感器电路设计该电路主要完成温湿度采集功能，设计中温湿度传感采用数字信号输出，引脚1连接3.3V电源，引脚4连接地线，引脚2是模块的数据输出引脚，与STM32的PG7引脚连接，外接一个4.7K的上拉电阻R31来满足时序要求，确保总线空闲时处于高电平，提高抗干扰能力。模块输出数字信号，不需要单片机额外进行AD转换。4.7K的R32与LED2串联接地，LED2作为电源指示灯，接通电源时点亮。电路设计如图4.9所示。图4.9温湿度传感器电路设计4.64G通信模块电路设计4G通信模块与STM32的连接只需要4个引脚就能进行通信。JP8中引脚1连接5V供电电源，模块的接收数据引脚RXD（引脚2）与STM32的USART2_TX（PA2）连接，模块的发送数据引脚TXD（引脚3）与STM32的USART2_RX（PA3）连接，通过引脚2和3与STM32进行串口通信，引脚4接地。电路设计如图4.10所示。5V电源进入后通过U13进行电压转换，然后接一个滤波电路对VBAT管脚进行滤波。KEY2电路是模块复位电路，LED5是模块电源指示灯，LED6是模块4G信号指示灯，CARD是模块6-pinSIM接口电路。4G芯片U14的M_RXD与M_TXD引脚通过外接电压转换电路，将1.8V电压转换为3.3V电压后与引脚2和引脚3连接。图4.104G通信模块电路设计4.7LCD显示屏电路设计显示屏主要用于相机开机时显示初始化情况和监测图像传感器是否正常。为实现屏幕实时图像传感器采集的画面，选用STM32的显示接口（FSMC）与TFTLCD显示屏进行连接。模块的复位引脚与单片机RESET引脚连接在一起，单片机的复位按键按下与单片机一同复位。JP5的引脚11（LCD_BL）与STM32的PB15连接，用于控制LCD背光。U15是显示屏，其余引脚连接和电路设计如图4.11所示。图4.11TFTLCD显示电路设计4.7SD卡储存电路设计SD卡模块主要与STM32的SDIO接口连接。SD卡的命令引脚（CMD）与STM32的SDIO_CMD（PD2）连接，时钟引脚（CLK）与STM32的SDIO_SCK（PC12）连接，数据引脚（DATA0-DATA3）分别与STM32的SDIO_D0（PC8）、SDIO_D0（PC9）、SDIO_D0（PC10）、SDIO_D0（PC11）连接，这几个引脚都连接一个47K的上拉电阻。引脚4（VDD）连接3.3V电源，引脚10和引脚6接地。电路设计如图4.12所示。与图像传感器共用PC8、PC9、PC11引脚，使用时要注意分时复用。图4.12SD卡储存电路设计4.7光照与补光灯电路设计红外补光灯电路主要是单片机接收光敏模块信号来控制红外灯的开关。光敏模块输出引脚连接STM32的PG8，用于单片机获取模块信号。STM32的PA15引脚连接一个100欧电阻分压后连接一个红外灯后接地，用于单片机点亮红外灯。电路设计如图4.13所示。图4.13红外补光灯电路设计嵌入式软件设计5.1软件开发环境本课题软件部分开发所使用的软件是KeiluVision5，编程语言采用C语言。该软件是德国Keil公司开发的集成开发环境（IDE），主要用于嵌入式系统的软件开发，尤其专注于ARMCortex-M系列微控制器的开发。在Keil官网下载完软件后根据引导完成软件的安装，激活MDK,另外还需要根据不同系列STM32芯片来安装芯片pack包，完成这些步骤后就可以创建工程文件，选择芯片型号进行代码编写，软件界面如图5.1所示。图5.1KeiluVision5软件界面C语言是一种通用、高效的编程语言，具有高效、可移植、灵活、易学易用等特点，拥有丰富的底层控制能力，支持面向过程和面向对象的编程方式，可以进行模块化设计和程序复用。可移植性强，可跨平台使用，至今仍是系统级开发和嵌入式领域的首选。5.2主控程序主控程序主要由初始化子程序、4G联网子程序、显示各模块状态子程序、人体红外和光亮判断、拍照和数据采集子程序、数据储存子程序、数据传输云端子程序和异常恢复组成。过调用这些流程，可达到预设功能。主控程序的功能是启动各个部分，判断是否有人经过，当有人经过进行拍照和监测温湿度，在天暗的情况需要开启红外灯补光。然后将图片进行保存，温湿度数据通过4G发送至云端。其具体过程如下：初始化子程序：主要实现对处理器及模块接口的初始化，以保证处理器及模块正常工作。初始化串口、引脚等，定义所使用引脚工作模式，设置串口通信的相关参数如数据位、波特率等，初始化串口通信中断函数。4G联网子程序：主要实现对4G通信模块的控制并和onenet云平台进行网络联接。显示各模块状态子程序：主要实现联网、温湿度传感器、红外传感器、SD卡、图像传感器等工作状态的显示，以便了解工作状态及运行是否正常。人体红外、光亮判断：判断是否监测到人体红外、判断环境是否变暗。拍照和数据采集子程序：对传感器数据进行采集。数据储存子程序：将采集到的图像数据保存在SD卡中。数据传输云端子程序：通过与4G通信模块和MQTT协议将数据进行组包，将采集温湿度数据储存至云平台。异常：在系统发生异常情况时，将系统进行初始化。主控程序流程如图5.2所示。图5.2主控程序流程图5.3初始化子程序进入初始化子流程后对如下部分进行初始化端口初始化：对串口和各模块电路使用到的引脚进行初始化配置，如表5.1所示。对使用到的USART1和USART2串口设置通信相关参数如数据位、校验位、波特率等，初始化串口通信中断函数。其中SD卡与图像传感器共用PC8、PC9、PC11引脚，使用时要注意分时复用。OV2640图像传感器初始化：先硬件复位后，配置寄存器，包括输出格式、分辨率、曝光时间、亮度、对比度、色度等参数。LCD显示初始化：对显示屏控制芯片的寄存器进行配置，包括分辨率、扫描方向等参数。表5.1初始化端口表对象作用状态复用USART1用于程序下载USART2与4G模块通信PG9、PG15控制OV2640的低功耗开关和复位推挽输出PD6、PD7OV2640的SCCB总线的SCL和SDA推挽输出PA4、PA6、PB6、PB7、PC6~PC9、PC11、PE5、PE6OV2640数据传输推挽输出复用为DCMI接口PD0,1,4,5,8,9,10,14,15、PB15、PE7~15、PF12、PG12控制TFTLCD显示屏推挽输出复用为FSMC接口（PB15除外）PC8~PC12、PD2控制SD卡推挽输出复用为SDIO接口PG6获取人体红外传感器数据输入PG7获取温湿度传感器数据开漏输出PG8获取光敏模块数据输入PA15控制红外LED灯推挽输出PA0控制LCD背光输入5.44G与云平台联网子程序进入子流程后先打开串口，然后通过串口发送通过MQTT协议联网的相关AT命令。判断和云平台联网是否成功，联网成功后返回主程序，没有成功的重复发送联网请求直到超过连接次数后设置网络异常标志后返回。主要AT+MQTT相关命令如下：AT+MCONFIG：设置MQTT相关参数AT+MIPSTART：建立TCP连接AT+MCONNECT：客户端向服务器请求会话连接AT+MSUB：订阅主题4G与云平台联网子流程如图5.3所示。图5.34G与云平台联网流程图5.5显示各模块状态子程序该子流程主要用于各部分上电后工作状态在LCD显示屏上进行显示。进入该子流程后依次判断4G模块、传感器和SD卡是否初始化完成进入正常工作，然后在显示屏上显示该模块准备就绪的字符。这样方便了解各模块工作状态。子流程如图5.4所示。图5.4显示各模块状态流程图5.6图像传感器数据采集子程序该主流程用于图像传感器数据采集，主要通过一行一行的数据采集来完成一帧。在一行数据采集完成后会判读一帧数据是否采集完成，没有采集完成行指针指向下一行开启新的一行数据采集，直到完成一帧后返回主流程。子流程如图5.5所示。图5.5图像传感器数据采集流程图5.7温湿度传感器数据采集子程序该子流程主要用于温湿度传感器采集温度和湿度数据。进入子流程后，指针指向包首，然后读写一字节数据，直到数据全部发完后完成采集工作返回主流程。子流程如图5.6所示。图5.6温湿度传感器数据采集流程图5.8数据储存子程序该子流程主要是通过SD卡对拍摄的图片进行本地储存。进入子流程后，首先打开要写入的SD卡文件，然后将图片保存在文件中。如果写入成功就关闭文件后回到主程序，写入失败后尝试恢复并重新写入数据。子流程如图5.7所示。图5.7数据储存流程图5.94G传输数据至云端子流程该流程主要通过4G模块将温湿度数据传输至云平台，方便远程获取拍照时环境的温湿度信息。进入子流程后，指针指向包首，读一字节，然后发送一字节给云平台，直到数据包全部发完后返回主流程。子流程如图5.8所示。图5.84G传输数据至云端流程图5.104G模块软件配置本设计采用的4G模块支持阿里云、腾讯云、移动onenet等云平台，此次设计云平台采用移动onenet平台。首先需要注册并登录onenet物联网平台，创建新产品和设备并配置。创建完成后，根据自己的情况在产品开发中选择设置物模型，添加自定义功能点。物模型就是自己要上传数据的属性信息，这里定义了相机和温湿度信息。如图5.9所示。图5.9onenet界面5.11软件编译及下载完成各部分的程序编写后，使用KeiluVision5软件菜单栏左上角上的Rebuild按钮编译程序，检查软件下方输出的编译结果是否存在报错或警告，若出现报错或者警告信息，便根据提示找到有问题的地方并按照指示修改程序代码，直到编译结果无报错或者警告。编译无错误后，打开程序下载软件串口ISP。打开软件后选择串口COM号和串口通信使用的波特率，文件选择工程文件夹里面的.hex格式文件，进入BootLoader根据系统设置选择的是DTR低电平复位RTS高电平进入BootLoader，最后选择开始编程即可。如图5.10所示。图5.10ISP下载程序界面调试与测试6.1硬件调试先根据原理图焊接电路板，焊接完成后检查焊接点是否饱满，有没有出现虚焊等问题。检查无误后，在将各模块插进去前应先仔细观察电路板各模块引脚的位置顺序。防止模块引脚插错不能正常工作或者电源接错导致上电后出现模块损坏的情况。检查无误后开启电源，对设备进行调试。观察各模块是否都能够正常上电，主控芯片、温湿度传感器、光敏模块、4G模块电源灯点亮，LCD上电正常。若某个模块出现异常发热、冒烟或者无法正常上电的现象，则需立即断电并重新检查硬件电路是否插错，仔细观察各模块引脚位置，排除故障后，再次进行上电调试，直至各部分都能正常上电。6.2软件调试先对一个模块的功能进行调试，下载程序至主控芯片后，观察该部分功能运行是否达到要求。图像传感器可以采集图像信息并拍摄，SD卡可以储存拍摄的图片，人体红外传感器可以检测到红外信号，温湿度传感器可以采集温湿度数据，LCD可以正常显示，红外补光灯可以点亮，光敏电阻模块可以检测到环境光的明暗，4G模块可以与onenet云平台进行连接和数据传输。若能各部分正常实现功能，就可将各部分整合在一起完成整体功能。若不能达到整体功能，观察主程序是什么地方出现问题。通过注释与本功能不相关的程序进行修改后，通过ISP下载至单片机后观察该部分是否完成预期工作。达到预期后，在对整体功能进行调试，直到达到整体功能要求。6.3调试结果经过硬件和软件的调试过后，样机的调试结果达到设计要求。当设备监测到红外信号改变，同时检测环境光照强度。在环境亮时，图像传感器进行正常拍摄，环境暗时，打开红外补光灯进行拍摄。拍摄完成后图片保存在本地SD卡中。同时温湿度传感器采集拍摄时的温湿度。在对图片和温湿度采集完成后，云平台收到相机成功拍摄了图片的字符“OK”和温湿度数据。可通过云平台收到“OK”的时间来表示拍摄的大致时间，可通过时间找到对应的温湿度数据。如图6.1为设备正常上电后状态。图6.1硬件正常工作状态图如图6.2为onenet云平台数据界面。相机进行了拍摄，并上传了温湿度数据。图6.2onenet云平台界面如图6.3为在自然光下检测到红外信号时拍摄的图片。图6.3白天拍摄图像如图6.4为在夜晚通过红外补光灯拍摄的图片。图6.4夜晚拍摄图像总结与展望7.1总结本课题在分析了解红外相机的原理及监测方法之后，设计了一种基于嵌入式处理器的红外野生动物拍摄智能相机设计，结合传感器技术、4G远程通信技术、数据处理技术以及数据本地存储技术，实现了对红外野生动物拍摄智能相机拍摄的图片进行本地保存和可在远程了解拍摄时环境的温湿度情况。完成了智能相机的设计：1、在硬件设计方面主要包括元器件选型和硬件电路的设计，电路PCB的设计和绘制，制作电路板焊接器件。2、在软件设计方面主要完成了处理器与传感器的数据传输、数据的本地保存、设备和云平台之间的远程通信、LCD显示和处理器控制红外补光灯。该装置主要应用于野外等复杂环境，无论在夜晚还是白天当有动物经过，设备检测到红外信号后进行拍摄，拍摄到的图片保存在SD卡中，将温湿度数据通过4G模块上传云平台，方便远程查看野生动物的大致的生存环境情况。本次设计无论是从硬件部分还是软件部分的设计都已完成。本次课题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况以及降低功耗等问题需要在未来的研究中来进一步改进和完善。7.2展望随着对生态保护意识的提升和科技的发展，红外野生动物拍摄智能相机在科研、生态监测及自然