一种基于Eps32模块的远程监控系统的设计与应用

摘要：目前远程监控一直被人们应用于各种场景，如远程智能家居、远程监控车辆等应用场景，因此该研究针对远程智能监控系统进行深入研究，主要应用于家居的温湿度检测，同时进行了报警功能的提醒。文章采用ESP-32S Module模块组进行链接云端，云端使用base.apk文件进行链接云端，同时内置温湿度传感器以及内置气体检测传感器，进行电脑传输数据和穿透，最终发送udp数据表。另外该电路板还能够进行远程视频查看视频，能够通过p10液晶显示屏显示当前时间，经过测试系统最后成功上线。

关键词：STM32单片机;远程视频监控系统;ESP-32S Module模块

中图分类号：TP311        文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2022）26-0072-04

近几年，我国新增了上百万个监控设备，随着监控系统的不断扩展，对监控系统的要求也越来越高。在各种不同的场合，远程实时视频监控系统得到了广泛的应用。该系统能实现对交通、旅游景点、室内区域进行实时、远距离的监视，并拥有车辆跟踪、异常报警、调查取证等功能。特别是在因特网B/S体系结构中， PC和手机网络的视频监控系统的技术要求越来越高。在网络时代，面对复杂、多变的智能视频平台建设的需要，单一的嵌入式视频语义呈现方法不仅会降低实时性，而且会对原始视频造成严重损害，无法满足远程用户对视频分析结果的复杂要求，缺乏交互性。因此，有效地存储和转发远程监控视频，实现相应的功能要求，使其在Web上得到可靠的显示和实时性，对于远程实时视频监控平台的设计和实现具有很大的实际应用意义。

1 开发背景

远程视频监控是计算机视觉研究中的一个热点问题。视频监控技术是当今监控领域的发展趋势，也是当今信息技术发展的必然趋势，受到了企业界、学术界和政府的高度关注。它能够实时、形象、真实地反映被监测的目标，极大地提高了企业和有关部门的工作效率，减少了生产成本，改善了人民群众的生活质量。在发生安全事故时，能够及时发现异常，并对监测人员进行预警，对事故进行密切跟踪，采取相应的对策，可以更迅速、更精确地提前预防事故的发生。随着视频监控系统的智能化要求越来越高，远程实时视频监控系统不仅要实现实时的视频播放，还必须将监控视频存储起来，以满足各种不同的要求。在远程监控平台的设计上，传统的方法是通过本地服务器来存储和处理最后的显示，但是随着对监控的要求越来越高，单个区域的服务器需要大量的网络来进行实时的视频监控。

2 研究现状

2.1 国外现状

在国外，远程视频监控系统为各个行业提供了便利，许多科研单位和公司都在进行嵌入式系统的开发，目前的面向市场的远程监控系统主要有视频采集、压缩算法实时监控、嵌入式实时操作系统以及系统集成化监控系统等。视频监控系统的数字化主要对视频、音频、控制等进行模块化的实现。从虚拟状态向数字化转变，实现了对图像采集和压缩、图像传输以及视频监控等功能，可以与其他的信息管理系统在一个统一的操作环境下进行，实现了对系统的管理与控制和系统之间的无缝对接，并最终将监控图像进行实时传输，甚至部分远程监控系统还加入了大数据技术，形成无线追踪的功能。

2.2 国内现状

随着国内的不断发展，嵌入式网络视频监测系统采用了嵌入式系统，将采集到的视频资料进行压缩和传送，由远程监控端通过客户端或浏览器实现实时监测。嵌入式网络视频监测系统能够有效地利用网络资源，通过添加IP地址来实现系统的快速扩充;利用实时多任务操作系统对整个监控服务器进行管理，大大提高了实时性、稳定性和可靠性;同时，通过网络的双向传送，还可以利用监控客户端来控制现场的各种监控设备，对现场全面监控，从而达到更好地适应用户需要的目的。随着网络通信、计算机、多媒体、人工智能等技术的不断发展，对视频监控系统提出了更高的要求。我国的视频监控技术自问世以来，发展迅速。最初的模拟视频监视系统采用的是AV或同轴电缆将影像传送至监视器的电视墙壁，结合了视频矩阵、视频录像机等多种功能。由于采用模拟信号进行短途传送抗干扰性差，采用同轴电缆使得线路更加复杂，扩展性不强，不同厂商的产品无法相互连接，造成了系统的高成本。

3 研究意义

近年来远程视频监控一直被应用于各种场景，可以应用于企业设施和智能家居的监控中。本研究中使用该远程视频监控系统主要检测房间内的温湿度以及气体的检测，同时还可以进行摄像头的监控，能够检测到房间的基础信息，这样人们不在家中就通过电脑就能查看到家里的温湿度情况、气体情况。通过这样的设计，人们可以放心出行，尤其是出差的人群在外面通過远程监控系统就可以查看到家里情况确保安全。

4 相关技术

4.1 C语言技术

C语言完成了整个电路的编程，C语言是一种非常方便的编程技术，它的应用范围较广。最近几年，我们开始用C语言编写代码，这是一种非常方便的编程方式，C语言可以让电路板更加灵活，使用该语言能够对视频监控系统的程序进行写入，并且使用烧录器进行烧录，通过运行程序，整体视频监控系统则能够运转。本文以C语言为核心技术，利用C语言实现了良好的可移植性，具有较强的开发能力。在多次的调试和维护之后，以单片为基础的控制器已经达到了该系统的设计需求。以STM32单片机为核心，开发了一种智能化的茶叶系统。在茶叶系统的运行中，只需要通过手机上的Wi-Fi模块来设定，而且在选定好的工作方式后，不用担心会发生什么问题。

4.2 AltiumDesigner技术

这款软件是为了绘制出原理图，另外还可以让设计更加直观，运用AltiumDesigner画PCB也可以画出电路板的各个功能模块，该软件多年来一直是电路原理图的勾画的首选，但是勾勒的过程中也要跟随电路板PCB的尺寸进行调整，如果AltiumDesigner软件面对复杂功能的电路图纸，则需要通过第三方软件将PCB的边框导入。

4.3 Visual Studio2019

美国微软公司开发的一套软件包VS，是一套包含了大多数软件开发过程所需的工具，例如UML工具、代码控制工具、集成开发环境以及更多的工具。微软支持的所有平台都编写了该代码，它是当前最受欢迎的Windows平台软件的集成开发环境，最新的版本是Visual Studio 2019。

2018年6月，微软公司宣布将会开发 Visual Studio 2019，截至目前，Visual Studio 2019已经发布了四个版本，分别是2018年12月的Preview 1、2019年1月的Preview 2、2019年2月13日的Preview 4。

5 系统的硬件设计

5.1 ESP-32S Module

ESP32-S 是一款通用型Wi-Fi-BT-BLE MCU模组，功能强大，用途广泛，可以用于低功耗传感器网络和要求极高的任务，例如语音编码、音频流和MP3解码等。整体原理是：GPIO主要用来输出输入，能够输出模拟信号，GND为接地，通过CSI传输温湿度传感器信号，通过sd接口进行导入摄像头的信号。

ESP-WROOM-32集成了传统蓝牙、低功耗蓝牙和Wi-Fi，具有广泛的用途。Wi-Fi支持极大范围的通信连接，也支持通过路由器直接连接互联网;而蓝牙可以让用户连接手机或者广播BLE Beacon以便于信号检测。ESP32芯片的睡眠电流小于5uA，使其适用于电池供电的可穿戴电子设备。ESP-WROOM-32支持的数据传输速率高达150 Mbps，经过功率放大器后，输出功率可达到22 dBm，可实现最大范围的无线通信。

esp32模组是摄像头的主要控制，其外部控制器对OV2640寄存器的配置参数通过SCCB总线传输过去，而SCCB总线跟I2C十分类似，在esp32驱动中直接使用片上I2C外设与它通讯。 SCCB与标准的I2C协议的区别是它每次传输只能写入或读取一个字节的数据，而I2C协议是支持突发读写的，即在一次传输中可以写入多个字节的数据（EEPROM中的页写入时序即突发写）。摄像头占据了esp32的大部分IO，剩余的IO仅仅可以控制SD卡和补光灯，其中摄像头的视频流的维持占据了模组wii的绝大多数流量，图1为ESP32的主要原理图。

5.2 摄像头OV2640 Camera链接模块

OV2640 Camera链接模块在远程监控系统中，起到的作用是为了让监控到的镜头更为清晰，同时还可以通过帧的形式进行传输数据，将监控到的室内空气温度以及湿度情况形成数据的形式传输到电脑中，同时还可以链接手机客户端。在输出程序方面主要是使用HS2进行输出，OV2640摄像头模块，采用1/4寸的OV2640百万高清CMOS传感器制作，具有高灵敏度、高灵活性、支持JPEG输出等特点，可以支持曝光、白平衡、色度、饱和度、对比度等众多参数设置，支持JPEG/RGB565格式输出，可以满足不同场合需求。主要原理通是过VS和HS行场信号进行传输数据，RST是复位键，通过该模块链接ESP32模块组以及摄像头模块。本研究中使用的摄像头为OV2640 模块进行摄像，然后传输数据。

5.3 PSRAM模块

Psram用来缓存摄像头帧数据，摄像头模块是通过配网App进行配网连接到Wi-Fi，然后Wi-Fi的id和密码存到内部，下次自动连接，等到网络连接后自动连接NABTO平台，平台回复信息进行握手连接，同时手机也连接NABTO平台，在同一个局域网设备自动绑定到一起，下一次手机连接平台，平台进行协商，然后手机和摄像头通过udp通讯（内网穿透）。

5.4 ESP8266串口下载模块

ESP8266进行串口下载一般是通过互联网或者局域网进行通信，采用TXD发送数据和RXD和接收数据，然后RST空值高低电平，GND为接地，VCC为供电模块，其中GPIO包含Flash下载以及下载模式的选择，运用ESP8266串口模块进行下载。

6 系统软件设计

6.1 8266主函数设置

首先建立链接，然后设置波特率串口115200，然后设置mac地址，建立网络链接端口，链接mqtt参数赋值，然后设置定时器，建立网络链接SAT，通过8266模块便可以进行下载，下面为链接的流程。

6.2 云端画板创建

在建立云端画板时，首先需要通过mqtt进行数据的连接，建立连接后在画板上进行注册账号，通过注册后的账号进行登录才可以进行画板创建、设置颜色等设置，然后展示画板。

6.3 STM32单片机模块

该单片机与远程监控系统相结合，能够很好地保护电路，主要是因为该模块具有保护电路的作用。该单片机可以形成最小系统，建立复位键和“重置”键一样，当远程监控系统发生死机后，可以进行重启，也就是复位恢复到原来的状态。此外该电路能够将电容的充电达到最大，当电容短路时，RST端处于高电平并能自动设定。当电容器内的电力到达供电时，电容器的充电能力就会变成0，而电容器则与RST的断开相对应。微处理器可以在最大RST管脚维持在2以上的转速下进行重置。

7 系统的测试

7.1 登录测试

在登录的时候需要云端匹配密码，匹配ID后才能进行登陆，然后写入正确的用户名和密码后，点击登录，便可进入电脑云端界面进行检测，图3是远程视频监控系统的登录测试。

7.2 气体检测测试

气体检测测试可以显示房间的气体指数，同時在下方还会显示日期和时间。

7.3 温湿度检测测试

当链接云端成功后，能够准确地查看到房间的温湿度检测情况，通过画板可以看到当前检测的温度以及湿度，通过监控到的湿度和温度能够明确当前的温度是否处于比较温暖的状态，湿度是否良好，同时下方显示当前日期。

7.4 视频监控检测测试

下载手机base.apk文件后进行链接，然后手机会识别摄像头所监控的录像，可以通过连接手机查看当前监控情况。

7.5 报警检测测试

在报警检测时可以查看到当前的温度湿度，通过tvoc传感器进行检测温湿度后，然后tvoc会给予响应，并且形成响应值，温湿度低于最低相应值时会进行报警，此外将每次检测的温湿度形成列表的形式。

7.6 时间检测

通过液晶板能够查看当前时间，由于光纤的问题虽不是很清晰，但是却能够显示当前的时间，整体系统不仅可以监控视频还可以监测时间。

8 结论

本研究主要进行了远程监控系统的设计，采用了ESP-32S Module模块以及STM32进行设计，同时还链接了p10液晶电路板，与此同时通过连接OV2640摄像头模块进行远程监控，通过nabto穿透传输将摄像头模块检测到的温度和湿度的数据以及房间内的气体数据映射到电脑软件VS2019软件中，检测温湿度以及气体的温湿度传感器通过ESP-32S Module模块内置并且链接Wi-Fi模块中，整个系统的云端采用阿里云服务器，阿里云是通过mqtt服务进行转发的，整体远程监控系统能够检测房间的温湿度、气体以及当前时间，同时还能够形成报警响应列表以及查看视频监控画面，经过测试，本远程监控系统成功上线。

整个系统仍然存在很多不足，没有采用连接手机App端进行连接，而是采用云端设备的传输在电脑端进行检测，希望进一步升级该系统。

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【通联编辑：代影】

收稿日期：2022-06-20

作者簡介：向善德（2000—） ，男，湖北黄石人，本科，主要研究方向为计算机科学与技术。