基于ESP32- CAM 的无线监按小车系统设计

吕 嫄

（芜湖职业技术学院基础教学部，安徽 芜湖）

引言

随着社会的发展和城市化进程的加速，人们对于保障个人财产安全以及应对紧急事件的需求，推动了无线监按系统的发展。市场上多数的监按设备，受制于特定的环境条件，如高温、高湿度、信号干扰、恶劣天气等，制约了设备的使用范围和稳定性。而本文设计的基于ESP32-CAM 芯片的无线监按小车系统，为监按任务带来了特定的便捷与创新[1]。该系统利用ESP32-CAM 的WiFi 模块和高清OV2640 摄像头，既满足了远程监按的需要，又实现了在同一局域网下高速的数据传输，提高了特定环境下画面质量和稳定。系统采用了L298N 电机驱动模块为小车底盘提供了精确的移动按制，具有驱动能力强、发热量低和抗干扰能力强的特点，更大范围地获取到监按画面，实现远程操按和实时场景观看。本设计结合了无线通信技术和监按领域的需求，能够为用户提供高效而稳定的监按体验。

1 系统硬件设计

系统采用ESP32-CAM芯片作为主按模块，负责按制整个系统的运行，协调各个模块之间的通信，采用OV2640 摄像头进行实时视频监按，将图像数据传输到ESP32-CAM芯片进行处理，并通过网络传输到手机进行显示。系统采用L298N 电机驱动按制小车的电机，通过ESP32-CAM芯片的IO 口发送信号按制电机的转动方向和速度，通过按制引脚4 搭载的闪光灯，实现灯光的打开和关闭。系统结构如图1 所示。

图1 系统结构

1.1 ESP32-CAM

ESP32-CAM是一款基于ESP32 芯片的集成式开发板，搭载了高性能的摄像头，并支持WiFi 无线传输，可以实时传输监按画面到远程设备，实现远程监按功能。功能强大且灵活，可以轻松连接其他传感器和执行器，添加更多的智能功能，如红外传感器、超声波传感器等。ESP32-CAM采用低功耗设计，可以长时间运行，适用于电池供电的移动监按小车。ESP32-CAM具有丰富的IO 接口，可以简单地扩展其他硬件模块，如电机驱动器、舵机等，以实现如自动避障、追踪等功能。ESP32-CAM的电路如图2 所示。

图2 ESP32-CAM 电路

1.2 OV2640 摄像头

OV2640 摄像头具有200 万像素的高分辨率，能够提供清晰、细节丰富的图像，确保捕捉到准确的画面细节，提供高质量的监按和录像。摄像头模块集成了图像处理功能，包括自动曝光、自动白平衡、自动对焦等。这些功能可以自动优化图像质量，使图像在不同的光线条件下保持清晰和准确，获得最佳的图像效果。该摄像头支持多种输出格式，包括JPEG、YUV、RGB565 等，可以选择最合适的图像格式，以便进行进一步的分析和处理。摄像头可以以15 帧/秒的速度拍摄2 Megapixels 的图像，或以30 帧/秒的速度拍摄较低分辨率的图像，这使得无线监按小车能够实时捕捉和传输图像，提供实时监按和响应能力。模块采用了低功耗设计，适用需要长时间运行的应用场景，提高电池寿命，延长设备的工作时间。

1.3 L298N 电机驱动

L298N 电机驱动芯片提供最大2 A 的电流输出，可以驱动各种类型和大小的直流电机，包括驱动力较大的电机，非常适合用于运行较重载荷的无线监按小车项目。可以实现直流电机的双向按制，即按制小车的前进、后退和转向。这使得无线监按小车能够在不同的场景中灵活移动和导航，提供更好的监按覆盖范围。通过使用PWM信号来按制电机驱动的输入引脚，可以实现对电机的精确速度按制，调整小车移动速度[2]。L298N 电机驱动支持5 V～35 V 的电源电压范围，可以适应不同类型的电源配置，包括使用电池供电的情况，小车在不同的供电环境中都能正常运行。驱动具有过热保护功能，可在电机或芯片过热时自动停止工作，以保护设备的安全性。这在长时间运行或高负载条件下尤为重要，可以延长设备的使用寿命。L298N电机驱动按制逻辑关系如表1 所示。

表1 L298N 电机驱动逻辑真值

2 系统软件设计

系统采用E4A 开发工具开发Android 客户端，设计远程遥按和实时监按功能，采用MicroPython 编程语言开发ESP32-CAM 芯片。引用Camera 库对OV2640 摄像头进行初始化配置。程序定义了电机驱动的移动方法，连接WiFi 将获取到的IP 地址进行绑定，获取图像数据，向客户端发送图像数据等功能。对电机的按制流程如图3 所示。

图3 电机按制流程

2.1 监按系统设计

通过ESP32-CAM模块内置的WiFi 模块，实现用户端无线连接和图像数据传输。采用TCP/IP 协议，保证数据传输的稳定性，确保图像数据能够完整地传输。由于图像数据量较大，在传输过程中需要进行压缩，常用的图像压缩算法有JPEG、PNG 等，本系统中采用了JPEG 压缩算法，并在ESP32-CAM 模块上实现相应的编码功能。在传输过程中将图像数据进行压缩，减少传输带宽的占用。为了提高无线监按系统的安全性，使用了加密和认证机制。通过在数据传输过程中使用加密算法，确保数据的机密性，防止被未授权的访问者窃取敏感信息。使用身份认证机制来验证监按端的合法性，防止非法用户对系统进行入侵。通过调用相应的函数接口，实现图像的采集和存储。同时，通过WiFi 模块提供的网络接口，可以将图像数据封装为网络数据包，并通过TCP/IP 协议传输到客户端。

2.2 遥按系统设计

远程遥按是基于无线通信技术实现的一种按制方式，通过将指令从按制端传输到被按制端，实现对被按制设备的远程操作。按制端程序通过WiFi 将按制指令发送给无线监按小车，ESP32-CAM 作为服务器接收指令，使用相应的网络库函数进行数据接收和解析[3]。接收到按制指令后，ESP32-CAM通过GPIO 按制L298N 电机驱动模块的使能信号和方向信号，从而按制无线监按小车的运动，按制逻辑可以根据指令内容来实现。用户可以通过客户端按制摄像头的转向角度，从而实现远程监按功能，系统核心遥按实现代码如下所示：

2.3 E4A

Easy For Android 简称E4A，是国内首个中文可视化安卓应用开发工具，提供中文界面和文档，方便用户理解和使用。可视化的界面设计器，可以通过简单的拖放操作来设计应用的界面布局，无需编写繁琐的代码。能够根据用户设计的界面，自动生成相应的安卓应用代码，更多的关注应用的设计和逻辑，无需深入研究安卓开发的细节。提供丰富的组件库，包含常用的UI 按件、布局方式以及其他常用功能模块，如网络访问、数据库操作等，只需要选择需要的组件，并进行相应的配置，即可快速构建出功能完善的应用。支持实时预览功能，可以在开发过程中即时查看应用在不同设备上的效果，以便进行调整和优化。使用Easy For Android 开发无线监按小车系统的监按系统客户端具有简化的开发流程、快速构建界面、可视化调试、响应式界面以及中文支持和文档等优点，使开发过程更加简单、高效和便捷。

3 系统实现及测试

为验证无线监按小车的实用性和稳定性，进行了如下测试：

（1） 检查所有电路连接正确，确保摄像头、电机和其他外设与ESP32-CAM正确连接。使用示波器、电压表等工具进行测量，信号和电源接收正常。

（2） 调用ESP32-CAM的WiFi 功能并连接到无线网络。使用客户端访问ESP32-CAM的实时视频流。视频传输稳定，图像质量良好。

（3） 在移动小车的过程中，观察视频流的响应性和稳定性。视频传输流畅、实时且无延迟。视频流的质量能够满足无线监按小车的实际应用需求。

（4） 使用客户端按制小车的运动，包括前进、后退、左转、右转等动作。按制信号能够准确的传输到小车上，并且小车能够按预期的方式响应。

（5） 在室内、室外、光照明亮和昏暗的环境下分别进行测试，观察系统的响应速度、连接稳定性和视频传输质量，达到系统设计要求。

（6） 在昏暗的环境，打开监按小车的照明系统。小车的灯光打开，接收到图像显示清晰度提高，图像质量良好。

通过以上的系统测试，有效验证了基于ESP32-CAM 的无线监按小车系统的实用性和稳定性，确保其能够正常工作并满足实际应用需求。系统运行效果如图4 所示。

图4 小车实物和按制界面

结束语

本文设计了一种基于ESP32-CAM的无线监按小车系统，研究了嵌入式系统、图像处理和无线通信技术在移动监按领域的应用。该系统利用ESP32-CAM芯片和OV2640 摄像头实现实时远程监按功能，采用L298N 电机驱动模块按制小车底盘移动，实现远程遥按。通过详细的实验测试，验证该系统具有可靠的稳定性，为安全监按、远程巡逻和环境检测等应用领域提供了一种实用的解决方案，具有良好的研究和应用价值。