【RT-Thread 作品秀】基于RT-Thread的網(wǎng)絡(luò)照相機

作者：吳頂頂

概述

隨著科技的進步和互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，基于物聯(lián)網(wǎng)的可拍照設(shè)備也越來越多的融入到人們的生活中來，例如在超市中，管理者利用拍照設(shè)備定時抓取貨架照片，分析貨物狀態(tài)，并補充、優(yōu)化貨物擺放；在酒吧里，管理者會利用拍照設(shè)備定時抓拍酒架照片，傳送到網(wǎng)絡(luò)平臺供大眾瀏覽，以招攬更多顧客。本網(wǎng)絡(luò)照相機基于STM32H7+RTThread平臺，采集攝像頭數(shù)據(jù)，并通過無線網(wǎng)絡(luò)傳送到服務(wù)器，提供SD卡配網(wǎng)、手動拍攝、定時拍攝、照片推送等功能，并提供windows上位機提供控制和照片顯示功能。

主要功能有：

格式化sd卡：格式化sd卡，但是會保留網(wǎng)絡(luò)配置文件，其他文件全部刪除
設(shè)備重啟：重啟設(shè)備
實時拍照：發(fā)送指令給照相機，照相機拍照，并把照片回傳
定時拍照：照相機依據(jù)下發(fā)的拍照時間，在時間到達時拍攝一張照片，并傳給服務(wù)器
按鍵拍照：點擊板上用戶按鈕，拍攝一張照片，并傳給服務(wù)器
定時任務(wù)：可以新建/刪除/查詢定時拍照任務(wù)，任務(wù)存儲在sd卡中，重啟有效

開發(fā)環(huán)境

硬件：ART-PI（STM32H750主控）+ OV2640模組
RT-Thread版本：4.0.3
SDK 版本：1.0.1
開發(fā)工具及版本：RT-Thread Studio 1.1.5， Qt5.14.0

RT-Thread使用情況概述

內(nèi)核部分：調(diào)度器，信號量，互斥鎖，內(nèi)存管理

調(diào)度器：多任務(wù)調(diào)度
信號量：用于喚醒對應(yīng)任務(wù)
互斥鎖：用于互斥資源獨占訪問
內(nèi)存管理：動態(tài)內(nèi)存申請與釋放

組件部分：虛擬文件系統(tǒng)，IPC，I2C，RTC，NTP

虛擬文件系統(tǒng)：文件操作，sd卡、照片文件
IPC：mqtt發(fā)送數(shù)據(jù)需要
I2C：配置攝像頭模塊需要
RTC和NTP：同步時間

軟件包部分：paho mqtt，cJSON，netutils

pahomqtt：用于和服務(wù)器通信
cJSON：解析、封裝mqtt消息
netutils：NTP網(wǎng)絡(luò)對時

其他：base64

用于將圖片文件轉(zhuǎn)換成字符串，便于mqtt傳輸

硬件框架

總體的硬件框架如下圖所示：

本網(wǎng)絡(luò)攝像機硬件結(jié)果較為簡單，即art-pi連接一個攝像頭模組，art-pi板上用到了AP6212無線模塊，外部內(nèi)存，led指示燈，和sd卡。其中，攝像頭模塊用于采集圖像信號；AP6212用于和服務(wù)器進行通信；因一張圖像數(shù)據(jù)量較大，片內(nèi)內(nèi)存不夠，故而使用外部內(nèi)存；led燈用于指示設(shè)備工作狀態(tài)；sd卡用于保存網(wǎng)絡(luò)、服務(wù)器、和定時任務(wù)配置。

軟件框架說明

整體的軟件框架如下圖所示，網(wǎng)絡(luò)照相機內(nèi)部有一個proxy線程，負(fù)責(zé)和云端進行通信，在接收到云端消息后會解析，并分發(fā)到其他的線程執(zhí)行，然后將執(zhí)行結(jié)果返回到云端；照相機發(fā)生了其他的事件，例如用戶按鍵拍照，也會將數(shù)據(jù)傳給proxy線程，proxy線程再將數(shù)據(jù)發(fā)送到云端。用戶通過上位機終端軟件連接上云服務(wù)器，實現(xiàn)與照相機的通信及控制。

整個系統(tǒng)支持接入多個照相機，如下圖所示，不同的照相機通過sd卡配置文件中sn進行區(qū)分，上位機軟件可以顯示所有在線的照相機，但同一時間只支持操作一個。

軟件模塊說明

1. 用戶線程創(chuàng)建流程

如下圖所示為用戶線程創(chuàng)建流程

用戶線程作用描述如下：
main：用于創(chuàng)建sd_card 線程，檢測按鍵事件，閃燈；
sd_card：用于管理與sd卡相關(guān)的工作，包括拍照，網(wǎng)絡(luò)配置，定時任務(wù)；
network：負(fù)責(zé)聯(lián)網(wǎng)，根據(jù)sd卡的配置文件連接到指定的wifi網(wǎng)絡(luò)；
proxy：負(fù)責(zé)啟動mqtt，并管理與云端的通信，其他線程都需要通過proxy線程與云端交互數(shù)據(jù)；
event：定時任務(wù)和按鍵任務(wù)，在定時時間到達時，或者用戶按鍵時拍攝照片并通過proxy上傳云端。

2. 通信接口及流程

2.1 MQTT訂閱主題

• 設(shè)備向服務(wù)器訂閱主題：
  /ter/query/discovery，用于接收設(shè)備發(fā)現(xiàn)消息
  /ter/sn/request，用于接收針對該設(shè)備的指令，其中sn為設(shè)備的SN號，下同

• 客戶端向服務(wù)器訂閱主題：
  /dev/response/discovery，用于接收設(shè)備發(fā)現(xiàn)回復(fù)
  /dev/response/will，用于接收設(shè)備遺囑消息
  /dev/sn/response，用于接收設(shè)備操作指令回復(fù)
  /dev/sn/event，用于接收設(shè)備的通知

2.2 設(shè)備發(fā)現(xiàn)

所有的設(shè)備均訂閱/ter/query/discovery主題，客戶端向該主題發(fā)布發(fā)現(xiàn)消息，所有收到消息的設(shè)備向/dev/response/discovery回復(fù)一條消息，而客戶端又訂閱了/dev/response/discovery主題，故而便可以知道哪些設(shè)備在線了。
設(shè)備連上服務(wù)器的時候，會定義一個遺囑消息，主題為/dev/sn/will，客戶端訂閱了該主題，當(dāng)設(shè)備因為某些原因掉線，則超過一定時間之后，客戶端便可收到該消息，進而知道該設(shè)備掉線。

• 客戶端發(fā)起設(shè)備發(fā)現(xiàn)流程，topic: /ter/query/discovery

{
    "params": {
        "code": "0x01",
        "param": {}
    },
    "ecode": 0
}

• 設(shè)備端回復(fù)發(fā)現(xiàn)命令，topic: /dev/response/discovery

{
    "params": {
        "code": "0x01",
        "sn":"SN-1234",
        "param": {
            "ip":"192.168.1.100",
            "mac":"01:0F:0A:0B"
        }
    },
    "ecode":0
}

• 設(shè)備端掉線通知，topic: /dev/response/will

{
    "params": {
        "code": "0x11",
        "sn": "SN-1234",
        "param": {}
    },
    "ecode":0
}

2.3 攝像機操作

客戶端訂閱/dev/sn/response，并通過 /ter/sn/request發(fā)送請求指令，設(shè)備端訂閱 /ter/sn/request，并通過/dev/sn/response返回操作結(jié)果，進而實現(xiàn)客戶端對設(shè)備端的操作。
客戶端和設(shè)備端通過消息中的code字段區(qū)分不同的操作。

• 設(shè)備重啟指令，topic: /ter/sn/request

{
    "params": {
        "code": "0x21",
        "param": {}
    },
    "ecode":0
}

• 設(shè)備重啟指令回復(fù)，topic: /dev/sn/response

{
    "params": {
        "code": "0x21",
        "sn": "SN-1234",
        "param": {
            "action":1    //1,重啟；0,不重啟
        }
    },
    "ecode":0
}

• 格式化sd卡指令，topic: /ter/sn/request

{
    "params": {
        "code": "0x22",
        "param": {}
    },
    "ecode":0
}

• 格式化sd卡指令回復(fù)，topic: /dev/sn/response

{
    "params": {
        "code": "0x22",
        "sn": "SN-1234",
        "param": {
            "result":1    //1,成功；0,失敗
        }
    },
    "ecode":0
}

• 實時截圖指令，topic: /ter/sn/request

{
    "params": {
        "code": "0x23",
        "param": {}
    },
    "ecode":0
}

• 實時截圖回復(fù)，topic: /dev/sn/response

{
    "params":{
        "code": "0x23",
        "sn": "SN-1234",
        "param": {
            "result":1,      //截圖結(jié)果，1-成功，0-失敗
            "time":1235,
            "pic":"xxxx"    //base64編碼后的圖片字符串，成功時才有
        }
    },
    "ecode":0
}

• 下發(fā)截圖定時任務(wù)，topic: /ter/sn/request

{
    "params":{
        "code": "0x24",
        "param": {
            "total": 3,
            "time_list":[
                1234,
                1244,
                1254
            ]
        }
    },
    "ecode":0
}

• 下發(fā)截圖定時任務(wù)回復(fù)，topic: /dev/sn/response

{
    "params": {
        "code":"0x24",
        "sn": "SN-1234",
        "param":{
            "result":0
        }
    }
    "ecode":0
}

• 查詢截圖定時任務(wù)，topic: /ter/sn/request，sn為設(shè)備的SN號

{
    "params": {
        "code": "0x25",
        "param":{}
    }
    "ecode":0
}

• 返回查詢定時任務(wù)結(jié)果，topic: /dev/sn/response

{
    "params": {
        "code":"0x25",
        "sn":"SN-1234",
        "param": {
            "result":1, 1--查詢正常，0--查詢出錯
            "total":3,
            "time_list":[
                1234,
                1244,
                1254
            ]
        }
    },
    "ecode":0
}

• 刪除截圖定時任務(wù)，topic: /ter/sn/request

{
    "params": {
        "code": "0x26"
        "param":{
            "total":3,
            "time_list":[
                1234,
                1244,
                1254
            ]
        }
    }
    "ecode":0
}

• 返回刪除定時任務(wù)結(jié)果，topic: /dev/sn/response

{
    "params": {
        "code":"0x26",
        "sn":"SN-1234",
        "param": {
            "result":0
        }
    },
    "ecode":0
}

2.4 攝像機通知

客戶端訂閱/dev/sn/event主題，當(dāng)設(shè)備端發(fā)生某些事件（目前只有定時拍照事件和按鍵拍照事件）的時候，向該主題發(fā)布一條消息，客戶端進而刷新顯示。

• 定時/按鍵照相通知，topic: /dev/sn/event，sn為設(shè)備的SN號

{
    "params": {
        "code":"0xF0",
        "sn":"SN-1234",
        "param": {
            "type":0,    //1,定時截圖； 2,按鍵截圖
            "pic":"xxx"
        }
    }
    "ecode":0
}

演示效果

演示視頻：

拍照功能

定時拍照任務(wù)

實物圖

比賽感悟

本次比賽主要學(xué)習(xí)了RT-Thread嵌入式操作系統(tǒng)的使用方法，學(xué)習(xí)了RT-Thread線程創(chuàng)建以及線程通信方法，學(xué)習(xí)了stm32 dcmi接口獲取攝像頭圖像的方法。
在項目的過程中遇到了很多困，有些解決了，典型的有一下兩個：

1. ov2640驅(qū)動，sdk代碼上沒有開啟dma中斷，導(dǎo)致使用sdk源碼始終無法獲取到圖片，困擾了好久，最后不得不去讀stm32芯片手冊，ov2640模塊手冊，并參考開源代碼，最后找到了問題根源，解決了該問題；
2. mqtt不能發(fā)送超過512字節(jié)的數(shù)據(jù)，原因在于默認(rèn)IPC pipo最大只能傳512字節(jié)，而且ringbuf采用了一個16位的變量作為長度，并且最高位作為一個鏡像的標(biāo)記，進而理論上一次性最大只能傳輸32768字節(jié)數(shù)據(jù)，仍不足以傳輸一張照片，最后通過講ringbuf改為32字節(jié)作為長度，講IPC pipo最大長度設(shè)置位65535，成功解決了該問題。

也有一些問題沒能解決，最后通過其他手段繞過去了，典型有：

1. sqlite數(shù)據(jù)有問題，不能用，sqlite數(shù)據(jù)庫可以成功的創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫和數(shù)據(jù)表，但是線程一旦進入循環(huán)，便不能操作了，包括數(shù)據(jù)插入和數(shù)據(jù)表創(chuàng)建，該問題原因未知，最后也沒能解決，便沒有存儲照片索引到本地sd卡；
2. sd卡驅(qū)動有些問題，在線程中存儲的照片過多，便會出現(xiàn)錯誤的文件，并且后續(xù)的照片基本都保存不成功，該問題也未能找到原因，沒能解決，便沒有存儲照片到本地，二是作為照片緩存，只保存一張，傳到服務(wù)器。

本次比賽讓我認(rèn)識到學(xué)無止盡，開源世界需要我們每個人都添磚加瓦，才能變得更好。