于STM32的智能监控与巡检系统设计思路：集成OpenCV、HTTP、TCP/IP与Flask

🕗 发布于 2024-11-06 14:11 stm32 opencv http 单片机 智能家居

一、项目概述

项目目标

随着工业自动化和智能化的不断发展，远程监控与巡检系统在工厂、建筑工地和灾后现场等多种场景中得到了广泛应用。本项目旨在设计一种基于智能小车的远程监控与巡检系统。该系统能够通过WiFi传输视频流，允许监控人员实时查看现场情况，同时通过手势控制小车的移动和拍摄角度，提升监测效率和安全性。

主要用途

在工业环境中进行设备巡检与故障排查。
在建筑工地上进行安全监测与进度管理。
在灾后现场评估及救援任务中提供实时视频支持。

技术栈关键词

硬件：STM32微控制器、ESP8266 WiFi模块、USB摄像头、电机驱动模块
软件：Python、OpenCV、Flask、C语言
通信协议：HTTP、TCP/IP

二、系统架构

系统架构概述如下：

硬件设计

控制核心：选择STM32F4系列微控制器，具有强大的处理能力和丰富的外设接口，适合实时控制任务。
摄像头：使用USB摄像头进行实时视频采集，支持720p或1080p高清画质。
无线通信模块：采用ESP8266模块，支持802.11b/g/n WiFi协议，负责与PC端进行数据通信。
电机控制模块：使用L298N电机驱动模块，能够控制小车的前进、后退、转向等动作。

软件设计

PC端监控软件：基于Python开发，使用OpenCV进行图像处理和手势识别，Flask框架实现Web服务。
控制逻辑：在STM32上实现接收控制命令并驱动电机的逻辑，确保响应及时。

系统架构图

三、环境搭建和注意事项

硬件环境搭建

单片机：准备STM32F4开发板，确保板载的GPIO、UART等接口可用。
摄像头：确保USB摄像头能够与PC端兼容，测试在不同光照条件下的表现。
电机驱动：连接L298N与电机，确保电源适配，避免电流过大导致模块损坏。

软件环境搭建

PC端环境：
Python 3.x
安装OpenCV库：pip install opencv-python
安装Flask库：pip install Flask
STM32环境：
安装STM32CubeIDE或Keil进行开发和调试。

注意事项

电源管理：确保电源模块能够为所有组件提供稳定的电压和电流。
通信测试：在开发过程中，定期进行WiFi通信测试，检查信号强度和延迟问题。
光照条件：在进行手势识别和视频监控时，尽量在光照充足的环境下工作，以提高识别准确性。

四、代码实现过程

代码实现过程分为两个主要部分：PC端监控软件和STM32控制程序。我们将详细介绍每个模块的实现步骤、代码逻辑和时序图。

1. PC端监控软件

PC端监控软件的主要职责是视频流捕获、手势识别和控制指令的发送。我们将使用Python和OpenCV来实现这些功能。

1.1 视频流捕获与显示模块

该模块负责从USB摄像头获取实时视频流，并在窗口中显示。

代码实现：

import cv2

def start_video_stream():
    cap = cv2.VideoCapture(0)  # 0表示默认摄像头
    if not cap.isOpened():
        print("Error: Could not open video stream.")
        return
        
    while True:
        ret, frame = cap.read()
        if not ret:
            print("Error: Could not read frame.")
            break
        
        # 显示视频流
        cv2.imshow('Video Stream', frame)
        
        # 按 'q' 键退出
        if cv2.waitKey(1) & 0xFF == ord('q'):
            break
            
    cap.release()
    cv2.destroyAllWindows()

if __name__ == "__main__":
    start_video_stream()

流程介绍：

打开摄像头：使用cv2.VideoCapture(0)打开默认摄像头。
循环读取帧：在while循环中使用cap.read()读取每一帧。
显示帧：使用cv2.imshow()显示当前帧。
退出条件：按下q键退出视频流。

1.2 手势识别模块

该模块通过图像处理识别特定的手势，并返回相应的控制命令。我们将使用OpenCV的图像处理功能进行手势识别。

代码实现：

import cv2
import numpy as np

def detect_gesture(frame):
    # 转换为灰度图
    gray = cv2.cvtColor(frame, cv2.COLOR_BGR2GRAY)
    
    # 高斯模糊去噪
    blur = cv2.GaussianBlur(gray, (15, 15), 0)
    
    # 阈值化处理
    _, thresh = cv2.threshold(blur, 100, 255, cv2.THRESH_BINARY_INV)
    
    # 轮廓检测
    contours, _ = cv2.findContours(thresh, cv2.RETR_TREE, cv2.CHAIN_APPROX_SIMPLE)
    
    if contours:
        # 找到最大轮廓
        max_contour = max(contours, key=cv2.contourArea)
        if cv2.contourArea(max_contour) > 500:  # 设定最小面积阈值
            # 识别手势逻辑
            # TODO: 根据轮廓的形状或面积判断手势
            return "FORWARD"  # 示例：返回前进命令
        
    return "STOP"

流程介绍：

图像预处理：
将输入帧转换为灰度图像，减少计算复杂度。
使用高斯模糊去噪，减少噪声对轮廓检测的影响。
阈值化：对模糊图像进行阈值化处理，将手势与背景分离。
轮廓检测：使用cv2.findContours方法查找图像中的轮廓。
手势判断：根据最大轮廓面积判断是否为有效手势，并返回相应的控制命令。

1.3 控制命令发送模块

该模块将识别到的手势转换为控制指令，并通过HTTP POST请求发送给STM32控制模块。

代码实现：

import requests

def send_command_to_car(command):
    url = "http://<STM32_IP_ADDRESS>/control"  # 替换为STM32的实际IP地址
    try:
        response = requests.post(url, json={'command': command})
        if response.status_code == 200:
            print(f"Command '{command}' sent successfully!")
        else:
            print("Error sending command:", response.status_code)
    except Exception as e:
        print("Exception occurred:", e)

if __name__ == "__main__":
    cap = cv2.VideoCapture(0)
    if not cap.isOpened():
        print("Error: Could not open video stream.")
        exit()

    while True:
        ret, frame = cap.read()
        if not ret:
            print("Error: Could not read frame.")
            break
        
        gesture = detect_gesture(frame)  # 检测手势
        send_command_to_car(gesture)      # 发送控制命令

        cv2.imshow('Video Stream', frame)
        if cv2.waitKey(1) & 0xFF == ord('q'):
            break

    cap.release()
    cv2.destroyAllWindows()

流程介绍：

在主程序中，启动摄像头并进入主循环。
每次读取一帧视频流后，调用detect_gesture(frame)函数识别手势。
根据识别结果调用send_command_to_car(gesture)函数将命令发送给STM32。
如果按下q键，则退出循环和释放资源。

2. STM32控制程序

STM32控制程序的职责是接收来自PC端的控制命令，解析命令并驱动电机控制小车的运动。

2.1 初始化设置

在STM32中，我们需要初始化GPIO、WiFi模块以及串口通信。

代码实现：

#include "stm32f4xx_hal.h"
#include "string.h"

UART_HandleTypeDef huart2; // 通过USART2进行WiFi通信

void SystemClock_Config(void);
static void MX_GPIO_Init(void);
static void MX_USART2_UART_Init(void);

// 电机控制函数
void move_forward() {
    // 控制电机前进的逻辑
    HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_1, GPIO_PIN_SET); // 假设PA1控制电机前进
    HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_2, GPIO_PIN_RESET); // 假设PA2控制电机反向
}

void move_backward() {
    // 控制电机后退的逻辑
    HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_1, GPIO_PIN_RESET);
    HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_2, GPIO_PIN_SET);
}

void stop_movement() {
    // 停止电机
    HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_1, GPIO_PIN_RESET);
    HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_2, GPIO_PIN_RESET);
}

// 控制命令解析函数
void parse_command(char* command) {
    if (strcmp(command, "FORWARD") == 0) {
        move_forward();
    } else if (strcmp(command, "BACKWARD") == 0) {
        move_backward();
    } else {
        stop_movement();
    }
}

int main(void) {
    HAL_Init();
    SystemClock_Config();
    MX_GPIO_Init();
    MX_USART2_UART_Init();

    char command[20];

    // 主循环
    while (1) {
        // 读取命令
        if (HAL_UART_Receive(&huart2, (uint8_t*)command, sizeof(command), HAL_MAX_DELAY) == HAL_OK) {
            command[strcspn(command, "\r\n")] = 0; // 去除换行符
            parse_command(command); // 解析并执行命令
        }
    }
}

// USART2初始化
static void MX_USART2_UART_Init(void) {
    huart2.Instance = USART2;
    huart2.Init.BaudRate = 115200;  // 设置波特率
    huart2.Init.WordLength = UART_WORDLENGTH_8B;  // 数据位长度
    huart2.Init.StopBits = UART_STOPBITS_1;  // 停止位
    huart2.Init.Parity = UART_PARITY_NONE;  // 无奇偶校验
    huart2.Init.Mode = UART_MODE_TX_RX;  // 收发模式
    huart2.Init.HwFlowCtl = UART_HWCONTROL_NONE;  // 无硬件流控
    huart2.Init.OverSampling = UART_OVERSAMPLING_16;  // 过采样设置

    if (HAL_UART_Init(&huart2) != HAL_OK) {
        Error_Handler();  // 初始化失败时的处理
    }
}

// GPIO初始化
static void MX_GPIO_Init(void) {
    __HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();  // 使能GPIOA时钟
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};

    // 配置电机控制引脚
    GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_1 | GPIO_PIN_2;  // 假设PA1和PA2用于电机控制
    GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;  // 推挽输出
    GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;  // 不使用上拉或下拉
    GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_LOW;  // 低速
    HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);  // 初始化GPIO
}

流程介绍：

USART初始化：配置USART的波特率、数据位、停止位和工作模式，以确保能够接收和发送数据。
GPIO初始化：配置用于电机控制的GPIO引脚为推挽输出模式。

2.2 主循环与命令处理

在主循环中，STM32将持续监测是否有新的命令到来，并根据收到的命令执行相应的动作。

完整代码实现：

int main(void) {
    HAL_Init();
    SystemClock_Config();
    MX_GPIO_Init();
    MX_USART2_UART_Init();

    char command[20];  // 用于存储接收到的命令

    // 主循环
    while (1) {
        // 读取命令
        if (HAL_UART_Receive(&huart2, (uint8_t*)command, sizeof(command), HAL_MAX_DELAY) == HAL_OK) {
            command[strcspn(command, "\r\n")] = 0; // 去除换行符
            parse_command(command); // 解析并执行命令
        }
    }
}

// 错误处理函数
void Error_Handler(void) {
    // 用户可以添加自己的错误处理代码
    while (1) {
        // 在此处可以添加LED闪烁或其他错误指示
    }
}

流程介绍：

主循环：在while (1)循环中，STM32使用HAL_UART_Receive函数接收命令。
命令解析：接收到命令后，去除换行符并调用parse_command函数解析命令，执行相应的电机控制函数。
错误处理：如果USART初始化失败，则调用Error_Handler()进行错误处理。

3. 系统运行流程

系统的整体运行流程如下：

PC端监控软件启动：用户启动PC端监控软件，打开摄像头并开始捕获视频流。
实时手势识别：通过detect_gesture函数识别用户的手势，并根据手势类型生成对应的控制命令（例如：“FORWARD”、“BACKWARD”、“STOP”）。
发送控制命令：将识别到的命令通过HTTP POST请求发送至STM32控制模块。
STM32接收命令：STM32在主循环中持续监听USART，接收到控制命令后解析并执行相应的电机控制操作。
小车运动控制：根据接收到的命令，小车执行前进、后退或停止的操作。STM32控制模块通过GPIO信号控制电机驱动模块，从而实现小车的移动。
实时视频监控：PC端监控软件持续接收视频流，监控人员可以在PC屏幕上实时查看小车所在环境的状态，确保监控效果。
反馈与调整：监控人员可以根据实时视频流调整手势或直接发送新的控制命令，以优化小车的移动路径或重新进行巡检。

4. 时序图

以下是系统交互的时序图，展示了PC端监控软件与STM32控制模块之间的交互流程。

5. 项目总结

在本项目中，我们成功设计并实现了一个基于智能小车的远程监控与巡检系统。该系统利用WiFi技术实现了视频流的传输和手势控制，具有以下几个主要功能：

实时视频监控：通过USB摄像头采集的视频流，监控人员可以实时查看现场情况。
手势控制：使用OpenCV进行手势识别，监控人员通过简单的手势即可控制小车的移动和方向。
数据传输：通过WiFi模块，实现了PC与STM32之间的高效数据传输。

原文地址：https://blog.csdn.net/qq_40431685/article/details/143451916

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一、项目概述

项目目标

主要用途

技术栈关键词

二、系统架构

硬件设计

软件设计

系统架构图

三、环境搭建和注意事项

硬件环境搭建

软件环境搭建

注意事项

四、代码实现过程

1. PC端监控软件

1.1 视频流捕获与显示模块

1.2 手势识别模块

1.3 控制命令发送模块

2. STM32控制程序

2.1 初始化设置

2.2 主循环与命令处理

3. 系统运行流程

4. 时序图

5. 项目总结

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