21.12.2020

Андрей Смирнов

Время чтения: ~17 мин.

Сверхдешёвая камера с управлением — своими руками

Данная камера ov7670 является самым доступным модулем для получения изображения совместно с Arduino. Модуль камеры имеет следующие характеристики:

различные разрешение VGA (640 х 480); — QVGA (320 х 240); — CIF (352 х 240); — QCIF (176 × 144);
скорость передачи до 30 fps,
несколько способов кодирование изображения RAW RGB, RGB 565/555, YUV/YCbCr 4:2:2

В данной статье попробуем подключить, настроить и получить тестовое изображение с помощью небольшой программки написанной в среде Arduino IDE, что станет начальной точкой для дальнейшего применения в различных проектах.

Подключение OV7670 к Arduino

Начнем с сборки схемы и написания программы управления. Итак для сборки и отладки тестового макета нам потребуется : Внешний вид макета После того как Все компоненты собраны, приступаем к сборке схемы. Чтобы не запутаться в схеме, для наглядности, распишем что и куда подключается:

OV7670 подключаем к arduino:                Дисплей подключаем к arduino   VSYNC - к выводу D2                         DC - к выводу D8   XCLCK - к выводу D3                         CS - к выводу D9   PCLCK - к выводу D12                        RESET - к выводу D10   SIOD - к выводу A4                          SPI data - к выводу D11   SIOC - к выводу A5                          SPI clock - к выводу D13   D0..D3 - к выводу A0..A3                    VCC - к выводу 3.3V   D4..D7 - к выводу D4..D7                    BL - к выводу 3.3V   3.3V - к выводу 3.3V                        GND - к выводу GND   RESET - к выводу 3.3V   GND - к выводу GND   PWDN - к выводу GND

Программа для трансляции видео с камеры на tft дисплее

Для работы с камерой и дисплеем совместно с Arduino нам понадобится, библиотеки: LiveOV7670Library и Adafruit_GFX_Library. Скачиваем их и устанавливаем в Arduino IDE. Теперь все готово для загрузки программы в Arduino. Код состоит из нескольких частей. После скачивания и распаковки, все файлы следует сохранить в одной папке. Ссылка на скачивание проекта. После загрузки кода и проверки схемы, мы сразу получаем картинку ту что видит камера, не забыв настроить фокусировку. После проверки работоспособности, можно перейти в скетче на вкладу setup.h и изменив значение EXAMPLE 1 на EXAMPLE 3, камера будет транслировать изображение напрямую на экран монитора, при условии, что arduino подключена к компьютеру и запущена программа Arduino IDE. При значение EXAMPLE 1 камера совместно с библиотекой LiveOV7670Library, передает картинку напрямую на дисплей подключенный по SPI интерфейсу. Видео работы: Данный пример работы камеры можно использовать как камеру видео наблюдения добавив к arduino LAN или же как зрение к роботу. Так же возможно использовать в виде WEB-камеры для компьютера.

Согласно документации камеры OV7670, модуль питается от 3,3 В, при подключении к Arduino 5V необходимо обеспечить преобразование уровней напряжения. (Хотя запустилась и заработала без лишних элементов)
Модуль имеет выходы SIO_C, SIO_D — шина SCCB похожа по работе с шиной I2C. Модуль отвечает на шину I2C по адресу 0x21. Входной сигнал синхронизирующего сигнала XCLK и выход PCLK для синхронного сбора данных с параллельной 8-разрядной шины D7-D0.
Выходы H1REF и VSYNC синхронизируют сбор данных с параллельной шины (соответствующая конфигурация позволяет отложить сигнал сигнальной линии H1REF, используя только синхронизацию VSYNC-кадров).
Основой для запуска модуля является соответствующая конфигурация регистров по шине SCCB. Интерфейсные линии SCCB должны быть подтянуты по питанию через резисторы 4.7-10 кОм.
Стабильность работы камеры зависит и от источника питания, необходимо, чтобы модуль имел стабильный источник питания 3,3 В.
Для того, чтобы шина данных работала, необходимо подать сигнал синхронизации на вход XCLK, согласно Datasheet: частота входного сигнала должна быть 10-48 МГц.
Ниже приведенный скетч генерирует тактовую частоту XCLK = 8 МГц. Частота сигнала PCLK, изменяет данные на линиях D7-D0 зависимые от установленных делителей и PLL. В нашем случае мы на PCLK частотой 2 МГц.
На основе полученных изображений сразу можно сделать вывод о недостатках: а. Отсутствие внутреннего буфера приводит к смазывание картинки, тк она сразу передается на компьютер, а это занимает время. б. Наблюдаются артефакты в виде горизонтальных полосок — сбой синхронизации в получении картинки. Вместо градации серого отправляется цветоразностная составляющая. в. Объект должен быть в фокусе камеры для четкого изображения

Ардуино – одна из популярнейших систем для реализации проектов различной сложности, от простейших автоматизированых ферм до умных домов и полноценных систем защиты. Всё зависит исключительно от фантазии самого инженера и его навыков программирования, а также обращения с паяльником и проектирования.

Такой обширный функционал достигается благодаря множеству модулей различного предназначения, одним из которых является Ардуино камера. Она пригодится как для написания умных нейросетей, так и для простого отслеживания того, что происходит у вас в квартире, когда вы не дома. Давайте разберёмся, какие характеристики есть у таких датчиков и как их лучше всего реализовать в жизнеспособных системах.

Основным производителем таких камер сейчас является компания — adafruit.com.

Пример модуля камеры: OV7670 300KP VGA Camera Module

Характеристики TTL камеры

Сам TTL модуль работает на стандарте NTSC протокола, который известен всему миру благодаря возможности безналичной оплаты в смартфонах. Андроид, в отличие от продукции купертиновцев, давно научился применять эту технологию для беспроводного управления любой техникой.

TTL Serial JPEG камера с NTSC видео от Adafruit

Дело в том, что такая передача данных имеет куда более защищённые протоколы, чем у блютуз или беспроводного интернета, что усложняет взлом злоумышленниками вашей охранной системы. А ведь, как известно, большую часть камер можно спокойно просмотреть, находясь на другом конце света, притом для этого не потребуется никаких навыков хакера. Достаточно скачать простое приложение и знать ресурсы, предоставляющие адреса устройств по месту их расположения.

Умный дом на базе Ардуино: пошаговая инструкция по сборке

Но не только в защитных целях годится Аrduino камера, её можно применять и для создания собственных фотоаппаратов и вебок, если вы захотите. А благодаря встроенным возможностям по настройке диафрагмы и насыщенности цветов можно получить такие кадры, которые не каждая зеркалка или мыльница с хорошим объективом способны выдать.

И, наконец, авто-контраст и авто-яркость прекрасно подходят для отслеживания движений даже в тёмных помещениях, что позволяет устанавливать их вместо соответствующих датчиков. Но, конечно, без соответствующего софта это просто груда железа. Благо, найти подходящие библиотеки, благодаря доступности Ардуино, не так и сложно, достаточно просмотреть пару тематически англоязычных форумов.

Но не заблуждайтесь, такие модули не предназначены для профессиональной фотографии, ведь их максимальное разрешение не выходит за пределы 630 на 480, предоставляемых даже самой дешёвой веб-камерой. Пример того как выглядит итоговое изображение:

При этом, у неё есть куда более значимые достоинства, перекрывающие все недостатки, например:

Камеры чувствительны к ИК излучению, что не только даёт обнаружить любые изменения в цветопередаче, но и позволяет отслеживать движения в полной темноте. Учитывайте, что каждый модуль индивидуален, и подбирать его стоит по вашим требованиям, в данном случае мы рассмотрим именно систему видеонаблюдения.
Размеры в 32 мм квадратных при фотоматрице CMOS в четверть дюйма.
Соответственно разрешению, и мегапикселей немного – всего 0.3.
А вот формат выходных данных зависит от камеры; если вам нужен простой модуль для видеонаблюдения, то подойдёт и стандарт M-JPEG, который будет выдавать не более 30 кадров в секунду.
Все параметры, будь то баланс белого или экспозиция, автоматически подстраиваются в зависимости от программы.
Максимальное усиление – 16 Дб, а вот динамический диапазон – все 60 Дб.
Угол обзора небольшой – всего 60 градусов, учитывайте это, когда будете выбирать место для установки. Но его можно значительно расширить, прикупив специальные фишай линзы.
Фокусное расстояние – от 10 до 15 метров.
Битрейт установлен изначально 38400, менять его вроде бы и можно, с помощью АТ+ команд, но на деле это не работает или же попросту бесполезно.
Потребляют такие модули в среднем 75 мА, учитывайте это, если собираетесь сделать автономную камеру видеонаблюдения.
Работает в функциональном напряжении 5В, а подключается по 3.3 В TTL через три проводника.

Теперь, когда мы изучили техническую сторону вопроса, необходимо разобраться в подключении, если с Ардуино вы столкнулись впервые.

Подключение и настройка

Зачастую камера для Ардуино приходит без коннекторов, поэтому вам необходимы специальные проводники, которые придётся подпаивать к пинам отдельно. Благо контакты расположены приблизительно в 2-х мм друг от друга, что упрощает подключение видео с Аrduino к МК.

Так что сгодятся любые толстые проводники и самые обычные жала для распайки, без ювелирной работы, которую приходится проделывать на тех же датчиках движения, что является ещё одним преимуществом, которое предоставляет Аrduino видеонаблюдение, в отличие от аналогов.

Если же вам не нужна видеосъемка, по какой-то причине, то достаточно и 4-х проводов. Естественно, лучше подобрать разные цвета, для удобного кабель-менеджмента, когда вы будете упаковывать поделку в заготовленный корпус. В нашем случае расклад таков:

Для 5В пина подключаем красный проводник.
На заземление отправляем черный.
Белый идёт на пин для получения данных.
Зеленый – на TX, предназначенный для передачи картинки.

Естественно, вы можете припаивать и другие цвета или сделать всё однотонным, это не повлияет на функционал. Такая расстановка необходима лишь для того, чтобы при подключении к МК усилителей или дополнительных модулей не возникало никаких проблем. Ведь далеко не все камеры обладают встроенным микрофоном, а звукозапись в устройствах наблюдения никому ещё не вредила.

Arduino Nano 3.0 распиновка

Соединение деталей, схема

Теперь соединим всё вместе. Эта схема предоставлена самим производителем таких камер — Adafruit:

Программирование

Так как мы говорим о простейшей реализации, то предполагаем, что у вас нет навыков работы с С++, а соответственно, сгодится любая библиотека из общественного источника.

Но если малейший опыт работы с МК имеется, то постарайтесь выбрать код, который не будет работать через раз и по необъяснимой магии. Это значительно сэкономит вам нервы, ведь в сообществе, тем более русскоязычном, есть множество «недоинженеров», пишущих функции без каких-либо знаний базовых алгоритмов и основ программирования.

Для камеры нужно использовать приложение Windows Comm Tool. Нужно использовать серийный протокол. Сами производители рекомендуют переходник для FTDI или USB/TTL конвертер. Для Arduino можно брать серийный чип (FTDI) и загрузить скетч в мк:

// empty sketch     void setup()    {  }     void loop()  {  }

Но это не подойдет для плат вроде Leonardo!

Для плат типа Leonardo нужно брать этот код:

//Leo_passthru  // Allows Leonardo to pass serial data between   // fingerprint reader and Windows.  //  // Red connects to +5V  // Black connects to Ground  // Green goes to Digital 0  // White goes to Digital 1    void setup() {    Serial1.begin(57600);    Serial.begin(57600);  }    void loop()   {      while (Serial.available())      Serial1.write(Serial.read());    while (Serial1.available())      Serial.write(Serial1.read());  }

Соединение такое:

Теперь нужно скачать и настроить библиотеку от производителя:

VC0706 Comm Tool

Плата Arduino Uno R3: схема, описание, подключение устройств

Обнаружение движения

Благодаря расширенному спектру такая камера подойдёт и в качестве датчика движения, способного реагировать ночью на любой шорох. Если подключить её к смартфону, о чём мы еще поговорим, можно настроить двойной протокол передачи данных.

Когда телефон удаляется настолько, что NTSC перестаёт работать, информация и СМС будут передаваться по беспроводному интернету и наоборот.

Связка: камера, Ардуино и Андроид

Как уже упоминалось, всю систему можно привязать к вашему смартфону, и это решение имеет множество достоинств. Сделать это удастся с помощью специального приложения, но новичкам лучше не использовать NTSC, доступный в модуле, ведь с ним будет много мороки.

Лучшим выбором, для проверки работоспособности проекта в принципе, будет блютуз модуль и соответствующее приложение на Андроид, позволяющее работать с ним. А уже затем можно начинать эксперименты с усложнением системы.

Использование видеокамеры с Arduino

Как применять подобную систему, решать исключительно вам, вот лишь несколько проектов, которые можно взять на заметку:

Видеонаблюдение за квартирой.
Автоматизированные фермы и теплицы, в которых есть микроклимат, и, дабы его не нарушать, наблюдение стоит вести удалённо.
Замена датчику движения, при соответствующем софте.

Более подробное описание модуля и настройки Comm Tool вы найдет на сайте производителя — adafruit.com.

В качестве преамбулы скажу, что поскольку, подобная статья уже была, я по-началу и не собирался писать о камере на хабр. Камера была сделана, просто ради интереса, тренировки навыков и отработки технологии удалённого управления физическими объектами. Немного позже использовал эту систему как наглядный пример, сопровождающий обзор, на другом ресурсе (а фактически, в качестве чита что-бы подтянуть голоса). Это был настоящий бета-тест, который выявил кучу недоработок. За это огромное спасибо всем неравнодушным, помогавшим кто советом, а кто и куском кода. При этом, посетители, которые игрались с камерой, помимо того, что не проходило и часу чтобы не помянули хабр, так ещё и начали активно интересоваться устройством всего этого дела, техническими деталями, программной реализацией и конечно же стоимостью. Вот это всё и сподвигло меня на статью. А чтобы не повторюшничать, я и решил заостриться на стоимости, т.к. у автора предыдущего топика на эту тему, насколько я помню, итоговая стоимость вылилась во что-то в районе 5000р. О том какова стоимость моей поделки: читаем ниже. Итак, «как корабль назовешь, так он и поплывет», раз написал заголовок про дешевизну — буду соответствовать прозой, так что, детали — потом, а сперва о стоимости.

Пройдём по ценам*

* все цены даны со скидками. О скидках — отдельно, пожже.Необходимый набор:

Arduino Uno (или nano) — 15.29$
Сервопривод (рулевая машинка) SG90 2х2.37$ = 4.74$
Вебкамера 3.01$

Итого: 23.04$ (примерно 750р, на данный момент)Дополнительный набор (ленивости + плюшки):

Экран от Nokia 5110 — 250р (в комплекте с самой Нокией и блоком питания, куплено пару лет назад, будем считать, что именно для этой цели, реально можно найти уже вдвое дешевле, или вообще на халяву)
MegaShield v4 к Arduino — 5.86$
Проводки-коннекторы — 2.86$ (40 штук за эту цену, реально использовано 7)
Сверхяркий сверхсиний сверхтодиод для подсветки экрана — 5р/шт (лучше 4шт., у меня сделано неправильно)

Итого: примерно 550рВсего: 1300р

О реализации

Всё делалось с нуля. Повторять то, что уже было — я не стал, во-первых из соображений тренировки, а во-вторых Ethernet-модуля у меня на тот момент не было, я решил что это всё слишком сложно (там был завязан MySQL) и это решение мне однозначно не подойдёт.О задачах Задачи я себе обозначил следующие:

Видеть картинку/видео
Иметь возможность управлять камерой
Иметь возможность управлять размером и качеством видео или картинки, причём не «уже на стороне клиента», а «ещё на стороне сервера, по команде клиента». Такая необходимость возникла из-за того что мне не везде доступен «большой и широкий интырнет»
Обеспечивать приемлемую «реалтаймовость»
Иметь задел на будущее — управление нагрузкой 220В и т.д. Собственно ради этого всё и затевалось, т.к. готовые решения либо жутко дороги, либо такой возможности не предоставляют.

О проблемах В ходе реализации возникли вопросы вот такого плана:

Видео либо грузит процессор в случает показа на несколько пользователей, либо даёт задержку 5-10, т.е. не обеспечивает «реалтаймовость», из-за чего нельзя сразу определить адекватность и вообще работоспособность управления
Использование сервиса трансляций, хотя и сильно разгружает сервер в случае большого онлайна, не обеспечивает необходимую надёжность, и, опять же, даёт задержку
Специальный сервер для трансляции видеопотока требует определённых навыков, которых у меня пока что нет
Использование отображения путём смены картинок не обеспечивает высокий fps, а также постоянно обращается к жёсткому диску, что, при большом количестве пользователей, может вызывать лаги картинки не из-за загрузки процессора, а именно из-за обращения к диску

О решениях

Решено использовать в качестве отображения — картинки
Для исключения жёсткого диска из процесса выдачи картинок установлен RamDisk, на который дважды в секунду «ложится» изображение с вебкамеры
Для выдачи картинки решено использовать php и gdlib
Обновление картинки инициируется клиентом посредством javascript и ajax, и происходит без обновления самой странички

Довольно лирики!

Как выглядит

Выглядит всё более чем скромно Работает примерно так: Ардуина, если кто не видел Мегашилд с проводками «Сэндвич» в профиль «Сэндвич» анфас LCDшка Она же вид сзади (пины и кондёр) В сборе В сборе 2 Колхоз — система проводков и верёвочек (крепление камеры)

Куда же без него

Как устроено аппаратно

Вебкамера подлючена по USB к компьютеру. Arduino тоже подключена к компьютеру по USB. Все внешние устройства, ввиду исключительно малого потребления тока, подключены напрямую к Arduino, работает круглосуточно уже полтора месяца, с онлайном 10 пользователей в момент наименьшей нагрузки.

Как работает программно

На стороне клиента чистый веб-интерфейс, без всяких плагинов и примочек. Только html, css, и javascript (+ajax).На стороне сервера

Сам сервер — Apache
Обработчик скриптов — php
Приём картинок с камеры — любая самая простая доступная, бесплатная или самопальная программа для сохранения картинок с вебкамеры
Хранение картинки — RamDisk, утилита для создания дискового раздела в оперативной памяти (русскоязычная версия RAMDisk «Enterprise» бесплатна для локализованных систем)
Чтобы не прописывать в php прямых локальных путей, папка с картинкой смонтирована в www папку с помощью juction (бесплатная утилита Марка Руссиновича)
Передача управления из интернета к Arduino реализована с помощью программы-прокси, следующим образом: php скрипт создаёт UDP сокет и отправляет датаграмму на определённый порт, далее программа-прокси слушает этот этот порт и принимает приходящие на него сообщения и отправляет их на COM-порт Arduino (можно даже без обработки). Выбор UDP вызван исключительно для упрощения системы, UDP не требует никаких подтверждений и проверок о доставке-отправке ни со стороны клиента, ни со стороны сервера.

На стороне Arduino

Сама (почему «сама»? потому что «плата») Arduino
Скетч внутри неё — стандартные примеры из штатного набора arduino-0022 servo и serial + найденная на просторах интернета библиотека для дисплея, доработанная до приемлемого вида (в плане кириллицы и латиницы одновременно)
На данный момент плюсом стоит мегашилд, чисто из-за удобства и культурного вида — в этом варианте я не спаял ни одного проводка (за исключением платы к дисплею)

Система выдержала все нашествия и рейды, а так же онлайн более 120 пользователей. Были случаи отказа управления, которые случались из-за моих недоработок в программе-прокси, в частности из-за недостаточной обработки ошибок, в то время как програмная часть со стороны Апача и Ардуино держалась достойно.

Будьте внимательны к мелочам

Хочу отметить проблемы с программной частью которые случались из-за собственной невнимательности/неосведомлённости/ненаблюдательности:

Первое с чем я серьёзно мучался: Arduino принимает из отправленной на её виртуальный COM-порт строки отдельно первый байт и отдельно всё остальное. Какие изощрения я только не пробовал — и с массивами и с кучей проверок… Хоть ты убейся. Решение проблемы? Пришло неожиданно и внезапно, в моментк огда я об этом и не думал: Sleep 2 после чтения каждого байта. ВСЁ!
Вторая проблема — серьёзная нагрузка на сервер, казалось бы, из ничего, возникла потому, что обновление картинки было сделано по таймеру, не дожидаясь собственно факта загрузки картинки (или ошибки загрузки). Таком образом отсылалась куча «лишних» запросов.
Третье: FireFox оказался самым правильным и капризным браузером, и заставил меня учиться писать валидный код. Так например, событие OnClick по элементу Option работать не должно. А оно работет, везде кроме огнелиса.
Четвёртая, совершенно не явная и редко всплывающая: периодически картинка «ломалась». Как выяснилось, это происходило в момент когда файл был занят при записи. Т.е. проверка file_exists() проходила, а файл оставался залоченным. Не помогла и проверка is_writable(). Пришлось организовывать цикл по наличию ошибки и внутри него отрабатывать чтение файла «до победного конца».

Оставшиеся недоработки

Есть и такие.

Во-первых, это описанные в каментах «левые» символы иногда появляющиеся в конце сообщения на экране. На самом деле это команды управления. Уши этого бага растут из того что если активно спамить или жать кнопки, буфер ком-порта не успевает полностью прочитаться Ардуиной и последующие сообщения валятся в конец буфера. Решение есть, но пока не сделано.
Во-вторых, это периодическое падение UDP-сокета в программе прокси при большом онлайне. В чём причина — не знаю. Проявляется не сразу. Умирает и не «откисает». Помогает закрытие сокета и бинд по-новой. Возможно, виноват кривой видовский winsock.ocx. Переписывать это дело на API в бейсике, как-то лень. Пока одним из «топорных» решений вижу сброс и ребинд сокета по таймеру, каждые, скажем, полчаса.

О скидках

Общеизвестно, что в Китае — дешевле. Главное знать места, где именно дешевле, и как добыть дополнительную скидку. Тут смысла писать нет — слишком большой объём текста с картинками, к тому же известный большинству. Поэтому дабы не провоцировать ярых противников борьбы со спамом и прочим «реферальством», отмечу необходимый минимум — это скидка 15% на BiC, складывающаяся из одноразового купона на 10% и скидки за первую покупку 5% при вводе рекомендателя + хинт, как использовать эту систему неоднократно. Все заинтересовавшиеся, могут ознакомиться с полной информацией по ссылке на страничке с, собственно, самой камерой.

Ссылки

Камера, работающий экземпляр, для тех кто ещё не видел и не наигралсяТопик, в котором ссылку на камеру слили на хабр раньше времениRAMDiskjuctionИсходники (упрощённые, во избежание) клиентской части, серверной (php) и программы web-arduino-прокси (VB 6.0) Apache, php, либо какие-то комбинированые сборки и т.д. — на свой вкус.Используемые источники: