如何用 ESP32-CAM 做一个实时视频流服务器
文章目录
- ESP32-CAM 概述
- ESP32-S 处理器
- 内存
- Camera 模块
- MicroSD 卡槽
- 天线
- 板载 LED 和闪光灯
- 其他
- 数据手册和原理图
- ESP32-CAM 功耗
- ESP32-CAM 引脚参考
- 引脚排列
- GPIO 引脚
- 哪些 GPIO 可以安全使用？
- GPIO 0 引脚
- MicroSD 卡引脚
- ESP32-CAM 的烧录方式
- 使用 ESP32-CAM-MB 编程器（推荐）
- 使用 FTDI 适配器
- 基于 ESP32-CAM 实时视频流服务器
- 选择主板
- 测试开发板
- 实时视频流服务器
ESP32-CAM 是一款于 2019 年初上市的开发板，它的出现惊艳了一众嵌入式开发爱好者，不到 35 元的价格，就可以获得一台支持摄像头和 SD 卡的 ESP32。毫无疑问，ESP32-CAM 是一款功能强大的设备，唯一的缺点可能是，ESP32-CAM 的 IO 引脚较少，其中一些与 SD 卡共享，因此在插入 SD 卡时部分 IO 引脚无法使用，因此很难围绕它设计项目。
当然，这个模块非常简约小巧，无论是检测人脸、解码车牌，还是仅仅需要一个安全摄像头，都值得在 DIY 工具箱中拥有一席之地。
ESP32-CAM 概述
ESP32-CAM 的核心是安信可科技（Ai-Thinker）的 ESP32-S 系统级芯片。作为系统级芯片，ESP32-S 芯片在单个芯片上包含微处理器、RAM、存储和外围设备。虽然该芯片的功能令人印象深刻，但 ESP32-CAM 开发板增加了更多功能，下面我们逐一看一下每个组件。
ESP32-S 处理器
ESP32-CAM 搭载了安信可科技的 ESP32-S 表面贴装印刷电路板模块。它相当于乐鑫的 ESP-WROOM-32 模组（外形尺寸和通用规格相同）。
ESP32-S 包含一个 Tensilica Xtensa® LX6 微处理器，带有两个 32 位内核，运行频率高达 240 MHz，这就是 ESP32-S 适用于视频处理、面部识别甚至人工智能等密集型任务的原因。
内存
内存对于复杂任务至关重要，因此 ESP32-S 具有完整的 520 KB 内部 RAM，与芯片的其他组件位于同一芯片上。
520 KB RAM 可能不足以完成 RAM 密集型任务，因此 ESP32-CAM 包括 4 MB 的外部 PSRAM1（Pseudo Static Random Access Memory，伪静态随机存取存储器）来扩展内存容量，这个容量对于密集的音频或图形处理已经足够了。
为了有足够的存储空间来存储程序和数据，ESP32-S 芯片还包含 4 MB 的片上闪存（Flash Memory）。
Camera 模块
ESP32-CAM 上的 OV2640 摄像头传感器使其有别于其他 ESP32 开发板，非常适合用于视频门铃或保姆摄像头等视频项目。
OV2640 摄像机的分辨率为 200 万像素，相当于最大 1600×1200 像素，这对于许多监控应用来说已经足够了。
同时，ESP32-CAM 也兼容 esp32-camera 上列出的各种摄像头传感器。
MicroSD 卡槽
在 ESP32-CAM 上增加一个 microSD 卡插槽，可以用于数据记录器或图像捕获。
天线
ESP32-CAM 配有板载 PCB 走线天线以及用于连接外部天线的 u.FL 连接器。天线选择跳线是一个零欧电阻，默认是板载 PCB 走线天线，如果要切换成外部天线，需要用电烙铁把零欧电阻焊接在另一个焊盘上。
一般用 PCB 天线用于试验 ESP32-CAM ，尤其是靠近路由器时效果最好（安信可科技称 PCB 天线的增益为 2.1dBi）。但一些离离路由器较远的项目，可能会遇到视频流缓慢和其他连接问题。在这种情况下，可以使用带有 IPX 连接器的 2.4GHz 外部天线，需要更改天线跳线以启用 u.FL 连接器。
三个焊盘位于 u.FL 连接器旁边以及板载天线和 ESP32-S 的金属外壳之间，一个零欧电阻器连接顶部的两个焊盘，只需将零欧电阻取下并焊在下面焊盘即可。
板载 LED 和闪光灯
ESP32-CAM 有一个白色的方形 LED，是一个板载的相机闪光灯，也可用于一般照明，引脚为 GPIO 4，输出高电平点亮闪光灯。背面有一个小的红色 LED，可用作状态指示灯（可编程），引脚为 GPIO 33，输出低电平点亮 LED。
其他
数据手册和原理图
有关 ESP32-CAM 的更多信息，请参阅：
ESP32-CAM 原理图
OV2640 Camera 数据手册
[!CAUTION]
ESP32-CAM 的数据手册在线链接已经失效了（原链接：https://docs.ai-thinker.com/_media/esp32/docs/esp32-cam_product_specification_zh.pdf），希望安信可科技官方能尽快解决这个问题。
ESP32-CAM 功耗
ESP32-CAM 的功耗范围从不流式传输视频时的 80 mAh 到流式传输视频时的 100~160 mAh 左右，如果打开闪光灯后，功耗可以达到 270 mAh。
ESP32-CAM 引脚参考
引脚排列
ESP32-CAM 共有 16 个引脚。为方便起见，具有相似功能的 pin 被组合在一起。引脚分配如下：
GPIO 引脚
ESP32-S 芯片共有 32 个 GPIO 引脚，但由于其中许多引脚在内部用于摄像头和 PSRAM，因此 ESP32-CAM 只有 10 个 GPIO 引脚可用。通过对适当的寄存器进行编程，可以为这些引脚分配各种外设功能，例如 UART、SPI、ADC 和 Touch等。
哪些 GPIO 可以安全使用？
下表显示了哪些引脚可以安全使用，哪些引脚应谨慎使用：
[!IMPORTANT]
⭕️ – 可以放心使用的引脚；
❗️ – 需要谨慎使用的引脚；
❌ – 建议不使用的引脚。
| 标签 | GPIO | 使用建议 | 原因 |
|---|---|---|---|
| IO0 | 0 | ❗️ | 启动时必须为 HIGH，下载代码时必须为 LOW |
| U0T | 1 | ❌ | UART0 的发送引脚，用于烧录和调试 |
| IO2 | 2 | ❗️ | 开机时必须为 LOW，当有 microSD 卡时不能使用 |
| U0R | 3 | ❌ | UART0 的接受引脚，用于刷写和调试 |
| IO4 | 4 | ❗️ | 连接到板载闪光灯，当有 microSD 卡时无法使用 |
| IO12 | 12 | ❗️ | 开机时必须为 LOW，当有 microSD 卡时不能使用 |
| IO13 | 13 | ❗️ | 当有 microSD 卡时无法使用 |
| IO14 | 14 | ❗️ | 当有 microSD 卡时无法使用 |
| IO15 | 15 | ❗️ | 启动时必须为 HIGH，如果拉低则会阻止启动日志的输出，当有 microSD 卡时无法使用 |
| IO16 | 16 | ⭕️ | |
| 板载 LED | 33 | ⭕️ |
GPIO 0 引脚
GPIO 0 是最重要的引脚。它确定 ESP32 是否处于下载模式。
该 GPIO 在启动时必须为高电平，在下载模式时必须为低电平。该引脚在内部有一个 10KΩ 的电阻上拉。如果要下载程序到开发板上，需要把该引脚拉低，即短接到 GND，使开发板进入下载模式，即可烧录程序。烧录程序完成后，断开与 GND 的短接，引脚被拉回高电平，进而重启开发板。
MicroSD 卡引脚
以下引脚用于连接 MicroSD 卡，如果不使用 MicroSD 卡，可以将这些引脚用作常规输入和输出。
ESP32-CAM 的烧录方式
对 ESP32-CAM 进行编程可能会有点麻烦，因为它没有内置的 USB 端口，用户需要额外的硬件才能程序下载到开发板上。过程不复杂，但很不方便。
一般有两种下载方式，一种是用 ESP32-CAM-MB 编程器，另一种是 FTDI 适配器或者 USB-to-TTL 模块。
使用 ESP32-CAM-MB 编程器（推荐）
一般在购买 ESP32-CAM 的时候，卖家都会推荐再买一个 ESP32-CAM-MB 的小型附加子板，如下图：
这个编程器板载了一个 CH340G USB 转串口芯片，不仅可以烧写程序，还可以与电脑进行串口通信。此外，还有附带了 RESET 按钮（与 ESP32-CAM 的复位按钮并联）、BOOT 按钮（连接在 GPIO 0，按下时可将 GPIO 0 下拉到低电平）、电源指示灯 LED 和稳压器，可为 ESP32-CAM 提供充足的电力。
按下图的安装方式，把 ESP32-CAM 安装进 ESP32-CAM-MB，下载程序时，按住 ESP32-CAM-MB 上的 BOOT 按钮，直到程序下载完成再松开。
使用 FTDI 适配器
如果在购买 ESP32-CAM 时，没有附购 ESP32-CAM-MB，那么就需要用 FTDI 适配器下载程序了。接线方式如下：
许多 FTDI 编程器都有一个跳帽，可在 3.3V 和 5V 之间进行切换。由于 ESP32-CAM 供电为 5V，请确保跳线设置为 5V。
另外，下载程序时，需要将 GPIO 0 引脚短接在 GND，下载完成后，必须断开才能正常运行。
基于 ESP32-CAM 实时视频流服务器
选择主板
ESP32-CAM 开发板在 Arduino IDE 有单独的选项，如下图所示，选择 “AI Thinker ESP32-CAM” 即可。
Arduino IDE 2.0以上版本可以直接搜索设置，如下图：
测试开发板
先用一个点亮闪光灯的程序测试一下开发板，如下：
#define CAMERA_FLASH 4
void setup()
{
pinMode(CAMERA_FLASH, OUTPUT);
}
void loop()
{
digitalWrite(CAMERA_FLASH, HIGH);
delay(1000);
digitalWrite(CAMERA_FLASH, LOW);
delay(2000);
}
把程序下载到开发板上运行，如果闪光灯按预设的亮一秒、熄灭两秒的规律运行，说明开发板正常。
实时视频流服务器
这个程序不需要我们亲自编写，如下图操作，乐鑫官方为用户提供了一个示例，就是实时视频流服务器的示例程序。
该例程使 ESP32-CAM 成为功能齐全的网络摄像头，具有人脸检测和大量自定义选项等功能。不过这个例程不能直接下载到 ESP32-CAM，需要做一些修改。Arduino IDE 的例程为只读文件，是不允许直接修改的，所以我们需要把例程另存为用户文档，直接操作另存为即可，这里不做演示。
因为 ESP32-CAM 使用的是 AI-Thinker 模型，所以要取消注释 CAMERA_MODEL_AI_THINKER 这个宏定义，并注释所有其他模型。
接下来，需要将 ESP32-CAM 连接到WiFi，把 WiFi 名称和密码都写在下面两个变量即可。
修改好即可编译上传到开发板，以波特率 115200 打开串行监视器，然后按 ESP32-CAM 上的重置按钮。稍等一会就可以在 Serial Monitor 中看到 IP 地址。
启动浏览器并输入串行监视器上显示的 IP 地址。确保 Web 浏览器与 ESP32-CAM 在同一网络上。ESP32-CAM 应显示一个网页。按下网页的 Start Stream 按钮，即可开始推送视频流。
可以在左侧窗格中尝试各种摄像机设置。例如，可以更改视频的分辨率和帧速率，以及其亮度、对比度、饱和度等。点击 Get Still 按钮拍照，图像会下载到计算机。
PSRAM 的全称是 Pseudo Static Random Access Memory（伪静态随机存取存储器）。它采用 1T1C（一个晶体管和一个电容器）的架构，类似于 DRAM，但外部接口与 SRAM 相同，提供类似 SRAM 的简单接口和驱动方式。PSRAM 结合了 SRAM 的高速和 DRAM 的高容量特性，适用于需要大容量存储且要求高速访问的场景。 ↩︎
