Wie verwendet man ein Kameramodul mit einem Mikrocontroller?

Das Grundprinzip: Arten von Kameramodulen

Zuerst müssen Sie die zwei Haupttypen von Kameramodulen verstehen, da dies die Komplexität bestimmt.

1. Mikrocontroller-freundlich (z.B. OV7670, Arducam):

   • Schnittstelle: Paralleles Digital oder SPI. Sie geben Rohpixeldaten oder ein simples komprimiertes Format (wie JPEG) direkt aus.

   • Vorteile: Günstiger, funktionieren mit weniger leistungsstarken Mikrocontrollern (wie Arduino Uno, ESP32).

   • Nachteile: Geringere Auflösung und Bildrate, erfordern oft komplexeren Code zur Handhabung des Datenstroms und der Verarbeitung. Das OV7670 benötigt zum Beispiel eine signifikante Anzahl an I/O-Pins.

2. Einplatinencomputer-freundlich (z.B. Raspberry Pi Kameramodul):

   • Schnittstelle: MIPI CSI (Camera Serial Interface). Dies ist eine hochschnelle differenzielle serielle Schnittstelle.

   • Vorteile: Sehr hohe Auflösung und Bildrate, einfach zu verwenden mit der richtigen Hardware (wie einem Raspberry Pi), weil die komplexen Treiber vom Betriebssystem verwaltet werden.

   • Nachteile: Können generell nicht direkt mit Standard-Mikrocontrollern (wie Arduino, ESP32) verwendet werden, da diesen die dedizierte CSI-Hardware und die Rechenleistung zum Dekodieren des Datenstroms fehlen.

In dieser Anlage konzentrieren wir uns auf den ersten Typ: mikrokontroller-freundliche Module.

Schritt-für-Schritt-Anleitung

Schritt 1: Wählen Sie Ihre Hardware

Dies ist die wichtigste Entscheidung.

A) Mikrocontroller:

• Arduino Uno/Nano: Begrenzter RAM (2KB) und Rechenleistung. Sie können nur sehr kleine, niedrigaufgelöste Bilder erfassen (z.B. 80x60 Pixel in Graustufen). Für Anfänger in Kameraprojekten nicht empfohlen.

• ESP32: Sehr empfehlenswert! Er hat mehr RAM (520KB), einen schnelleren Dual-Core-Prozessor und wird gut von der Arduino IDE und Frameworks wie ESP-IDF unterstützt. Er kann VGA-Auflösung (640x480) JPEG-Streams gut verarbeiten.

• STM32 (Blue Pill, etc.): Leistungsstark und schnell, aber die Lernkurve ist steiler aufgrund der HAL und Konfiguration. Ideal für fortgeschrittene Anwender.

B) Kameramodul:

• Anfängerfreundlich (JPEG-Ausgabe): Suchen Sie nach Modulen, die einen eingebauten JPEG-Encoder haben. Das bedeutet, sie senden komprimierte Bilddaten, die viel einfacher für den Mikrocontroller zu speichern und zu übertragen sind.

  • Beispiel: Arducam Mini (SPI-Schnittstelle, funktioniert gut mit Arduino Uno für kleine Bilder, aber besser mit ESP32).

  • Beispiel: ESP32-CAM (Dies ist ein All-in-One-Board mit einem ESP32 und einer OV2640-Kamera. Es ist der einfachste und günstigste Weg, um zu starten).

• Fortgeschritten (Rohvideo-Ausgabe): Module wie das OV7670. Sie erfordern das Lesen eines parallelen digitalen Videostreams, das Konfigurieren einer großen Anzahl von Registern via SCCB (ähnlich zu I2C) und benötigen oft einen externen FIFO (First-In-First-Out) Speicherchip, um das Bild zu puffern, da die Daten zu schnell kommen, als dass der Mikrocontroller sie in Echtzeit lesen könnte.

Empfehlung für Ihr erstes Projekt: Besorgen Sie sich ein ESP32-CAM Board.

Schritt 2: Verstehen Sie die Anschlüsse

Die meisten Kameramodule haben zwei Hauptschnittstellen:

1. Steuerungsschnittstelle (SCCB/I2C): Dies ist eine langsame Zwei-Draht-Schnittstelle (SDA, SCL), die zur Konfiguration der Kamera verwendet wird. Sie setzen Parameter wie Auflösung, Farbsättigung, Helligkeit und Belichtung, indem Sie in ihre internen Register schreiben.

2. Daten-Schnittstelle (Parallel oder SPI): Dies ist die Hochgeschwindigkeits-Schnittstelle, die zum Lesen der eigentlichen Bilddaten verwendet wird.

   • Parallel: Verwendet 8 Datenpins (D0-D7) plus Pins für Pixel-Takt (PCLK), Horizontal-Synchronisation (HREF) und Vertikal-Synchronisation (VSYNC). Dies ist schnell, aber verbraucht viele I/O-Pins.

   • SPI: Verwendet 3 Pins (MISO, MOSI, SCK) plus einen Chip-Select (CS) Pin. Langsamer, aber verbraucht weniger Pins.

Beispiel: ESP32-CAM Pinbelegung (Vereinfacht)
Das ESP32-CAM Board verdrahtet die Kamera fest mit bestimmten GPIO-Pins des ESP32. Sie müssen sich nicht um das manuelle Anschließen der Datenleitungen kümmern.

Schritt 3: Installieren Sie die notwendigen Bibliotheken

Sie werden fast immer eine Bibliothek verwenden, um die komplexe Low-Level-Kommunikation zu abstrahieren.

• Für ESP32-CAM mit Arduino IDE:

  1. Installieren Sie die ESP32-Board-Unterstützung über den Arduino IDE Board-Manager.

  2. Die Kamerabibliothek ist bereits im ESP32-Paket enthalten. Sie können sie über Datei > Beispiele > ESP32 > Kamera aufrufen.

• Für andere Arducam-Module:

  • Suchen Sie im Arduino Library Manager nach "Arducam" und installieren Sie die entsprechende Bibliothek.

Schritt 4: Schreiben Sie den Code (ESP32-CAM Beispiel)

Der Code folgt typischerweise diesem Ablauf:

1. Bibliothek einbinden: #include "esp_camera.h"

2. Kameramodell und Pinbelegung definieren: Die Bibliothek stellt eine Konfigurationsstruktur (camera_config_t) bereit, in der Sie die Pin-Zuordnungen für Ihr spezifisches Board angeben. Für den ESP32-CAM ist dies vordefiniert.

3. Kamera initialisieren: esp_camera_init(&config). Diese Funktion schaltet die Kamera ein und konfiguriert sie mit den Standardeinstellungen.

4. Ein Bild aufnehmen: camera_fb_t *fb = esp_camera_fb_get(). Diese Funktion weist die Kamera an, ein Bild aufzunehmen, und gibt einen Zeiger auf eine Frame-Buffer-Struktur zurück, die die JPEG-Daten und ihre Länge enthält.

5. Etwas mit dem Bild machen: Die Bilddaten befinden sich nun in fb->buf und ihre Größe ist fb->len. Sie können:

   • Es auf einer SD-Karte speichern.

   • Es via WLAN an einen Webserver senden (z.B. für eine Überwachungskamera).

   • Es auf einem kleinen Display anzeigen.

6. Frame-Buffer zurückgeben: esp_camera_fb_return(fb). Dies gibt den Speicher für die nächste Aufnahme frei.

Einfacher Code-Ausschnitt (ESP32-CAM Aufnahme auf SD-Karte):

#include "esp_camera.h"
#include "FS.h"
#include "SD_MMC.h"

// Kamera-Pin-Konfiguration für AI-Thinker ESP32-CAM
#define CAMERA_MODEL_AI_THINKER
#include "camera_pins.h"

void setup() {
  Serial.begin(115200);

  // Kamera initialisieren
  camera_config_t config;
  config.ledc_channel = LEDC_CHANNEL_0;
  config.ledc_timer = LEDC_TIMER_0;
  config.pin_d0 = Y2_GPIO_NUM;
  config.pin_d1 = Y3_GPIO_NUM;
  config.pin_d2 = Y4_GPIO_NUM;
  config.pin_d3 = Y5_GPIO_NUM;
  config.pin_d4 = Y6_GPIO_NUM;
  config.pin_d5 = Y7_GPIO_NUM;
  config.pin_d6 = Y8_GPIO_NUM;
  config.pin_d7 = Y9_GPIO_NUM;
  config.pin_xclk = XCLK_GPIO_NUM;
  config.pin_pclk = PCLK_GPIO_NUM;
  config.pin_vsync = VSYNC_GPIO_NUM;
  config.pin_href = HREF_GPIO_NUM;
  config.pin_sscb_sda = SIOD_GPIO_NUM;
  config.pin_sscb_scl = SIOC_GPIO_NUM;
  config.pin_pwdn = PWDN_GPIO_NUM;
  config.pin_reset = RESET_GPIO_NUM;
  config.xclk_freq_hz = 20000000;
  config.pixel_format = PIXFORMAT_JPEG; // Wichtig: JPEG verwenden

  if(psramFound()){
    config.frame_size = FRAMESIZE_UXGA; // Hohe Auflösung wenn PSRAM vorhanden
    config.jpeg_quality = 10;
    config.fb_count = 2;
  } else {
    config.frame_size = FRAMESIZE_SVGA;
    config.jpeg_quality = 12;
    config.fb_count = 1;
  }

  // Kamera initialisieren
  esp_err_t err = esp_camera_init(&config);
  if (err != ESP_OK) {
    Serial.printf("Kamera-Initialisierung fehlgeschlagen mit Fehler 0x%x", err);
    return;
  }

  // SD-Karte initialisieren
  if(!SD_MMC.begin()){
    Serial.println("SD-Karten-Montierung fehlgeschlagen");
    return;
  }

  // Ein Foto aufnehmen
  camera_fb_t *fb = esp_camera_fb_get();
  if (!fb) {
    Serial.println("Bildaufnahme fehlgeschlagen");
    return;
  }

  // Bild auf SD-Karte speichern
  String path = "/bild.jpg";
  File file = SD_MMC.open(path, FILE_WRITE);
  if(!file){
    Serial.println("Datei konnte im Schreibmodus nicht geöffnet werden");
  } else {
    file.write(fb->buf, fb->len);
    Serial.printf("Datei unter Pfad gespeichert: %s\n", path.c_str());
  }
  file.close();
  esp_camera_fb_return(fb);

  Serial.println("Fertig!");
}

void loop() {
  // Nichts tun
}

Häufige Herausforderungen & Tipps

• Stromversorgung: Kameras sind stromhungrig, besonders wenn die Blitz-LED verwendet wird. Verwenden Sie ein stabiles, hochstromfähiges (z.B. 2A) 5V Netzteil. Versorgen Sie den ESP32-CAM nicht nur über den USB-Port Ihres Computers, wenn Sie die Kamera testen; dies führt oft zu Spannungseinbrüchen und Neustarts.

• Speicher (RAM): Bilddaten sind groß. Der PSRAM (Pseudo-Static RAM) des ESP32 ist essentiell, um größere Bilder zu verarbeiten. Kaufen Sie immer ein ESP32-Modul mit PSRAM für Kameranwendungen.

• Komplexität: Beginnen Sie mit einem Modul, das JPEG ausgibt (wie das OV2640 auf dem ESP32-CAM). Vermeiden Sie Rohdaten-Sensormodule (wie das OV7670) für Ihr erstes Projekt.

• Fehlersuche: Serial-Debug-Ausgaben (Serial.println()) sind Ihre besten Freunde. Geben Sie Statusmeldungen bei jedem Schritt aus, um zu isolieren, wo der Fehler auftritt.

Projektideen

• WLAN-Überwachungskamera: Streamen Sie Video an einen Webbrowser.

• Zeitraffer-Kamera: Machen Sie in Intervallen Fotos auf einer SD-Karte.

• Objekt-/Farbenerkennung: Verwenden Sie einfache Bildverarbeitungsalgorithmen (z.B. um einen hellroten Ball zu finden).

• Barcode/QR-Code-Scanner: Verwenden Sie eine Bibliothek, um Codes aus dem Bild zu decodieren.

Wenn Sie mit der richtigen Hardware (ESP32-CAM) beginnen und diesen Schritten folgen, werden Sie in der Lage sein, eine Kamera erfolgreich in Ihre Mikrocontroller-Projekte zu integrieren.