本项目参加2025贸泽电子M-Design创意设计竞赛，选择方向一：边缘智能、智能设备。本项目无PCB设计。

完整功能：本项目在网页展示监控视频流、当前温湿度数据、监测区域检测到物体的时间。当监测区域出现物体时，系统自动保存前6.66秒的视频，随后在网页可直接下载。

一、项目介绍

       本项目是基于树莓派4B的智能环境监测解决方案，整合了视频采集、传感器数据处理及Web服务三大核心模块。系统采用树莓派4B作为主控制器，通过USB摄像头实现视频采集，结合Flask框架构建局域网视频服务器，支持通过Web浏览器实时观看监控画面。STC8G微控制器负责采集DHT11温湿度传感器及HC-SR04超声波传感器数据，通过UART串口通信协议将数据实时传输至树莓派。当检测到超声波距离值突变（物体进入监测区域）时，系统自动触发GPIO控制的报警指示灯，同时保存触发前6.66秒的视频。Web服务端采用Flask框架搭建，除实时视频流外，还提供温湿度数值显示、事件时间记录以及历史视频下载功能。

       本系统实现了环境感知、事件响应与数据可视化的完整闭环，可广泛应用于智能家居、仓库安防等物联网场景。

二、硬件系统组成                                                

2.1 树莓派4B

       本项目采用1GB RAM的树莓派4B运行Ubuntu 20.04 LTS操作系统，负责视频数据采集与录制，以及在线观看与下载等工作。树莓派4B通过USB接口连接分辨率为640x480，帧率为15fps的的摄像头；通过USB-UART模块连接STC8G单片机，读取环境数据与运动监测结果。最终，将当前视频监控数据、环境信息、拍摄的视频等信息在网页上实时展示，局域网内可自由访问。

2.2 STC8G1K08A处理器

       本项目使用一个基于8051内核的STC8G1K08A处理器，读取DHT11传感器的温湿度信息，读取HC-SR04超声测距传感器的数据。该处理器对数据进行分析后，控制一个指示灯，同时以UART协议上传有关信息至树莓派。上述器件于面包板上搭建。

2.3 从Mouser采购的器件

       本项目使用Wurth Elektronik生产的WCAP-ATG8 33uF 35V 20%径向引线铝电解电容和KEMET生产的50V 0.1uF X7R 10%含引线多层陶瓷电容器作为STC8G单片机、HC-SR04、DHT-11和指示灯的电源滤波电容。 

       此外，本项目使用Raspberry Pi生产的SC1628型32GB存储卡，作为树莓派4B的系统盘。

三、系统架构设计

·        树莓派4B：视频采集模块、Web服务模块、数据处理模块、物体检测事件响应模块。

·        STC8G：传感器采集模块、通信模块、物体检测事件触发模块。

·        系统协作机制：树莓派与STC8G通过USB-TTL转换器建立串行通信链路，树莓派轮询接收传感器数据包并更新Web界面。当超声波事件触发时，STC8G将事件信号传输至树莓派，后者随即启动视频保存线程，实现硬件层与软件层的事件响应闭环。

四、软件实现细节

4.1 视频采集模块

1.        用途
       实现摄像头视频流的实时采集、时间戳叠加与环形缓冲区管理，为网页流媒体和事件触发录像提供原始数据源。

2.        功能

• 初始化USB摄像头设备，设置分辨率（640×480）
• 通过多线程锁保证视频帧读取的线程安全
• 在每帧画面叠加实时时间戳（精确到秒）
• 维护容量为100帧的环形缓冲区（约6.6秒时长的视频缓存）
• 将视频帧实时编码为JPEG格式，通过生成器持续输出流媒体数据

3.        输出

• 实时视频流：MJPEG格式流数据，通过/video_feed路由传输
• 环形缓冲区：存储最近100帧原始视频数据（OpenCV Mat格式）

class VideoRecorder:
    def __init__(self):
        self.cap = cv2.VideoCapture(0)
        self.cap.set(3, 640)
        self.cap.set(4, 480)
        self.lock = threading.Lock()
        self.buffer = []
        self.recording = False
        self.event_time = None
        self.frames_queue = []
        self.buffer_size = 100  # 10秒缓冲（假设15FPS）

    def gen_frames(self):
        while True:
            with self.lock:
                ret, frame = self.cap.read()
                # 添加时间戳
                timestamp = datetime.now().strftime("%Y-%m-%d %H:%M:%S")
                cv2.putText(frame, timestamp, (10, 30),
                            cv2.FONT_HERSHEY_SIMPLEX, 0.6, (0, 255, 0), 2)
                if not ret:
                    break
                # 维护环形缓冲区
                if len(self.frames_queue) >= self.buffer_size:
                    self.frames_queue.pop(0)
                self.frames_queue.append(frame.copy())
                
                ret, buffer = cv2.imencode('.jpg', frame)
                yield (b'--frame\r\n'
                       b'Content-Type: image/jpeg\r\n\r\n' + buffer.tobytes() + b'\r\n')

    def start_recording(self):
        if self.recording:
            return
        self.recording = True
        self.event_time = datetime.now()
        timestamp = self.event_time.strftime("%Y%m%d_%H%M%S")
        filename = os.path.join(VIDEO_DIR, f"event_{timestamp}.avi")
        
        # 创建视频写入器
        fourcc = cv2.VideoWriter_fourcc(*'XVID')
        out = cv2.VideoWriter(filename, fourcc, 15.0, (640, 480))
        
        # 写入缓冲帧和后续帧
        for frame in self.frames_queue:
            out.write(frame)

        out.release()
        self.recording = False

4.2 Web服务模块

1.        用途
       构建基于Flask的Web服务系统，提供用户交互界面与数据接口，实现监控系统的可视化交互。

2.        功能

• 主页面路由(/)：
• • 动态渲染HTML模板，展示实时视频、传感器数据、事件记录
  • 自动刷新机制（30秒间隔）
  • 视频文件列表按时间倒序排列，附带下载链接
• 视频流路由(/video_feed)：
• • 推送MJPEG格式视频流，支持跨平台浏览器访问
• 文件下载路由(/download/<filename>)：
• • 提供安全验证的视频文件下载服务
• 时间同步接口(/get_time)：
• • 返回服务器当前标准时间

3.        输出

• 动态网页：包含实时视频流、温湿度数据、事件记录的HTML页面
• HTTP响应：视频流数据包（multipart/x-mixed-replace类型）
• 文件传输：AVI格式视频文件下载服务

@app.route('/')
def index():
    # 获取已保存的视频文件列表
    videos = []
    for f in sorted(os.listdir(VIDEO_DIR), reverse=True):
        if f.endswith('.avi'):
            timestamp = datetime.strptime(f[6:-4], "%Y%m%d_%H%M%S")
            videos.append({
                'filename': f,
                'time': timestamp.strftime("%Y-%m-%d %H:%M:%S"),
                'url': url_for('download_video', filename=f)  # 生成下载URL
            })
    server_time = datetime.now().strftime("%Y-%m-%d %H:%M:%S")
    current_tem, current_hum = sensor_vals.tem, sensor_vals.hum
    
    return render_template_string('''
        <html>
        <head>
            <title>视频监控</title>
            <meta http-equiv="refresh" content="30">  <!-- 每5秒自动刷新 -->
        </head>
        <body>
            <h1>实时视频流</h1>
            <img src="/video_feed" style="width:640px; height:480px;">
            <h2>传感器数据刷新时间 {{server_time}} </h2> <!-- 用这种方式加入传感器数据 -->
            <h3>当前温度{{ current_tem }}℃, 当前湿度{{ current_hum }}%</h3>
            <h2>事件记录（共{{ videos|length }}条）</h2>
            <h3>点击事件名称，下载该视频</p>
            <ul>
            {% for video in videos %}
                <a href="{{ video.url }}" download 
                style="margin-left: 20px; text-decoration: none;">
                <button style="padding: 3px 8px; background: white; color: black; border: none; border-radius: 3px;">
                    {{ video.time }}
                </button>
                <br>
                </a>
            {% endfor %}
            </ul>
            <h3>其他</h3>
        </body>
        </html>
    ''', videos=videos, server_time=server_time, current_tem=current_tem, current_hum=current_hum) #在这里登记要加入的变量

@app.route('/video_feed')
def video_feed():
    return Response(video_stream.gen_frames(),
                    mimetype='multipart/x-mixed-replace; boundary=frame')

@app.route('/get_time')
def get_time():
    return datetime.now().strftime("%Y-%m-%d %H:%M:%S")

@app.route('/download/<filename>')
def download_video(filename):
    # 安全验证
    if '..' in filename or filename not in os.listdir(VIDEO_DIR):
        abort(404)
    return send_from_directory(VIDEO_DIR, filename, 
                             as_attachment=True)

4.3 数据处理模块

1.        用途

       解析处理来自STC8G微控制器的串口数据，管理传感器状态与事件触发逻辑。

2.        功能

• 通过命名管道(camera_pipe)接收原始数据（细节请看代码附件）
• 数据解析处理：
• • 拆分逗号分隔的字符串（格式示例："TRIGGER,temp=25.6,hum=58%"）
  • 提取温度、湿度数值并更新状态
  • 处理触发信号时进行30秒间隔过滤（防误触发机制）
• 状态维护：
• • 记录最后一次有效触发时间戳
  • 计算当前与上次触发的时间间隔

class SensorMonitorData():
    def __init__(self):
        self.tem = ""
        self.hum = ""
        self.trig = False
        self.debug = 0
        self.last_trig = 0
        self.min_interval = 30.0
    def process(self,line):
        line_vals=line.split(',')
        if len(line_vals)>=3:
            t1 = float(line_vals[-1])
            if(line_vals[0] == "TRIGGER"):
                self.trig = ((t1-self.last_trig)>self.min_interval)
                self.debug = t1-self.last_trig
            if(self.trig):
                self.last_trig=t1

            self.tem = line_vals[3]
            self.tem = self.tem.split('=')[-1]
            self.hum = line_vals[2] 

4.4 物体检测事件响应模块

1.      用途

响应超声波传感器的触发信号，执行视频保存操作，实现事件驱动的视频存档。

2.      功能

• 事件检测：
• • 监听数据处理模块的trig状态变化
  • 满足最小触发间隔（30秒）时激活响应
• 视频保存：
• • 创建独立线程执行录像任务
  • 从环形缓冲区提取前100帧（约6.6秒）视频
  • 生成标准AVI文件（XVID编码，15FPS，640×480分辨率）
  • 文件名包含事件时间（格式：event_20240516_142643.avi）
• 文件管理：
• • 视频存储至/home/asus/test345/ip_camera/videos目录
  • 自动维护可下载文件列表

3.      输出

• 事件视频文件：标准AVI格式录像文件（含事件前6秒视频）
• 网页事件记录：带时间戳的可下载链接列表

def monitor_pipe(pipe_path, recorder):
    print(f'pipe_path={pipe_path}')
    if not os.path.exists(pipe_path):
        os.mkfifo(pipe_path)
    while True:
        with open(pipe_path, 'r') as pipe:
            while True:
                line = pipe.readline().strip()
                sensor_vals.process(line)
                if sensor_vals.trig:  # 检测到触发标记
                    threading.Thread(target=recorder.start_recording).start()
                time.sleep(0.1)

4.5 物体检测事件触发模块（STC8G）

1.      用途

       实现超声波检测事件判定与响应，协调传感器采集与通信模块的联动。

2.      功能

• 事件判定逻辑
• • 当echo_cnt<3000时标记为触发状态（is_triggered=triggered）
  • 触发持续判定：需连续10次检测有效（trig_cnt>10时重置）
• 硬件响应控制
• • 触发时点亮P5.4指示灯（P54=1）
  • 常态下关闭指示灯（P54=0）
• 事件关联处理
• • 触发时立即通过串口发送事件标识
  • 抑制非触发数据发送频率（通过send_cnt计数器实现）

3.      输出

• 硬件信号

while(1){
		delay_ms(1);
		echo_cnt=0;
		startHC();
		Echo = 1;
		while(Echo == 0);
		Echo = 1;
		while(Echo == 1) echo_cnt++;
		
				if (echo_cnt<3000){
			is_triggered=triggered;
			trig_cnt++;
			P54=1;
		}
		else{
			is_triggered=not_triggered;
			trig_cnt=0;
			P54=0;
		}
		echos=echo_cnt;
		
				DHT11_ReceiveData(&get_humidity,&get_temperature);
		
				if(send_cnt <10 && is_triggered==not_triggered){
			send_cnt ++;
		}
		else if(trig_cnt<2){
			printf("%s,HUM,%4.1f,TEM=%4.1f\r\n",is_triggered,get_humidity,get_temperature);
			send_cnt = 0;
		}
		
				if(trig_cnt>10) trig_cnt=0;
    delay_ms(5);
	}
}

五、功能演示

       Web浏览器页面截图中，除实时监控视频外，其余信息（温湿度、物体进入监测区域的时间）每30秒更新一次。点击事件的时间，可下载发生该事件前6.66秒的录像。附件event_20250319_122919.avi为拍摄的视频。

 硬件设备和实时视频流同框的图片。桌上展示本项目硬件系统（黑色外壳的摄像头、树莓派、面包板）。显示器左侧网页展示视频流，摄像头在拍摄本项目硬件系统，右侧网页展示当前时间，与视频流时间戳一致。

监控视频可下载的图片。附件event_20250328_121432.avi为完整视频，记录物体进入监测区域（面包板处指示灯亮起）前约6秒的数据。

六、遇到的难题及解决方法

       本项目使用小型钨丝灯珠作为指示灯，其工作电流至少为20mA，不宜用STC8G直接驱动。经过考虑，我用一个9018三极管驱动钨丝灯珠，解决了单片机输出电流不足的问题。

七、项目总结

       本项目设计并实现了一套基于嵌入式系统的智能环境监测解决方案，集成了视频采集、传感器数据处理和Web服务三大核心模块，构建了一个完整的物联网应用系统。系统以树莓派4B为主控制器，负责视频采集、数据处理和Web服务，通过USB摄像头实现实时视频监控，并利用Flask框架搭建局域网视频流服务器，支持通过浏览器实时观看监控画面。STC8G微控制器作为辅助处理器，负责采集DHT11温湿度传感器和HC-SR04超声波传感器的数据，并通过UART串口将数据传输至树莓派。当超声波传感器检测到物体进入监测区域时，系统会触发GPIO控制的LED报警指示灯，并保存触发前6秒的视频数据，实现事件驱动的视频存档功能。

       本系统具有较高的实用性和扩展性，可广泛应用于智能家居、仓库安防、环境监测等物联网场景。通过整合视频监控、环境感知和事件响应功能，系统实现了对环境的全方位监测与智能化管理，为物联网应用提供了一个可靠的技术解决方案。

​      

       最后，感谢贸泽电子、硬禾学堂对本项目的赞助！期待下一次M-Design活动！

附：运行说明

1.      代码test_serail2pipe.py

• 用途：接收STC8G通过串口回传的传感器数据
• 输出：管道文件

2.      代码test_webserver2.py

• 用途：视频采集模块、Web服务模块、数据处理模块、物体检测事件响应模块
• 输入：管道文件
• 输出：浏览器网页，默认地址为树莓派的IP，端口5000

3.      代码start.sh

• 用途：执行前两份树莓派Python程序
• 用法：赋予该脚本执行权限后，在crontab设置其开机自启动
• 若发现温湿度数据更新异常，请重新运行test_serail2pipe.py

4.      工程test_stc8g.zip

• 用途：STC8G程序，包含可下载的hex文件
• 用法：使用STC-ISP串口下载至单片机