ESP32-FPV-Camera介绍和使用

ESP32是一款高性价比的嵌入式芯片，且其ESP-IDF工具采用了CMake的Unix Style开发方式，也是笔者比较喜欢的一种工程组织方式。IDE工具对于应用开发带来了便捷性，屏蔽了很多系统，模块，组件，开源（非开源）的底层细节。尤其是IDE工具经常升级，导致很多由于工具升级带来的各种问题（有的时候感觉莫名其妙），但是Makefile/CMake等成熟的嵌入工程组织方式更加稳定、可靠。

1. 编译目标

规格如下：

• ESP-32S模组
• 2MB 外部PSRAM
• 4MB SPI Flash
• SD Card
• 摄像头：OV2640
• 配套底板(支持自动烧录，否则需要跳线支持)

2. 编译步骤

Step 1 软件配置环境准备

这里基于Ubuntu准备相关的软件配置环境。

$ sudo apt-get update
$ sudo apt-get install git
$ sudo apt-get install gitk git-gui

$ uname -a
Linux daniel-ThinkPad-SL410 5.15.0-58-generic #64~20.04.1-Ubuntu SMP Fri Jan 6 16:42:31 UTC 2023 x86_64 x86_64 x86_64 GNU/Linux

$ lsb_release -a
No LSB modules are available.
Distributor ID: Ubuntu
Description:    Ubuntu 20.04.5 LTS
Release:        20.04
Codename:       focal

Step 2 获取开源代码

$ git clone git@github.com:jeanlemotan/esp32-cam-fpv.git
Cloning into 'esp32-cam-fpv'...
remote: Enumerating objects: 324, done.
remote: Counting objects: 100% (81/81), done.
remote: Compressing objects: 100% (46/46), done.
remote: Total 324 (delta 48), reused 49 (delta 32), pack-reused 243
Receiving objects: 100% (324/324), 927.22 KiB | 856.00 KiB/s, done.
Resolving deltas: 100% (126/126), done.

$ cd esp32-cam-fpv/

$ git log -n 1
commit adc1e5c040bada4780de0db60716af411d326435 (HEAD -> main, origin/main, origin/HEAD)
Merge: 66ae72a c97be43
Author: jeanlemotan <10252034+jeanlemotan@users.noreply.github.com>
Date:   Mon Feb 20 21:49:40 2023 +0100

    Merge pull request #32 from JulesThuillier/main

    Fix typo in gs Makefile for Raspberry Pi check


$ git branch -a
* main
  remotes/origin/HEAD -> origin/main
  remotes/origin/main

Step 3 2.4G WiFi频段选择

1. 实际环境，尤其是2.4G频段有大量的WiFi路由器信号；
2. ESP32-FPV-Camera代码目前是写死的；
3. 寻找一个相对没有被占用的频段，将大大降低干扰，从而减少丢包；

注：这里建议大家可以选择下载CELLULAR-Z软件，对WiFi信号进行扫描。
从以上扫描ssid热点信号看，4频段相对来说会受到较少干扰。

注：这里扫描到的是标准的WiFi热点信号，其他非标准干扰信号是无法扫描到的。因此如果仍然存在干扰问题，建议去暗室或更换测试时间或更换测试地点。

Step 4 要确保2.4G WiFi网卡处于Monitor状态

详见：WiFi monitor模式的配置和运行检查（Ubuntu系统）

建议：购买8812AU芯片网卡，并安装对应的kms驱动。

Step 5 修改频点相关代码

天空端：esp32-cam-fpv\air_firmware\main\main.cpp

地面端：esp32-cam-fpv\gs\src\main.cpp

Step 6 修改WiFi网卡相关代码

笔记本自带一张网卡，笔者又自行购买了两块8812AU网卡（因为Monitor模式下带宽通常不高，多块网卡，分开方式可以减少丢包概率）

• wlp5s0：笔记本无线网卡
• wlx200db032da3a：8812AU网卡1
• wlx0c9160035b62：8812AU网卡2

地面端：esp32-cam-fpv\gs\src\main.cpp

Step 7 OpenGL 版本问题

ESP32-FPV-Camera作者jeanlemotan是在Pi 4上做的地面端。不过经过大家的努力，目前已经可以在笔记本电脑上进行地面端程序的运行。

注：这里有一些细节需要关注的就是OpenGL的版本问题。

$ glxinfo|grep version
server glx version string: 1.4
client glx version string: 1.4
GLX version: 1.4
    Max core profile version: 3.3
    Max compat profile version: 3.0
    Max GLES1 profile version: 1.1
    Max GLES[23] profile version: 3.0
OpenGL core profile version string: 3.3 (Core Profile) Mesa 21.2.6
OpenGL core profile shading language version string: 3.30
OpenGL version string: 3.0 Mesa 21.2.6
OpenGL shading language version string: 1.30
OpenGL ES profile version string: OpenGL ES 3.0 Mesa 21.2.6
OpenGL ES profile shading language version string: OpenGL ES GLSL ES 3.00

地面端：esp32-cam-fpv\gs\src\imgui_impl_opengl3.cpp

Step 8 构建天空端

当前天空端采用ESP-IDF v4.4.4，IDF安装，详见ESP32开发指南。

ESP32 SDK环境设置：

$ cd esp-sdk/esp-idf-v4.4.4/

$ . ./export.sh
Setting IDF_PATH to '/home/daniel/Work/esp-sdk/esp-idf-v4.4.4'
Detecting the Python interpreter
Checking "python" ...
Python 3.8.10
"python" has been detected
Adding ESP-IDF tools to PATH...
Not using an unsupported version of tool openocd-esp32 found in PATH: 0.10.0.
Using Python interpreter in /home/daniel/.espressif/python_env/idf4.4_py3.8_env/bin/python
Checking if Python packages are up to date...
Python requirements from /home/daniel/Work/esp-sdk/esp-idf-v4.4.4/requirements.txt are satisfied.
Added the following directories to PATH:
  /home/daniel/Work/esp-sdk/esp-idf-v4.4.4/components/esptool_py/esptool
  /home/daniel/Work/esp-sdk/esp-idf-v4.4.4/components/espcoredump
  /home/daniel/Work/esp-sdk/esp-idf-v4.4.4/components/partition_table
  /home/daniel/Work/esp-sdk/esp-idf-v4.4.4/components/app_update
  /home/daniel/.espressif/tools/xtensa-esp-elf-gdb/11.2_20220823/xtensa-esp-elf-gdb/bin
  /home/daniel/.espressif/tools/riscv32-esp-elf-gdb/11.2_20220823/riscv32-esp-elf-gdb/bin
  /home/daniel/.espressif/tools/xtensa-esp32-elf/esp-2021r2-patch5-8.4.0/xtensa-esp32-elf/bin
  /home/daniel/.espressif/tools/xtensa-esp32s2-elf/esp-2021r2-patch5-8.4.0/xtensa-esp32s2-elf/bin
  /home/daniel/.espressif/tools/xtensa-esp32s3-elf/esp-2021r2-patch5-8.4.0/xtensa-esp32s3-elf/bin
  /home/daniel/.espressif/tools/riscv32-esp-elf/esp-2021r2-patch5-8.4.0/riscv32-esp-elf/bin
  /home/daniel/.espressif/tools/esp32ulp-elf/2.35_20220830/esp32ulp-elf/bin
  /home/daniel/.espressif/tools/openocd-esp32/v0.11.0-esp32-20221026/openocd-esp32/bin
  /home/daniel/.espressif/python_env/idf4.4_py3.8_env/bin
  /home/daniel/Work/esp-sdk/esp-idf-v4.4.4/tools
Done! You can now compile ESP-IDF projects.
Go to the project directory and run:

  idf.py build

编译天空端固件：

$ cd esp32-cam-fpv/air_firmware/

$ idf.py build

$ idf.py -p /dev/ttyUSB0 flash

$ idf.py -p /dev/ttyUSB0 monitor

Step 9 构建地面端

$ cd esp32-cam-fpv/gs/

$ make

3. OV5640/OV2640规格及实测

参数	OV5640	OV2640
array size	2592 x 1944	1600 x 1200 (UXGA)
power supply	1.8 V / 2.8 V	1.7V to 3.3V
power consumption	active: 140 mA	140 mW (for 15 fps, compressed mode)
lens size	1/4"	1/4"
maximum image transfer rate	QSXGA (2592x1944): 15 fps；1080p: 30 fps；1280 x 960: 45 fps；720p: 60 fps；VGA (640x480): 90 fps；QVGA (320x240): 120 fps	UXGA/SXGA: 15 fps；SVGA: 30 fps；CIF: 60 fps

从规格的角度看OV5640胜出，但是实测情况貌似OV5640并不理想。

4. OV2640与模拟FPV摄像头对比

这里采用对比近距离测试：

• 无牙仔2模拟摄像头 + 熊猫图传 + 肥鲨眼镜
• ESP32-FPV-Camera(OV2640 + 外置ipx 3dbi猪尾巴天线) + 笔记本电脑（8812AU网卡 x 2 + 笔记本网卡）

存在以下几个问题：

1. 无牙仔2是鱼眼镜头，整体视角宽（变形）
2. 晃动时，因为视场范围小，因此整体看ESP32场景变化大
3. FOXEER Micro无牙崽2 1200TVL m12 1.7镜头 整体规格高于ESP32-FPV-Camera（800 x 600）
4. 外接ipx天线座电阻焊接处理存在问题（可能影响信号），且该模块没有RF信号放大
5. 增加分辨率会导致jpeg传输数据量的增加，需要更高的带宽
6. OV2640 SVGA（800 x 600）上限是 30 fps

5. 参考资料

【1】WiFi monitor模式的配置和运行检查（Ubuntu系统）
【2】ESP32-Camera性能(简单)测试评估