ESP32-CAM-Entwicklungsboard mit CH340G, WLAN, Bluetooth, OV5640 5MP

Das ESP32-CAM-Board mit der 5-MP-Kamera OV5640 ist ein vollständiges ESP32-Entwicklungsboard mit Mikrocontroller, Kamera, microSD-Kartenslot und Antenne auf derselben Platine. Es ist für Videostreaming-Projekte, Überwachung, ereignisgesteuerte Fotografie und andere IoT-Anwendungen gedacht, bei denen ein Bild per WLAN an ein Smartphone, einen Computer oder einen lokalen Server gesendet werden soll.

Da es sich um ein ESP32-Board handelt, verwendet dieses Tutorial direkt das ESP32-CAM-Board, das in der Arduino IDE als "AI Thinker ESP32-CAM" programmiert wird, zusammen mit dem im Kit enthaltenen Programmiermodul CH340G. Ein weiteres Entwicklungsboard wird nicht benötigt.

So funktioniert es:

Die Kamera OV5640 sendet das Bild über einen parallelen 8-Bit-Bus (Pins D0-D7) an den ESP32, begleitet von den Synchronisationssignalen PCLK, VSYNC und HREF sowie vom I2C-kompatiblen SCCB-Bus (SIOD/SIOC), über den der Mikrocontroller Auflösung, Belichtung und Weißabgleich des Sensors konfiguriert. Der ESP32 übernimmt die Frames in den externen 4-MB-PSRAM, komprimiert sie mit dem integrierten Hardware-Encoder im JPEG-Format und stellt sie über einen per WLAN gestarteten HTTP-Server unter der vom Router zugewiesenen IP-Adresse bereit.

Die im Code gewählte Auflösung, zum Beispiel SVGA (800x600) oder VGA (640x480), bestimmt die Größe jedes JPEG-Frames und damit auch die Übertragungsgeschwindigkeit über WLAN. Deshalb verwendet man für einen kontinuierlichen Videostream eine niedrigere Auflösung, während die maximale Auflösung des Sensors OV5640, 2592x1944 (5 MP), nur für einzelne Fotos genutzt wird.

Anschluss:

Das ESP32-CAM-Board wird separat mit 5 V versorgt. Die Programmierung erfolgt über das Programmiermodul CH340G, das die seriellen Pins des Boards mit dem USB-Anschluss des Computers verbindet.

Die gesamte Elektronik des Boards arbeitet mit 3.3 V und das Programmiermodul mit CH340G verwendet an den seriellen Pins denselben Logikpegel, daher ist zwischen den beiden Boards kein Pegelwandler erforderlich. Der Pin VCC am ESP32-CAM-Board ist ein Ausgang mit 3.3 V oder 5 V und darf nicht zur Versorgung des Boards verwendet werden. Eine Versorgung mit 5 V und mindestens 2 A ist für den stabilen Betrieb der Kamera OV5640 zwingend erforderlich. Ein USB-Anschluss am Computer reicht für den normalen Betrieb oft nicht aus, kann aber vorübergehend nur zum Programmieren verwendet werden.

Board und Bibliotheken:

Wählen Sie das Board "AI Thinker ESP32-CAM" im Menü Tools > Board aus, nachdem Sie das Paket "esp32 by Espressif Systems" über Tools > Board > Boards Manager installiert haben. Falls das Paket nicht in der Liste erscheint, fügen Sie die Adresse https://dl.espressif.com/dl/package_esp32_index.json unter File > Preferences bei Additional Boards Manager URLs hinzu.

Es muss keine zusätzliche Bibliothek aus dem Library Manager installiert werden. Die Bibliotheken esp_camera.h, WiFi.h und WebServer.h sind Teil des oben installierten esp32-Pakets.

Der Code:

Der Code initialisiert die Kamera mit der Pinbelegung des Modells AI Thinker, verbindet sich mit dem WLAN-Netzwerk und startet einen einfachen HTTP-Server mit einer Startseite und einer Adresse, unter der ein Foto im JPEG-Format heruntergeladen werden kann.

/*
  ESP32-CAM OV5640 5MP - simple snapshot web server
  Board: AI Thinker ESP32-CAM (install package "esp32 by Espressif Systems" from Boards Manager,
  Additional Boards Manager URL: https://dl.espressif.com/dl/package_esp32_index.json)
  Libraries: none to install separately, esp_camera.h, WiFi.h and WebServer.h are part of the esp32 board package
  Wiring: camera and microSD pins are fixed on board, programming uses U0R, U0T, IO0 and GND
  through the included ESP32-CAM-MB CH340G programmer, power is supplied on the 5V/GND pins
*/
#include "esp_camera.h"
#include <WiFi.h>
#include <WebServer.h>
// Camera pin map for the AI Thinker ESP32-CAM board
#define PWDN_GPIO_NUM     32
#define RESET_GPIO_NUM    -1
#define XCLK_GPIO_NUM      0
#define SIOD_GPIO_NUM     26
#define SIOC_GPIO_NUM     27
#define Y9_GPIO_NUM       35
#define Y8_GPIO_NUM       34
#define Y7_GPIO_NUM       39
#define Y6_GPIO_NUM       36
#define Y5_GPIO_NUM       21
#define Y4_GPIO_NUM       19
#define Y3_GPIO_NUM       18
#define Y2_GPIO_NUM        5
#define VSYNC_GPIO_NUM    25
#define HREF_GPIO_NUM     23
#define PCLK_GPIO_NUM     22
#define FLASH_LED_GPIO_NUM 4
// WiFi credentials, replace with your own network
const char* ssid = "YOUR_WIFI_SSID";
const char* password = "YOUR_WIFI_PASSWORD";
WebServer server(80);
// Serve a simple HTML page with a link to the snapshot
void handleRoot() {
  String html = "<html><body><h1>ESP32-CAM OV5640</h1>";
  html += "<p><a href=\"/capture\">Get snapshot</a></p></body></html>";
  server.send(200, "text/html", html);
}
// Capture one JPEG frame and send it to the browser
void handleCapture() {
  camera_fb_t *fb = esp_camera_fb_get();
  if (!fb) {
    Serial.println("Camera capture failed");
    server.send(503, "text/plain", "Camera capture failed");
    return;
  }
  server.sendHeader("Content-Disposition", "inline; filename=capture.jpg");
  server.send_P(200, "image/jpeg", (const char *)fb->buf, fb->len);
  esp_camera_fb_return(fb);
  Serial.printf("Snapshot sent, size %u bytes\n", fb->len);
}
void setup() {
  Serial.begin(115200);
  Serial.println();
  // Flash LED pin kept off at startup
  pinMode(FLASH_LED_GPIO_NUM, OUTPUT);
  digitalWrite(FLASH_LED_GPIO_NUM, LOW);
  // Camera configuration structure
  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_sccb_sda = SIOD_GPIO_NUM;
  config.pin_sccb_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;
  // Use a larger frame and double buffering when PSRAM is available
  if (psramFound()) {
    config.frame_size = FRAMESIZE_SVGA;
    config.jpeg_quality = 12;
    config.fb_count = 2;
  } else {
    config.frame_size = FRAMESIZE_VGA;
    config.jpeg_quality = 15;
    config.fb_count = 1;
  }
  // Initialize the camera
  esp_err_t err = esp_camera_init(&config);
  if (err != ESP_OK) {
    Serial.printf("Camera init failed with error 0x%x\n", err);
    return;
  }
  Serial.println("Camera initialized");
  // Connect to WiFi
  WiFi.begin(ssid, password);
  Serial.print("Connecting to WiFi");
  while (WiFi.status() != WL_CONNECTED) {
    delay(500);
    Serial.print(".");
  }
  Serial.println();
  Serial.print("WiFi connected, IP address: ");
  Serial.println(WiFi.localIP());
  // Register HTTP routes and start the server
  server.on("/", handleRoot);
  server.on("/capture", handleCapture);
  server.begin();
  Serial.println("HTTP server started");
  Serial.println("Open the IP address above in a browser, then click Get snapshot");
}
void loop() {
  server.handleClient();
}

So funktioniert der Code:

Am Anfang der Datei sind die Pin-Konstanten der Kamera definiert, PWDN_GPIO_NUM, RESET_GPIO_NUM, XCLK_GPIO_NUM, SIOD_GPIO_NUM, SIOC_GPIO_NUM, Y2_GPIO_NUM-Y9_GPIO_NUM, VSYNC_GPIO_NUM, HREF_GPIO_NUM und PCLK_GPIO_NUM, mit den festen Werten des AI-Thinker-Boards, dazu FLASH_LED_GPIO_NUM für die LED an GPIO4. Die Variablen ssid und password müssen mit den Zugangsdaten Ihres WLAN-Netzwerks ausgefüllt werden. Das Objekt server vom Typ WebServer wird auf Port 80 erstellt.

In der Funktion setup wird nach dem Start der seriellen Kommunikation die Struktur camera_config_t mit den Kamera-Pins, dem Bildformat PIXFORMAT_JPEG und, abhängig vom Ergebnis von psramFound, mit der Auflösung FRAMESIZE_SVGA und zwei Frame-Puffern befüllt, wenn das Board über PSRAM verfügt. Andernfalls werden FRAMESIZE_VGA und ein einzelner Puffer verwendet. Die Funktion esp_camera_init startet die Kamera und im Fehlerfall wird die Meldung auf Serial ausgegeben. Danach folgen die WLAN-Verbindung mit WiFi.begin, eine Warteschleife, bis WiFi.status den Wert WL_CONNECTED zurückgibt, und die Registrierung der beiden Routen, handleRoot für die Startseite und handleCapture für das Foto, bevor server.begin aufgerufen wird.

Die Funktion handleCapture fordert mit esp_camera_fb_get einen neuen Frame an, sendet ihn mit server.send_P unter Verwendung des Typs image/jpeg an den Browser und gibt anschließend den Speicher des Frames mit esp_camera_fb_return wieder frei. In der Funktion loop wird server.handleClient dauerhaft aufgerufen, um eingehende HTTP-Anfragen zu beantworten.

Ergebnis:

Im Serial Monitor bei 115200 Baud sehen Sie die Verbindung zum WLAN-Netzwerk und die vom Board erhaltene IP-Adresse, danach die Bestätigung, dass der HTTP-Server gestartet wurde. Wenn Sie in einem Browser die angezeigte IP-Adresse gefolgt von /capture aufrufen, wird ein Foto heruntergeladen, das die Kamera OV5640 in diesem Moment aufgenommen hat.

Camera initialized
Connecting to WiFi.......
WiFi connected, IP address: 192.168.0.115
HTTP server started
Open the IP address above in a browser, then click Get snapshot
Snapshot sent, size 48213 bytes
Snapshot sent, size 51042 bytes

Häufige Probleme:

Im Serial Monitor erscheint nichts: Prüfen Sie, ob im Serial Monitor die Geschwindigkeit 115200 Baud eingestellt ist und ob das Programmiermodul richtig angeschlossen ist, mit nicht vertauschten Leitungen U0R und U0T.

Das Hochladen des Codes schlägt mit einer Verbindungs- oder Synchronisationsmeldung fehl: Halten Sie die Taste Download gedrückt oder verbinden Sie GPIO0 mit GND, bevor Sie den Upload starten, und prüfen Sie, ob unter Tools > Flash Mode die Einstellung Flash Mode DIO ausgewählt ist.

Die Kamera startet nicht und auf Serial erscheint ein Initialisierungsfehler: Prüfen Sie die Stromversorgung mit 5 V und mindestens 2 A, denn ein schwaches Netzteil führt beim Start der Kamera zu Resets (Brownout).

Das Bild ist weiß, dunkel oder hat Streifen: Lassen Sie der Kamera einige Sekunden Zeit, um Belichtung und Weißabgleich automatisch anzupassen, und prüfen Sie, ob das FPC-Flachbandkabel der Kamera richtig im Steckverbinder sitzt.

Das Board setzt sich während des Streamings selbst zurück: Reduzieren Sie die Auflösung und die JPEG-Qualität im Code und prüfen Sie erneut das Netzteil, denn ein Spitzenstrom von über 300 mA bei einem schwachen Netzteil führt zu wiederholten Resets.

Die Kamera wird bei Berührung sehr heiß: Das ist ein normales Verhalten des Sensors OV5640, bringen Sie aber unbedingt einen Kühlkörper auf der Rückseite an und vermeiden Sie kontinuierliches Streaming über lange Zeiträume.

Einschränkungen und Tipps:

Die maximale Auflösung von 5 MP des Sensors OV5640 eignet sich für Fotos, nicht für kontinuierliches Streaming, bei dem die Übertragungsgeschwindigkeit über WLAN und der PSRAM-Speicher die Auflösung praktisch auf SVGA oder HD begrenzen. Das Modul wird nicht für den ununterbrochenen 24/7-Betrieb empfohlen. Bei Projekten mit periodischen Aufnahmen sollten Sie die Kamera zwischen den Fotos über GPIO32 ausschalten, um Erwärmung und Stromverbrauch zu reduzieren. Ausgehend von diesem Code lässt sich das Board erweitern, etwa durch Speichern auf der microSD-Karte, Bewegungserkennung mit einem externen PIR-Sensor an einem der freien Pins oder die Integration in ein größeres Überwachungssystem mit mehreren ESP32-CAM-Boards.