珠海愛司馬特?cái)?shù)碼科技有限公司 彭振華

基于太陽能板電池供電的網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)低功耗設(shè)計(jì)

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本文主要針對(duì)為了滿足網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)適應(yīng)戶外工作，如何能基于太陽能板和電池進(jìn)行持續(xù)供電，提出了一種低功耗的設(shè)計(jì)方案。該方案的網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)具有無線傳輸、錄像存儲(chǔ)、遠(yuǎn)程訪問、待機(jī)功耗低、喚醒反應(yīng)迅速等特點(diǎn)。網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)在待機(jī)模式下，整機(jī)功耗極低，可通過人體熱釋紅外傳感器或手機(jī)APP進(jìn)行喚醒，切換到正常工作模式，經(jīng)過預(yù)設(shè)的時(shí)間后，再次返回到待機(jī)模式。通過軟、硬件的合理設(shè)計(jì)并選擇合適的太陽能板及電池，從而保證網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)能持續(xù)地工作。

網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)；電池供電；太陽能板；低功耗設(shè)計(jì)

0 引言

隨著科技的進(jìn)步和生活水平的提高，人們對(duì)安全的關(guān)注和需求也逐步升高，特別在家庭、商鋪和公司等場(chǎng)所，即插即用的網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)變得越來越普及，用戶只要先將網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)連接上互聯(lián)網(wǎng)，然后通過手機(jī)即可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，隨時(shí)隨地查看被監(jiān)控區(qū)域的情況。

目前的網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)雖然通過采用無線技術(shù)免去了布置網(wǎng)線的工作，網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)基本上可以根據(jù)需要安裝在室內(nèi)的任何位置，但是網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)的電源供電仍存在一些問題：當(dāng)需要監(jiān)控的區(qū)域沒有電源插座或者不方便布置電源線時(shí)，就極大地限制了攝像機(jī)的使用；另一方面，如果需要在戶外安裝和使用網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)，電源供電將更加困難。

鑒于此，本文提出了一種低功耗設(shè)計(jì)方案，對(duì)網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)的最小功耗和響應(yīng)時(shí)間等技術(shù)指標(biāo)上做了較大的突破和創(chuàng)新，可以實(shí)現(xiàn)用電池進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間供電，更支持戶外太陽能板進(jìn)行充電，延伸了產(chǎn)品的應(yīng)用前景。

1 系統(tǒng)方框圖

本文所指的低功耗網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)系統(tǒng)，主要組成部分包括核心單元1和電源管理單元2，其中核心單元包括主控模塊、傳感器模塊、視頻采集模塊、音頻采集模塊和無線傳輸模塊等，電源管理單元包括太陽能模塊、充放電控制器和電池等（見圖1）。

1.1 主控模塊

主控模塊11負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的綜合管理和集中控制；本方案使用的低功耗視頻處理芯片最高分辨率支持到960P，內(nèi)嵌的專業(yè)級(jí)ISP能提供高品質(zhì)成像，采用H.264編碼引擎為多路視頻壓縮傳輸提供了最有力的保證。在保證高品質(zhì)低碼率視頻的基本前提下，芯片配備了高達(dá)1.0G主頻的CPU，不但可以提供強(qiáng)大的常用計(jì)算能力，也為智能視頻分析提供了有力保障。芯片內(nèi)部還集成了512兆比特DDRII，并且提供了以太網(wǎng)，USB，音頻，存儲(chǔ)等豐富接口。

圖1 系統(tǒng)方框圖

1.2 傳感器感應(yīng)模塊

傳感器模塊12負(fù)責(zé)感應(yīng)信息，當(dāng)人體紅外感應(yīng)器探測(cè)到有人進(jìn)入監(jiān)控區(qū)域時(shí)，產(chǎn)生信號(hào)觸發(fā)主控模塊11，啟動(dòng)網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)的其他模塊進(jìn)行音視頻信號(hào)采集，并通過互聯(lián)網(wǎng)和手機(jī)通知用戶。

1.3 視頻采集模塊

視頻采集模塊13包括鏡頭和圖像傳感器，主要負(fù)責(zé)采集視頻信號(hào)，將光信號(hào)按一定的格式轉(zhuǎn)換成圖像電信號(hào)，再由視頻編解碼模塊對(duì)圖像電信號(hào)進(jìn)行編碼、壓縮等處理，轉(zhuǎn)成一定格式的視頻數(shù)據(jù)流，實(shí)現(xiàn)攝像功能；

1.4 音頻采集模塊

音頻采集模塊14包括麥克風(fēng)和放大電路，拾取監(jiān)控區(qū)域的聲音信號(hào)，使得監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)更加立體和全面，音頻采集模塊14將聲音信號(hào)轉(zhuǎn)成音頻電信號(hào)，再由音頻編解碼模塊對(duì)音頻電信號(hào)進(jìn)行編碼、壓縮等處理，轉(zhuǎn)成一定格式的音頻數(shù)據(jù)流；

1.5 功放模塊

功放模塊16把手機(jī)端傳來的音頻信號(hào)進(jìn)行還原和功率放大，推動(dòng)網(wǎng)絡(luò)上攝像機(jī)的喇叭，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)和手機(jī)之間的雙向語音通話功能；

1.6 無線傳輸模塊

無線傳輸模塊15負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)傳輸，使用WiFi技術(shù)接上無線路由器，進(jìn)一步連接到互聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)和手機(jī)的遠(yuǎn)程通信，把網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)采集的數(shù)據(jù)上傳到互聯(lián)網(wǎng)或者用戶的手機(jī)上。

1.7 電源管理單元

電源管理單元2包括依次連接的太陽能模塊21、充放電控制器22和電池23。當(dāng)光照條件良好時(shí)，太陽能模塊21在充放電控制器22的控制下，一方面給電池23充電，一方面通過電源轉(zhuǎn)換模塊24向核心單元1供電，提供各模塊所需要的多組工作電壓，當(dāng)無光照時(shí)或電池充滿后，再切換到電池23供電，保證了設(shè)備的正常工作。

1.8 紅外夜視模塊

紅外夜視模塊17，通過光敏元件來判斷環(huán)境的照度，當(dāng)環(huán)境照度低于一定值時(shí)，就會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)紅外燈，為網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)提供輔助照明，獲取清晰的畫面，使得在外界光照條件不好的情況下也能捕捉到清晰的畫面，提高夜視攝像效果；

1.9 儲(chǔ)存模塊

儲(chǔ)存模塊18，在主控模塊11的控制下，能夠使用TF卡進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，方便必要時(shí)進(jìn)行查看、備份，實(shí)現(xiàn)安全防護(hù)功能。

2 低功耗的技術(shù)設(shè)計(jì)

本方案主要通過軟件和硬件的有效結(jié)合，合理設(shè)計(jì)各模塊的工作模式及工作時(shí)序來降低能耗，提高設(shè)備的電池續(xù)航能力。一般情況下，設(shè)備（網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)，下同）處于待機(jī)模式，此時(shí)的功耗非常低?？梢酝ㄟ^兩種模式來進(jìn)行喚醒，使設(shè)備快速恢復(fù)到正常工作狀態(tài)，分別是傳感器觸發(fā)模式和手機(jī)主動(dòng)請(qǐng)求模式。

具體的工作過程為： 設(shè)備上電開機(jī)，系統(tǒng)經(jīng)過初始化后處于待機(jī)模式，此時(shí)主控模塊11處于待機(jī)狀態(tài)，無線傳輸模塊15處于低功耗工作狀態(tài)，其他模塊均處于休眠模式，降低設(shè)備的能耗。主控模塊11檢測(cè)是否有傳感器觸發(fā)信號(hào)或手機(jī)連接請(qǐng)求信號(hào)，當(dāng)檢測(cè)到傳感器模塊12傳來觸發(fā)信號(hào)時(shí)，主控模塊11就會(huì)立即啟動(dòng)處于休眠狀態(tài)的其他模塊，進(jìn)行音頻和視頻的采集、編碼、壓縮和本地存儲(chǔ)，并且將無線傳輸模塊15調(diào)整為正常工作狀態(tài)，將音視頻數(shù)據(jù)上傳到互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行云存儲(chǔ)，并把音視頻數(shù)據(jù)推送到用戶的手機(jī)上，網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)系統(tǒng)再經(jīng)過預(yù)設(shè)的時(shí)間后檢測(cè)不到傳感器觸發(fā)信號(hào)，系統(tǒng)重新處于待機(jī)模式，進(jìn)行低功耗工作。同樣地，當(dāng)主控模塊11檢測(cè)到手機(jī)連接請(qǐng)求信號(hào)時(shí)，也會(huì)立即啟動(dòng)處于休眠狀態(tài)的其他模塊，進(jìn)行音頻和視頻的采集、編碼、壓縮和本地存儲(chǔ)，將無線傳輸模塊15調(diào)整為正常工作狀態(tài)，用戶可以通過手機(jī)和網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)實(shí)時(shí)觀看現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)控畫面，結(jié)束監(jiān)測(cè)后，再經(jīng)過預(yù)設(shè)的時(shí)間后仍檢測(cè)不到手機(jī)連接請(qǐng)求信號(hào)，系統(tǒng)重新處于待機(jī)模式，進(jìn)行低功耗工作。

通過傳感器觸發(fā)模式和手機(jī)主動(dòng)請(qǐng)求模式兩種喚醒模式合理控制各個(gè)模塊的工作時(shí)序，能夠有效降低系統(tǒng)的能耗，延長(zhǎng)電池的持續(xù)供電能力，讓設(shè)備一直處于工作狀態(tài)。

3 太陽能板和電池的選用

3.1 電池規(guī)格

本方案的網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)的待機(jī)功耗小于3mW,正常工作時(shí)最大3W，每次觸發(fā)后工作約30秒，1天預(yù)計(jì)觸發(fā)10次，根據(jù)這些條件，如果選用3.7V 3600mAh的鋰電池，可以持續(xù)工作60天左右。

3.2 太陽能板規(guī)格

本方案選擇5.5V/150mA的單晶硅太陽能板，體積小，成本低，平均每天日照1小時(shí)，就能保證設(shè)備持續(xù)工作。

4 結(jié)論

一種基于太陽能板電池供電的低功耗網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)，通過太陽能板和電池供電，可以解決網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)的供電問題，方便網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)的安裝，延伸產(chǎn)品的應(yīng)用場(chǎng)合，比如戶外庭院、戶外運(yùn)動(dòng)或電源取電不便的區(qū)域等。

[1]陳育明．太陽能LED照明系統(tǒng)[M]．北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2011,5:91-144．

[2]魏學(xué)業(yè),谷建柱,惠子南等．太陽能LED照明設(shè)計(jì)及工程實(shí)例[M]．北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2014,9:32-68．

[3]周志敏,紀(jì)愛華等．太陽能LED照明設(shè)計(jì)及工程設(shè)計(jì)[M]．北京:中國(guó)電力出版社,2011,3:40-69．

[4] Christian Piguet(瑞士)主編．夏曉娟,張洪俞,吉新村,楊淼等譯．低功耗處理器及片上系統(tǒng)設(shè)計(jì),Low-Power Processors and Systems on Chips[M]．北京:科學(xué)出版社,2012:164-248．

[5]王衛(wèi)兵,張宏,金飛虎,郭文蘭等．傳感器技術(shù)及其應(yīng)用實(shí)例[M]．北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2013,4:140-143．

彭振華（1977—），江蘇啟東人，畢業(yè)于華南理工大學(xué)電子技術(shù)專業(yè)，主要研究領(lǐng)域：安防視頻監(jiān)控技術(shù)，嵌入式技術(shù)等。