謝井華，黎匡磊，文致旺

（國營長虹機(jī)械廠，廣西 桂林 541002）

智能安防主要是指利用人工智能技術(shù)，如目標(biāo)識別、語音識別、圖像檢測等，通過對安防數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，實(shí)現(xiàn)自動化和智能化的安防功能。近年來，隨著中國城鎮(zhèn)化率越來越高，城鎮(zhèn)居民對安裝智能攝像機(jī)的需求越來越大，兼顧安防性能的家庭IPC（IP Camera）網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)無疑具有巨大發(fā)展?jié)摿?。隨著物聯(lián)網(wǎng)和人工智能等產(chǎn)業(yè)的不斷推動，家用網(wǎng)絡(luò)智能攝像機(jī)近年來逐漸由網(wǎng)絡(luò)高清化向人工智能化轉(zhuǎn)變，通常具備視頻通話、物體識別、行為識別、環(huán)境感知和智能語音交互溝通等功能。

1 系統(tǒng)設(shè)計

IPC智能攝像機(jī)系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)音視頻信號的采集、數(shù)字信號智能處理、語音交互溝通和網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)裙δ?。IPC智能攝像機(jī)系統(tǒng)框圖如圖1所示，中央控制單元是整個系統(tǒng)的核心，在系統(tǒng)中負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的接收、緩存和轉(zhuǎn)換，通過USB3.0總線發(fā)送數(shù)據(jù)到人工智能模塊進(jìn)行進(jìn)一步的算法處理；基于邊緣計算的人工智能芯片BM1880實(shí)現(xiàn)了音視頻數(shù)據(jù)的并行處理，從而使運(yùn)算效率得到了極大的提高；圖像傳感器模塊以O(shè)V4689 CMOS圖像傳感器為核心，是IPC智能攝像機(jī)的重要組成部分，主要用于實(shí)現(xiàn)視頻信號的采集功能；語音控制模塊主要由瑞昱半導(dǎo)體公司的ALC4042和ALC1006芯片組成，兩芯片間通過I2S總線進(jìn)行通信，該模塊可采集數(shù)字麥克風(fēng)信號并輸出低噪聲、低失真和低串?dāng)_的音頻信號；網(wǎng)絡(luò)模塊負(fù)責(zé)提供數(shù)字信號的無線網(wǎng)絡(luò)傳輸，是IPC智能攝像機(jī)與手機(jī)交互的通道；存儲模塊負(fù)責(zé)存儲經(jīng)人工智能模塊處理后的音視頻信號，便于用戶隨時回放采集的信號；電機(jī)驅(qū)動模塊負(fù)責(zé)控制智能攝像機(jī)水平方向和垂直方向的運(yùn)轉(zhuǎn)；電源模塊用于為其他各模塊電路提供必要的電源。

2 硬件模塊設(shè)計

2.1 中央控制單元

IPC智能攝像機(jī)系統(tǒng)的中央控制單元主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收、緩存和轉(zhuǎn)換等功能。本設(shè)計中，中央控制單元以Hi3519為核心，通過圖像傳感器進(jìn)行圖像采集及控制，并緩存采集到的數(shù)據(jù)，再通過USB3.0接口將數(shù)據(jù)上傳到人工智能模塊進(jìn)行進(jìn)一步的圖像處理。中央控制單元提供MIPI總線接口與圖像傳感器模塊相連，實(shí)現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)的采集；提供DDR總線接口與DDR3內(nèi)存相連，用于緩存圖像數(shù)據(jù)；提供SDIO總線接口與SD卡和WIFI模塊相連，分別用于實(shí)現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)的保存和信號的網(wǎng)絡(luò)傳輸；提供USB3.0總線接口與人工智能模塊相連，用于圖像數(shù)據(jù)的傳輸；提供USB2.0總線接口與語音控制模塊相連，用于采集本地語音及進(jìn)行遠(yuǎn)程音頻數(shù)據(jù)的驅(qū)動等功能；提供SPI總線接口與SPI芯片和電機(jī)驅(qū)動模塊相連，分別用于加載系統(tǒng)初始化默認(rèn)參數(shù)和驅(qū)動IPC智能攝像機(jī)分別在水平和垂直方向轉(zhuǎn)動。

2.2 人工智能模塊

IPC智能攝像機(jī)系統(tǒng)的人工智能模塊，主要用于目標(biāo)識別、語音識別、圖像檢測等人工智能算法處理。人工智能模塊框圖如圖2所示，本系統(tǒng)選用比特大陸推出的首款邊緣AI協(xié)處理器BM1880芯片作為人工智能模塊的處理核心，該芯片采用28nm工藝，是一款聚焦于邊緣應(yīng)用的深度學(xué)習(xí)推理人工智能芯片。BM1880提供1 TOPS的INT8運(yùn)算能力，在Winograd卷積加速下，可以提供2 TOPS的INT8運(yùn)算能力，芯片集成有H.264解碼（2路1080p 30fps）和MJPEG編解碼功能模塊，并且支持多芯片平行運(yùn)算拓展功能，可用于人工智能、機(jī)器視覺、高性能計算等環(huán)境。

圖2 人工智能模塊框圖

2.3 圖像傳感器模塊

圖像傳感器模塊是IPC智能攝像機(jī)視頻采集的重要部分，主要用來實(shí)現(xiàn)視頻信號采集的功能，采集的視頻信號由中央控制單元進(jìn)行視頻編碼壓縮處理。圖像傳感器芯片上面放置合適的光學(xué)鏡頭后，在圖像傳感器正常加電后即可將光信號轉(zhuǎn)換為電信號存儲在中央控制單元的緩存中，可用于后續(xù)電路的處理。本系統(tǒng)的圖像傳感器模塊選用上海韋爾半導(dǎo)體股份有限公司的OV4689 CMOS圖像傳感器作為主芯片。它是一款高達(dá)四百萬像素的圖像傳感器，擁有多種HDR模式來實(shí)現(xiàn)動態(tài)范圍擴(kuò)充，并保持較高的幀速率，其可通過MIPI總線接口與Hi3519進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。OV4689硬件電路圖如圖3所示，數(shù)據(jù)傳輸部分由一對差分時鐘信號（MCN/MCP）、四對數(shù)字差分信號（MDN/MDP）實(shí)現(xiàn)，主要傳輸經(jīng)過A/D變換和初步處理的數(shù)字視頻信號；圖像傳感器的工作時鐘EXCLK和復(fù)位信號XSHUTDOWN由Hi3519芯片提供；引腳SIOC、SIOD與Hi3519芯片的I2C總線連接，實(shí)現(xiàn)芯片間參數(shù)信息的傳輸。

圖3 OV4689硬件電路圖

2.4 語音控制模塊

IPC智能攝像機(jī)系統(tǒng)的語音控制模塊負(fù)責(zé)采集本地語音及遠(yuǎn)程音頻播放的功能。本系統(tǒng)支持雙向語音單向視頻（設(shè)備端->客戶端）的視頻通話功能，其中對講功能支持設(shè)備端發(fā)起和客戶端發(fā)起兩種對講發(fā)起方式。客戶端發(fā)起時，點(diǎn)擊客戶端通話按鍵發(fā)起對講，無須設(shè)備端同意即可直接開始通話；設(shè)備端發(fā)起時，需用戶長按設(shè)備通話按鍵3S向客戶端發(fā)起視頻通話請求，客戶端彈出設(shè)備端通話請求頁面，同意后開始通話。語音控制模塊框圖如圖4所示，主要由瑞昱半導(dǎo)體的ALC4042和ALC1006芯片組成，兩芯片間通過I2S總線進(jìn)行通信；ALC4042是一款以USB2.0為通信接口的音頻解碼器，集成了立體聲模擬輸入輸出接口和數(shù)字麥克風(fēng)接口的功能。ALC1006是一款高性能的D類音頻放大器，可以驅(qū)動立體聲BTL模式下的8Ω或4Ω揚(yáng)聲器，具有低噪聲、低失真和低串?dāng)_的音頻特性。

圖4 語音控制模塊框圖

2.5 網(wǎng)絡(luò)模塊設(shè)計

IPC智能攝像機(jī)系統(tǒng)通過無線網(wǎng)絡(luò)模塊與用戶手機(jī)通信，用于攝像機(jī)參數(shù)配置和數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸。本系統(tǒng)采用Air Kiss模式進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)快速配置與連接，在首次啟動設(shè)備或在長按Reset按鍵5S的情況下設(shè)備進(jìn)入配網(wǎng)模式；配網(wǎng)過程中，需要保證客戶端手機(jī)與IPC智能攝像機(jī)在同一WIFI環(huán)境下，使用客戶端APP進(jìn)行設(shè)備網(wǎng)絡(luò)配置操作；完成配網(wǎng)及注冊步驟后，設(shè)備指示燈變?yōu)樗{(lán)色，并提示語音網(wǎng)絡(luò)連接成功。網(wǎng)絡(luò)模塊硬件電路圖如圖5所示，本設(shè)計中采用WIFI-8189模塊實(shí)現(xiàn)無線數(shù)據(jù)的傳輸，該模塊封裝有REALTEK的低功耗2.4GHz的無線RTL8189FTV芯片，符合IEEE802.11N標(biāo)準(zhǔn)，支持IEEE802.11i安全協(xié)議，以及IEEE802.11e標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)質(zhì)量。網(wǎng)絡(luò)模塊采用SDIO總線接口與中央控制單元進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，具有設(shè)計簡潔、穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)。

圖5 網(wǎng)絡(luò)模塊硬件電路圖

2.6 存儲模塊

IPC智能攝像機(jī)系統(tǒng)的存儲模塊采用SD卡的方式存儲，最大支持128G容量，用于存儲攝像機(jī)的音視頻數(shù)據(jù)。在攝像機(jī)設(shè)備端插入SD卡后，會自動將音視頻信號存儲到SD中，SD卡的空間存儲滿后，會從最早的音視頻文件開始覆蓋存儲。存儲模塊硬件電路圖如圖6所示，SD卡通過SDIO總線接口與中央控制單元通信。SDIO總線含一根電源管腳和兩根地線管腳、一根時鐘信號管腳由中央控制單元產(chǎn)生時鐘信號、一根SD卡偵測管腳用于識別SD卡是否插入、一根命令控制管腳由中央控制單元通過該管腳發(fā)送命令控制SD卡，四根數(shù)據(jù)信號管腳用于與中央控制單元間的數(shù)字信號傳輸。SD卡具有存儲量大、硬件體積小、存儲速度較快，設(shè)計簡潔方便等特點(diǎn)。

圖6 存儲模塊硬件電路圖

2.7 電機(jī)驅(qū)動模塊

IPC智能攝像機(jī)系統(tǒng)的電機(jī)驅(qū)動模塊負(fù)責(zé)控制智能攝像機(jī)水平方向和垂直方向的旋轉(zhuǎn)。本系統(tǒng)可支持水平340度（左右各170°），垂直85°（上50°最大視角，上75°鏡頭遮蔽，下10°最大視角）云臺轉(zhuǎn)動控制，能夠完成360°全景無死角拍攝的需求。為了保證攝像機(jī)能夠云臺正常工作，每次設(shè)備通電后，IPC智能攝像機(jī)都會首先進(jìn)行云臺校準(zhǔn)操作。在控制面板界面，用戶可以通過按鍵和滑動進(jìn)行云臺轉(zhuǎn)動的交互操作，每次操作電機(jī)會向相應(yīng)方向轉(zhuǎn)動5°。系統(tǒng)設(shè)計中，采用MS41909芯片實(shí)現(xiàn)電機(jī)驅(qū)動控制，該芯片可用于網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)和監(jiān)控攝像機(jī)的鏡頭驅(qū)動，具有超低噪聲驅(qū)動的特點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)電機(jī)256微步驅(qū)動，每個H橋最大驅(qū)動電流±0.5A。電機(jī)驅(qū)動模塊硬件電路圖如圖7所示，工作電源采用3.3V和5V，時鐘采用27MHz晶振，MS41909芯片通過SPI總線與中央控制單元進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

圖7 電機(jī)驅(qū)動模塊電路圖

2.8 電源模塊

電源模塊是整個IPC智能攝像機(jī)系統(tǒng)的供電單元，負(fù)責(zé)為其他各模塊電路提供必要的工作電壓電流。整個IPC智能攝像機(jī)系統(tǒng)的輸入電壓為12V，中央控制單元需要3.3V、1.8V、1.5V和動態(tài)調(diào)節(jié)的CPU、DDR模塊電壓，人工智能模塊需要3.3V、1.8V、1.1V、0.9V和動態(tài)調(diào)節(jié)的DDR模塊電壓，圖像傳感器模塊需要2.8V、1.8V和1.2V供電，語音控制模塊、網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊和存儲模塊需要用到3.3V電壓，電機(jī)驅(qū)動模塊需要用到5V和3.3V電壓。以上電源模塊均通過DC/DC轉(zhuǎn)換電源實(shí)現(xiàn)，考慮到多種電源輸出及功率大小的差異，需要用到多型線性穩(wěn)壓器，并且要注意多種電源間的上電時序問題。

為了滿足Hi3519和BM1880芯片的電氣規(guī)格要求，并使功耗盡可能降低，需要使用SVB動態(tài)調(diào)壓功能。該功能由中央控制單元（CPU）控制PWM模塊輸出PWM波形，經(jīng)過RC濾波后產(chǎn)生0～3.3V不同電壓的直流電平，并將該直流電平疊加到DC/DC轉(zhuǎn)換器的反饋電壓輸入管腳，經(jīng)調(diào)節(jié)主控單元相關(guān)的寄存器可以改變PWM的頻率和占空比，最終可以實(shí)現(xiàn)動態(tài)調(diào)節(jié)DC/DC轉(zhuǎn)換器的輸出電壓。電源動態(tài)調(diào)壓示意圖如圖8所示。

圖8 電源動態(tài)調(diào)壓示意圖

3 產(chǎn)品運(yùn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)移

IPC智能攝像機(jī)運(yùn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖如圖9所示。當(dāng)攝像機(jī)首次啟動時，首先進(jìn)行云臺校準(zhǔn)，利用一些特殊算法來檢測并糾正攝像機(jī)畫面偏差等問題。校準(zhǔn)完成后進(jìn)入配網(wǎng)狀態(tài)，若連接網(wǎng)絡(luò)成功，則進(jìn)入正常工作狀態(tài)，若等待5分鐘無網(wǎng)絡(luò)連接則進(jìn)入斷網(wǎng)狀態(tài)。當(dāng)在正常工作狀態(tài)或者斷網(wǎng)狀態(tài)時，長按5秒Reset按鈕，都將重新進(jìn)入配網(wǎng)狀態(tài)。設(shè)備完成配網(wǎng)注冊等初始化流程后，用戶能夠通過客戶端控制界面使用IPC智能攝像機(jī)的各種功能。當(dāng)進(jìn)入正常工作狀態(tài)后，若網(wǎng)絡(luò)斷開則進(jìn)入斷網(wǎng)狀態(tài)；若攝像機(jī)被拔掉電源則進(jìn)入關(guān)機(jī)狀態(tài)；若攝像頭被屏蔽，則進(jìn)入攝像頭屏蔽狀態(tài)，當(dāng)屏蔽去除后又返回正常狀態(tài)；若關(guān)閉指示燈，則進(jìn)入正常工作狀態(tài)（關(guān)閉指示燈），當(dāng)打開指示燈后又返回正常工作狀態(tài)；若按鍵/語音喚醒攝像機(jī)，則進(jìn)入語音交互狀態(tài)，當(dāng)交互結(jié)束后又返回正常工作狀態(tài)；若主動/被動固件升級，則進(jìn)入固件升級狀態(tài)；若用戶重啟攝像機(jī)，則將進(jìn)行云臺校準(zhǔn)，并判斷是否有可用的無線網(wǎng)絡(luò)，無網(wǎng)絡(luò)時進(jìn)入斷網(wǎng)狀態(tài)，有網(wǎng)絡(luò)時則直接按存儲的網(wǎng)絡(luò)設(shè)置進(jìn)入正常工作狀態(tài)。

圖9 IPC智能攝像機(jī)運(yùn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖

4 結(jié)語

本文設(shè)計了一個基于Hi3519的IPC智能攝像機(jī)系統(tǒng)，通過圖像傳感器模塊采集圖像，利用語音控制模塊采集語音，在中央控制單元進(jìn)行緩存和數(shù)據(jù)交換后，交由人工智能模塊進(jìn)行目標(biāo)識別、語音識別、圖像檢測等人工智能算法處理，處理后的信息返回給中央控制單元，再經(jīng)存儲模塊和網(wǎng)絡(luò)模塊進(jìn)行信號的存儲與無線傳輸。該系統(tǒng)具有高清視頻和語音數(shù)據(jù)傳輸、快速人臉檢測識別和語音語義處理能力等特點(diǎn)，可以應(yīng)用于小區(qū)安防報警、家庭防盜、監(jiān)測守護(hù)等多個領(lǐng)域。