MatrixCam开发套件促进物联网产品添加全高清视频流
2016-11-30
一、前言
物联网(IoT)正迅速演进且潜力巨大。据相关预测，未来5到10年，将有数以十亿计的智能设备通过IoT跨越多个领域实现互通互联，包括有无线控制功能的LED灯泡、机顶盒、智能电表、烟雾报警器、可穿戴设备、安防摄像机、智能家居、智能体重计等等，将带给我们全新的生活体验。
二、图像传感器是IoT的核心
在物联网应用中，传感器无处不在，无论是智能楼宇/家居领域的智能锁、安防监控、照明系统、恒温器、智能门铃、宝宝监控器、智能家电，还是移动医疗、车联网、工业领域的无人机系统、机器人，消费电子领域的可穿戴及游戏机等等，都内置多个传感器，且都至少包含一个图像传感器。可以说，图像传感器是物联网应用的核心器件。
一般而言，应用于IoT的图像传感器具有以下关键特性：
1. 小光学格式：1/13～1/4in.；
2. 分辨率：VGA至500万像素；
3. 系统级芯片(SoC)及RAW传感器两种类型；
4. 具备低功耗待机模式；
5. 帧率至少达到30fps以上。
从趋势上看，这类传感器朝向模块化、高度集成、低功耗、低成本及支援高度压缩的H.264视频方向发展。
安森美半导体凭借在图像传感器领域的领先优势和丰富经验，在IoT领域制胜，成功的案例如Skully公司设计的被称为“全球最智能的摩托车头盔”、Oculus(已被Facebook收购)的虚拟现实(VR)眼罩、Dropcam的家庭安防监控摄像机，以及Canary的被喻为“最美的家庭全功能安防警报系统”，都采用了安森美半导体的图像传感器，提供高品质的全高清视频。
三、全集成的视频开发方案：MatrixCam
针对家庭自动化系统、楼宇接入设备、婴儿监视器、先进的照明控制和智能家电等关键应用，安森美半导体推出完整的摄像机方案MatrixCam，加快工程师的开发进程，使客户可随时投产。
MatrixCam的功能图如图2所示：摄像头捕获的信息经过图像传感器传给H.264编码器，该编码器将信息处理后可传给以太网或存储到SD卡，或由WiFi外传上网，在待机的状态下经由蓝牙或无源红外(PIR)唤醒系统。
MatrixCam是智能的、低功耗1080p视频流参考设计：
1. 内置众多互联互通方案——包括Wi-Fi(802.11b/g/n)、以太网(10/100 Mbps)和蓝牙低功耗(BLE)。
2. 支持微型SD卡存储视频和图片
3. 可连接到云服务如亚马逊网络服务和谷歌云平台，便于视频点播和直接在用户的智能设备上直播。
4. 具备双向音频功能：提供全向电容式麦克风，支持音频编码，捕捉声音，并播放存储在SD卡上的音频文件
5. 1080p@30fps智能流：支持Firefox、IE及苹果的Safari浏览器、Linux、Windows及苹果操作系统、iOS、安卓智能手机系统、亚马逊和谷歌的云端服务
表1 API及示例代码GitHub资源库
6. 推送通知：由 BLE或通过集成运动检测的 PIR传感器唤醒。唤醒后，推送通知被发送到指定的便携式电子设备(智能手机、平板电脑等等)，提醒用户应查看直播(或静态图像)。
7. VDK可通过一个简单的基于web的图形用户界面(GUI)或使用专用移动应用进行网络配置、视频配置、录制配置、云配置、用户管理、拍照、录制视频、打开/关闭音频、查看直播流、固件更新等等。
8. MatrixCam开发套件是开放式影像平台，提供应用程序编程接口(API)测试程序，包含开放源码，可从电脑或安卓系统执行，API及示例代码GitHub资源库如表1所示。
MatrixCam参考设计结合了安森美半导体的图像传感器AR023Z、降压/升压转换器NCP3064、开关NCP6332-D、低压降稳压器(LDO)NCP160-D、电压监控MAX708T、电量计LC709203F、电池充电器NCP1855-D等器件，其中AR023Z 1/2.7 in. CMOS图像传感器是这参考设计的核心。
AR023Z是高性能的1080p高动态范围(HDR)图像传感器，采用DR-pix技术提供领先业界的微光性能，支持高品质1080p 60fps高清视频，灵活的接口选择如并行或HiSPi接口兼容于所有流行的图像信号处理器(ISP)，提供片上HDR或支持第三方ISP交错HDR模式的选择，开窗、像素合并、跳行、温度传感器等先进的特性为客户提供更高灵活性。
HDR是AR023Z最关键的特性，其多重曝光HDR技术可提供16倍和32倍增益比，自适应局部色调映射可让高动态的功能更易于使用，增加的动态范围超越前代技术，提供更灵敏像素及更优信噪比(SNR)，支持交错模式T1/T2 帧输出选择即芯片外HDR处理。客户可根据图形处理器决定具体使用哪一种模式。
此外，MatrixCam还使用了GainSpan的GS2011 WiFi模块，提供极低待机功耗，符合IEEE802.11b/g/n标准，支持WEP/WPA/WPA2安全、Adhoc网络以及Wi-Fi保护设置（WPS），提供SPI、UART、SDIO等I/O接口，其中SDIO可达40Mbit/s的传输速率，其WiFi和TCP/IP网络堆栈无需使用外部处理器就可直接在模组上运行，通过美国FCC、加拿大IC、欧洲的ETSI及日本的TELEC认证，能在全球畅通无阻地使用。
MatrixCam的关键特性：
1、应用程序处理器
* 1080p@30fps 视频串流通过以太网及Wi-Fi
* 为视频和静态图像添加分辨率选择
* 内置图像信号处理器
* 从待机唤醒的视频直播和录制
* 蓝牙低功耗(BLE)和远红外(PIR)从待机唤醒
2、图像传感器
* 分辨率：1920x1080@60fps
* 像素尺寸：3μm
* 色彩滤波阵列(CFA)：RGB Bayer
* 快门类型：电子卷帘快门(ERS)，GRR
* 输入时钟范围：6～48MHz
* 输出：串行，并行
* 输出时钟最大值：148.5Mp/s（4通道HiSpi），74.25Mp/s（并行）
* 帧率：60fps
* 响应：4.0V/lux.s
* 信噪比(SNR)最大值：41dB
* 电源电压：I/O：1.8或2.8V
* 数字：1.8V
* 模拟：2.8V
* HiSpi：0.3V～0.6V(SLVS)，1.7V～1.9V(HiVcm)
3、PIR传感器
* 能检测 10～15ft.处的人
* 检测角度至少应为140°°
4、无线连接
（1）Wi-Fi
* 单频带（2.4 Ghz）Wi-Fi 模块能力802.11b/g/n
* Wi-Fi在客户端模式下运行
* 待机模式低功耗
（2）BLE
* 能连接摄像机到房间内其它BLE 4.0设备
* 能从待机唤醒
5、以太网
IEEE 802.3u 10/100Mbps
6、音频
* 麦克风：全方位麦克风
* 音频译码：16khz，32/64kbps AAC-LC
* 扬声器：NXP （手机扬声器）0.5 瓦
7、存储器
微型SD卡插槽
8、USB 连接器（微型 USB）
* 用于调试
* 用于固件升级
* 录制图片和视频到SD卡和从SD卡播放
* 将有一个滑动开关来打开/关断
9、电源
* 微型USB
* 单节锂离子电池充电器
10、镜头规格
* HFOV（水平视野）：105°
* VFOV（垂直视野）：80°
11、LED
多色LED以显示状态
12、实时时钟
将使用实时时钟(RTC)GS2011MIES
四、总结
摄像机在IoT应用中不可或缺，图像传感器发挥着至关重要的作用。安森美半导体具有从分立半导体到专用标准产品(ASSP)和定制专用集成电路(ASIC)的宽广产品阵容，基于强大卓越的运营和大量应用的悠久历史，能为快速增长的IoT市场提供完整的IoT方案。为促进IoT产品采用更多的视频而开发，并加快相关产品上市，安森美半导体推出开放的成像平台MatrixCam，提供通过WiFi、BLE或以太网连接的低功耗视频流和静态图像捕获，具备领先业界的微光性能，支持双向音频和云整合，易于定制，使产品能快速上市。
