基于太阳能板电池供电的网络摄像机低功耗设计

2017-02-17珠海爱司马特数码科技有限公司彭振华

电子世界 2017年2期

珠海爱司马特数码科技有限公司彭振华

珠海爱司马特数码科技有限公司彭振华

本文主要针对为了满足网络摄像机适应户外工作，如何能基于太阳能板和电池进行持续供电，提出了一种低功耗的设计方案。该方案的网络摄像机具有无线传输、录像存储、远程访问、待机功耗低、唤醒反应迅速等特点。网络摄像机在待机模式下，整机功耗极低，可通过人体热释红外传感器或手机APP进行唤醒，切换到正常工作模式，经过预设的时间后，再次返回到待机模式。通过软、硬件的合理设计并选择合适的太阳能板及电池，从而保证网络摄像机能持续地工作。

网络摄像机；电池供电；太阳能板；低功耗设计

0 引言

随着科技的进步和生活水平的提高，人们对安全的关注和需求也逐步升高，特别在家庭、商铺和公司等场所，即插即用的网络摄像机变得越来越普及，用户只要先将网络摄像机连接上互联网，然后通过手机即可实现远程监控，随时随地查看被监控区域的情况。

目前的网络摄像机虽然通过采用无线技术免去了布置网线的工作，网络摄像机基本上可以根据需要安装在室内的任何位置，但是网络摄像机的电源供电仍存在一些问题：当需要监控的区域没有电源插座或者不方便布置电源线时，就极大地限制了摄像机的使用；另一方面，如果需要在户外安装和使用网络摄像机，电源供电将更加困难。

鉴于此，本文提出了一种低功耗设计方案，对网络摄像机的最小功耗和响应时间等技术指标上做了较大的突破和创新，可以实现用电池进行长时间供电，更支持户外太阳能板进行充电，延伸了产品的应用前景。

1 系统方框图

本文所指的低功耗网络摄像机系统，主要组成部分包括核心单元1和电源管理单元2，其中核心单元包括主控模块、传感器模块、视频采集模块、音频采集模块和无线传输模块等，电源管理单元包括太阳能模块、充放电控制器和电池等（见图1）。

1.1 主控模块

主控模块11负责整个系统的综合管理和集中控制；本方案使用的低功耗视频处理芯片最高分辨率支持到960P，内嵌的专业级ISP能提供高品质成像，采用H.264编码引擎为多路视频压缩传输提供了最有力的保证。在保证高品质低码率视频的基本前提下，芯片配备了高达1.0G主频的CPU，不但可以提供强大的常用计算能力，也为智能视频分析提供了有力保障。芯片内部还集成了512兆比特DDRII，并且提供了以太网，USB，音频，存储等丰富接口。

图1 系统方框图

1.2 传感器感应模块

传感器模块12负责感应信息，当人体红外感应器探测到有人进入监控区域时，产生信号触发主控模块11，启动网络摄像机的其他模块进行音视频信号采集，并通过互联网和手机通知用户。

1.3 视频采集模块

视频采集模块13包括镜头和图像传感器，主要负责采集视频信号，将光信号按一定的格式转换成图像电信号，再由视频编解码模块对图像电信号进行编码、压缩等处理，转成一定格式的视频数据流，实现摄像功能；

1.4 音频采集模块

音频采集模块14包括麦克风和放大电路，拾取监控区域的声音信号，使得监控数据更加立体和全面，音频采集模块14将声音信号转成音频电信号，再由音频编解码模块对音频电信号进行编码、压缩等处理，转成一定格式的音频数据流；

1.5 功放模块

功放模块16把手机端传来的音频信号进行还原和功率放大，推动网络上摄像机的喇叭，实现网络摄像机和手机之间的双向语音通话功能；

1.6 无线传输模块

无线传输模块15负责数据传输，使用WiFi技术接上无线路由器，进一步连接到互联网，实现网络摄像机和手机的远程通信，把网络摄像机采集的数据上传到互联网或者用户的手机上。

1.7 电源管理单元

电源管理单元2包括依次连接的太阳能模块21、充放电控制器22和电池23。当光照条件良好时，太阳能模块21在充放电控制器22的控制下，一方面给电池23充电，一方面通过电源转换模块24向核心单元1供电，提供各模块所需要的多组工作电压，当无光照时或电池充满后，再切换到电池23供电，保证了设备的正常工作。

1.8 红外夜视模块

红外夜视模块17，通过光敏元件来判断环境的照度，当环境照度低于一定值时，就会自动启动红外灯，为网络摄像机提供辅助照明，获取清晰的画面，使得在外界光照条件不好的情况下也能捕捉到清晰的画面，提高夜视摄像效果；

1.9 储存模块

储存模块18，在主控模块11的控制下，能够使用TF卡进行数据存储，方便必要时进行查看、备份，实现安全防护功能。

2 低功耗的技术设计

本方案主要通过软件和硬件的有效结合，合理设计各模块的工作模式及工作时序来降低能耗，提高设备的电池续航能力。一般情况下，设备（网络摄像机，下同）处于待机模式，此时的功耗非常低。可以通过两种模式来进行唤醒，使设备快速恢复到正常工作状态，分别是传感器触发模式和手机主动请求模式。

具体的工作过程为：设备上电开机，系统经过初始化后处于待机模式，此时主控模块11处于待机状态，无线传输模块15处于低功耗工作状态，其他模块均处于休眠模式，降低设备的能耗。主控模块11检测是否有传感器触发信号或手机连接请求信号，当检测到传感器模块12传来触发信号时，主控模块11就会立即启动处于休眠状态的其他模块，进行音频和视频的采集、编码、压缩和本地存储，并且将无线传输模块15调整为正常工作状态，将音视频数据上传到互联网进行云存储，并把音视频数据推送到用户的手机上，网络摄像机系统再经过预设的时间后检测不到传感器触发信号，系统重新处于待机模式，进行低功耗工作。同样地，当主控模块11检测到手机连接请求信号时，也会立即启动处于休眠状态的其他模块，进行音频和视频的采集、编码、压缩和本地存储，将无线传输模块15调整为正常工作状态，用户可以通过手机和网络摄像机实时观看现场的监控画面，结束监测后，再经过预设的时间后仍检测不到手机连接请求信号，系统重新处于待机模式，进行低功耗工作。

通过传感器触发模式和手机主动请求模式两种唤醒模式合理控制各个模块的工作时序，能够有效降低系统的能耗，延长电池的持续供电能力，让设备一直处于工作状态。