隨著網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)在專業(yè)安防和家庭安防中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，市場(chǎng)對(duì)于安裝便利的電池供電低功耗無(wú)線網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)的方案需求快速增長(zhǎng)。分析低功耗無(wú)線攝像機(jī)的設(shè)計(jì)涉及軟硬件、云端和終端等諸多環(huán)節(jié)，其硬件架構(gòu)、軟件實(shí)現(xiàn)、快速啟動(dòng)和無(wú)線連接等方面是關(guān)乎產(chǎn)品性能的關(guān)鍵要素。

1 引言

監(jiān)控?cái)z像機(jī)經(jīng)歷了從模擬攝像機(jī)到網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)的發(fā)展階段，得益于超大規(guī)模集成電路的發(fā)展以及數(shù)字編碼和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，攝像機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)[1-3]的覆蓋范圍和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)限制被打開(kāi)，網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)在整體行業(yè)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。

網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)從結(jié)構(gòu)上分為光學(xué)鏡頭部分、圖像傳感器 sensor 部分，圖像信號(hào)處理和壓縮 SoC 芯片部分，以及網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和傳輸部分。通常的網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)采用有線以太網(wǎng)傳輸方式，配合交換機(jī)、傳輸網(wǎng)絡(luò)、NVR 網(wǎng)絡(luò)硬盤(pán)錄像機(jī)以及顯示終端等等，組成了典型的網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)。網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)的供電一般采用 12 V 直流供電，可采用本地分散供電或集中供電的方式。近年來(lái)使用的 PoE 技術(shù)，可以使用有線以太網(wǎng)來(lái)提供攝像機(jī)所需的直流電源，節(jié)約了額外的供電設(shè)備，并減少了電源布線工程。

隨著網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，一些行業(yè)應(yīng)用（如便利店、小型辦公室、家庭庭院）對(duì)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的安裝和使用便利性提出了更高的要求。對(duì)于傳統(tǒng)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)而言，前端攝像機(jī)和交換機(jī)或者 NVR 錄像機(jī)之間的布線工程復(fù)雜，而且在一些場(chǎng)景中，不需要全天候的錄像監(jiān)控，取而代之的是事務(wù)觸發(fā)型監(jiān)控需求，典型的是在檢測(cè)到有人員入侵時(shí)啟動(dòng)錄像和傳輸工作。控制端和顯示監(jiān)視端也轉(zhuǎn)移到移動(dòng)終端來(lái)實(shí)現(xiàn)。

為了適應(yīng)這種新的需求，新的視頻監(jiān)控系統(tǒng)中采用了無(wú)線和低功耗技術(shù)。壓縮的視頻通過(guò)無(wú)線傳輸，攝像機(jī)的供電采用電池供電，用以取代傳統(tǒng)的有線網(wǎng)絡(luò)傳輸方式和有線供電方式。電池型無(wú)線攝像機(jī)接入到一個(gè)無(wú)線路由器或者基站，此基站通過(guò)有線與外網(wǎng)云服務(wù)連接，這樣提供了手機(jī)終端對(duì)整體視頻監(jiān)控系統(tǒng)的控制和使用。

2 設(shè)計(jì)要素和方法

2.1 硬件方案設(shè)計(jì)

電池供電低功耗無(wú)線網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)的硬件設(shè)計(jì)分為音視頻子系統(tǒng)、低功耗管理子系統(tǒng)和電池子系統(tǒng)三個(gè)部分。

（1）音視頻子系統(tǒng)。音視頻子系統(tǒng)的核心器件是圖像信號(hào)處理和壓縮 SoC 芯片（IPC 芯片），外圍有圖像傳感器芯片、音頻采集和播放芯片、紅外燈、光敏電阻器件以及存儲(chǔ)器件。此部分的核心是 IPC 芯片，其主要功能是圖像和音頻的信號(hào)處理，音視頻數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，無(wú)線信號(hào)傳輸，以及和基站（無(wú)線路由器）的協(xié)議通信。若基站（無(wú)線路由器）僅是提供以太網(wǎng)數(shù)據(jù)的路由功能，不承載和云端的應(yīng)用協(xié)議，則 IPC 芯片還將負(fù)責(zé)云服務(wù)協(xié)議，完成業(yè)務(wù)管理功能。

音視頻子系統(tǒng)在未被啟用的時(shí)間里處于完全斷電的狀態(tài)，僅在系統(tǒng)被激活后，此部分上電并進(jìn)行相關(guān)業(yè)務(wù)的處理。其和低功耗管理子系統(tǒng)可通過(guò) UART 串口連接，用于溝通被激活的狀態(tài)以及其他一些狀態(tài)和命令信息。

（2）低功耗管理子系統(tǒng)。低功耗管理子系統(tǒng)處于長(zhǎng)期供電的狀態(tài)，其核心部件有低功耗 MCU 處理器，無(wú)線 WiFi 模塊，PIR 被動(dòng)紅外檢測(cè)以及其他按鍵、指示燈和電量計(jì)等。

PIR 被動(dòng)紅外檢測(cè)是用來(lái)測(cè)試外部環(huán)境的生物入侵情況，在一定范圍內(nèi)檢測(cè)到有生物（比如人、狗等其他哺乳動(dòng)物）時(shí)，PIR 將被觸發(fā)，發(fā)送觸發(fā)信號(hào)給MCU，由 MCU 來(lái)供電并喚醒整個(gè)音視頻子系統(tǒng)，進(jìn)行視頻和音頻的抓取。

無(wú)線 WiFi 模塊是用于和接收基站（或路由器）的通信使用。此類通信數(shù)據(jù)大體上分為兩種，一種是工作模式下的音視頻數(shù)據(jù)和控制指令，另一種是低功耗模式下的保活業(yè)務(wù)。和接收端基站的?；睿菫榱嗽谡麄€(gè)鏈路上保持業(yè)務(wù)的連接性和活躍性，以便達(dá)成在音視頻業(yè)務(wù)觸發(fā)后的快速數(shù)據(jù)通信，以及用戶終端對(duì)低功耗相機(jī)的實(shí)時(shí)控制。WiFi 模塊一般是通過(guò) SDIO/USB 和 IPC 芯片連接，用于音視頻業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的傳輸，而其通過(guò)一個(gè) GPIO 和低功耗 MCU 連接，用于用戶有遠(yuǎn)程控制時(shí)的信號(hào)通知，MCU 將據(jù)此退出休眠狀態(tài)，并做出合適的處理。

按鍵和指示燈則是用于對(duì)低功耗相機(jī)的配置操作和狀態(tài)監(jiān)控，它們和 MCU 之間通過(guò) GPIO 連接。電量計(jì)是用于監(jiān)控電池的電量狀態(tài)，用戶可實(shí)時(shí)的通過(guò)控制終端設(shè)置電池電量的告警狀態(tài)以及獲取當(dāng)前的電量狀態(tài)，它和 MCU 之間可通過(guò) I2C 和 GPIO 連接。

（3）電池子系統(tǒng)。電池子系統(tǒng)包括電池及供電電源模塊，若電池采用可充電電池，那么也包括可靠的充電電路。

電池子系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)計(jì)點(diǎn)是電源模塊的轉(zhuǎn)換效率和低功耗設(shè)計(jì)，這兩個(gè)指標(biāo)均是為了提高整體方案的功耗設(shè)計(jì)水平。例如，選取的音視頻子系統(tǒng)供電 DC-DC 模塊，在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，其需要有較高的電源轉(zhuǎn)換效率，使得損失的能量最小，在子系統(tǒng)掉電時(shí)，其需要有非常低的靜態(tài)電流指標(biāo)，例如 10 μA 的水平，以滿足整個(gè)系統(tǒng)的待機(jī)功耗水平。

2.2 業(yè)務(wù)方案設(shè)計(jì)

電池供電低功耗無(wú)線攝像機(jī)的業(yè)務(wù)類型包括有音視頻傳輸，待機(jī)?；?，遠(yuǎn)程喚醒和狀態(tài)通知等。其中的視頻采集和傳輸與待機(jī)?；钍亲詈诵牡膬纱髽I(yè)務(wù)，分別有其特別的設(shè)計(jì)和考量指標(biāo)。

當(dāng)音視頻子系統(tǒng)因?yàn)?PIR 觸發(fā)被激活時(shí)，說(shuō)明此時(shí)有即時(shí)的監(jiān)控需求，需要能盡快啟動(dòng)系統(tǒng)并抓取一段時(shí)間的視頻數(shù)據(jù)。所以，從 PIR 觸發(fā)開(kāi)始，到抓到第一幀正常的視頻圖像為止，這段第一幀出圖時(shí)間指標(biāo)是低功耗攝像機(jī)設(shè)計(jì)的最重要的指標(biāo)之一。影響此指標(biāo)的因素包括 IPC 芯片上電啟動(dòng)時(shí)間，程序加載和運(yùn)行時(shí)間，圖像傳感器采集時(shí)間和圖像質(zhì)量調(diào)整時(shí)間。

IPC 芯片從上電開(kāi)始，其電源和復(fù)位邏輯經(jīng)過(guò)短暫時(shí)間進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，這時(shí)芯片內(nèi)部的 ROM 和 RAM 邏輯開(kāi)始執(zhí)行，此時(shí)需要從外部讀取一定大小的程序到內(nèi)存中，ROM 和 RAM 的邏輯主要處理系統(tǒng)時(shí)鐘、輸入輸出和內(nèi)存的初始化邏輯，此外會(huì)將后續(xù)第一段的程序邏輯從外部讀入到內(nèi)存中運(yùn)行，進(jìn)入系統(tǒng)初始化階段。這個(gè)階段主要加載實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，還有對(duì)芯片圖像處理邏輯的配置和 sensor 的配置加載，這兩部分并行運(yùn)行。在芯片圖像邏輯配置完成，同時(shí) sensor 開(kāi)始第一階段正確出圖后，加載第二段程序邏輯，進(jìn)入圖像調(diào)整階段。這個(gè)階段需要快速地進(jìn)行曝光和白平衡等圖像參數(shù)的調(diào)整，以達(dá)到視頻圖像較高的顯示質(zhì)量。最后完成圖像質(zhì)量的調(diào)整后，第一張正常的視頻圖像才被真正的采集成功?？傮w來(lái)說(shuō)，影響這部分啟動(dòng)的重要因素有。① 外部程序加載速度；② 分段程序的功能劃分和大??；③ 圖像傳感器的配置速度和出圖速度；④ 圖像調(diào)整的速度。

此外，PIR 的觸發(fā)性能也是影響整體性能的重要因素。PIR 所帶來(lái)的觸發(fā)角度和距離精度等問(wèn)題，會(huì)直接影響產(chǎn)品的使用體驗(yàn)和電池使用壽命。其濾鏡的設(shè)計(jì)和芯片的后處理均是需要關(guān)注的關(guān)鍵技術(shù)。目前比較成熟的設(shè)計(jì)有 ZMOTION 和 SENBA 系列產(chǎn)品。

待機(jī)?；罟δ苁怯绊懴到y(tǒng)整體待機(jī)功耗水平的重要因素。待機(jī)?；钬?fù)責(zé)在系統(tǒng)休眠時(shí)和基站的心跳連接。其主要目的是保持業(yè)務(wù)的活躍性，在系統(tǒng)激活后的進(jìn)行快速數(shù)據(jù)傳輸，提高用戶體驗(yàn)。另外，待機(jī)?；钜彩怯脩艚K端能實(shí)時(shí)管理攝像機(jī)終端的途徑。一般而言，待機(jī)?；钍峭ㄟ^(guò) WiFi 自身的保活功能來(lái)實(shí)現(xiàn)的。通過(guò)設(shè)置合適的 DTIM 值，WiFi 模塊將周期性的蘇醒處理接收的報(bào)文信息，檢查是否有用戶終端來(lái)的需求報(bào)文，而且只有約定好的特定的報(bào)文才會(huì)將 WiFi 從待機(jī)轉(zhuǎn)態(tài)中喚醒，并激活整個(gè)系統(tǒng)。DTIM 一般設(shè)為 1 s，時(shí)間過(guò)短會(huì)導(dǎo)致頻繁蘇醒后的功耗增加，過(guò)長(zhǎng)則用戶端進(jìn)行控制時(shí)的響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)，體驗(yàn)不好。另外，過(guò)長(zhǎng)的 DTIM 也會(huì)導(dǎo)致 WiFi 時(shí)鐘的同步丟失，反而導(dǎo)致功耗的增加。影響 WiFi 保活的功耗因素主要有兩個(gè)，其一是 WiFi 自身的底電流水平，其二是 DTIM 周期工作時(shí)間點(diǎn)的工作電流和時(shí)間長(zhǎng)度。

遠(yuǎn)程喚醒和狀態(tài)通知業(yè)務(wù)用于處理用戶使用和管理的相關(guān)事務(wù)，可提供用戶實(shí)時(shí)的管理設(shè)置和狀態(tài)監(jiān)控需求，以及攝像機(jī)自我狀態(tài)的告知提醒。用戶的實(shí)時(shí)管理，通過(guò)用戶終端、云服務(wù)到基站，再通過(guò) WiFi ?；罟δ苓M(jìn)行系統(tǒng)喚醒，系統(tǒng)喚醒后，便可以進(jìn)行圖像監(jiān)控、電池電量設(shè)置和圖像效果設(shè)置等等管理操作。攝像機(jī)在自我檢測(cè)到一些預(yù)設(shè)的觸發(fā)條件被觸發(fā)時(shí)（比如電量告警），也可以喚醒系統(tǒng)，和云端、用戶端進(jìn)行通信，將觸發(fā)信息進(jìn)行遠(yuǎn)程通知。

3 結(jié)語(yǔ)

得益于電池技術(shù)、芯片低功耗設(shè)計(jì)技術(shù)、WiFi無(wú)線低功耗技術(shù)以及云端技術(shù)的發(fā)展，電池供電低功耗無(wú)線網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)的性能已經(jīng)能滿足普通的觸發(fā)式視頻監(jiān)控需求。低功耗無(wú)線網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)的設(shè)計(jì)關(guān)鍵點(diǎn)在 WiFi 保活的性能、PIR 的觸發(fā)性能和系統(tǒng)啟動(dòng)獲取第一張視頻的時(shí)間和質(zhì)量。另外，IPC 芯片本身的功耗、啟動(dòng)時(shí)間和圖像處理性能也對(duì)方案的整體效果有決定性影響。

目前，比較成功的電池供電低功耗無(wú)線網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)產(chǎn)品有美國(guó) Netgear 的 Arlo 系列產(chǎn)品，亞馬遜公司的 Blink 系統(tǒng)產(chǎn)品，?？滴炇碾姵叵鄼C(jī)系列產(chǎn)品等，其典型的使用時(shí)間均在半年到一年。而且，這些產(chǎn)品的背后均有強(qiáng)大的云服務(wù)做業(yè)務(wù)支撐。未來(lái)，結(jié)合了諸多先進(jìn)的電池、芯片和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的低功耗無(wú)線網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)性能會(huì)進(jìn)一步提升，包括有更高的圖像分辨率，更佳的復(fù)雜環(huán)境圖像質(zhì)量，更多的智能應(yīng)用和更長(zhǎng)的使用時(shí)間等，綜合其極佳的使用便利性，將會(huì)得到越來(lái)越廣闊的應(yīng)用。