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

1 引言

監(jiān)控攝像機經(jīng)歷了從模擬攝像機到網(wǎng)絡(luò)攝像機的發(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，攝像機監(jiān)控系統(tǒng)[1-3]的覆蓋范圍和拓撲結(jié)構(gòu)限制被打開，網(wǎng)絡(luò)攝像機在整體行業(yè)中的應(yīng)用越來越廣泛。

網(wǎng)絡(luò)攝像機從結(jié)構(gòu)上分為光學(xué)鏡頭部分、圖像傳感器 sensor 部分，圖像信號處理和壓縮 SoC 芯片部分，以及網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的存儲和傳輸部分。通常的網(wǎng)絡(luò)攝像機采用有線以太網(wǎng)傳輸方式，配合交換機、傳輸網(wǎng)絡(luò)、NVR 網(wǎng)絡(luò)硬盤錄像機以及顯示終端等等，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。近年來使用的 PoE 技術(shù)，可以使用有線以太網(wǎng)來提供攝像機所需的直流電源，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。對于傳統(tǒng)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)而言，前端攝像機和交換機或者 NVR 錄像機之間的布線工程復(fù)雜，而且在一些場景中，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，典型的是在檢測到有人員入侵時啟動錄像和傳輸工作。控制端和顯示監(jiān)視端也轉(zhuǎn)移到移動終端來實現(xiàn)。

為了適應(yīng)這種新的需求，新的視頻監(jiān)控系統(tǒng)中采用了無線和低功耗技術(shù)。壓縮的視頻通過無線傳輸，攝像機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。電池型無線攝像機接入到一個無線路由器或者基站，此基站通過有線與外網(wǎng)云服務(wù)連接，這樣提供了手機終端對整體視頻監(jiān)控系統(tǒng)的控制和使用。

2 設(shè)計要素和方法

2.1 硬件方案設(shè)計

電池供電低功耗無線網(wǎng)絡(luò)攝像機的硬件設(shè)計分為音視頻子系統(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處理，音視頻數(shù)據(jù)存儲，無線信號傳輸，以及和基站（無線路由器）的協(xié)議通信。若基站（無線路由器）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 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)處于長期供電的狀態(tài)，其核心部件有低功耗 MCU 處理器，無線 WiFi 模塊，PIR 被動紅外檢測以及其他按鍵、指示燈和電量計等。

PIR 被動紅外檢測是用來測試外部環(huán)境的生物入侵情況，在一定范圍內(nèi)檢測到有生物（比如人、狗等其他哺乳動物）時，PIR 將被觸發(fā)，發(fā)送觸發(fā)信號給MCU，由 MCU 來供電并喚醒整個音視頻子系統(tǒng)，進行視頻和音頻的抓取。

無線 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)。和接收端基站的保活，是為了在整個鏈路上保持業(yè)務(wù)的連接性和活躍性，以便達成在音視頻業(yè)務(wù)觸發(fā)后的快速數(shù)據(jù)通信，以及用戶終端對低功耗相機的實時控制。WiFi 模塊一般是通過 SDIO/USB 和 IPC 芯片連接，用于音視頻業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的傳輸，而其通過一個 GPIO 和低功耗 MCU 連接，用于用戶有遠程控制時的信號通知，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低功耗相機的配置操作和狀態(tài)監(jiān)控，它們和 MCU 之間通過 GPIO 連接。電量計是用于監(jiān)控電池的電量狀態(tài)，用戶可實時的通過控制終端設(shè)置電池電量的告警狀態(tài)以及獲取當前的電量狀態(tài)，它和 MCU 之間可通過 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)計點是電源模塊的轉(zhuǎn)換效率和低功耗設(shè)計，這兩個指標均是為了提高整體方案的功耗設(shè)計水平。例如，選取的音視頻子系統(tǒng)供電 DC-DC 模塊，在系統(tǒng)運行時，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，其需要有非常低的靜態(tài)電流指標，例如 10 μA 的水平，以滿足整個系統(tǒng)的待機功耗水平。

2.2 業(yè)務(wù)方案設(shè)計

電池供電低功耗無線攝像機的業(yè)務(wù)類型包括有音視頻傳輸，待機保活，遠程喚醒和狀態(tài)通知等。其中的視頻采集和傳輸與待機保活是最核心的兩大業(yè)務(wù)，分別有其特別的設(shè)計和考量指標。

當音視頻子系統(tǒng)因為 PIR 觸發(fā)被激活時，說明此時有即時的監(jiān)控需求，需要能盡快啟動系統(tǒng)并抓取一段時間的視頻數(shù)據(jù)。所以，從 PIR 觸發(fā)開始，到抓到第一幀正常的視頻圖像為止，這段第一幀出圖時間指標是低功耗攝像機設(shè)計的最重要的指標之一。影響此指標的因素包括 IPC 芯片上電啟動時間，程序加載和運行時間，圖像傳感器采集時間和圖像質(zhì)量調(diào)整時間。

IPC 芯片從上電開始，其電源和復(fù)位邏輯經(jīng)過短暫時間進入穩(wěn)定狀態(tài)，這時芯片內(nèi)部的 ROM 和 RAM 邏輯開始執(zhí)行，此時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)時鐘、輸入輸出和內(nèi)存的初始化邏輯，此外會將后續(xù)第一段的程序邏輯從外部讀入到內(nèi)存中運行，進入系統(tǒng)初始化階段。這個階段主要加載實時操作系統(tǒng)，還有對芯片圖像處理邏輯的配置和 sensor 的配置加載，這兩部分并行運行。在芯片圖像邏輯配置完成，同時 sensor 開始第一階段正確出圖后，加載第二段程序邏輯，進入圖像調(diào)整階段。這個階段需要快速地進行曝光和白平衡等圖像參數(shù)的調(diào)整，以達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。總體來說，影響這部分啟動的重要因素有。① 外部程序加載速度；② 分段程序的功能劃分和大小；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 所帶來的觸發(fā)角度和距離精度等問題，會直接影響產(chǎn)品的使用體驗和電池使用壽命。其濾鏡的設(shè)計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)計有 ZMOTION 和 SENBA 系列產(chǎn)品。

待機保活功能是影響系統(tǒng)整體待機功耗水平的重要因素。待機保活負責(zé)在系統(tǒng)休眠時和基站的心跳連接。其主要目的是保持業(yè)務(wù)的活躍性，在系統(tǒng)激活后的進行快速數(shù)據(jù)傳輸，提高用戶體驗。另外，待機保活也是用戶終端能實時管理攝像機終端的途徑。一般而言，待機保活是通過 WiFi 自身的保活功能來實現(xiàn)的。通過設(shè)置合適的 DTIM 值，WiFi 模塊將周期性的蘇醒處理接收的報文信息，檢查是否有用戶終端來的需求報文，而且只有約定好的特定的報文才會將 WiFi 從待機轉(zhuǎn)態(tài)中喚醒，并激活整個系統(tǒng)。DTIM 一般設(shè)為 1 s，時間過短會導(dǎo)致頻繁蘇醒后的功耗增加，過長則用戶端進行控制時的響應(yīng)時間長，體驗不好。另外，過長的 DTIM 也會導(dǎo)致 WiFi 時鐘的同步丟失，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，其一是 WiFi 自身的底電流水平，其二是 DTIM 周期工作時間點的工作電流和時間長度。

遠程喚醒和狀態(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)，可提供用戶實時的管理設(shè)置和狀態(tài)監(jiān)控需求，以及攝像機自我狀態(tài)的告知提醒。用戶的實時管理，通過用戶終端、云服務(wù)到基站，再通過 WiFi 保活功能進行系統(tǒng)喚醒，系統(tǒng)喚醒后，便可以進行圖像監(jiān)控、電池電量設(shè)置和圖像效果設(shè)置等等管理操作。攝像機在自我檢測到一些預(yù)設(shè)的觸發(fā)條件被觸發(fā)時（比如電量告警），也可以喚醒系統(tǒng)，和云端、用戶端進行通信，將觸發(fā)信息進行遠程通知。

3 結(jié)語

得益于電池技術(shù)、芯片低功耗設(shè)計技術(shù)、WiFi無線低功耗技術(shù)以及云端技術(shù)的發(fā)展，電池供電低功耗無線網(wǎng)絡(luò)攝像機的性能已經(jīng)能滿足普通的觸發(fā)式視頻監(jiān)控需求。低功耗無線網(wǎng)絡(luò)攝像機的設(shè)計關(guān)鍵點在 WiFi 保活的性能、PIR 的觸發(fā)性能和系統(tǒng)啟動獲取第一張視頻的時間和質(zhì)量。另外，IPC 芯片本身的功耗、啟動時間和圖像處理性能也對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線網(wǎng)絡(luò)攝像機產(chǎn)品有美國 Netgear 的 Arlo 系列產(chǎn)品，亞馬遜公司的 Blink 系統(tǒng)產(chǎn)品，海康螢石的電池相機系列產(chǎn)品等，其典型的使用時間均在半年到一年。而且，這些產(chǎn)品的背后均有強大的云服務(wù)做業(yè)務(wù)支撐。未來，結(jié)合了諸多先進的電池、芯片和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的低功耗無線網(wǎng)絡(luò)攝像機性能會進一步提升，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)用和更長的使用時間等，綜合其極佳的使用便利性，將會得到越來越廣闊的應(yīng)用。