网络摄像机的发展与应用详解

随着网络摄像机在专业安防和家庭安防中的应用越来越广泛，市场对于安装便利的电池供电低功耗无线网络摄像机的方案需求快速增长。分析低功耗无线摄像机的设计涉及软硬件、云端和终端等诸多环节，其硬件架构、软件实现、快速启动和无线连接等方面是关乎产品性能的关键要素。

1  引言 

监控摄像机经历了从模拟摄像机到网络摄像机的发展阶段，得益于超大规模集成电路的发展以及数字编码和网络技术的发展，摄像机监控系统[1-3]的覆盖范围和拓扑结构限制被打开，网络摄像机在整体行业中的应用越来越广泛。

网络摄像机从结构上分为光学镜头部分、图像传感器 sensor 部分，图像信号处理和压缩 SoC 芯片部分，以及网络数据的存储和传输部分。通常的网络摄像机采用有线以太网传输方式，配合交换机、传输网络、NVR 网络硬盘录像机以及显示终端等等，组成了典型的网络视频监控系统。网络摄像机的供电一般采用 12 V 直流供电，可采用本地分散供电或集中供电的方式。近年来使用的 PoE 技术，可以使用有线以太网来提供摄像机所需的直流电源，节约了额外的供电设备，并减少了电源布线工程。 

随着网络视频监控系统的广泛应用，一些行业应用（如便利店、小型办公室、家庭庭院）对视频监控系统的安装和使用便利性提出了更高的要求。对于传统的视频监控系统而言，前端摄像机和交换机或者 NVR 录像机之间的布线工程复杂，而且在一些场景中，不需要全天候的录像监控，取而代之的是事务触发型监控需求，典型的是在检测到有人员入侵时启动录像和传输工作。控制端和显示监视端也转移到移动终端来实现。

为了适应这种新的需求，新的视频监控系统中采用了无线和低功耗技术。压缩的视频通过无线传输，摄像机的供电采用电池供电，用以取代传统的有线网络传输方式和有线供电方式。电池型无线摄像机接入到一个无线路由器或者基站，此基站通过有线与外网云服务连接，这样提供了手机终端对整体视频监控系统的控制和使用。

2  设计要素和方法

2.1 硬件方案设计

电池供电低功耗无线网络摄像机的硬件设计分为音视频子系统、低功耗管理子系统和电池子系统三个部分。

（1）音视频子系统。音视频子系统的核心器件是图像信号处理和压缩 SoC 芯片（IPC 芯片），外围有图像传感器芯片、音频采集和播放芯片、红外灯、光敏电阻器件以及存储器件。此部分的核心是 IPC 芯片，其主要功能是图像和音频的信号处理，音视频数据存储，无线信号传输，以及和基站（无线路由器）的协议通信。若基站（无线路由器）仅是提供以太网数据的路由功能，不承载和云端的应用协议，则 IPC 芯片还将负责云服务协议，完成业务管理功能。

音视频子系统在未被启用的时间里处于完全断电的状态，仅在系统被激活后，此部分上电并进行相关业务的处理。其和低功耗管理子系统可通过 UART 串口连接，用于沟通被激活的状态以及其他一些状态和命令信息。

（2）低功耗管理子系统。低功耗管理子系统处于长期供电的状态，其核心部件有低功耗 MCU 处理器，无线 WiFi 模块，PIR 被动红外检测以及其他按键、指示灯和电量计等。

PIR 被动红外检测是用来测试外部环境的生物入侵情况，在一定范围内检测到有生物（比如人、狗等其他哺乳动物）时，PIR 将被触发，发送触发信号给MCU，由 MCU 来供电并唤醒整个音视频子系统，进行视频和音频的抓取。

无线 WiFi 模块是用于和接收基站（或路由器）的通信使用。此类通信数据大体上分为两种，一种是工作模式下的音视频数据和控制指令，另一种是低功耗模式下的保活业务。和接收端基站的保活，是为了在整个链路上保持业务的连接性和活跃性，以便达成在音视频业务触发后的快速数据通信，以及用户终端对低功耗相机的实时控制。WiFi 模块一般是通过 SDIO/USB 和 IPC 芯片连接，用于音视频业务数据的传输，而其通过一个 GPIO 和低功耗 MCU 连接，用于用户有远程控制时的信号通知，MCU 将据此退出休眠状态，并做出合适的处理。

按键和指示灯则是用于对低功耗相机的配置操作和状态监控，它们和 MCU 之间通过 GPIO 连接。电量计是用于监控电池的电量状态，用户可实时的通过控制终端设置电池电量的告警状态以及获取当前的电量状态，它和 MCU 之间可通过 I2C 和 GPIO 连接。

（3）电池子系统。电池子系统包括电池及供电电源模块，若电池采用可充电电池，那么也包括可靠的充电电路。

电池子系统的关键设计点是电源模块的转换效率和低功耗设计，这两个指标均是为了提高整体方案的功耗设计水平。例如，选取的音视频子系统供电 DC-DC 模块，在系统运行时，其需要有较高的电源转换效率，使得损失的能量最小，在子系统掉电时，其需要有非常低的静态电流指标，例如 10 μA 的水平，以满足整个系统的待机功耗水平。

2.2 业务方案设计

电池供电低功耗无线摄像机的业务类型包括有音视频传输，待机保活，远程唤醒和状态通知等。其中的视频采集和传输与待机保活是最核心的两大业务，分别有其特别的设计和考量指标。

当音视频子系统因为 PIR 触发被激活时，说明此时有即时的监控需求，需要能尽快启动系统并抓取一段时间的视频数据。所以，从 PIR 触发开始，到抓到第一帧正常的视频图像为止，这段第一帧出图时间指标是低功耗摄像机设计的最重要的指标之一。影响此指标的因素包括 IPC 芯片上电启动时间，程序加载和运行时间，图像传感器采集时间和图像质量调整时间。

IPC 芯片从上电开始，其电源和复位逻辑经过短暂时间进入稳定状态，这时芯片内部的 ROM 和 RAM 逻辑开始执行，此时需要从外部读取一定大小的程序到内存中，ROM 和 RAM 的逻辑主要处理系统时钟、输入输出和内存的初始化逻辑，此外会将后续第一段的程序逻辑从外部读入到内存中运行，进入系统初始化阶段。这个阶段主要加载实时操作系统，还有对芯片图像处理逻辑的配置和 sensor 的配置加载，这两部分并行运行。在芯片图像逻辑配置完成，同时 sensor 开始第一阶段正确出图后，加载第二段程序逻辑，进入图像调整阶段。这个阶段需要快速地进行曝光和白平衡等图像参数的调整，以达到视频图像较高的显示质量。最后完成图像质量的调整后，第一张正常的视频图像才被真正的采集成功。总体来说，影响这部分启动的重要因素有。① 外部程序加载速度；② 分段程序的功能划分和大小；③ 图像传感器的配置速度和出图速度；④ 图像调整的速度。

此外，PIR 的触发性能也是影响整体性能的重要因素。PIR 所带来的触发角度和距离精度等问题，会直接影响产品的使用体验和电池使用寿命。其滤镜的设计和芯片的后处理均是需要关注的关键技术。目前比较成熟的设计有 ZMOTION 和 SENBA 系列产品。

待机保活功能是影响系统整体待机功耗水平的重要因素。待机保活负责在系统休眠时和基站的心跳连接。其主要目的是保持业务的活跃性，在系统激活后的进行快速数据传输，提高用户体验。另外，待机保活也是用户终端能实时管理摄像机终端的途径。一般而言，待机保活是通过 WiFi 自身的保活功能来实现的。通过设置合适的 DTIM 值，WiFi 模块将周期性的苏醒处理接收的报文信息，检查是否有用户终端来的需求报文，而且只有约定好的特定的报文才会将 WiFi 从待机转态中唤醒，并激活整个系统。DTIM 一般设为 1 s，时间过短会导致频繁苏醒后的功耗增加，过长则用户端进行控制时的响应时间长，体验不好。另外，过长的 DTIM 也会导致 WiFi 时钟的同步丢失，反而导致功耗的增加。影响 WiFi 保活的功耗因素主要有两个，其一是 WiFi 自身的底电流水平，其二是 DTIM 周期工作时间点的工作电流和时间长度。

远程唤醒和状态通知业务用于处理用户使用和管理的相关事务，可提供用户实时的管理设置和状态监控需求，以及摄像机自我状态的告知提醒。用户的实时管理，通过用户终端、云服务到基站，再通过 WiFi 保活功能进行系统唤醒，系统唤醒后，便可以进行图像监控、电池电量设置和图像效果设置等等管理操作。摄像机在自我检测到一些预设的触发条件被触发时（比如电量告警），也可以唤醒系统，和云端、用户端进行通信，将触发信息进行远程通知。

3  结语

得益于电池技术、芯片低功耗设计技术、WiFi无线低功耗技术以及云端技术的发展，电池供电低功耗无线网络摄像机的性能已经能满足普通的触发式视频监控需求。低功耗无线网络摄像机的设计关键点在 WiFi 保活的性能、PIR 的触发性能和系统启动获取第一张视频的时间和质量。另外，IPC 芯片本身的功耗、启动时间和图像处理性能也对方案的整体效果有决定性影响。

目前，比较成功的电池供电低功耗无线网络摄像机产品有美国 Netgear 的 Arlo 系列产品，亚马逊公司的 Blink 系统产品，海康萤石的电池相机系列产品等，其典型的使用时间均在半年到一年。而且，这些产品的背后均有强大的云服务做业务支撑。未来，结合了诸多先进的电池、芯片和网络技术的低功耗无线网络摄像机性能会进一步提升，包括有更高的图像分辨率，更佳的复杂环境图像质量，更多的智能应用和更长的使用时间等，综合其极佳的使用便利性，将会得到越来越广阔的应用。