基于太陽能板電池供電的網(wǎng)絡(luò)攝像機低功耗設(shè)計

珠海愛司馬特數(shù)碼科技有限公司 彭振華

基于太陽能板電池供電的網(wǎng)絡(luò)攝像機低功耗設(shè)計

珠海愛司馬特數(shù)碼科技有限公司 彭振華

本文主要針對為了滿足網(wǎng)絡(luò)攝像機適應(yīng)戶外工作，如何能基于太陽能板和電池進行持續(xù)供電，提出了一種低功耗的設(shè)計方案。該方案的網(wǎng)絡(luò)攝像機具有無線傳輸、錄像存儲、遠(yuǎn)程訪問、待機功耗低、喚醒反應(yīng)迅速等特點。網(wǎng)絡(luò)攝像機在待機模式下，整機功耗極低，可通過人體熱釋紅外傳感器或手機APP進行喚醒，切換到正常工作模式，經(jīng)過預(yù)設(shè)的時間后，再次返回到待機模式。通過軟、硬件的合理設(shè)計并選擇合適的太陽能板及電池，從而保證網(wǎng)絡(luò)攝像機能持續(xù)地工作。

網(wǎng)絡(luò)攝像機；電池供電；太陽能板；低功耗設(shè)計

0 引言

隨著科技的進步和生活水平的提高，人們對安全的關(guān)注和需求也逐步升高，特別在家庭、商鋪和公司等場所，即插即用的網(wǎng)絡(luò)攝像機變得越來越普及，用戶只要先將網(wǎng)絡(luò)攝像機連接上互聯(lián)網(wǎng)，然后通過手機即可實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，隨時隨地查看被監(jiān)控區(qū)域的情況。

目前的網(wǎng)絡(luò)攝像機雖然通過采用無線技術(shù)免去了布置網(wǎng)線的工作，網(wǎng)絡(luò)攝像機基本上可以根據(jù)需要安裝在室內(nèi)的任何位置，但是網(wǎng)絡(luò)攝像機的電源供電仍存在一些問題：當(dāng)需要監(jiān)控的區(qū)域沒有電源插座或者不方便布置電源線時，就極大地限制了攝像機的使用；另一方面，如果需要在戶外安裝和使用網(wǎng)絡(luò)攝像機，電源供電將更加困難。

鑒于此，本文提出了一種低功耗設(shè)計方案，對網(wǎng)絡(luò)攝像機的最小功耗和響應(yīng)時間等技術(shù)指標(biāo)上做了較大的突破和創(chuàng)新，可以實現(xiàn)用電池進行長時間供電，更支持戶外太陽能板進行充電，延伸了產(chǎn)品的應(yīng)用前景。

1 系統(tǒng)方框圖

本文所指的低功耗網(wǎng)絡(luò)攝像機系統(tǒng)，主要組成部分包括核心單元1和電源管理單元2，其中核心單元包括主控模塊、傳感器模塊、視頻采集模塊、音頻采集模塊和無線傳輸模塊等，電源管理單元包括太陽能模塊、充放電控制器和電池等（見圖1）。

1.1 主控模塊

主控模塊11負(fù)責(zé)整個系統(tǒng)的綜合管理和集中控制；本方案使用的低功耗視頻處理芯片最高分辨率支持到960P，內(nèi)嵌的專業(yè)級ISP能提供高品質(zhì)成像，采用H.264編碼引擎為多路視頻壓縮傳輸提供了最有力的保證。在保證高品質(zhì)低碼率視頻的基本前提下，芯片配備了高達1.0G主頻的CPU，不但可以提供強大的常用計算能力，也為智能視頻分析提供了有力保障。芯片內(nèi)部還集成了512兆比特DDRII，并且提供了以太網(wǎng)，USB，音頻，存儲等豐富接口。

圖1 系統(tǒng)方框圖

1.2 傳感器感應(yīng)模塊

傳感器模塊12負(fù)責(zé)感應(yīng)信息，當(dāng)人體紅外感應(yīng)器探測到有人進入監(jiān)控區(qū)域時，產(chǎn)生信號觸發(fā)主控模塊11，啟動網(wǎng)絡(luò)攝像機的其他模塊進行音視頻信號采集，并通過互聯(lián)網(wǎng)和手機通知用戶。

1.3 視頻采集模塊

視頻采集模塊13包括鏡頭和圖像傳感器，主要負(fù)責(zé)采集視頻信號，將光信號按一定的格式轉(zhuǎn)換成圖像電信號，再由視頻編解碼模塊對圖像電信號進行編碼、壓縮等處理，轉(zhuǎn)成一定格式的視頻數(shù)據(jù)流，實現(xiàn)攝像功能；

1.4 音頻采集模塊

音頻采集模塊14包括麥克風(fēng)和放大電路，拾取監(jiān)控區(qū)域的聲音信號，使得監(jiān)控數(shù)據(jù)更加立體和全面，音頻采集模塊14將聲音信號轉(zhuǎn)成音頻電信號，再由音頻編解碼模塊對音頻電信號進行編碼、壓縮等處理，轉(zhuǎn)成一定格式的音頻數(shù)據(jù)流；

1.5 功放模塊

功放模塊16把手機端傳來的音頻信號進行還原和功率放大，推動網(wǎng)絡(luò)上攝像機的喇叭，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)攝像機和手機之間的雙向語音通話功能；

1.6 無線傳輸模塊

無線傳輸模塊15負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)傳輸，使用WiFi技術(shù)接上無線路由器，進一步連接到互聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)攝像機和手機的遠(yuǎn)程通信，把網(wǎng)絡(luò)攝像機采集的數(shù)據(jù)上傳到互聯(lián)網(wǎng)或者用戶的手機上。

1.7 電源管理單元

電源管理單元2包括依次連接的太陽能模塊21、充放電控制器22和電池23。當(dāng)光照條件良好時，太陽能模塊21在充放電控制器22的控制下，一方面給電池23充電，一方面通過電源轉(zhuǎn)換模塊24向核心單元1供電，提供各模塊所需要的多組工作電壓，當(dāng)無光照時或電池充滿后，再切換到電池23供電，保證了設(shè)備的正常工作。

1.8 紅外夜視模塊

紅外夜視模塊17，通過光敏元件來判斷環(huán)境的照度，當(dāng)環(huán)境照度低于一定值時，就會自動啟動紅外燈，為網(wǎng)絡(luò)攝像機提供輔助照明，獲取清晰的畫面，使得在外界光照條件不好的情況下也能捕捉到清晰的畫面，提高夜視攝像效果；

1.9 儲存模塊

儲存模塊18，在主控模塊11的控制下，能夠使用TF卡進行數(shù)據(jù)存儲，方便必要時進行查看、備份，實現(xiàn)安全防護功能。

2 低功耗的技術(shù)設(shè)計

本方案主要通過軟件和硬件的有效結(jié)合，合理設(shè)計各模塊的工作模式及工作時序來降低能耗，提高設(shè)備的電池續(xù)航能力。一般情況下，設(shè)備（網(wǎng)絡(luò)攝像機，下同）處于待機模式，此時的功耗非常低。可以通過兩種模式來進行喚醒，使設(shè)備快速恢復(fù)到正常工作狀態(tài)，分別是傳感器觸發(fā)模式和手機主動請求模式。

具體的工作過程為： 設(shè)備上電開機，系統(tǒng)經(jīng)過初始化后處于待機模式，此時主控模塊11處于待機狀態(tài)，無線傳輸模塊15處于低功耗工作狀態(tài)，其他模塊均處于休眠模式，降低設(shè)備的能耗。主控模塊11檢測是否有傳感器觸發(fā)信號或手機連接請求信號，當(dāng)檢測到傳感器模塊12傳來觸發(fā)信號時，主控模塊11就會立即啟動處于休眠狀態(tài)的其他模塊，進行音頻和視頻的采集、編碼、壓縮和本地存儲，并且將無線傳輸模塊15調(diào)整為正常工作狀態(tài)，將音視頻數(shù)據(jù)上傳到互聯(lián)網(wǎng)進行云存儲，并把音視頻數(shù)據(jù)推送到用戶的手機上，網(wǎng)絡(luò)攝像機系統(tǒng)再經(jīng)過預(yù)設(shè)的時間后檢測不到傳感器觸發(fā)信號，系統(tǒng)重新處于待機模式，進行低功耗工作。同樣地，當(dāng)主控模塊11檢測到手機連接請求信號時，也會立即啟動處于休眠狀態(tài)的其他模塊，進行音頻和視頻的采集、編碼、壓縮和本地存儲，將無線傳輸模塊15調(diào)整為正常工作狀態(tài)，用戶可以通過手機和網(wǎng)絡(luò)攝像機實時觀看現(xiàn)場的監(jiān)控畫面，結(jié)束監(jiān)測后，再經(jīng)過預(yù)設(shè)的時間后仍檢測不到手機連接請求信號，系統(tǒng)重新處于待機模式，進行低功耗工作。

通過傳感器觸發(fā)模式和手機主動請求模式兩種喚醒模式合理控制各個模塊的工作時序，能夠有效降低系統(tǒng)的能耗，延長電池的持續(xù)供電能力，讓設(shè)備一直處于工作狀態(tài)。

3 太陽能板和電池的選用

3.1 電池規(guī)格

本方案的網(wǎng)絡(luò)攝像機的待機功耗小于3mW,正常工作時最大3W，每次觸發(fā)后工作約30秒，1天預(yù)計觸發(fā)10次，根據(jù)這些條件，如果選用3.7V 3600mAh的鋰電池，可以持續(xù)工作60天左右。

3.2 太陽能板規(guī)格

本方案選擇5.5V/150mA的單晶硅太陽能板，體積小，成本低，平均每天日照1小時，就能保證設(shè)備持續(xù)工作。

4 結(jié)論

一種基于太陽能板電池供電的低功耗網(wǎng)絡(luò)攝像機，通過太陽能板和電池供電，可以解決網(wǎng)絡(luò)攝像機的供電問題，方便網(wǎng)絡(luò)攝像機的安裝，延伸產(chǎn)品的應(yīng)用場合，比如戶外庭院、戶外運動或電源取電不便的區(qū)域等。

[1]陳育明．太陽能LED照明系統(tǒng)[M]．北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2011,5:91-144．

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彭振華（1977—），江蘇啟東人，畢業(yè)于華南理工大學(xué)電子技術(shù)專業(yè)，主要研究領(lǐng)域：安防視頻監(jiān)控技術(shù)，嵌入式技術(shù)等。