淺析基于Hi3519的IPC智能攝像機硬件系統設計

謝井華，黎匡磊，文致旺

（國營長虹機械廠，廣西 桂林 541002）

智能安防主要是指利用人工智能技術，如目標識別、語音識別、圖像檢測等，通過對安防數據進行分析和處理，實現自動化和智能化的安防功能。近年來，隨著中國城鎮化率越來越高，城鎮居民對安裝智能攝像機的需求越來越大，兼顧安防性能的家庭IPC（IP Camera）網絡攝像機無疑具有巨大發展潛力。隨著物聯網和人工智能等產業的不斷推動，家用網絡智能攝像機近年來逐漸由網絡高清化向人工智能化轉變，通常具備視頻通話、物體識別、行為識別、環境感知和智能語音交互溝通等功能。

1 系統設計

IPC智能攝像機系統主要實現音視頻信號的采集、數字信號智能處理、語音交互溝通和網絡傳輸等功能。IPC智能攝像機系統框圖如圖1所示，中央控制單元是整個系統的核心，在系統中負責數據的接收、緩存和轉換，通過USB3.0總線發送數據到人工智能模塊進行進一步的算法處理；基于邊緣計算的人工智能芯片BM1880實現了音視頻數據的并行處理，從而使運算效率得到了極大的提高；圖像傳感器模塊以OV4689 CMOS圖像傳感器為核心，是IPC智能攝像機的重要組成部分，主要用于實現視頻信號的采集功能；語音控制模塊主要由瑞昱半導體公司的ALC4042和ALC1006芯片組成，兩芯片間通過I2S總線進行通信，該模塊可采集數字麥克風信號并輸出低噪聲、低失真和低串擾的音頻信號；網絡模塊負責提供數字信號的無線網絡傳輸，是IPC智能攝像機與手機交互的通道；存儲模塊負責存儲經人工智能模塊處理后的音視頻信號，便于用戶隨時回放采集的信號；電機驅動模塊負責控制智能攝像機水平方向和垂直方向的運轉；電源模塊用于為其他各模塊電路提供必要的電源。

2 硬件模塊設計

2.1 中央控制單元

IPC智能攝像機系統的中央控制單元主要實現數據的接收、緩存和轉換等功能。本設計中，中央控制單元以Hi3519為核心，通過圖像傳感器進行圖像采集及控制，并緩存采集到的數據，再通過USB3.0接口將數據上傳到人工智能模塊進行進一步的圖像處理。中央控制單元提供MIPI總線接口與圖像傳感器模塊相連，實現圖像數據的采集；提供DDR總線接口與DDR3內存相連，用于緩存圖像數據；提供SDIO總線接口與SD卡和WIFI模塊相連，分別用于實現圖像數據的保存和信號的網絡傳輸；提供USB3.0總線接口與人工智能模塊相連，用于圖像數據的傳輸；提供USB2.0總線接口與語音控制模塊相連，用于采集本地語音及進行遠程音頻數據的驅動等功能；提供SPI總線接口與SPI芯片和電機驅動模塊相連，分別用于加載系統初始化默認參數和驅動IPC智能攝像機分別在水平和垂直方向轉動。

2.2 人工智能模塊

IPC智能攝像機系統的人工智能模塊，主要用于目標識別、語音識別、圖像檢測等人工智能算法處理。人工智能模塊框圖如圖2所示，本系統選用比特大陸推出的首款邊緣AI協處理器BM1880芯片作為人工智能模塊的處理核心，該芯片采用28nm工藝，是一款聚焦于邊緣應用的深度學習推理人工智能芯片。BM1880提供1 TOPS的INT8運算能力，在Winograd卷積加速下，可以提供2 TOPS的INT8運算能力，芯片集成有H.264解碼（2路1080p 30fps）和MJPEG編解碼功能模塊，并且支持多芯片平行運算拓展功能，可用于人工智能、機器視覺、高性能計算等環境。

圖2 人工智能模塊框圖

2.3 圖像傳感器模塊

圖像傳感器模塊是IPC智能攝像機視頻采集的重要部分，主要用來實現視頻信號采集的功能，采集的視頻信號由中央控制單元進行視頻編碼壓縮處理。圖像傳感器芯片上面放置合適的光學鏡頭后，在圖像傳感器正常加電后即可將光信號轉換為電信號存儲在中央控制單元的緩存中，可用于后續電路的處理。本系統的圖像傳感器模塊選用上海韋爾半導體股份有限公司的OV4689 CMOS圖像傳感器作為主芯片。它是一款高達四百萬像素的圖像傳感器，擁有多種HDR模式來實現動態范圍擴充，并保持較高的幀速率，其可通過MIPI總線接口與Hi3519進行數據傳輸。OV4689硬件電路圖如圖3所示，數據傳輸部分由一對差分時鐘信號（MCN/MCP）、四對數字差分信號（MDN/MDP）實現，主要傳輸經過A/D變換和初步處理的數字視頻信號；圖像傳感器的工作時鐘EXCLK和復位信號XSHUTDOWN由Hi3519芯片提供；引腳SIOC、SIOD與Hi3519芯片的I2C總線連接，實現芯片間參數信息的傳輸。

圖3 OV4689硬件電路圖

2.4 語音控制模塊

IPC智能攝像機系統的語音控制模塊負責采集本地語音及遠程音頻播放的功能。本系統支持雙向語音單向視頻（設備端->客戶端）的視頻通話功能，其中對講功能支持設備端發起和客戶端發起兩種對講發起方式。客戶端發起時，點擊客戶端通話按鍵發起對講，無須設備端同意即可直接開始通話；設備端發起時，需用戶長按設備通話按鍵3S向客戶端發起視頻通話請求，客戶端彈出設備端通話請求頁面，同意后開始通話。語音控制模塊框圖如圖4所示，主要由瑞昱半導體的ALC4042和ALC1006芯片組成，兩芯片間通過I2S總線進行通信；ALC4042是一款以USB2.0為通信接口的音頻解碼器，集成了立體聲模擬輸入輸出接口和數字麥克風接口的功能。ALC1006是一款高性能的D類音頻放大器，可以驅動立體聲BTL模式下的8Ω或4Ω揚聲器，具有低噪聲、低失真和低串擾的音頻特性。

圖4 語音控制模塊框圖

2.5 網絡模塊設計

IPC智能攝像機系統通過無線網絡模塊與用戶手機通信，用于攝像機參數配置和數據的遠程傳輸。本系統采用Air Kiss模式進行網絡快速配置與連接，在首次啟動設備或在長按Reset按鍵5S的情況下設備進入配網模式；配網過程中，需要保證客戶端手機與IPC智能攝像機在同一WIFI環境下，使用客戶端APP進行設備網絡配置操作；完成配網及注冊步驟后，設備指示燈變為藍色，并提示語音網絡連接成功。網絡模塊硬件電路圖如圖5所示，本設計中采用WIFI-8189模塊實現無線數據的傳輸，該模塊封裝有REALTEK的低功耗2.4GHz的無線RTL8189FTV芯片，符合IEEE802.11N標準，支持IEEE802.11i安全協議，以及IEEE802.11e標準服務質量。網絡模塊采用SDIO總線接口與中央控制單元進行數據傳輸，具有設計簡潔、穩定可靠等優點。

圖5 網絡模塊硬件電路圖

2.6 存儲模塊

IPC智能攝像機系統的存儲模塊采用SD卡的方式存儲，最大支持128G容量，用于存儲攝像機的音視頻數據。在攝像機設備端插入SD卡后，會自動將音視頻信號存儲到SD中，SD卡的空間存儲滿后，會從最早的音視頻文件開始覆蓋存儲。存儲模塊硬件電路圖如圖6所示，SD卡通過SDIO總線接口與中央控制單元通信。SDIO總線含一根電源管腳和兩根地線管腳、一根時鐘信號管腳由中央控制單元產生時鐘信號、一根SD卡偵測管腳用于識別SD卡是否插入、一根命令控制管腳由中央控制單元通過該管腳發送命令控制SD卡，四根數據信號管腳用于與中央控制單元間的數字信號傳輸。SD卡具有存儲量大、硬件體積小、存儲速度較快，設計簡潔方便等特點。

圖6 存儲模塊硬件電路圖

2.7 電機驅動模塊

IPC智能攝像機系統的電機驅動模塊負責控制智能攝像機水平方向和垂直方向的旋轉。本系統可支持水平340度（左右各170°），垂直85°（上50°最大視角，上75°鏡頭遮蔽，下10°最大視角）云臺轉動控制，能夠完成360°全景無死角拍攝的需求。為了保證攝像機能夠云臺正常工作，每次設備通電后，IPC智能攝像機都會首先進行云臺校準操作。在控制面板界面，用戶可以通過按鍵和滑動進行云臺轉動的交互操作，每次操作電機會向相應方向轉動5°。系統設計中，采用MS41909芯片實現電機驅動控制，該芯片可用于網絡攝像機和監控攝像機的鏡頭驅動，具有超低噪聲驅動的特點，能夠實現電機256微步驅動，每個H橋最大驅動電流±0.5A。電機驅動模塊硬件電路圖如圖7所示，工作電源采用3.3V和5V，時鐘采用27MHz晶振，MS41909芯片通過SPI總線與中央控制單元進行數據通信。

圖7 電機驅動模塊電路圖

2.8 電源模塊

電源模塊是整個IPC智能攝像機系統的供電單元，負責為其他各模塊電路提供必要的工作電壓電流。整個IPC智能攝像機系統的輸入電壓為12V，中央控制單元需要3.3V、1.8V、1.5V和動態調節的CPU、DDR模塊電壓，人工智能模塊需要3.3V、1.8V、1.1V、0.9V和動態調節的DDR模塊電壓，圖像傳感器模塊需要2.8V、1.8V和1.2V供電，語音控制模塊、網絡傳輸模塊和存儲模塊需要用到3.3V電壓，電機驅動模塊需要用到5V和3.3V電壓。以上電源模塊均通過DC/DC轉換電源實現，考慮到多種電源輸出及功率大小的差異，需要用到多型線性穩壓器，并且要注意多種電源間的上電時序問題。

為了滿足Hi3519和BM1880芯片的電氣規格要求，并使功耗盡可能降低，需要使用SVB動態調壓功能。該功能由中央控制單元（CPU）控制PWM模塊輸出PWM波形，經過RC濾波后產生0～3.3V不同電壓的直流電平，并將該直流電平疊加到DC/DC轉換器的反饋電壓輸入管腳，經調節主控單元相關的寄存器可以改變PWM的頻率和占空比，最終可以實現動態調節DC/DC轉換器的輸出電壓。電源動態調壓示意圖如圖8所示。

圖8 電源動態調壓示意圖

3 產品運行狀態轉移

IPC智能攝像機運行狀態轉移圖如圖9所示。當攝像機首次啟動時，首先進行云臺校準，利用一些特殊算法來檢測并糾正攝像機畫面偏差等問題。校準完成后進入配網狀態，若連接網絡成功，則進入正常工作狀態，若等待5分鐘無網絡連接則進入斷網狀態。當在正常工作狀態或者斷網狀態時，長按5秒Reset按鈕，都將重新進入配網狀態。設備完成配網注冊等初始化流程后，用戶能夠通過客戶端控制界面使用IPC智能攝像機的各種功能。當進入正常工作狀態后，若網絡斷開則進入斷網狀態；若攝像機被拔掉電源則進入關機狀態；若攝像頭被屏蔽，則進入攝像頭屏蔽狀態，當屏蔽去除后又返回正常狀態；若關閉指示燈，則進入正常工作狀態（關閉指示燈），當打開指示燈后又返回正常工作狀態；若按鍵/語音喚醒攝像機，則進入語音交互狀態，當交互結束后又返回正常工作狀態；若主動/被動固件升級，則進入固件升級狀態；若用戶重啟攝像機，則將進行云臺校準，并判斷是否有可用的無線網絡，無網絡時進入斷網狀態，有網絡時則直接按存儲的網絡設置進入正常工作狀態。

圖9 IPC智能攝像機運行狀態轉移圖

4 結語

本文設計了一個基于Hi3519的IPC智能攝像機系統，通過圖像傳感器模塊采集圖像，利用語音控制模塊采集語音，在中央控制單元進行緩存和數據交換后，交由人工智能模塊進行目標識別、語音識別、圖像檢測等人工智能算法處理，處理后的信息返回給中央控制單元，再經存儲模塊和網絡模塊進行信號的存儲與無線傳輸。該系統具有高清視頻和語音數據傳輸、快速人臉檢測識別和語音語義處理能力等特點，可以應用于小區安防報警、家庭防盜、監測守護等多個領域。