隨著網絡攝像機在專業安防和家庭安防中的應用越來越廣泛，市場對于安裝便利的電池供電低功耗無線網絡攝像機的方案需求快速增長。分析低功耗無線攝像機的設計涉及軟硬件、云端和終端等諸多環節，其硬件架構、軟件實現、快速啟動和無線連接等方面是關乎產品性能的關鍵要素。

1 引言

監控攝像機經歷了從模擬攝像機到網絡攝像機的發展階段，得益于超大規模集成電路的發展以及數字編碼和網絡技術的發展，攝像機監控系統[1-3]的覆蓋范圍和拓撲結構限制被打開，網絡攝像機在整體行業中的應用越來越廣泛。

網絡攝像機從結構上分為光學鏡頭部分、圖像傳感器 sensor 部分，圖像信號處理和壓縮 SoC 芯片部分，以及網絡數據的存儲和傳輸部分。通常的網絡攝像機采用有線以太網傳輸方式，配合交換機、傳輸網絡、NVR 網絡硬盤錄像機以及顯示終端等等，組成了典型的網絡視頻監控系統。網絡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，可以使用有線以太網來提供攝像機所需的直流電源，節約了額外的供電設備，并減少了電源布線工程。

隨著網絡視頻監控系統的廣泛應用，一些行業應用（如便利店、小型辦公室、家庭庭院）對視頻監控系統的安裝和使用便利性提出了更高的要求。對于傳統的視頻監控系統而言，前端攝像機和交換機或者 NVR 錄像機之間的布線工程復雜，而且在一些場景中，不需要全天候的錄像監控，取而代之的是事務觸發型監控需求，典型的是在檢測到有人員入侵時啟動錄像和傳輸工作。控制端和顯示監視端也轉移到移動終端來實現。

為了適應這種新的需求，新的視頻監控系統中采用了無線和低功耗技術。壓縮的視頻通過無線傳輸，攝像機的供電采用電池供電，用以取代傳統的有線網絡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云服務連接，這樣提供了手機終端對整體視頻監控系統的控制和使用。

2 設計要素和方法

2.1 硬件方案設計

電池供電低功耗無線網絡攝像機的硬件設計分為音視頻子系統、低功耗管理子系統和電池子系統三個部分。

（1）音視頻子系統。音視頻子系統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，音視頻數據存儲，無線信號傳輸，以及和基站（無線路由器）的協議通信。若基站（無線路由器）僅是提供以太網數據的路由功能，不承載和云端的應用協議，則 IPC 芯片還將負責云服務協議，完成業務管理功能。

音視頻子系統在未被啟用的時間里處于完全斷電的狀態，僅在系統被激活后，此部分上電并進行相關業務的處理。其和低功耗管理子系統可通過 UART 串口連接，用于溝通被激活的狀態以及其他一些狀態和命令信息。

（2）低功耗管理子系統。低功耗管理子系統處于長期供電的狀態，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境的生物入侵情況，在一定范圍內檢測到有生物（比如人、狗等其他哺乳動物）時，PIR 將被觸發，發送觸發信號給MCU，由 MCU 來供電并喚醒整個音視頻子系統，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。此類通信數據大體上分為兩種，一種是工作模式下的音視頻數據和控制指令，另一種是低功耗模式下的保活業務。和接收端基站的保活，是為了在整個鏈路上保持業務的連接性和活躍性，以便達成在音視頻業務觸發后的快速數據通信，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，用于音視頻業務數據的傳輸，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 將據此退出休眠狀態，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監控，它們和 MCU 之間通過 GPIO 連接。電量計是用于監控電池的電量狀態，用戶可實時的通過控制終端設置電池電量的告警狀態以及獲取當前的電量狀態，它和 MCU 之間可通過 I2C 和 GPIO 連接。

（3）電池子系統。電池子系統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。

電池子系統的關鍵設計點是電源模塊的轉換效率和低功耗設計，這兩個指標均是為了提高整體方案的功耗設計水平。例如，選取的音視頻子系統供電 DC-DC 模塊，在系統運行時，其需要有較高的電源轉換效率，使得損失的能量最小，在子系統掉電時，其需要有非常低的靜態電流指標，例如 10 μA 的水平，以滿足整個系統的待機功耗水平。

2.2 業務方案設計

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

當音視頻子系統因為 PIR 觸發被激活時，說明此時有即時的監控需求，需要能盡快啟動系統并抓取一段時間的視頻數據。所以，從 PIR 觸發開始，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量調整時間。

IPC 芯片從上電開始，其電源和復位邏輯經過短暫時間進入穩定狀態，這時芯片內部的 ROM 和 RAM 邏輯開始執行，此時需要從外部讀取一定大小的程序到內存中，ROM 和 RAM 的邏輯主要處理系統時鐘、輸入輸出和內存的初始化邏輯，此外會將后續第一段的程序邏輯從外部讀入到內存中運行，進入系統初始化階段。這個階段主要加載實時操作系統，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的調整，以達到視頻圖像較高的顯示質量。最后完成圖像質量的調整后，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 圖像調整的速度。

此外，PIR 的觸發性能也是影響整體性能的重要因素。PIR 所帶來的觸發角度和距離精度等問題，會直接影響產品的使用體驗和電池使用壽命。其濾鏡的設計和芯片的后處理均是需要關注的關鍵技術。目前比較成熟的設計有 ZMOTION 和 SENBA 系列產品。

待機保活功能是影響系統整體待機功耗水平的重要因素。待機保活負責在系統休眠時和基站的心跳連接。其主要目的是保持業務的活躍性，在系統激活后的進行快速數據傳輸，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的。通過設置合適的 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 從待機轉態中喚醒，并激活整個系統。DTIM 一般設為 1 s，時間過短會導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時間長，體驗不好。另外，過長的 DTIM 也會導致 WiFi 時鐘的同步丟失，反而導致功耗的增加。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。

遠程喚醒和狀態通知業務用于處理用戶使用和管理的相關事務，可提供用戶實時的管理設置和狀態監控需求，以及攝像機自我狀態的告知提醒。用戶的實時管理，通過用戶終端、云服務到基站，再通過 WiFi 保活功能進行系統喚醒，系統喚醒后，便可以進行圖像監控、電池電量設置和圖像效果設置等等管理操作。攝像機在自我檢測到一些預設的觸發條件被觸發時（比如電量告警），也可以喚醒系統，和云端、用戶端進行通信，將觸發信息進行遠程通知。

3 結語

得益于電池技術、芯片低功耗設計技術、WiFi無線低功耗技術以及云端技術的發展，電池供電低功耗無線網絡攝像機的性能已經能滿足普通的觸發式視頻監控需求。低功耗無線網絡攝像機的設計關鍵點在 WiFi 保活的性能、PIR 的觸發性能和系統啟動獲取第一張視頻的時間和質量。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絡攝像機產品有美國 Netgear 的 Arlo 系列產品，亞馬遜公司的 Blink 系統產品，海康螢石的電池相機系列產品等，其典型的使用時間均在半年到一年。而且，這些產品的背后均有強大的云服務做業務支撐。未來，結合了諸多先進的電池、芯片和網絡技術的低功耗無線網絡攝像機性能會進一步提升，包括有更高的圖像分辨率，更佳的復雜環境圖像質量，更多的智能應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用。