一種用於家庭安防的無線低功耗遠程監控攝像裝置的製作方法

2023-06-04 13:01:41 2

專利名稱：一種用於家庭安防的無線低功耗遠程監控攝像裝置的製作方法
一種用於家庭安防的無線低功耗遠程監控攝像裝置所屬領域本發明屬於家庭安防系統領域，特別涉及其中的監控攝像裝置，用以配合家庭網關實 現家庭安防系統。
技術背景-本發明的目的是提供一種新型的無線監控裝置，面向低端市場，在低成本的情況下提 供一種低功耗的、無需在線電源的無線攝像監控設備，滿足普通消費家庭的需求。目前市場上絕大部分的監控設備，無論是有線還是無線設備，大都是監控終端通過TCP/IP協議在乙太網、WLAN或Internet上傳輸監控圖像，如此造成的後果是設備的成本 比較高，電源功耗大，安裝布線麻煩，即使是無線設備，由於功耗大，仍然存在電源線的 布線問題，給安裝使用帶來了麻煩。本發明就是為了解決這方面的問題而提出的一種解決 方案，在實現與智能家庭網絡無線連接之後，就可以提供完整的監控功能，具有成本低、 功耗低、無需布線、安裝方便、電池更換周期長等優點。中國專利號200510018204. 9公布了一種基於無線區域網的家庭智能數字監控系統，該 系統基於WLAN實現了數字圖像信號的採集、傳輸、壓縮、加密及存儲，同時可以通過ADSL 或GPRS/CDMA將監控圖片或監控視頻信息傳至手機或PDA用戶終端。但該系統沒有實現低 功耗的設計，由於WLAN收發器的功率消耗較大，必須提供在線電源，給設備的安裝帶來了 不便；中國專利號02155519. 2公布了一種具有無線互聯功能的數碼攝像裝置，實現了基於 WLAN的圖像採集及傳輸；中國專利號02153943. X公布了一種無線數碼攝像裝置和方法，實 現了通過移動通信網絡或無線網際網路向遠端其他數據處理裝置傳送多媒體數據；中國專利 號200510088916. 8公布了一種無線攝像頭，解決了攝像頭與圖像顯示終端之間必須以連接 線連接的缺陷；中國專利號03178525. 5公布了一種無線圖像監控方法和系統，通過移動通 信網實現了對移動目標和固定目標的圖像監控；中國專利號200510114228. 4公布了一種有 線和無線二合一的攝像頭；中國專利號03121934. 9和03124212. X各公布了一種遠程無線 監控系統及其方法。然而以上這些專利均沒有考慮或涉及低功耗設計的問題，監控設備必 須連接在線電源方能正常工作，這個針對普通家庭安防的使用和推廣帶來了極大的不便。中國專利號02283688. 8公布了一種可進入低功耗狀態的無線攝像頭，可以無需電源布線， 但該裝置的不足指出是中能通過本地的傳感器進行喚醒，缺乏用戶遠程喚醒功能，使得用 戶無法主動進行遠程監控。 發明內容-本發明的目的是為了解決以上問題，設計實現普通家庭環境下安裝方便簡潔、易於推 廣的安防監控裝置。本發明基於Motion-JPEG的圖像編碼方案和2. 4GHz的無線傳輸方案， 採用了 "數字圖像傳感器+圖像編碼晶片+控制單片機+無線通訊模塊+家庭網關"的系統結 構，綜合多媒體處理、數字家庭網絡、無線通訊、低功耗設計等技術，方便快捷地實現了 普通消費家庭的視頻監控，為家庭安防監控提出了新的設計方案和應用模式。含有數字圖像傳感器，圖像編碼晶片，控制單片機，無線通訊模塊，電源模塊以及家庭網關，其中數字圖像傳感器，採用晶片0V7670，用於以採集到光信號轉換成電信號，並以PAL彩 色電視制式彩色分量格式YUV輸出。圖像編碼晶片，採用晶片VC0528，其輸入得與所述數字圖像傳感器的所述PAL彩色電 視制式彩色分量格式YUV的輸出相連，而該晶片VC0528的輸出得到輸出JPEG格式的圖像。控制單片機，採用AVR單片機ATmega64,所述單片機經總線與所述數字圖像編碼晶片 的輸出總線相連，以及經SPI接口與無線通訊模塊相連。無線通訊模塊，採用晶片nRF24L01，由所述控制單片機通過SPI接口操作。電源模塊，採用HT7733、 HT7730和LM1117晶片，向所述數字圖像傳感器、圖像編碼 晶片、控制單片機以及無線通訊模塊供電。所述控制單片機依次按照以下步驟實現遠程監控功能步驟(1)休眠狀態分別向所述數字圖像傳感器、圖像編碼晶片和無線通訊模塊發送 休眠指令，令其處於低功耗狀態，同時關閉外部晶振，使自己進入休眠狀態，只運行內部 看門狗WatchDog功能快；步驟(2):經過WatchDog功能塊的設定周期後，喚醒單片機以及所述無線通訊模塊， 並向家庭網關無線發送一個啟動請求數據包，該家庭網關在判斷需要進行監控攝像時返回 啟動命令，該控制單片機在接到啟動命令後，通過總線喚醒上述相連接的模塊進入到工作 狀態，否則繼續處於休眠狀態；步驟(3):在設定的計時周期內，所述數字圖像傳感器拍攝圖像並經由圖像編碼晶片、 控制單片機和無線通訊模塊後把圖像數據無線傳輸到家庭網關，到達計時周期後，控制單片機又進入休眠狀態。通過以上設計，本發明可以達到較好的低功耗效果。從下表可以看到，整個電路工作 狀態下總電流小於100mA，比目前市場上絕大部分的產品功耗要低得多。由於整個電路在平 時處於待機狀態，即休眠模式，因此平時不工作時的電流小於80uA，按照2安時的鋰電池 計算，最多可以待機800多天，工作狀態下可持續工作1天以上。由於此發明用於家庭安 防系統，平時基本處於待機狀態，故一般來說該設備的電池可以持續使用半年以上，極大 的方便了用戶的使用，減少了電池的更換次數。由於徹底省去了布線的麻煩，本發明使得 普通家庭尤其是已裝修的家庭住戶可以很方便地部署家庭安防監控設備，給用戶帶來方便 的同時大幅度降低了數字視頻監控產品向普通消費用戶推廣的門檻。晶片型號休眠功耗正常狀態功耗0V767020uA20mAVC052820uA25mAATmega6425uA20mAnRF24L010. 9uA20mA其他5uA10mA總功耗〈80uA〈100mA


圖l為本發明裝置的工作狀態轉換關係圖。圖2為本發明裝置的電路原理圖a (ATmega64外圍電路)。圖3為本發明裝置的電路原理圖b (VC0528外圍電路)。圖4為本發明裝置的電路原理圖c (OV7670及電源模塊外圍電路)。圖5為本發明裝置的電路原理圖d (無線模塊接口電路)。圖6為本發明裝置的無線模塊電路原理圖。圖7為本發明裝置的整體電路結構框圖。
具體實施例方式本發明硬體電路主要包括3個方面，圖像採集與編碼電路模塊、控制電路模塊、無線 射頻模塊及電源模塊。整個硬體部分的運行均由控制電路來進行控制，包括系統的初始化、 圖像的採集控制、圖像的無線傳輸控制、系統休眠和喚醒等。圖像採集與編碼電路模塊分為圖像傳感器和圖像壓縮模塊兩部分，圖像傳感器採用的是0V7670，圖像壓縮晶片採用的是中星微公司提供的VC0528，圖像傳感器把採集到的光信 號轉換成電信號並以YUV的圖像格式傳給圖像壓縮晶片進行壓縮，從而輸出JPEG格式的圖 像。控制電路模塊中控制晶片主要採用AVR單片機ATmega64，該晶片的優點是成本低，功 耗少，具有總線、SPI、串口等多種接口，運行速度快，單周期指令，可在休眠模式下運行 WatchDog等，符合本發明的需求。AVR單片機通過總線與VC0528相連，通過配置VC0528 的工作模式及圖像參數等，即可很容易的進行圖像採集；同時通過SPI接口與無線射頻芯 片nRF24L01連接，即可很方面的通過該接口來配置無線模塊的工作狀態並傳輸圖像。無線射頻模塊採用的晶片是nRF24L01，該晶片的最高傳輸速率可以達到2Mbps，無線 頻率為2.4GHz，不採用TCP/IP協議，通信協議簡單。電源模塊採用的晶片包括HT7733、 HT7730和LM1117 (1.8V)三種晶片，分別為系統提 供3. 3V、 3. 0V、 1.8V三種工作電壓。為了解決視頻監控設備的無線通信和低功耗問題，本發明採用了如下的低功耗設計方案首先，工作狀態分為3種休眠狀態、WD喚醒狀態和工作狀態。1) 休眠狀態單片機控制電路分別給圖像採集與編碼模塊和無線射頻模塊發送休眠指 令，令其處於超低功耗狀態，同時關閉外部26MHz晶振，並且自己也進入休眠狀態，只運 行內部的WatchDog功能塊，以便可以自動甦醒，從而進入TO喚醒狀態。2) WD喚醒狀態WD (WatchDog)的周期約為2S,即在此狀態下單片機約每2S就會自 動喚醒一次，此時單片機將喚醒無線射頻模塊，並給家庭網關發送一個啟動請求的數據包， 家庭網關在收到該數據包的後會根據傳感器的檢測情況或用戶需求判斷是否要啟動攝像監 控拍攝圖像，並回復該請求。單片機若接到了啟動命令，則馬上喚醒電路的所有模塊進入 到工作狀態，若接到了繼續休眠指令，則進入休眠狀態等待下次自動喚醒。3)工作狀態單片機控制電路喚醒所有電路模塊，進行相關的配置之後，即可進入工 作狀態拍攝圖像並傳輸圖像數據到家庭網關。同時內部電路計時5分鐘，時間到後停止工 作又進入休眠狀態。其次，在供電方式上，為了徹底做到無線，方便用戶安裝攝像頭，免除布線麻煩及造 成的不美觀等問題，本發明採用電池供電，可以使用大容量的鋰電池(2安時以上)供電。 只需要在電路板上安裝可放置相應大小的電池槽即可，省卻有線電源。如圖1所示，本發明的具體功能如下l)裝置安裝完成啟動之後，自動進入休眠模式，同時單片機的WatchDog進入計時狀態，計時超時(約2S)後便進入狀態2; 2)當WatchDog 超時，單片機會被喚醒運行，此時單片機首先啟動射頻晶片，給家庭網關發送啟動拍攝請 求，家庭網關在收到該請求後會根據315傳感器的檢測情況判斷是否要啟動攝像監控拍攝 圖像，並回復該請求。單片機若接到了啟動命令，則馬上喚醒電路的所有模塊進入到狀態3， 若接到了繼續休眠指令，則返回狀態l等待下次自動喚醒；3)單片機控制電路喚醒所有電 路模塊，進行相關的配置之後，即可進入工作狀態拍攝和傳輸圖像到家庭網關。同時內部 電路計時5分鐘，時間到後停止工作又進入狀態l。以上便是本發明的整個工作流程。如圖2、 3、 4所示，監控攝像裝置，包括圖像採集與編碼電路模塊、控制電路模塊、 無線射頻模塊及電源模塊，其中圖像採集和編碼電路模塊分別採用的是型號為0V7670 (圖 像傳感器)和型號為VC0528 (圖像壓縮晶片，工作頻率為26MHz)的晶片，控制電路模塊 主要採用型號為Atmega64 (工作頻率為9. 216MHz)的單片機，無線射頻模塊主要採用的是 型號為nRF24L01的晶片，電源模塊採用的晶片包括型號為HT7733、HT7730和LM1117(1. 8V) 三種晶片，所有晶片的外圍電路均採用該晶片的參考電路設計。0V7670直接由VC0528按照 圖像傳感器接口定義的方式控制；控制電路的主要晶片為Atmega64，通過總線PA0 PA7、 PC4 PC7、 PG0和PG1與VC0528的總線相連，其中PA0 PA7為數據和地址復用總線，其他為 相關控制信號(其中的PC7接單門反相器SN74AHC1G04DBVR); Atmega64通過單片機的SPI 接口以及PE6和PE7與nRF24L01相連來控制射頻晶片。如圖5所示，無線通信功能由晶片nRF24L01來實現，其中晶片配置工作由Atmega64 通過SPI接口操作。nRF24L01是由Nordic公司提供的高速、低功耗、低成本的無線收發芯 片，其獨創的MultiCeiver可以同時支持6個無線器件的接收。同時nRF24L01特別適合採 用紐扣電池供電的2. 4GHz的產品應用，其載波檢測功能可以用於在WLAN環境下的可靠通信，高速率和獨特的切換時間減少了與跳頻系統如藍牙出現碰撞的可能性，因此非常適合 應用在本系統中。由前所述，採用本系統的網關可以最多同時支持6個獨立的無線攝像頭 的數據接收，已基本能滿足普通家庭內部的需求。
權利要求
1.應用於家庭安防的無線低功耗遠程監控攝像裝置，其特徵在於，含有數字圖像傳感器，圖像編碼晶片，控制單片機，無線通訊模塊，電源模塊以及家庭網關，其中數字圖像傳感器，採用晶片OV7670，用於以採集到光信號轉換成電信號，並以PAL彩色電視制式彩色分量格式YUV輸出；圖像編碼晶片，採用晶片VC0528，其輸入得與所述數字圖像傳感器的所述PAL彩色電視制式彩色分量格式YUV的輸出相連，而該晶片VC0528的輸出得到輸出JPEG格式的圖像；控制單片機，採用AVR單片機ATmega64，所述單片機經總線與所述數字圖像編碼晶片的輸出總線相連，以及經SPI接口與無線通訊模塊相連；無線通訊模塊，採用晶片nRF24L01，由所述控制單片機通過SPI接口操作；電源模塊，採用HT7733、HT7730和LM1117晶片，向所述數字圖像傳感器、圖像編碼晶片、控制單片機以及無線通訊模塊供電，所述控制單片機依次按照以下步驟實現遠程監控功能步驟(1)休眠狀態分別向所述數字圖像傳感器、圖像編碼晶片和無線通訊模塊發送休眠指令，令其處於低功耗狀態，同時關閉外部晶振，使自己進入休眠狀態，只運行內部看門狗WatchDog功能塊；步驟(2)經過WatchDog功能塊的設定周期後，喚醒單片機以及所述無線通訊模塊，並向家庭網關無線發送一個啟動請求數據包，該家庭網關在判斷需要進行監控攝像時返回啟動命令，該控制單片機在接到啟動命令後，通過總線喚醒上述相連接的模塊進入到工作狀態，否則繼續處於休眠狀態；步驟(3)在設定的計時周期內，所述數字圖像傳感器拍攝圖像並經由圖像編碼晶片、控制單片機和無線通訊模塊後把圖像數據無線傳輸到家庭網關，到達計時周期後，控制單片機又進入休眠狀態。
全文摘要
用於家庭安防的無線低功耗遠程監控攝像裝置屬於家庭安防系統領域，其特徵在於，含有數字圖像傳感器、圖像編碼晶片、控制單片機、無線通訊模塊、電源模塊，以及家庭網關，控制單片機經總線與所述數字圖像傳感器、圖像編碼晶片及無線通訊模塊相連，該單片機在休眠狀態下，通過總線向各部件發出休眠指令並關閉外部晶振，保留看門狗功能塊；該功能塊每隔設定周期，判斷家庭網關是否通過無線通訊模塊發出啟動命令，在接收該啟動命令後立即通過總線同志數字圖像傳感器拍攝圖像，經壓縮後，送往該單片機，再經無線通訊模塊向家庭網關發出。本發明具有低功耗、可遠程監控的優點。
文檔編號H04N7/18GK101247515SQ20081010207
公開日2008年8月20日 申請日期2008年3月17日 優先權日2008年3月17日
發明者吉吟東, 捷 周, 孫新亞, 李嘉揚, 煒 董 申請人:清華大學