CN101247515A - 一种用于家庭安防的无线低功耗远程监控摄像装置 - Google Patents

Abstract

用于家庭安防的无线低功耗远程监控摄像装置属于家庭安防系统领域，其特征在于，含有：数字图像传感器、图像编码芯片、控制单片机、无线通讯模块、电源模块，以及家庭网关，控制单片机经总线与所述数字图像传感器、图像编码芯片及无线通讯模块相连，该单片机在休眠状态下，通过总线向各部件发出休眠指令并关闭外部晶振，保留看门狗功能块；该功能块每隔设定周期，判断家庭网关是否通过无线通讯模块发出启动命令，在接收该启动命令后立即通过总线同志数字图像传感器拍摄图像，经压缩后，送往该单片机，再经无线通讯模块向家庭网关发出。本发明具有低功耗、可远程监控的优点。

Description

一种用于家庭安防的无线低功耗远程监控摄像装置

所属领域：

本发明属于家庭安防系统领域，特别涉及其中的监控摄像装置，用以配合家庭网关实现家庭安防系统。

背景技术：

本发明的目的是提供一种新型的无线监控装置，面向低端市场，在低成本的情况下提供一种低功耗的、无需在线电源的无线摄像监控设备，满足普通消费家庭的需求。

目前市场上绝大部分的监控设备，无论是有线还是无线设备，大都是监控终端通过TCP/IP协议在以太网、WLAN或Internet上传输监控图像，如此造成的后果是设备的成本比较高，电源功耗大，安装布线麻烦，即使是无线设备，由于功耗大，仍然存在电源线的布线问题，给安装使用带来了麻烦。本发明就是为了解决这方面的问题而提出的一种解决方案，在实现与智能家庭网络无线连接之后，就可以提供完整的监控功能，具有成本低、功耗低、无需布线、安装方便、电池更换周期长等优点。

中国专利号200510018204.9公布了一种基于无线局域网的家庭智能数字监控系统，该系统基于WLAN实现了数字图像信号的采集、传输、压缩、加密及存储，同时可以通过ADSL或GPRS/CDMA将监控图片或监控视频信息传至手机或PDA用户终端。但该系统没有实现低功耗的设计，由于WLAN收发器的功率消耗较大，必须提供在线电源，给设备的安装带来了不便；中国专利号02155519.2公布了一种具有无线互联功能的数码摄像装置，实现了基于WLAN的图像采集及传输；中国专利号02153943.X公布了一种无线数码摄像装置和方法，实现了通过移动通信网络或无线互联网向远端其他数据处理装置传送多媒体数据；中国专利号200510088916.8公布了一种无线摄像头，解决了摄像头与图像显示终端之间必须以连接线连接的缺陷；中国专利号03178525.5公布了一种无线图像监控方法和系统，通过移动通信网实现了对移动目标和固定目标的图像监控；中国专利号200510114228.4公布了一种有线和无线二合一的摄像头；中国专利号03121934.9和03124212.X各公布了一种远程无线监控系统及其方法。然而以上这些专利均没有考虑或涉及低功耗设计的问题，监控设备必须连接在线电源方能正常工作，这个针对普通家庭安防的使用和推广带来了极大的不便。中国专利号02283688.8公布了一种可进入低功耗状态的无线摄像头，可以无需电源布线，但该装置的不足指出是中能通过本地的传感器进行唤醒，缺乏用户远程唤醒功能，使得用户无法主动进行远程监控。

发明内容：

本发明的目的是为了解决以上问题，设计实现普通家庭环境下安装方便简洁、易于推广的安防监控装置。本发明基于Motion-JPEG的图像编码方案和2.4GHz的无线传输方案，采用了“数字图像传感器+图像编码芯片+控制单片机+无线通讯模块+家庭网关”的系统结构，综合多媒体处理、数字家庭网络、无线通讯、低功耗设计等技术，方便快捷地实现了普通消费家庭的视频监控，为家庭安防监控提出了新的设计方案和应用模式。

含有：数字图像传感器，图像编码芯片，控制单片机，无线通讯模块，电源模块以及家庭网关，其中：

数字图像传感器，采用芯片OV7670，用于以采集到光信号转换成电信号，并以PAL彩色电视制式彩色分量格式YUV输出。

图像编码芯片，采用芯片VC0528，其输入得与所述数字图像传感器的所述PAL彩色电视制式彩色分量格式YUV的输出相连，而该芯片VC0528的输出得到输出JPEG格式的图像。

控制单片机，采用AVR单片机ATmega64，所述单片机经总线与所述数字图像编码芯片的输出总线相连，以及经SPI接口与无线通讯模块相连。

无线通讯模块，采用芯片nRF24L01，由所述控制单片机通过SPI接口操作。

电源模块，采用HT7733、HT7730和LM1117芯片，向所述数字图像传感器、图像编码芯片、控制单片机以及无线通讯模块供电。

所述控制单片机依次按照以下步骤实现远程监控功能：

步骤(1)休眠状态：分别向所述数字图像传感器、图像编码芯片和无线通讯模块发送休眠指令，令其处于低功耗状态，同时关闭外部晶振，使自己进入休眠状态，只运行内部看门狗WatchDog功能快；

步骤(2)：经过WatchDog功能块的设定周期后，唤醒单片机以及所述无线通讯模块，并向家庭网关无线发送一个启动请求数据包，该家庭网关在判断需要进行监控摄像时返回启动命令，该控制单片机在接到启动命令后，通过总线唤醒上述相连接的模块进入到工作状态，否则继续处于休眠状态；

步骤(3)：在设定的计时周期内，所述数字图像传感器拍摄图像并经由图像编码芯片、控制单片机和无线通讯模块后把图像数据无线传输到家庭网关，到达计时周期后，控制单片机又进入休眠状态。

通过以上设计，本发明可以达到较好的低功耗效果。从下表可以看到，整个电路工作状态下总电流小于100mA，比目前市场上绝大部分的产品功耗要低得多。由于整个电路在平时处于待机状态，即休眠模式，因此平时不工作时的电流小于80uA，按照2安时的锂电池计算，最多可以待机800多天，工作状态下可持续工作1天以上。由于此发明用于家庭安防系统，平时基本处于待机状态，故一般来说该设备的电池可以持续使用半年以上，极大的方便了用户的使用，减少了电池的更换次数。由于彻底省去了布线的麻烦，本发明使得普通家庭尤其是已装修的家庭住户可以很方便地部署家庭安防监控设备，给用户带来方便的同时大幅度降低了数字视频监控产品向普通消费用户推广的门槛。

芯片型号	休眠功耗	正常状态功耗
			OV7670	20uA	20mA
VC0528	20uA	25mA
			ATmega64	25uA	20mA
nRF24L01	0.9uA	20mA
			其他	5uA	10mA
总功耗	＜80uA	＜100mA

附图说明：

图1为本发明装置的工作状态转换关系图。

图2为本发明装置的电路原理图a(ATmega64外围电路)。

图3为本发明装置的电路原理图b(VC0528外围电路)。

图4为本发明装置的电路原理图c(OV7670及电源模块外围电路)。

图5为本发明装置的电路原理图d(无线模块接口电路)。

图6为本发明装置的无线模块电路原理图。

图7为本发明装置的整体电路结构框图。

具体实施方式：

本发明硬件电路主要包括3个方面，图像采集与编码电路模块、控制电路模块、无线射频模块及电源模块。整个硬件部分的运行均由控制电路来进行控制，包括系统的初始化、图像的采集控制、图像的无线传输控制、系统休眠和唤醒等。

图像采集与编码电路模块分为图像传感器和图像压缩模块两部分，图像传感器采用的是OV7670，图像压缩芯片采用的是中星微公司提供的VC0528，图像传感器把采集到的光信号转换成电信号并以YUV的图像格式传给图像压缩芯片进行压缩，从而输出JPEG格式的图像。

控制电路模块中控制芯片主要采用AVR单片机ATmega64，该芯片的优点是成本低，功耗少，具有总线、SPI、串口等多种接口，运行速度快，单周期指令，可在休眠模式下运行WatchDog等，符合本发明的需求。AVR单片机通过总线与VC0528相连，通过配置VC0528的工作模式及图像参数等，即可很容易的进行图像采集；同时通过SPI接口与无线射频芯片nRF24L01连接，即可很方面的通过该接口来配置无线模块的工作状态并传输图像。

无线射频模块采用的芯片是nRF24L01，该芯片的最高传输速率可以达到2Mbps，无线频率为2.4GHz，不采用TCP/IP协议，通信协议简单。

电源模块采用的芯片包括HT7733、HT7730和LM1117(1.8V)三种芯片，分别为系统提供3.3V、3.0V、1.8V三种工作电压。

为了解决视频监控设备的无线通信和低功耗问题，本发明采用了如下的低功耗设计方案：

首先，工作状态分为3种：休眠状态、WD唤醒状态和工作状态。

1)休眠状态：单片机控制电路分别给图像采集与编码模块和无线射频模块发送休眠指令，令其处于超低功耗状态，同时关闭外部26MHz晶振，并且自己也进入休眠状态，只运行内部的WatchDog功能块，以便可以自动苏醒，从而进入WD唤醒状态。

2)WD唤醒状态：WD(WatchDog)的周期约为2S，即在此状态下单片机约每2S就会自动唤醒一次，此时单片机将唤醒无线射频模块，并给家庭网关发送一个启动请求的数据包，家庭网关在收到该数据包的后会根据传感器的检测情况或用户需求判断是否要启动摄像监控拍摄图像，并回复该请求。单片机若接到了启动命令，则马上唤醒电路的所有模块进入到工作状态，若接到了继续休眠指令，则进入休眠状态等待下次自动唤醒。

3)工作状态：单片机控制电路唤醒所有电路模块，进行相关的配置之后，即可进入工作状态拍摄图像并传输图像数据到家庭网关。同时内部电路计时5分钟，时间到后停止工作又进入休眠状态。

其次，在供电方式上，为了彻底做到无线，方便用户安装摄像头，免除布线麻烦及造成的不美观等问题，本发明采用电池供电，可以使用大容量的锂电池(2安时以上)供电。只需要在电路板上安装可放置相应大小的电池槽即可，省却有线电源。

如图1所示，本发明的具体功能如下：1)装置安装完成启动之后，自动进入休眠模式，同时单片机的WatchDog进入计时状态，计时超时(约2S)后便进入状态2；2)当WatchDog超时，单片机会被唤醒运行，此时单片机首先启动射频芯片，给家庭网关发送启动拍摄请求，家庭网关在收到该请求后会根据315传感器的检测情况判断是否要启动摄像监控拍摄图像，并回复该请求。单片机若接到了启动命令，则马上唤醒电路的所有模块进入到状态3，若接到了继续休眠指令，则返回状态1等待下次自动唤醒；3)单片机控制电路唤醒所有电路模块，进行相关的配置之后，即可进入工作状态拍摄和传输图像到家庭网关。同时内部电路计时5分钟，时间到后停止工作又进入状态1。以上便是本发明的整个工作流程。

如图2、3、4所示，监控摄像装置，包括图像采集与编码电路模块、控制电路模块、无线射频模块及电源模块，其中图像采集和编码电路模块分别采用的是型号为OV7670(图像传感器)和型号为VC0528(图像压缩芯片，工作频率为26MHz)的芯片，控制电路模块主要采用型号为Atmega64(工作频率为9.216MHz)的单片机，无线射频模块主要采用的是型号为nRF24L01的芯片，电源模块采用的芯片包括型号为HT7733、HT7730和LM1117(1.8V)三种芯片，所有芯片的外围电路均采用该芯片的参考电路设计。OV7670直接由VC0528按照图像传感器接口定义的方式控制；控制电路的主要芯片为Atmega64，通过总线PAO~PA7、PC4~PC7、PGO和PG1与VC0528的总线相连，其中PAO~PA7为数据和地址复用总线，其他为相关控制信号(其中的PC7接单门反相器SN74AHC1G04DBVR)；Atmega64通过单片机的SPI接口以及PE6和PE7与nRF24L01相连来控制射频芯片。

如图5所示，无线通信功能由芯片nRF24L01来实现，其中芯片配置工作由Atmega64通过SPI接口操作。nRF24L01是由Nordic公司提供的高速、低功耗、低成本的无线收发芯片，其独创的MultiCeiver可以同时支持6个无线器件的接收。同时nRF24L01特别适合采用纽扣电池供电的2.4GHz的产品应用，其载波检测功能可以用于在WLAN环境下的可靠通信，高速率和独特的切换时间减少了与跳频系统如蓝牙出现碰撞的可能性，因此非常适合应用在本系统中。由前所述，采用本系统的网关可以最多同时支持6个独立的无线摄像头的数据接收，已基本能满足普通家庭内部的需求。

Claims (1)

1.应用于家庭安防的无线低功耗远程监控摄像装置，其特征在于，含有：数字图像传感器，图像编码芯片，控制单片机，无线通讯模块，电源模块以及家庭网关，其中：

数字图像传感器，采用芯片OV7670，用于以采集到光信号转换成电信号，并以PAL彩色电视制式彩色分量格式YUV输出；

图像编码芯片，采用芯片VC0528，其输入得与所述数字图像传感器的所述PAL彩色电视制式彩色分量格式YUV的输出相连，而该芯片VC0528的输出得到输出JPEG格式的图像；

控制单片机，采用AVR单片机ATmega64，所述单片机经总线与所述数字图像编码芯片的输出总线相连，以及经SPI接口与无线通讯模块相连；

无线通讯模块，采用芯片nRF24L01，由所述控制单片机通过SPI接口操作；

电源模块，采用HT7733、HT7730和LM1117芯片，向所述数字图像传感器、图像编码芯片、控制单片机以及无线通讯模块供电，

所述控制单片机依次按照以下步骤实现远程监控功能：

步骤(1)休眠状态：分别向所述数字图像传感器、图像编码芯片和无线通讯模块发送休眠指令，令其处于低功耗状态，同时关闭外部晶振，使自己进入休眠状态，只运行内部看门狗WatchDog功能块；

步骤(2)：经过WatchDog功能块的设定周期后，唤醒单片机以及所述无线通讯模块，并向家庭网关无线发送一个启动请求数据包，该家庭网关在判断需要进行监控摄像时返回启动命令，该控制单片机在接到启动命令后，通过总线唤醒上述相连接的模块进入到工作状态，否则继续处于休眠状态；

步骤(3)：在设定的计时周期内，所述数字图像传感器拍摄图像并经由图像编码芯片、控制单片机和无线通讯模块后把图像数据无线传输到家庭网关，到达计时周期后，控制单片机又进入休眠状态。

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