CN115188151A - 摄像机 - Google Patents

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CN115188151A CN202210808670.0A CN202210808670A CN115188151A CN 115188151 A CN115188151 A CN 115188151A CN 202210808670 A CN202210808670 A CN 202210808670A CN 115188151 A CN115188151 A CN 115188151A
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operational amplifier
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Abstract

本申请提供一种摄像机，包括：红外火焰探测器、信号处理电路、处理器芯片和报警器；处理器芯片与信号处理电路、报警器分别连接，信号处理电路还与红外火焰探测器连接；红外探测器用于感知环境中的红外光能量，信号处理电路用于根据红外探测器感知到的红外光能量，输出第一电压信号，处理器芯片用于接收第一电压信号，并在第一电压信号满足预设的火焰识别条件时输出火险报警指令，报警器用于在接收到火险报警指令时进行报警。一方面，由于红外火焰探测器的成本较低，只需对摄像机进行较低成本的硬件改进，即可同时实现视频监控和火险监测功能，整体部署成本较低。另一方面，通过监测环境中的红外光能量来识别火焰，具有较高的灵敏度。

Description

摄像机
技术领域
本申请涉及监控技术领域，尤其涉及一种摄像机。
背景技术
在一些可能发生火险的场所，例如：厨房、车棚、楼道、工厂、写字楼等，通常需要部署火险报警装置。这样，在发生火险时能够及时报警，保证场所的安全。
一些技术中，可以在上述场所部署烟雾探测器，当烟雾探测器监测到环境中的烟雾粒子的浓度大于浓度阈值时触发报警。另一些技术中，可以在上述场所中部署紫外光探测器，当紫外光探测器监测到环境中的紫外光强度大于强度阈值时触发报警。
然而，实际应用中发现，烟雾报警器的灵敏度较低，只有在大火大烟的情况下才会触发报警，导致防火效果不及时；而紫外光探测器虽然具有较高的灵敏度，但其成本较高，不适用于大规模部署。因此，如何实现一种低成本、高灵敏度的报警方案是亟待解决的技术问题。
发明内容
本申请提供一种摄像机，用以降低火险监测的成本，并提高火险监测的灵敏度。
第一方面，本申请提供一种摄像机，包括：
红外火焰探测器，用于感知环境中的红外光能量；
信号处理电路，被配置为与所述红外火焰探测器连接，用于根据所述红外火焰探测器感知到的红外光能量，输出第一电压信号；
处理器芯片，被配置为与所述信号处理电路连接，用于接收所述信号处理电路输出的所述第一电压信号，并在所述第一电压信号满足预设的火焰识别条件时，输出火险报警指令；
报警器，被配置为与所述处理器芯片连接，用于在接收到所述处理器芯片输出的所述火险报警指令时进行报警。
一种可能的实现方式中，所述信号处理电路包括：
信号转换电路，被配置为与所述红外火焰探测器连接，用于将所述红外火焰探测器感知到的红外光能量转换为第二电压信号，并输出所述第二电压信号；
信号放大电路，被配置为与所述信号转换电路连接，用于接收所述信号转换电路输出的所述第二电压信号，对所述第二电压信号进行放大处理得到所述第一电压信号，并输出所述第一电压信号。
一种可能的实现方式中，所述信号放大电路包括：
第一放大电路，被配置为与所述信号转换电路连接，用于接收所述信号转换电路输出的所述第二电压信号，对所述第二电压信号进行放大处理得到第三电压信号，并输出所述第三电压信号；
第二放大电路，被配置为与所述第一放大电路连接，用于接收所述第一放大电路输出的所述第三电压信号，对所述第三电压信号进行放大处理得到所述第一电压信号，并输出所述第一电压信号。
第二方面，本申请提供一种摄像机，包括：
红外火焰探测器，用于感知环境中的红外光能量；
包括第一放大电路的信号处理电路，所述信号处理电路被配置为对所述红外光能量进行放大处理，输出第一电压信号；
其中，所述第一放大电路包括：偏置电压调整电路、第一滤波电路、第二滤波电路和第一运算放大器；
所述偏置电压调整电路的输出端与所述第一滤波电路的输入端连接；所述第一滤波电路的输出端与所述第一运算放大器的正相输入端连接；所述第二滤波电路与所述第一运算放大器的输出端、所述第一运算放大器的反相输入端分别连接；
所述偏置电压调整电路用于对所述红外光能量对应的电压信号的偏置电压进行抬高处理，得到并输出第四电压信号；所述第一滤波电路用于使所述第四电压信号中频率低于第一预设频率的电压信号进入所述第一运算放大器的正相输入端；所述第二滤波电路用于使所述第一运算放大器的输出端的电压信号中频率高于第二预设频率且低于第三预设频率的电压信号进入所述第一运算放大器的反相输入端；以及
其中，所述第一预设频率大于或等于火焰抖动频率范围的最大值，所述第三预设频率大于或等于火焰抖动频率的最大值，所述第二预设频率小于或等于火焰抖动频率范围的最小值；
处理器芯片，被配置为与所述信号处理电路连接，用于接收所述信号处理电路输出的所述第一电压信号，并在所述第一电压信号满足预设的火焰识别条件时，输出火险报警指令；以及
所述摄像机还包括供电电路，被配置为与所述红外火焰探测器连接，用于向所述红外火焰探测器提供电源电压，所述供电电路还被配置为与所述处理器芯片连接；
所述摄像机还包括图像传感器，被配置为与所述处理器芯片连接，用于采集图像，并将采集到的图像输出至所述处理器芯片；
所述处理器芯片还用于：对所述图像进行人体检测，以确定当前环境中是否存在人员；响应于当前环境中不存在人员，控制所述供电电路向所述红外火焰探测器提供电源电压；响应于当前环境中存在人员，控制所述供电电路停止向所述红外火焰探测器提供电源电压。
一种可能的实现方式中，所述偏置电压调整电路中包括：第一电容、第一电阻和第二电阻；其中，
所述第一电容的第一端作为所述偏置电压调整电路的输入端，所述第一电容的第二端作为所述偏置电压调整电路的输出端；所述第一电阻的第一端与电源电压连接，所述第二电阻的第一端接地；所述第一电容的第二端与所述第一电阻的第二端、所述第二电阻的第二端分别连接。
一种可能的实现方式中，所述第一滤波电路包括：第三电阻和第二电容；其中，
所述第三电阻的第一端与所述偏置电压调整电路的输出端连接，所述第三电阻的第二端与所述第二电容的第一端、所述第一运算放大器的正相输入端分别连接，所述第二电容的第二端接地。
一种可能的实现方式中，所述第二滤波电路包括：第三电容、第四电容、第四电阻和第五电阻；其中，
所述第三电容的第一端、所述第四电阻的第一端均与所述第一运算放大器的输出端连接，所述第三电容的第二端、所述第四电阻的第二端、所述第五电阻的第一端均与所述第一运算放大器的反相输入端连接；所述第五电阻的第二端与所述第四电容的第一端连接，所述第四电容的第二端接地。
一种可能的实现方式中，所述信号处理电路还包括第二放大电路，所述第二放大电路被配置为与所述第一放大电路连接，用于对所述第一放大电路输出的电压信号进行放大处理得到所述第一电压信号；
所述第二放大电路包括：第二运算放大器、第三滤波电路和偏置电压生成电路；其中，
所述第三滤波电路与所述第一放大电路的输出端、所述第二运算放大器的输出端、所述第二运算放大器的反相输入端分别连接；所述偏置电压生成电路与所述第二运算放大器的正相输入端连接；
所述偏置电压生成电路用于生成预设偏置电压信号，并将所述预设偏置电压信号输出至所述第二运算放大器的正相输入端；所述第三滤波电路用于使所述第一放大电路输出的电压信号中频率高于第四预设频率且低于第五预设频率的电压信号进入所述第二运算放大器的反相输入端；
其中，所述第四预设频率小于或等于火焰抖动频率范围的最小值，所述第五预设频率大于或等于火焰抖动频率范围的最大值。
一种可能的实现方式中，所述第三滤波电路包括：第五电容、第六电容、第七电容、第六电阻、第七电阻和第八电阻；其中，
所述第五电容的第一端与所述第一放大电路的输出端连接，所述第五电容的第二端与所述第六电阻的第一端连接，所述第六电阻的第二端与所述第七电阻的第一端、所述第七电容的第一端分别连接，所述第七电阻的第二端与所述第二运算放大器的反相输入端连接，所述第七电容的第二端接地；
所述第六电容的第一端、所述第八电阻的第一端与所述第二运算放大器的输出端分别连接，所述第六电容的第二端、所述第八电阻的第二端均与所述第七电容的第一端连接。
一种可能的实现方式中，所述偏置电压生成电路包括：第九电阻、第十电阻、第十一电阻、第八电容和第九电容；其中，
所述第九电阻的第一端与电源电压连接，所述第九电阻的第二端与所述第八电容的第一端、所述第九电容的第一端、所述第十电阻的第一端、所述第十一电阻的第一端分别连接；所述第八电容的第二端、所述第九电容的第二端、所述第十电阻的第二端均接地；所述第十一电阻的第二端与所述第二运算放大器的正向输入端连接。
本申请提供的摄像机，包括：红外火焰探测器、信号处理电路、处理器芯片和报警器；其中，处理器芯片与信号处理电路、报警器分别连接，信号处理电路还与红外火焰探测器连接；红外探测器用于感知环境中的红外光能量，信号处理电路用于根据红外探测器感知到的红外光能量，输出第一电压信号，处理器芯片用于接收第一电压信号，并在第一电压信号满足预设的火焰识别条件时输出火险报警指令，报警器用于在接收到火险报警指令时进行报警。一方面，由于红外火焰探测器的成本较低，只需要对摄像机进行较低成本的硬件改进，即可同时实现视频监控和火险监测功能，使得整体部署成本较低。另一方面，由于是通过监测环境中的红外光能量来识别火焰，即使是在火险初期火势较小的情况下，也能够及时、准确地触发火险报警，因此具有较高的灵敏度。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例提供的一种摄像机的结构示意图；
图2为图1所示摄像机中红外火焰探测器的结构示意图；
图3为本申请实施例提供的另一种摄像机的结构示意图；
图4为图3所示摄像机中信号转换电路的结构示意图；
图5为图4所示信号转换电路输出的电压信号的示意图；
图6为本申请实施例提供的又一种摄像机的结构示意图；
图7为图6所示摄像机中信号处理电路的一种结构示意图；
图8为图6所示摄像机中信号处理电路的另一种结构示意图；
图9为图6所示摄像机中信号处理电路的又一种结构示意图；
图10A和图10B为图9所示信号处理电路的仿真结果示意图；
图11为图9所示信号处理电路对电压信号的放大效果的示意图；
图12为本申请实施例提供的一种火险监测方法的流程示意图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
如前所述，目前在需要防火的场所中，可以通过部署烟雾报警器或者紫外光探测器来进行火险报警。然而，烟雾报警器的灵敏度较低，只有在大火大烟的情况下才会触发报警，导致防火效果不及时；而紫外光探测器虽然具有较高的灵敏度，但其成本较高，不适用于大规模部署。
为了解决上述技术问题，本申请人考虑到上述需要防火的场所中通常也会部署网络摄像机(IP CAMERA，IPC)，用以实现场所的视频监控需求，因此，可以提供一种具有火险监测功能的摄像机。具体而言，在摄像机中部署红外火焰探测器，通过红外火焰探测器感知环境中的红外光能量，并将感知到的红外光能量转换为电压信号，基于电压信号的波动情况识别环境中是否存在火焰，并在识别到存在火焰的情况下进行报警。
基于本申请提供的摄像机，一方面，由于红外火焰探测器的成本较低，只需要对场所中的已有摄像机进行较低成本的硬件改进，即可同时实现视频监控和火险监测功能，使得整体部署成本较低。另一方面，由于是通过监测环境中的红外光能量来识别火焰，即使是在火险初期火势较小的情况下，也能够及时、准确地触发火险报警，因此具有较高的灵敏度。
本申请提供的摄像机可应用到具有防火需求的任意场所，包括但不限于：厨房、车棚、楼道、工厂、写字楼、车站、医院、居民楼等。
下面以具体的实施例对本申请的技术方案进行详细说明。下面这几个具体的实施例可以相互结合，对于相同或相似的概念或过程可能在某些实施例不再赘述。
图1为本申请实施例提供的一种摄像机的结构示意图。如图1所示，本实施例提供的摄像机，包括：处理器芯片、红外火焰探测器、信号处理电路和报警器。
参见图1，处理器芯片与信号处理电路连接，信号处理电路与红外火焰探测器连接。红外火焰探测器用于感知环境中的红外光能量；信号处理电路用于根据红外火焰探测器感知到的红外光能量，输出第一电压信号；处理器芯片用于接收信号处理电路输出的第一电压信号，并在第一电压信号满足预设的火焰识别条件时，输出火险报警指令。
继续参见图1，处理器芯片还与报警器连接，报警器用于接收处理器芯片输出的火险报警指令，并在接收到火险报警指令时进行报警。
红外火焰探测器是一种感光式火焰探测器，它响应火焰辐射光谱中的波长较长的红外辐射。红外火焰探测器的火焰探测灵敏度较高，对于起火速度快且无烟遮挡的明火火焰反应尤为灵敏。
在一些实施例中，红外火焰探测器可以采用点型红外火焰探测器，用于感知环境中的4.35um波段的红外光能量。由于天然气、酒精、汽油等物质燃烧时会产生大量的二氧化碳气体，这些二氧化碳气体在4.35um波段附近的辐射强度最大。通过感知环境中4.35um波段的红外光能量，能够进一步提高火焰探测灵敏度。
在一些实施例中，红外火焰探测器可以为单通道电压模式热补偿型结型场效应晶体管(Junction Field-Effect Transistor，JFET)。
作为一个示例，图2为图1所示摄像机中红外火焰探测器的结构示意图。如图2所示，以单通道电压模式热补偿型JFET为例，单通道电压模式热补偿型JFET是一种红外光敏的JFET传感器，主要由超薄钽酸锂单晶敏感元、低噪声结型场效应管和高透过率的窄带滤光片组成。单通道电压模式热补偿型JFET包括3个管脚，分别为漏极(Drain，D)管脚、源极(Source，S)管脚、以及栅极(Ground，G)管脚。其中，D管脚用于连接电源电压，S管脚作为输出端，用于连接信号处理电路，G管脚用于接地。
当单通道电压模式热补偿型JFET的D管脚连接固定的正向工作电压时，单通道电压模式热补偿型JFET输出的电流Id受电压Vgs的电压控制，电压Vgs是指S管脚和G管脚之间的电压，由透过滤光片敏感的红外波段(4.35um)的能量在敏感的钽酸锂材料上引起电荷量Q的变化，使得电压Vgs变化。单通道电压模式热补偿型JFET表面的面积一定，厚度一定，因此，电容C也是一定的，因此，存在如下关系：Vgs＝Q/C。由于Vgs是受4.35um波长的红外光能量控制，而电流Id受电压Vgs控制，因此，电流Id受4.35um波长的红外光能量控制。也就是说，红外火焰探测器输出的电流Id随感知到的红外光能量变化而变化。
本实施例中，将红外火焰探测器与信号处理电路连接，信号处理电路可以接收红外火焰探测器输出的电流Id，并将电流Id转换为第一电压信号。一些示例中，可以通过将红外火焰探测器的S极管脚连接下拉电阻，将电流Id转换为电压信号Vid。另一些示例中，在将电流Id转换为电压信号Vid之后，还可以对电压信号Vid进行放大、滤波等处理，以提高火焰识别的精度。
应理解，针对环境中未发生火险、已发生火险这两种情况，红外火焰探测器输出的电流Id是不同的，该两种情况下将电流Id转换得到的第一电压信号也是不同的。因此，可以根据第一电压信号来识别是否发生火险，或者说，识别环境中是否存在火焰。具体而言，处理器芯片接收信号处理电路输出的第一电压信号，并判断第一电压信号是否满足预设的火焰识别条件。在第一电压信号满足预设的火焰识别条件时，输出火险报警指令。在第一电压信号不满足预设的火焰识别条件时，不输出火险报警指令。
进一步的，报警器接收到火险报警指令后可以进行报警。示例性的，报警的方式可以包括但不限于下述中的一种或多种：(1)通过扬声器进行声音报警，(2)通过指示灯进行闪灯报警，(3)向管理员设备发送报警信息。
本实施例提供的摄像机，包括：红外火焰探测器、信号处理电路、处理器芯片和报警器；其中，处理器芯片与信号处理电路、报警器分别连接，信号处理电路还与红外火焰探测器连接；红外探测器用于感知环境中的红外光能量，信号处理电路用于根据红外探测器感知到的红外光能量，输出第一电压信号，处理器芯片用于接收第一电压信号，并在第一电压信号满足预设的火焰识别条件时输出火险报警指令，报警器用于在接收到火险报警指令时进行报警。一方面，由于红外火焰探测器的成本较低，只需要对摄像机进行较低成本的硬件改进，即可同时实现视频监控和火险监测功能，使得整体部署成本较低。另一方面，由于是通过监测环境中的红外光能量来识别火焰，即使是在火险初期火势较小的情况下，也能够及时、准确地触发火险报警，因此具有较高的灵敏度。
在图1所示实施例的基础上，下面结合图3至图11对本申请技术方案进行更详细的说明。
图3为本申请实施例提供的另一种摄像机的结构示意图。在图1所示实施例的基础上，本实施例提供的摄像机中，信号处理电路可以包括：信号转换电路和信号放大电路。
其中，信号转换电路的输入端与红外火焰探测器连接，用于将红外火焰探测器感知到的红外光能量转换为第二电压信号，并输出第二电压信号。
信号放大电路的输入端与信号转换电路的输出端连接，信号放大电路的输出端与处理器芯片连接。信号放大电路用于接收信号转换电路输出的第二电压信号，并对第二电压信号进行放大处理，得到第一电压信号，并向处理器芯片输出第一电压信号。
本实施例中，通过将红外火焰探测器感知到的红外光能量转换为第二电压信号之后，对第二电压信号进行放大处理，得到第一电压信号，将第一电压信号输出至处理器芯片，能够提高处理器芯片的火焰识别精度。
在一些可能的实现方式中，红外火焰探测器为结型栅场效应晶体管，红外火焰探测器的漏极与电源电压连接，红外火焰探测器的栅极接地，红外火焰探测器的源极作为输出端。信号转换电路可以包括：第十电容、第十一电容、第十二电容和第十二电阻。其中，第十电容的第一端、第十一电容的第一端均接地，第十电容的第二端、第十一电容的第二端均与红外火焰探测器的漏极连接；第十二电容的第一端、第十二电阻的第一端均接地，第十二电容的第二端、第十二电阻的第二端均与红外火焰探测器的源极连接。第十二电阻的第二端的电压信号作为信号转换电路输出的所述第二电压信号。
作为一个示例，图4为图3所示摄像机中信号转换电路的结构示意图。如图4所示，信号转换电路中包括：电容C2(即第十电容)、电容C3(即第十一电容)、电容C9(即第十二电容)和电阻R11(即第十二电阻)。
参见图4，以红外火焰探测器为图2所示的单通道电压模式热补偿型JFET为例，红外火焰探测器的漏极(D管脚)与5V电源电压连接，栅极(G管脚)接地。电容C2、电容C3为并联关系，电容C2的第一端、电容C3的第一端均接地，电容C2的第二端、电容C3的第二端均与红外火焰探测器的漏极连接。
继续参见图4，电容C9的第一端接地，第二端与红外火焰探测器的源极连接。电阻R11的第一端接地，第二端与红外火焰探测器的源极连接。电阻R11的第二端的电压信号作为信号转换电路输出的第二电压信号(即Vid)。
本实施例中，电容C2和电容C3可以对5V的电源电压进行滤波，使得红外火焰探测器可以获得稳定、低噪的工作电压。R11作为下拉电阻，可以将红外火焰探测器的源极输出的电流信号转换为电压信号Vid。电容C9可以对红外火焰探测器输出的电压信号Vid进行滤波，提高电压信号Vid的精度。
作为一个示例，图5为图4所示信号转换电路输出的电压信号的示意图。如图5所示，在环境中存在火焰的情况下，信号转换电路输出的电压信号为震荡波形，最大电压大约为500uV。
考虑到信号转换电路输出的电压信号Vid较小，如果直接将电压信号Vid输出至处理器芯片，处理器芯片的火焰识别精度不高。因此，在图3所示示例中，在信号转换电路和处理器芯片之间设置信号放大电路，信号放大电路接收信号转换电路输出的电压信号Vid，并对电压信号Vid进行放大处理，将放大后的电压信号输出至处理器芯片。例如，对电压信号Vid放大至少5000倍。这样，可以提高处理器芯片的火焰识别精度。
在一些实施例中，信号放大电路可以包括：第一放大电路和第二放大电路。第一放大电路被配置为与信号转换电路连接，用于接收信号转换电路输出的第二电压信号，对第二电压信号进行放大处理得到第三电压信号，并输出第三电压信号。第二放大电路被配置为与第一放大电路连接，用于接收第一放大电路输出的第三电压信号，对第三电压信号进行放大处理得到第一电压信号，并输出第一电压信号。处理器芯片与第二放大电路连接，接收第二放大电路输出的第一电压信号。
本实施例中，通过对信号转换电路输出的第二电压信号进行两级放大处理，得到第一电压信号，使得第一电压信号具有较高的增益，从而提高处理器芯片的火焰识别精度。
图6为本申请实施例提供的另一种摄像机的结构示意图。如图6所示，本实施例提供的摄像机包括：处理器芯片、图像传感器、供电电路、红外火焰探测器、以及信号处理电路。
参见图6，红外火焰探测器用于感知环境中的红外光能量。信号处理电路被配置为对红外光能量进行放大处理，输出第一电压信号。处理器芯片被配置为与信号处理电路连接，用于接收信号处理电路输出的第一电压信号，并在第一电压信号满足预设的火焰识别条件时，输出火险报警指令。
可选的，本实施例提供的摄像机还可以包括报警器，被配置为与处理器芯片连接，用于在接收到处理器芯片输出的火险报警指令时进行报警。
继续参见图6，供电电路被配置为与红外火焰探测器连接，用于向红外火焰探测器提供电源电压。示例型的，供电电路可以向红外火焰探测器提供5V的电源电压。
供电电路还被配置为与处理器芯片连接。图像传感器被配置为与处理器芯片连接，用于采集图像，并将采集到的图像输出至处理器芯片，处理器芯片还用于：对图像进行人体检测，以确定当前环境中是否存在人员；响应于当前环境中不存在人员，控制供电电路向红外火焰探测器提供电源电压；响应于当前环境中存在人员，控制供电电路停止向红外火焰探测器提供电源电压。
以摄像机应用于厨房场景为例，在厨房存在人员的情况下，例如，厨师正在厨房内炒菜，根据红外火焰探测器感知到的红外光能量，能够识别出环境中存在火焰，但是该火焰是由于正常炒菜导致的，而并不是发生火险。在该类场景中，可以将摄像机的视频监控功能和火险监测功能结合起来，先通过对图像传感器采集到的图像进行人体检测，确定当前环境中是否存在人员。在当前环境中存在人员的情况下，停止向红外火焰探测器供电，相当于暂时关闭火险监测功能。在当前环境中不存在人员的情况下，才向红外火焰探测器供电，以开启火险监测功能。这样，一方面，可以避免火险误报的情况；另一方面，还可以节省摄像机的耗电量。
下面结合图7至图9对信号处理电路的结构进行说明。
图7为图6所示摄像机中信号处理电路的一种结构示意图。如图7所示，信号处理电路包括第一放大电路。可选的，信号处理电路还可以包括信号转换电路，信号转换电路被配置为与红外火焰探测器和第一放大电路连接。信号转换电路用于将红外火焰探测器感知到的红外光能量转换为电压信号，并输出该电压信号。
本实施例中，根据火焰的抖动频率，在环境中存在火焰的情况下，信号转换电路输出的电压信号的频率在3Hz至20Hz以内。考虑到火焰探测器受到温度或其他外界因素的影响，火焰探测器输出信号会掺杂低频噪声和/或高频噪声。其中，低频噪声是指频率低于3Hz的噪声，高频噪声是指频率高于20Hz的噪声。因此，在对电压信号进行放大处理时，为了保证不失真放大有效电压信号，可以在第一放大电路中对电压信号进行滤波处理，以滤除电压信号中的低频噪声和高频噪声。也就是说，第一放大电路主要实现对低频噪声、高频噪声的滤波、以及对有效电压信号(3Hz～20Hz)的放大。
参见图7，第一放大电路包括：偏置电压调整电路、第一滤波电路、第二滤波电路和第一运算放大器。
其中，第一放大电路可以包括：偏置电压调整电路、第一滤波电路、第二滤波电路和第一运算放大器。偏置电压调整电路的输入端与信号转换电路的输出端连接，偏置电压调整电路的输出端与第一滤波电路的输入端连接；第一滤波电路的输出端与第一运算放大器的正相输入端连接，第二滤波电路与第一运算放大器的输出端、第一运算放大器的反相输入端分别连接。
偏置电压调整电路用于对红外光能量对应的电压信号(即信号转换电路输出的电压信号)的偏置电压进行抬高处理，得到并输出第四电压信号；第一滤波电路用于使所述第四电压信号中频率低于第一预设频率的电压信号进入所述第一运算放大器的正相输入端；所述第二滤波电路用于使所述第一运算放大器的输出端的电压信号中频率高于第二预设频率且低于第三预设频率的电压信号进入所述第一运算放大器的反相输入端。所述第一预设频率大于或等于火焰抖动频率范围的最大值，所述第三预设频率大于或等于火焰抖动频率的最大值，所述第二预设频率小于或等于火焰抖动频率范围的最小值。也就是说，第一滤波电路实现低通滤波的功能，第二滤波电路实现低通滤波+高通滤波的功能。
本实施例中，通过在第一放大电路中设置偏置电压调整电路、第一滤波电路、第二滤波电路、以及第一运算放大器，能够对红外光能量对应的电压信号中的低频噪声、高频噪声进行滤波、以及对有效电压信号(3Hz～20Hz)的放大，进而提高火焰报警的准确性。
图8为图6所示摄像机中信号处理电路的另一种结构示意图。如图8所示，在图7所示信号处理电路的基础上，信号处理电路还可以包括：第二放大电路。第二放大电路被配置为与第一放大电路连接，用于对第一放大电路输出的电压信号进行放大处理得到第一电压信号。
参见图8，第二放大电路可以包括：第二运算放大器、第三滤波电路和偏置电压生成电路；其中，第三滤波电路与第一放大电路的输出端、第二运算放大器的输出端、第二运算放大器的反相输入端分别连接；偏置电压生成电路与第二运算放大器的正相输入端连接。
偏置电压生成电路用于生成预设偏置电压信号，并将所述预设偏置电压信号输出至所述第二运算放大器的正相输入端。第三滤波电路用于使第一放大电路输出的电压信号中频率高于第四预设频率且低于第五预设频率的电压信号进入第二运算放大器的反相输入端。其中，第四预设频率小于或等于火焰抖动频率范围的最小值，第五预设频率大于或等于火焰抖动频率范围的最大值。
在第一滤波电路和第二滤波电路的基础上，再经过第三滤波电路，能够进一步提高电压信号的滤波效果，从而实现对火焰电压信号的无失真放大。
在一些实施例中，信号处理电路中的信号放大功能可以采用双路轨到轨互补金属氧化物半导体(Complementary Metal Oxide Semiconductor，CMOS)运算放大器实现。示例性的，上述的第一运算放大器和第二运算放大器可以分别对应双路轨到轨CMOS运算放大器的两个通道。下面结合图9具体说明。
图9为图6所示摄像机中信号处理电路的又一种结构示意图。如图9所示，双路轨到轨CMOS运算放大器包括两个运算放大单元，分别为UA和UB。双路轨到轨CMOS运算放大器具有8个管脚。其中，
管脚1为UA的输出端，用于连接处理器芯片；
管脚2为UA的反相输入端；
管脚3为UA的正相输入端；
管脚5为UB的正相输入端；
管脚6为UB的反相输入端；
管脚7为UB的输出端，作为UA的输入；
管脚4为UA和UB的接地管脚；
管脚8为电源管脚，用于连接5V电源电压。
继续参见图9，在一些实施例中，偏置电压调整电路中包括：第一电容(电容C13)、第一电阻(电阻R14)和第二电阻(电阻R15)。其中，电容C13的第一端与信号转换电路的输出端连接，电阻R14的第一端与5V电源电压连接，电阻R15的第一端接地；电容C13的第二端与电阻R14的第二端、电阻R15的第二端分别连接；电容C13的第二端作为偏置电压调整电路的输出端。
该偏置电压调整电路中，考虑到信号转换电路输出的是带偏置电压的电压信号，偏置电压值大约为0.4V，为了防止电压信号失真放大以及运算放大器的失调电压的影响，采用电容C13进行隔直流，并将电压信号的偏置电压调整为一个较高的预设电压。例如，图9中，电阻R14和电阻R15采用相同阻值的电阻，对运算放大器5V电源电压进行分压，得到2.5V电压，从而将电压信号Vid的偏置电压调整为2.5V。
继续参见图9，在一些实施例中，第一滤波电路包括：第三电阻(电阻R13)和第二电容(电容C10)。其中，电阻R13的第一端与偏置电压调整电路的输出端连接，电阻R13的第二端与电容C10的第一端、第一运算放大器(UB)的正相输入端分别连接，电容C10的第二端接地。电阻R13的第二端作为第一滤波电路的输出端。
该第一滤波电路中，电阻R13和电容C10组成低通滤波器，可以滤除电压信号中的低频噪声。一个示例中，电阻R13的阻值可以为1K，电容C10的电容量可以为4.7uF。这样，根据公式f＝1/(2*π*R*C)，可以计算得到截止频率大约为34Hz，从而可以滤除高频噪声。上述公式中，R表示电阻的阻值，C表示电容的电容量。
继续参见图9，在一些实施例中，第二滤波电路包括：第三电容(电容C1)、第四电容(电容C4)、第四电阻(电阻R3)和第五电阻(电阻R2)。其中，电容C1的第一端、电阻R3的第一端均与第一运算放大器(UB)的输出端连接；电容C1的第二端、电阻R3的第二端、电阻R2的第一端均与第一运算放大器的反相输入端连接；电阻R2的第二端与电容C4的第一端连接，电容C4的第二端接地。
该第二滤波电路中，电容C4和电阻R2组成高通滤波器，电阻R3和电容C1组成低通滤波器。作为一个示例，假设电阻R3的阻值为680K，电阻R2的阻值为1K，电容C1的电容量为10nF，电容C4的电容量为47uF。根据公式f＝1/(2*π*R*C)，可以计算得到：电容C4和电阻R2组成的高通滤波器对应的截止频率为3.3Hz，电阻R3和电容C1组成的低通滤波器对应的截止频率为23Hz。这样，第二滤波电路可以使得频率小于23Hz且大于3.3Hz的电压信号进入第一运算放大器的反相输入端，能够有效滤波高频噪声和低频噪声。
该第二滤波电路可以决定第一运算放大器(UB)对应的第一放大倍数。第一放大倍数可以采用如下公式计算得到：
Av1＝20log(1+Z1/Z2)
其中，Z1为电阻R3和电容C1组成的阻抗，Z2为电阻R2和电容C4组成的阻抗。一个示例中，假设电阻R3的阻值为680K，电阻R2的阻值为1K，电容C1的电容量为10nF，电容C4的电容量为47uF。按照上述公式，得到的第一放大倍数Av1是随频率变化的倍数，通过仿真，在频率为8Hz左右时，第一放大倍数大约为54.3dB，当频率小于2.8Hz或者大于21Hz，增益衰减3dB左右。
继续参见图9，在一些实施例中，第三滤波电路包括：第五电容(电容C14)、第六电容(电容CA1)、第七电容(电容CA2)、第六电阻(电阻R10)、第七电阻(电阻R8)和第八电阻(电阻R12)。其中，电容C14的第一端与第一放大电路(UB)的输出端连接，电容C14的第二端与电阻R10的第一端连接，电阻R10的第二端与电阻R8的第一端、电容CA2的第一端分别连接，电阻R8的第二端与第二运算放大器(UA)的反相输入端连接，电容CA2的第二端接地。电容CA1的第一端、电阻R12的第一端与第二运算放大器(UA)的输出端分别连接，电容CA1的第二端、电阻R12的第二端均与电容CA2的第一端连接。
继续参见图9，在一些实施例中，偏置电压生成电路可以包括：第九电阻(电阻R1)、第十电阻(电阻R5)、第十一电阻(电阻R6)、第八电容(电容C5)和第九电容(电容C6)。其中，电阻R1的第一端与电源电压连接，电阻R1的第二端与电容C5的第一端、电容C6的第一端、电阻R5的第一端、电阻R6的第一端分别连接，电容C5的第二端、电容C6的第二端、电容R5的第二端均接地；电阻R6的第二端与第二运算放大器的正向输入端连接。
由于经过第一运算放大器(UB)输出的电压信号会经过电容C14进行隔直，因此，进入到接入运算放大器(UA)的电压信号会是一个过零的交流电压信号，但处理器芯片采集的电平不能是负值，因此，第二运算放大器(UA)设计为带偏置的反相放大电路，通过偏置电压生成电路生成2.5V的偏置电压信号，提供给第二运算放大器的正相输入端。在偏置电压生成电路中，5V的电源电压通过电阻R1和电阻R5进行分压得到2.5V的偏置电压信号。电阻R6作为串联电阻，用于减少第二运算放大器管脚的失调电压。电容C5和电容C6作为滤波电容。
在第三滤波电路中，电容C14的作用与电容C13的作用相同，用于隔直流。电容C14、电阻R10、电阻R8、电容CA1、电阻R12、以及电容CA2组成巴特沃斯滤波器。该巴特沃斯滤波器的低频截止频率为：
Figure BDA0003739483150000171
该巴特沃斯滤波器的高频截止频率为：
Figure BDA0003739483150000172
一个示例中，假设电容CA1的电容量为10nF，电容CA2的电容量为10nF，电阻R8的阻值为50K，电阻R12的阻值为47K，电阻R10的阻值为4.7K，电容C14的电容量为22uF，则根据上述两个公式计算得到低频截止频率为1.6Hz，高频截止频率为300Hz。
该巴特沃斯滤波器还决定了第二运算放大器(UA)对应的第二放大倍数。第二放大倍数可以采用如下公式计算得到：
Av2＝20log(R12/R10)
当电阻R12的阻值为47K，电阻R10的阻值为4.7K时，通过仿真，在频率为8Hz左右时，第二放大倍数Av2大约为20dB。两个通道搭配得到的最终增益为74.24dB，在3Hz和18Hz左右衰减3dB。
基于图9所示的信号放大电路，第二运算放大器(UA)的输出端输出的电压信号为：
Vo＝2.5V+Av2*Vi
其中，Vi为第一运算放大器(UB)的输出端输出的电压信号经过电容C14隔直后的交流电压信号。Av2为第二运算放大器(UA)对应的第二放大倍数。
图10A和图10B为图9所示信号处理电路的仿真结果示意图。其中，图10A示例的是第一运算放大器的仿真结果，在频率为8Hz左右时，增益大约为54.3dB，当频率小于2.8Hz或者大于21Hz，增益衰减3dB左右。图10B示例的是第一运算放大器和第二运算放大器的综合仿真结果，在频率为8Hz左右时，增益大约为74.24dB，在3Hz和18Hz左右衰减3dB。由此可见，满足设计需求。
图11为图9所示信号处理电路对电压信号的放大效果的示意图。如图11所示，在环境中存在火焰的情况下，信号转换电路输出的电压信号(左图)为震荡波形，最大电压大约为500uV。第一放大电路和第二放大电路对该电压信号进行放大处理之后，震荡波形的最大电压大约为5V，偏置电压为2.5V。
需要说明的是，上述图7至图9所示的第一放大电路、第二放大电路的结构也可以应用到图1或图3所示的摄像机中，对此不做赘述。
在图6所示摄像机的基础上，下面结合一个具体的实施例对摄像机的火险监测流程进行说明。
图12为本申请实施例提供的一种火险监测方法的流程示意图。本实施例的方法可以由摄像机执行，具体可以由摄像机中的处理器芯片执行。如图12所示，本实施例的方法包括：
S1201：获取图像传感器采集到的图像。
S1202：对图像进行人体检测，以确定当前环境中是否存在人员。
若当前环境中存在人员，则返回执行S1201。若当前环境中不存在人员，则执行S1203至S1206。
S1203：控制供电电路向红外火焰探测器提供电源电压，以使红外火焰探测器感知环境中的红外光能量。
S1204：获取第一电压信号，第一电压信号是基于上述感知到的红外光能量得到的。
示例性的，可以通过信号处理电路对上述感知到的红外光能量进行转换，得到第二电压信号，并对第二电压信号进行放大处理，得到第一电压信号。其中，上述转换以及放大处理的过程可以参见前述实施例的相关描述，此处不做赘述。
S1205：确定第一电压信号是否满足预设的火焰识别条件。
在一些实施例中，预设的火焰识别条件可以包括下述中的一种或多种：
条件1：第一电压信号中存在震荡波形；
条件2：震荡波形的持续时长大于预设时长；
条件3：震荡波形对应的偏置电压等于预设电压。
针对条件1，由于火焰具有抖动性，火焰的抖动性会使得第一电压信号中存在震荡波形。例如，该震荡波形可以为正弦波形、余弦波形、或者其他具有震荡性质的波形。因此，可以通过检测第一电压信号中是否存在震荡波形来识别环境中是否存在火焰。
针对条件2，在采用单通道电压模式热补偿型JFET作为红外火焰探测器的情况下，当环境温度变化时，红外火焰探测器会输出约2秒左右的交流信号，这样，第一电压信号中也会存在约2秒左右的震荡波形。因此，为了避免由于环境温度变化导致的火险误报，在条件1的基础上，还可以进一步判断震荡波形的持续时长是否大于预设时长。其中，预设时长大于2秒。例如，预设时长可以为3秒、4秒等。
针对条件3，结合图9所示的信号放大电路，通过R14、R15对5V的电源电压进行分压，将电压信号Vid转换为具有2.5V偏置电压的电压信号。因此，在上述条件1的基础上，还可以进一步判断震荡波形对应的偏置电压是否等于预设电压。例如，该预设电压可以为2.5V。
本实施例中，可以利用上述3个条件，来判断第一电压信号是否为有效火焰信号，即，判断环境中是否存在火焰，这样，可以提高火焰识别结果的准确性。
若确定第一电压信号不满足预设的火焰识别条件，则说明环境中不存在火焰，返回执行S1204。若确定第一电压信号满足预设的火焰识别条件，则说明环境中存在火焰，继续执行S1206。
S1206：向报警器输出火险报警指令，以使报警器进行报警。
具体报警方式可以参见前述实施例的相关描述，此处不做赘述。
本申请提供的摄像机，通过在摄像机中部署红外火焰探测器以及信号处理电路，使得摄像机具有火险监测功能。一方面，由于红外火焰探测器的成本较低，只需要对摄像机进行较低成本的硬件改进，即可同时实现视频监控和火险监测功能，使得整体部署成本较低。另一方面，由于是通过监测环境中的红外光能量来识别火焰，即使是在火险初期火势较小的情况下，也能够及时、准确地触发火险报警，因此具有较高的灵敏度。
需要说明的是，本申请实施例中，电容元件的第一端是指电容元件的其中一端，电容元件的第二端是指电容元件的另外一端，并不限定具体哪一端为第一端、哪一端为第二端。电阻元件的第一端是指电阻元件的其中一端，电阻元件的第二端是指电阻元件的另外一端，并不限定具体哪一端为第一端、哪一端为第二端。
在本申请实施例中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等应做广义理解，例如可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成为一体；可以是机械连接，也可以是电连接或者可以互相通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以使两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
本领域普通技术人员可以理解：实现上述各方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成。前述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中。该程序在执行时，执行包括上述各方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种摄像机，其特征在于，包括：
红外火焰探测器，用于感知环境中的红外光能量；
信号处理电路，被配置为与所述红外火焰探测器连接，用于根据所述红外火焰探测器感知到的红外光能量，输出第一电压信号；
处理器芯片，被配置为与所述信号处理电路连接，用于接收所述信号处理电路输出的所述第一电压信号，并在所述第一电压信号满足预设的火焰识别条件时，输出火险报警指令；
报警器，被配置为与所述处理器芯片连接，用于在接收到所述处理器芯片输出的所述火险报警指令时进行报警。
2.根据权利要求1所述的摄像机，其特征在于，所述信号处理电路包括：
信号转换电路，被配置为与所述红外火焰探测器连接，用于将所述红外火焰探测器感知到的红外光能量转换为第二电压信号，并输出所述第二电压信号；
信号放大电路，被配置为与所述信号转换电路连接，用于接收所述信号转换电路输出的所述第二电压信号，对所述第二电压信号进行放大处理得到所述第一电压信号，并输出所述第一电压信号。
3.根据权利要求2所述的摄像机，其特征在于，所述信号放大电路包括：
第一放大电路，被配置为与所述信号转换电路连接，用于接收所述信号转换电路输出的所述第二电压信号，对所述第二电压信号进行放大处理得到第三电压信号，并输出所述第三电压信号；
第二放大电路，被配置为与所述第一放大电路连接，用于接收所述第一放大电路输出的所述第三电压信号，对所述第三电压信号进行放大处理得到所述第一电压信号，并输出所述第一电压信号。
4.一种摄像机，其特征在于，包括：
红外火焰探测器，用于感知环境中的红外光能量；
包括第一放大电路的信号处理电路，所述信号处理电路被配置为对所述红外光能量进行放大处理，输出第一电压信号；
其中，所述第一放大电路包括：偏置电压调整电路、第一滤波电路、第二滤波电路和第一运算放大器；
所述偏置电压调整电路的输出端与所述第一滤波电路的输入端连接；所述第一滤波电路的输出端与所述第一运算放大器的正相输入端连接；所述第二滤波电路与所述第一运算放大器的输出端、所述第一运算放大器的反相输入端分别连接；
所述偏置电压调整电路用于对所述红外光能量对应的电压信号的偏置电压进行抬高处理，得到并输出第四电压信号；所述第一滤波电路用于使所述第四电压信号中频率低于第一预设频率的电压信号进入所述第一运算放大器的正相输入端；所述第二滤波电路用于使所述第一运算放大器的输出端的电压信号中频率高于第二预设频率且低于第三预设频率的电压信号进入所述第一运算放大器的反相输入端；以及
其中，所述第一预设频率大于或等于火焰抖动频率范围的最大值，所述第三预设频率大于或等于火焰抖动频率的最大值，所述第二预设频率小于或等于火焰抖动频率范围的最小值；
处理器芯片，被配置为与所述信号处理电路连接，用于接收所述信号处理电路输出的所述第一电压信号，并在所述第一电压信号满足预设的火焰识别条件时，输出火险报警指令；以及
所述摄像机还包括供电电路，被配置为与所述红外火焰探测器连接，用于向所述红外火焰探测器提供电源电压，所述供电电路还被配置为与所述处理器芯片连接；
所述摄像机还包括图像传感器，被配置为与所述处理器芯片连接，用于采集图像，并将采集到的图像输出至所述处理器芯片；
所述处理器芯片还用于：对所述图像进行人体检测，以确定当前环境中是否存在人员；响应于当前环境中不存在人员，控制所述供电电路向所述红外火焰探测器提供电源电压；响应于当前环境中存在人员，控制所述供电电路停止向所述红外火焰探测器提供电源电压。
5.根据权利要求4所述的摄像机，其特征在于，所述偏置电压调整电路中包括：第一电容、第一电阻和第二电阻；其中，
所述第一电容的第一端作为所述偏置电压调整电路的输入端，所述第一电容的第二端作为所述偏置电压调整电路的输出端；所述第一电阻的第一端与电源电压连接，所述第二电阻的第一端接地；所述第一电容的第二端与所述第一电阻的第二端、所述第二电阻的第二端分别连接。
6.根据权利要求4所述的摄像机，其特征在于，所述第一滤波电路包括：第三电阻和第二电容；其中，
所述第三电阻的第一端与所述偏置电压调整电路的输出端连接，所述第三电阻的第二端与所述第二电容的第一端、所述第一运算放大器的正相输入端分别连接，所述第二电容的第二端接地。
7.根据权利要求4所述的摄像机，其特征在于，所述第二滤波电路包括：第三电容、第四电容、第四电阻和第五电阻；其中，
所述第三电容的第一端、所述第四电阻的第一端均与所述第一运算放大器的输出端连接，所述第三电容的第二端、所述第四电阻的第二端、所述第五电阻的第一端均与所述第一运算放大器的反相输入端连接；所述第五电阻的第二端与所述第四电容的第一端连接，所述第四电容的第二端接地。
8.根据权利要求4至7任一项所述的摄像机，其特征在于，所述信号处理电路还包括第二放大电路，所述第二放大电路被配置为与所述第一放大电路连接，用于对所述第一放大电路输出的电压信号进行放大处理得到所述第一电压信号；
所述第二放大电路包括：第二运算放大器、第三滤波电路和偏置电压生成电路；其中，
所述第三滤波电路与所述第一放大电路的输出端、所述第二运算放大器的输出端、所述第二运算放大器的反相输入端分别连接；所述偏置电压生成电路与所述第二运算放大器的正相输入端连接；
所述偏置电压生成电路用于生成预设偏置电压信号，并将所述预设偏置电压信号输出至所述第二运算放大器的正相输入端；所述第三滤波电路用于使所述第一放大电路输出的电压信号中频率高于第四预设频率且低于第五预设频率的电压信号进入所述第二运算放大器的反相输入端；
其中，所述第四预设频率小于或等于火焰抖动频率范围的最小值，所述第五预设频率大于或等于火焰抖动频率范围的最大值。
9.根据权利要求8所述的摄像机，其特征在于，所述第三滤波电路包括：第五电容、第六电容、第七电容、第六电阻、第七电阻和第八电阻；其中，
所述第五电容的第一端与所述第一放大电路的输出端连接，所述第五电容的第二端与所述第六电阻的第一端连接，所述第六电阻的第二端与所述第七电阻的第一端、所述第七电容的第一端分别连接，所述第七电阻的第二端与所述第二运算放大器的反相输入端连接，所述第七电容的第二端接地；
所述第六电容的第一端、所述第八电阻的第一端与所述第二运算放大器的输出端分别连接，所述第六电容的第二端、所述第八电阻的第二端均与所述第七电容的第一端连接。
10.根据权利要求8所述的摄像机，其特征在于，所述偏置电压生成电路包括：第九电阻、第十电阻、第十一电阻、第八电容和第九电容；其中，
所述第九电阻的第一端与电源电压连接，所述第九电阻的第二端与所述第八电容的第一端、所述第九电容的第一端、所述第十电阻的第一端、所述第十一电阻的第一端分别连接；所述第八电容的第二端、所述第九电容的第二端、所述第十电阻的第二端均接地；所述第十一电阻的第二端与所述第二运算放大器的正向输入端连接。
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