慧眼識芯：網(wǎng)絡(luò )攝像頭方案探索

根據Omdia估計，2023年全球安防攝像頭市場(chǎng)（高清模擬攝像頭、網(wǎng)絡(luò )攝像頭、防爆攝像頭和熱成像攝像頭）總體發(fā)貨量約為1.9億臺，預計到2028年，總體發(fā)貨量將達到2.6億臺。2023年，中國的發(fā)貨量占據了全球攝像頭市場(chǎng)的近56%。隨著(zhù)市場(chǎng)的不斷擴張，預計到2028年，中國市場(chǎng)的發(fā)貨量將增長(cháng)至約1.5億臺，年均復合增長(cháng)率達到7.0%。

圖1：2023-2028全球安防攝像頭發(fā)貨量（來(lái)源Omdia）

根據中國安全防范產(chǎn)品行業(yè)協(xié)會(huì )組織編制的《中國安防行業(yè)"十四五"發(fā)展規劃（2021-2025年）》提示，"十三五"期間，據中安協(xié)初步統計：到2020年底我國安防企業(yè)達到3萬(wàn)余家，從業(yè)人員170多萬(wàn)人；2020年安防行業(yè)總產(chǎn)值約達到7950億元，實(shí)現增加值約為2650億元，"十三五"期間年均增長(cháng)率達到了10%以上。在行業(yè)總產(chǎn)值中，視頻監控約占55%。"十四五"期間安防市場(chǎng)年均增長(cháng)率達到7%左右，2025年全行業(yè)市場(chǎng)總額達到1萬(wàn)億元以上。

我國安防攝像頭的技術(shù)演進(jìn)以及發(fā)展階段：

2019年以前，以“安全“為驅動(dòng)力，在公共服務(wù)事業(yè)領(lǐng)域呈現指數級增長(cháng)，但目前該領(lǐng)域市場(chǎng)滲透率趨近飽和。

2019年之后，以“連接“和”計算“為驅動(dòng)力，軟件（算法和系統）結合硬件（芯片），從高清攝像頭向智能攝像頭升級，商用和家用產(chǎn)品市場(chǎng)份額持續攀升。

圖2：各類(lèi)外形和功能的網(wǎng)絡(luò )攝像頭

網(wǎng)絡(luò )攝像頭（IP Camera，簡(jiǎn)稱(chēng)IPC）是將視頻信號經(jīng)過(guò)數字化處理后，通過(guò)網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行傳輸，實(shí)現遠程監控的設備。近年來(lái)，網(wǎng)絡(luò )攝像頭領(lǐng)域備受矚目的幾大核心功能趨勢包括：

1. AOV（Always on Video）

采用基于超低功耗內存的快速啟動(dòng)待機技術(shù)，AOV成功實(shí)現了7×24小時(shí)不間斷的全天候錄像能力。這一技術(shù)有效彌補了傳統低功耗IPC在PIR傳感器未觸發(fā)期間無(wú)法記錄影像的缺陷，在保持極低能耗的同時(shí)，能夠更接近常規電源設備的使用體驗。

2. 黑光

基于高感光度圖像傳感器，結合AI-ISP成像體系，能夠在低至0.0005 Lux（照度計量單位）的極端微弱光線(xiàn)環(huán)境中，依然保持圖像的全彩顯示，無(wú)需額外補光設備。從“星光”到“超星光”的跨越，再到如今“黑光”技術(shù)的問(wèn)世，標志著(zhù)在復雜光照條件下對圖像解析力、質(zhì)量和穩定性的不斷追求和突破。

3. 槍球一體

槍型攝像頭一般具有較為固定的視角范圍，適合在一定區域范圍內進(jìn)行重點(diǎn)追蹤監控；球型攝像頭可以通過(guò)云臺的旋轉和移動(dòng)來(lái)360°調整視角，監控范圍更加廣闊；而槍球一體聯(lián)動(dòng)雙攝攝像頭，顧名思義，是結合槍型攝像頭和球型攝像頭的優(yōu)勢特點(diǎn)，一臺設備兼顧全景和細節。

兆易創(chuàng )新IPC解決方案

作為網(wǎng)絡(luò )攝像頭產(chǎn)業(yè)上游關(guān)鍵力量，芯片供應商在IPC解決方案中發(fā)揮了舉足輕重的作用。其中，兆易創(chuàng )新在存儲、MCU，以及模擬芯片有著(zhù)多年深厚技術(shù)積淀，不僅滿(mǎn)足了當前主流網(wǎng)絡(luò )攝像頭設備的功能性能，以及可靠性和安全性等方面的多維度需求，還為下一代產(chǎn)品創(chuàng )新提供堅實(shí)有力的支撐。

圖3. 網(wǎng)絡(luò )攝像頭電源樹(shù)結構（Power Tree）

依據實(shí)際的監控場(chǎng)景，網(wǎng)絡(luò )攝像頭通常有四類(lèi)供電方式：

◆ 電池供電

該方式依賴(lài)內置的鋰電池組提供電力，無(wú)需額外連接電源插座，常用于外部供電不便且功耗較低的攝像設備。

◆ POE（Power Over Ethernet）供電

通過(guò)一根以太網(wǎng)線(xiàn)就能同時(shí)完成數據傳輸和電力供應，安裝簡(jiǎn)便，布線(xiàn)成本低，設備位置靈活，不受電源插座位置的限制。

◆ 電源適配器供電

選用具有適合電壓電流范圍的AC/DC電源適配器進(jìn)行獨立供電，穩定性好，廣泛適用于各類(lèi)電源規格的設備。

◆ 太陽(yáng)能設備供電

通過(guò)太陽(yáng)能板高效地將太陽(yáng)能轉化為電能，并借助最大功率點(diǎn)追蹤（MPPT）技術(shù)提高太陽(yáng)能電板的輸出效率，隨后將電能存儲在電池中，以此為網(wǎng)絡(luò )攝像頭提供持久且穩定的電力供應，充分利用了可再生能源，減少了碳排放，適用于戶(hù)外、野外等有線(xiàn)供電不便的區域場(chǎng)景。

網(wǎng)絡(luò )攝像頭的電源樹(shù)結構如圖3所示，電池供電一般采用單節鋰電池或者是雙節鋰電池，供電電壓為4.2V或者8.4V，POE、電源適配器和太陽(yáng)能設備供電的供電電壓為12V，供電電流為2A/3A。首先通過(guò)一級升降壓模塊——GD30DC130X/135X系列DC-DC降壓轉換器，或GD30DC2301 DC-DC升壓轉換器，有效地將輸入電壓轉換為3.3V、5V以及6至9V的多種穩定輸出電壓。隨后，進(jìn)一步經(jīng)由二級降壓?jiǎn)卧幚?，具體包括GD30DC110X系列DC-DC降壓轉換器以及GD30LD2010 LDO（低壓差線(xiàn)性穩壓器）芯片，以實(shí)現更為精細的電壓調節，最終輸出更低的電壓等級，包括1.2V、1.5V和2.8V，以滿(mǎn)足網(wǎng)絡(luò )攝像頭內部各組件的特定供電需求。

GD30DC130X/ DC135X系列DC-DC高效同步降壓轉換器芯片

?支持寬電壓輸入范圍4.2-18V/25V，最低支持輸出電壓為0.6V

?輸出電流為1A/2A/3A

?轉換效率高達95%

?支持FCCM 和Pulse-Skip Mode模式切換

?支持過(guò)流、過(guò)壓、過(guò)溫和Hic-cup短路保護

?采用恒定接通時(shí)間（COT）架構，實(shí)現高壓降壓應用中的快速瞬態(tài)響應

GD30DC110X系列DC-DC高效同步降壓轉換器芯片

?支持輸入電壓范圍2.5-6V，輸出電壓為0.6V-Vin

?輸出電流為1A/1.2A/2A

?轉換效率高達95%

?最高開(kāi)關(guān)頻率達到1.5MHz，duty cycle 可達100%

?支持FCCM 和Pulse-Skip Mode 模式切換

?支持過(guò)流、過(guò)壓、過(guò)溫和Hic-cup短路保護

GD30DC2301 DC-DC高頻異步升壓轉換器芯片

?支持寬電壓輸入范圍2.5-18V，最高輸出電壓可達36V

?支持最大輸出電流為2A

?轉換效率高達95%

?1MHz固定開(kāi)關(guān)頻率

?內部集成150mΩ Power MOSFET，輸出恒定電流驅動(dòng)多路LED燈

GD30LD2010 高PSRR、低壓差線(xiàn)性穩壓器芯片

?支持輸入電壓范圍1.5-7V，輸出電壓范圍為0.8-5V

?支持最大500mA的輸出電流

?輕負載條件下靜態(tài)電流僅為40uA

?高電源電壓抑制比（PSRR）：80dB@f =1KHz

?低輸入輸出電壓差：520mV@500mA@VOUT=1.8V

?熱關(guān)斷保護，電流限流保護

圖4. 有線(xiàn)PTZ IP Camera 經(jīng)典系統框圖

以一臺有線(xiàn)PTZ網(wǎng)絡(luò )攝像頭為例，通常來(lái)說(shuō)它的硬件架構系統涵蓋了多個(gè)關(guān)鍵組件，包括鏡頭、圖像傳感器、環(huán)境感知傳感器、音頻信號處理、視頻編解碼芯片、主控芯片、云臺控制，以及USB、網(wǎng)絡(luò )接口等多種有線(xiàn)接口等。

1. 鏡頭以及云臺控制

鏡頭負責捕捉即時(shí)的圖像信息，鏡頭的關(guān)鍵參數包括視角、焦距、光圈等，光圈決定進(jìn)光量，焦距影響拍攝距離，視角關(guān)乎監控范圍。

云臺（PTZ，即Pan/Tilt/Zoom-全景/傾斜/縮放）功能允許用戶(hù)遠程精確地控制云臺和鏡頭的動(dòng)作，實(shí)現監控畫(huà)面的全方位移動(dòng)和細節放大，以便更細致地觀(guān)察監控區域的細節。這一功能在需要大范圍監控和精確追蹤目標的場(chǎng)景中尤為重要。

GD30DR473X系列馬達驅動(dòng)芯片非常適用于實(shí)現鏡頭，IR-CUT雙濾光片，以及PTZ馬達控制的集成電機驅動(dòng)器解決方案。

GD30DR4732是一款鏡頭電機驅動(dòng)器芯片，通過(guò)電壓驅動(dòng)方式以及扭矩紋波修正技術(shù)，實(shí)現了超低噪聲256細分微步驅動(dòng)。最大驅動(dòng)電流150mA，結合邏輯電路對驅動(dòng)電路控制，可在實(shí)現光圈控制（IRIS）功能的同時(shí)，實(shí)現變焦（Zoom）和對焦（Focus）功能：

?調節光圈的大小可以直接影響圖像的亮度和對比度，獲得合適的曝光度，以適應不同的光線(xiàn)條件。

?變焦是通過(guò)改變焦距，從而改變視角大小，通過(guò)拉近（Zoom In）和推遠（Zoom Out），來(lái)獲得畫(huà)面的放大和縮小。

?對焦是通過(guò)改變焦點(diǎn)位置與拍攝物體的距離來(lái)調整畫(huà)面清晰度, 例如調成近焦（Focus Near）或遠焦（Focus Far）。

GD30DR4730/4731是多通道電機驅動(dòng)芯片，具備五路H橋驅動(dòng)器，可驅動(dòng)兩個(gè)步進(jìn)電機和一個(gè)直流有刷電機。其中步進(jìn)電機驅動(dòng)器支持整步進(jìn)、1/2步進(jìn)以及32/64/256細分微步進(jìn)，可提供高達0.5A的驅動(dòng)電流，具有多保護功能，欠壓鎖定 (UVLO)，過(guò)流保護 (OCP) 和熱關(guān)斷 (TSD)，典型的應用方案為：

?一路直流有刷電機驅動(dòng)器用于IR-CUT雙濾光片切換：白天切換為紅外截止濾光片，畫(huà)面圖像不偏色。夜晚切換成全光譜濾光片，支持紅外補光，提升了夜視清晰度。

?兩路步進(jìn)電機驅動(dòng)器用于云臺馬達控制：通過(guò)正交SPWM模式來(lái)控制云臺馬達的上下以及左右方向的平穩移動(dòng)和旋轉。

GD30DR4730/4731比較適用于球型攝像機頭等需要多軸旋轉和調整角度，從而實(shí)現覆蓋更廣闊的監控區域的監控。對于槍型攝像機等監控角度和位置相對固定的機型，也可以采用GD30DR380X來(lái)實(shí)現水平和垂直移動(dòng)控制。

GD30DR380X直流馬達驅動(dòng)芯片包含一路H橋驅動(dòng)器，可驅動(dòng)一個(gè)直流電機或螺線(xiàn)管等其他器件。輸出驅動(dòng)器塊由配置為H橋的N溝道功率MOSFET組成，用于驅動(dòng)電機繞組。內部電荷泵產(chǎn)生柵極驅動(dòng)電壓。該系列芯片具有PWM（IN/IN）輸入接口，可提供高達1A的輸出電流，可在0V至11V的電機電源電壓下工作，控制邏輯可在1.6V至7V的電壓軌上工作，提供過(guò)流保護、短路保護、欠壓鎖定保護和過(guò)溫保護。

GD32F303Vx微控制器基于A(yíng)RM? Cortex?-M4內核，工作頻率高達120MHz，集成了多類(lèi)外設功能，并采用LQFP100封裝形式。當與GD30DR4730/4731，GD30DR380X馬達驅動(dòng)芯片協(xié)同工作，能夠實(shí)現對鏡頭以及多路電機的統一高效控制。

內置48至96KB的SRAM以及256KB至3MB的Flash大容量片上存儲器，為運行PTZ跟蹤與控制算法提供了充足的資源。使系統能夠針對鎖定的目標執行視覺(jué)導向自動(dòng)跟蹤任務(wù)，通過(guò)精確控制云臺的方位旋轉，確保目標始終位于鏡頭視野的中心位置。此外，系統還能靈活調控鏡頭的變焦功能，從而捕獲高分辨率的視頻圖像，進(jìn)一步提升監控與追蹤的精準度與細節表現力。

2. 環(huán)境感知

在市場(chǎng)需求的持續推動(dòng)下，網(wǎng)絡(luò )攝像頭的智能化進(jìn)程正在持續深度演進(jìn)，智能化的基石在于打造一個(gè)全方位的感知體系，通過(guò)一系列傳感器，監測并分析其運行環(huán)境中的每一個(gè)細微變化與動(dòng)態(tài)信息，為后續的智能化處理與決策提供堅實(shí)的數據支撐。主要傳感器模塊包括：

?光線(xiàn)傳感器

光線(xiàn)傳感器來(lái)測量環(huán)境光照強度的變化，自動(dòng)調節圖像傳感器的參數或切換到不同的工作模式，以確保在不同光照條件下都能獲得高質(zhì)量的圖像。

?溫濕度傳感器

實(shí)時(shí)監測周遭環(huán)境的溫濕度的變化，可以在監控視頻上顯示溫度和濕度數據，也可以上傳至云端，還可以根據實(shí)際條件設置觸發(fā)警報。GD30TS100N/112N為高精度、低功耗的本地數字溫度傳感器，I2C控制接口，分辨率為12bit，測量精度為±0.5°C (–40°C to +125°C)，工作電壓為2.7-5.5V/1.4-5.5V，關(guān)斷態(tài)電流低至0.3μA/1μA。

GD30TSHT30是一款本地溫濕度傳感器，I2C控制接口，分辨率為16bit，溫度測量精度為±0.5°C (–40°C to +125°C)，相對濕度精度為+3%RH，工作電壓為2.2-5.5V。

?PIR傳感器

低功耗網(wǎng)絡(luò )攝像頭平時(shí)處于低功耗的休眠狀態(tài)以延長(cháng)電池壽命或降低能耗。一旦有物體在攝像頭的監控范圍內移動(dòng)，被動(dòng)紅外（PIR，Passive Infra-Red）傳感器會(huì )立即感知并觸發(fā)攝像頭從休眠中喚醒，迅速啟動(dòng)錄像或警報功能，實(shí)現對安全事件的即時(shí)響應。

3. 視頻音頻處理

將鏡頭采集到的光信號傳給圖像傳感器（CCD/CMOS），經(jīng)過(guò)光/電轉換后，再進(jìn)行模擬信號到數字信號的轉換。隨后，依據MPEG4、H.263、H.264、H.265或M-JPEG等視頻編碼標準，對數字信號進(jìn)行高效的視頻編碼與壓縮處理。完成這些步驟后，視頻數據即可打包經(jīng)由網(wǎng)絡(luò )通信上傳至指定存儲位置。

網(wǎng)絡(luò )攝像頭自帶麥克風(fēng)收音和揚聲器外放，既可捕捉周?chē)h(huán)境中的聲音，也可以播放語(yǔ)音指令和警告信息，實(shí)現遠程監控人員與被監控區域之間的全雙工語(yǔ)音通訊。音頻通信模塊包含麥克風(fēng)運算放大器和揚聲器運算放大器，通過(guò)ADC和DAC實(shí)現模/數和數/模信號轉換，搭載DSP單元進(jìn)行信號處理。特別值得一提的是，GD30AP72x系列1/2/4-ch低噪聲運算放大器，憑借其低至1.8V至5.5V的寬泛工作電壓范圍，以及僅為8nV/√Hz@1KHz的超低輸入電壓噪聲密度，為網(wǎng)絡(luò )攝像頭的音頻通信質(zhì)量提供了堅實(shí)的保障。

4. 主控芯片以及存儲方案

主控芯片肩負著(zhù)整個(gè)系統的控制和調度重任。當前網(wǎng)絡(luò )攝像頭的主控方案趨于采用SoC（系統級芯片）/MPU（微處理器單元），不僅具備強大的運算，存儲和控制能力，還高度集成了各類(lèi)專(zhuān)用模塊，如內置了ISP（圖像信號處理）和視頻編碼等核心功能等，能夠簡(jiǎn)化開(kāi)發(fā)，并靈活應對各類(lèi)攝像機場(chǎng)景需求。

兆易創(chuàng )新NOR/NAND Flash與DRAM產(chǎn)品系列憑借其全面的規格覆蓋、出色的性能表現、低功耗設計理念、卓越的產(chǎn)品質(zhì)量以及高度的可靠性，成為了網(wǎng)絡(luò )攝像頭設備值得信賴(lài)的選擇。