浅析基于Hi3519的IPC智能摄像机硬件系统设计

谢井华，黎匡磊，文致旺

（国营长虹机械厂，广西 桂林 541002）

智能安防主要是指利用人工智能技术，如目标识别、语音识别、图像检测等，通过对安防数据进行分析和处理，实现自动化和智能化的安防功能。近年来，随着中国城镇化率越来越高，城镇居民对安装智能摄像机的需求越来越大，兼顾安防性能的家庭IPC（IP Camera）网络摄像机无疑具有巨大发展潜力。随着物联网和人工智能等产业的不断推动，家用网络智能摄像机近年来逐渐由网络高清化向人工智能化转变，通常具备视频通话、物体识别、行为识别、环境感知和智能语音交互沟通等功能。

1 系统设计

IPC智能摄像机系统主要实现音视频信号的采集、数字信号智能处理、语音交互沟通和网络传输等功能。IPC智能摄像机系统框图如图1所示，中央控制单元是整个系统的核心，在系统中负责数据的接收、缓存和转换，通过USB3.0总线发送数据到人工智能模块进行进一步的算法处理；基于边缘计算的人工智能芯片BM1880实现了音视频数据的并行处理，从而使运算效率得到了极大的提高；图像传感器模块以OV4689 CMOS图像传感器为核心，是IPC智能摄像机的重要组成部分，主要用于实现视频信号的采集功能；语音控制模块主要由瑞昱半导体公司的ALC4042和ALC1006芯片组成，两芯片间通过I2S总线进行通信，该模块可采集数字麦克风信号并输出低噪声、低失真和低串扰的音频信号；网络模块负责提供数字信号的无线网络传输，是IPC智能摄像机与手机交互的通道；存储模块负责存储经人工智能模块处理后的音视频信号，便于用户随时回放采集的信号；电机驱动模块负责控制智能摄像机水平方向和垂直方向的运转；电源模块用于为其他各模块电路提供必要的电源。

2 硬件模块设计

2.1 中央控制单元

IPC智能摄像机系统的中央控制单元主要实现数据的接收、缓存和转换等功能。本设计中，中央控制单元以Hi3519为核心，通过图像传感器进行图像采集及控制，并缓存采集到的数据，再通过USB3.0接口将数据上传到人工智能模块进行进一步的图像处理。中央控制单元提供MIPI总线接口与图像传感器模块相连，实现图像数据的采集；提供DDR总线接口与DDR3内存相连，用于缓存图像数据；提供SDIO总线接口与SD卡和WIFI模块相连，分别用于实现图像数据的保存和信号的网络传输；提供USB3.0总线接口与人工智能模块相连，用于图像数据的传输；提供USB2.0总线接口与语音控制模块相连，用于采集本地语音及进行远程音频数据的驱动等功能；提供SPI总线接口与SPI芯片和电机驱动模块相连，分别用于加载系统初始化默认参数和驱动IPC智能摄像机分别在水平和垂直方向转动。

2.2 人工智能模块

IPC智能摄像机系统的人工智能模块，主要用于目标识别、语音识别、图像检测等人工智能算法处理。人工智能模块框图如图2所示，本系统选用比特大陆推出的首款边缘AI协处理器BM1880芯片作为人工智能模块的处理核心，该芯片采用28nm工艺，是一款聚焦于边缘应用的深度学习推理人工智能芯片。BM1880提供1 TOPS的INT8运算能力，在Winograd卷积加速下，可以提供2 TOPS的INT8运算能力，芯片集成有H.264解码（2路1080p 30fps）和MJPEG编解码功能模块，并且支持多芯片平行运算拓展功能，可用于人工智能、机器视觉、高性能计算等环境。

图2 人工智能模块框图

2.3 图像传感器模块

图像传感器模块是IPC智能摄像机视频采集的重要部分，主要用来实现视频信号采集的功能，采集的视频信号由中央控制单元进行视频编码压缩处理。图像传感器芯片上面放置合适的光学镜头后，在图像传感器正常加电后即可将光信号转换为电信号存储在中央控制单元的缓存中，可用于后续电路的处理。本系统的图像传感器模块选用上海韦尔半导体股份有限公司的OV4689 CMOS图像传感器作为主芯片。它是一款高达四百万像素的图像传感器，拥有多种HDR模式来实现动态范围扩充，并保持较高的帧速率，其可通过MIPI总线接口与Hi3519进行数据传输。OV4689硬件电路图如图3所示，数据传输部分由一对差分时钟信号（MCN/MCP）、四对数字差分信号（MDN/MDP）实现，主要传输经过A/D变换和初步处理的数字视频信号；图像传感器的工作时钟EXCLK和复位信号XSHUTDOWN由Hi3519芯片提供；引脚SIOC、SIOD与Hi3519芯片的I2C总线连接，实现芯片间参数信息的传输。

图3 OV4689硬件电路图

2.4 语音控制模块

IPC智能摄像机系统的语音控制模块负责采集本地语音及远程音频播放的功能。本系统支持双向语音单向视频（设备端->客户端）的视频通话功能，其中对讲功能支持设备端发起和客户端发起两种对讲发起方式。客户端发起时，点击客户端通话按键发起对讲，无须设备端同意即可直接开始通话；设备端发起时，需用户长按设备通话按键3S向客户端发起视频通话请求，客户端弹出设备端通话请求页面，同意后开始通话。语音控制模块框图如图4所示，主要由瑞昱半导体的ALC4042和ALC1006芯片组成，两芯片间通过I2S总线进行通信；ALC4042是一款以USB2.0为通信接口的音频解码器，集成了立体声模拟输入输出接口和数字麦克风接口的功能。ALC1006是一款高性能的D类音频放大器，可以驱动立体声BTL模式下的8Ω或4Ω扬声器，具有低噪声、低失真和低串扰的音频特性。

图4 语音控制模块框图

2.5 网络模块设计

IPC智能摄像机系统通过无线网络模块与用户手机通信，用于摄像机参数配置和数据的远程传输。本系统采用Air Kiss模式进行网络快速配置与连接，在首次启动设备或在长按Reset按键5S的情况下设备进入配网模式；配网过程中，需要保证客户端手机与IPC智能摄像机在同一WIFI环境下，使用客户端APP进行设备网络配置操作；完成配网及注册步骤后，设备指示灯变为蓝色，并提示语音网络连接成功。网络模块硬件电路图如图5所示，本设计中采用WIFI-8189模块实现无线数据的传输，该模块封装有REALTEK的低功耗2.4GHz的无线RTL8189FTV芯片，符合IEEE802.11N标准，支持IEEE802.11i安全协议，以及IEEE802.11e标准服务质量。网络模块采用SDIO总线接口与中央控制单元进行数据传输，具有设计简洁、稳定可靠等优点。

图5 网络模块硬件电路图

2.6 存储模块

IPC智能摄像机系统的存储模块采用SD卡的方式存储，最大支持128G容量，用于存储摄像机的音视频数据。在摄像机设备端插入SD卡后，会自动将音视频信号存储到SD中，SD卡的空间存储满后，会从最早的音视频文件开始覆盖存储。存储模块硬件电路图如图6所示，SD卡通过SDIO总线接口与中央控制单元通信。SDIO总线含一根电源管脚和两根地线管脚、一根时钟信号管脚由中央控制单元产生时钟信号、一根SD卡侦测管脚用于识别SD卡是否插入、一根命令控制管脚由中央控制单元通过该管脚发送命令控制SD卡，四根数据信号管脚用于与中央控制单元间的数字信号传输。SD卡具有存储量大、硬件体积小、存储速度较快，设计简洁方便等特点。

图6 存储模块硬件电路图

2.7 电机驱动模块

IPC智能摄像机系统的电机驱动模块负责控制智能摄像机水平方向和垂直方向的旋转。本系统可支持水平340度（左右各170°），垂直85°（上50°最大视角，上75°镜头遮蔽，下10°最大视角）云台转动控制，能够完成360°全景无死角拍摄的需求。为了保证摄像机能够云台正常工作，每次设备通电后，IPC智能摄像机都会首先进行云台校准操作。在控制面板界面，用户可以通过按键和滑动进行云台转动的交互操作，每次操作电机会向相应方向转动5°。系统设计中，采用MS41909芯片实现电机驱动控制，该芯片可用于网络摄像机和监控摄像机的镜头驱动，具有超低噪声驱动的特点，能够实现电机256微步驱动，每个H桥最大驱动电流±0.5A。电机驱动模块硬件电路图如图7所示，工作电源采用3.3V和5V，时钟采用27MHz晶振，MS41909芯片通过SPI总线与中央控制单元进行数据通信。

图7 电机驱动模块电路图

2.8 电源模块

电源模块是整个IPC智能摄像机系统的供电单元，负责为其他各模块电路提供必要的工作电压电流。整个IPC智能摄像机系统的输入电压为12V，中央控制单元需要3.3V、1.8V、1.5V和动态调节的CPU、DDR模块电压，人工智能模块需要3.3V、1.8V、1.1V、0.9V和动态调节的DDR模块电压，图像传感器模块需要2.8V、1.8V和1.2V供电，语音控制模块、网络传输模块和存储模块需要用到3.3V电压，电机驱动模块需要用到5V和3.3V电压。以上电源模块均通过DC/DC转换电源实现，考虑到多种电源输出及功率大小的差异，需要用到多型线性稳压器，并且要注意多种电源间的上电时序问题。

为了满足Hi3519和BM1880芯片的电气规格要求，并使功耗尽可能降低，需要使用SVB动态调压功能。该功能由中央控制单元（CPU）控制PWM模块输出PWM波形，经过RC滤波后产生0～3.3V不同电压的直流电平，并将该直流电平叠加到DC/DC转换器的反馈电压输入管脚，经调节主控单元相关的寄存器可以改变PWM的频率和占空比，最终可以实现动态调节DC/DC转换器的输出电压。电源动态调压示意图如图8所示。

图8 电源动态调压示意图

3 产品运行状态转移

IPC智能摄像机运行状态转移图如图9所示。当摄像机首次启动时，首先进行云台校准，利用一些特殊算法来检测并纠正摄像机画面偏差等问题。校准完成后进入配网状态，若连接网络成功，则进入正常工作状态，若等待5分钟无网络连接则进入断网状态。当在正常工作状态或者断网状态时，长按5秒Reset按钮，都将重新进入配网状态。设备完成配网注册等初始化流程后，用户能够通过客户端控制界面使用IPC智能摄像机的各种功能。当进入正常工作状态后，若网络断开则进入断网状态；若摄像机被拔掉电源则进入关机状态；若摄像头被屏蔽，则进入摄像头屏蔽状态，当屏蔽去除后又返回正常状态；若关闭指示灯，则进入正常工作状态（关闭指示灯），当打开指示灯后又返回正常工作状态；若按键/语音唤醒摄像机，则进入语音交互状态，当交互结束后又返回正常工作状态；若主动/被动固件升级，则进入固件升级状态；若用户重启摄像机，则将进行云台校准，并判断是否有可用的无线网络，无网络时进入断网状态，有网络时则直接按存储的网络设置进入正常工作状态。

图9 IPC智能摄像机运行状态转移图

4 结语

本文设计了一个基于Hi3519的IPC智能摄像机系统，通过图像传感器模块采集图像，利用语音控制模块采集语音，在中央控制单元进行缓存和数据交换后，交由人工智能模块进行目标识别、语音识别、图像检测等人工智能算法处理，处理后的信息返回给中央控制单元，再经存储模块和网络模块进行信号的存储与无线传输。该系统具有高清视频和语音数据传输、快速人脸检测识别和语音语义处理能力等特点，可以应用于小区安防报警、家庭防盗、监测守护等多个领域。