MatrixCam開發套件促進物聯網產品添加全高清視頻流

一、前言

物聯網(IoT)正迅速演進且潛力巨大。據相關預測，未來5到10年，將有數以十億計的智能設備通過IoT跨越多個領域實現互通互聯，包括有無線控制功能的LED燈泡、機頂盒、智能電表、煙霧報警器、可穿戴設備、安防攝像機、智能家居、智能體重計等等，將帶給我們全新的生活體驗。

二、圖像傳感器是IoT的核心

在物聯網應用中，傳感器無處不在，無論是智能樓宇/家居領域的智能鎖、安防監控、照明系統、恒溫器、智能門鈴、寶寶監控器、智能家電，還是移動醫療、車聯網、工業領域的無人機系統、機器人，消費電子領域的可穿戴及游戲機等等，都內置多個傳感器，且都至少包含一個圖像傳感器。可以說，圖像傳感器是物聯網應用的核心器件。

一般而言，應用于IoT的圖像傳感器具有以下關鍵特性：

1. 小光學格式：1/13～1/4in.；

2. 分辨率：VGA至500萬像素；

3. 系統級芯片(SoC)及RAW傳感器兩種類型；

4. 具備低功耗待機模式；

5. 幀率至少達到30fps以上。

從趨勢上看，這類傳感器朝向模塊化、高度集成、低功耗、低成本及支援高度壓縮的H.264視頻方向發展。

安森美半導體憑借在圖像傳感器領域的領先優勢和豐富經驗，在IoT領域制勝，成功的案例如Skully公司設計的被稱為“全球最智能的摩托車頭盔”、Oculus(已被Facebook收購)的虛擬現實(VR)眼罩、Dropcam的家庭安防監控攝像機，以及Canary的被喻為“最美的家庭全功能安防警報系統”，都采用了安森美半導體的圖像傳感器，提供高品質的全高清視頻。

三、全集成的視頻開發方案：MatrixCam

針對家庭自動化系統、樓宇接入設備、嬰兒監視器、先進的照明控制和智能家電等關鍵應用，安森美半導體推出完整的攝像機方案MatrixCam，加快工程師的開發進程，使客戶可隨時投產。

MatrixCam的功能圖如圖2所示：攝像頭捕獲的信息經過圖像傳感器傳給H.264編碼器，該編碼器將信息處理后可傳給以太網或存儲到SD卡，或由WiFi外傳上網，在待機的狀態下經由藍牙或無源紅外(PIR)喚醒系統。

MatrixCam是智能的、低功耗1080p視頻流參考設計：

1. 內置眾多互聯互通方案——包括Wi-Fi(802.11b/g/n)、以太網(10/100 Mbps)和藍牙低功耗(BLE)。

2. 支持微型SD卡存儲視頻和圖片

3. 可連接到云服務如亞馬遜網絡服務和谷歌云平臺，便于視頻點播和直接在用戶的智能設備上直播。

4. 具備雙向音頻功能：提供全向電容式麥克風，支持音頻編碼，捕捉聲音，并播放存儲在SD卡上的音頻文件

5. 1080p@30fps智能流：支持Firefox、IE及蘋果的Safari瀏覽器、Linux、Windows及蘋果操作系統、iOS、安卓智能手機系統、亞馬遜和谷歌的云端服務

表1 API及示例代碼GitHub資源庫

6. 推送通知：由 BLE或通過集成運動檢測的 PIR傳感器喚醒。喚醒后，推送通知被發送到指定的便攜式電子設備(智能手機、平板電腦等等)，提醒用戶應查看直播(或靜態圖像)。

7. VDK可通過一個簡單的基于web的圖形用戶界面(GUI)或使用專用移動應用進行網絡配置、視頻配置、錄制配置、云配置、用戶管理、拍照、錄制視頻、打開/關閉音頻、查看直播流、固件更新等等。

8. MatrixCam開發套件是開放式影像平臺，提供應用程序編程接口(API)測試程序，包含開放源碼，可從電腦或安卓系統執行，API及示例代碼GitHub資源庫如表1所示。

MatrixCam參考設計結合了安森美半導體的圖像傳感器AR023Z、降壓/升壓轉換器NCP3064、開關NCP6332-D、低壓降穩壓器(LDO)NCP160-D、電壓監控MAX708T、電量計LC709203F、電池充電器NCP1855-D等器件，其中AR023Z 1/2.7 in. CMOS圖像傳感器是這參考設計的核心。

AR023Z是高性能的1080p高動態范圍(HDR)圖像傳感器，采用DR-pix技術提供領先業界的微光性能，支持高品質1080p 60fps高清視頻，靈活的接口選擇如并行或HiSPi接口兼容于所有流行的圖像信號處理器(ISP)，提供片上HDR或支持第三方ISP交錯HDR模式的選擇，開窗、像素合并、跳行、溫度傳感器等先進的特性為客戶提供更高靈活性。

HDR是AR023Z最關鍵的特性，其多重曝光HDR技術可提供16倍和32倍增益比，自適應局部色調映射可讓高動態的功能更易于使用，增加的動態范圍超越前代技術，提供更靈敏像素及更優信噪比(SNR)，支持交錯模式T1/T2 幀輸出選擇即芯片外HDR處理。客戶可根據圖形處理器決定具體使用哪一種模式。

此外，MatrixCam還使用了GainSpan的GS2011 WiFi模塊，提供極低待機功耗，符合IEEE802.11b/g/n標準，支持WEP/WPA/WPA2安全、Adhoc網絡以及Wi-Fi保護設置（WPS），提供SPI、UART、SDIO等I/O接口，其中SDIO可達40Mbit/s的傳輸速率，其WiFi和TCP/IP網絡堆棧無需使用外部處理器就可直接在模組上運行，通過美國FCC、加拿大IC、歐洲的ETSI及日本的TELEC認證，能在全球暢通無阻地使用。

MatrixCam的關鍵特性：

1、應用程序處理器

* 1080p@30fps 視頻串流通過以太網及Wi-Fi

* 為視頻和靜態圖像添加分辨率選擇

* 內置圖像信號處理器

* 從待機喚醒的視頻直播和錄制

* 藍牙低功耗(BLE)和遠紅外(PIR)從待機喚醒

2、圖像傳感器

* 分辨率：1920x1080@60fps

* 像素尺寸：3μm

* 色彩濾波陣列(CFA)：RGB Bayer

* 快門類型：電子卷簾快門(ERS)，GRR

* 輸入時鐘范圍：6～48MHz

* 輸出：串行，并行

* 輸出時鐘最大值：148.5Mp/s（4通道HiSpi），74.25Mp/s（并行）

* 幀率：60fps

* 響應：4.0V/lux.s

* 信噪比(SNR)最大值：41dB

* 電源電壓：I/O：1.8或2.8V

* 數字：1.8V

* 模擬：2.8V

* HiSpi：0.3V～0.6V(SLVS)，1.7V～1.9V(HiVcm)

3、PIR傳感器

* 能檢測 10～15ft.處的人

* 檢測角度至少應為140°°

4、無線連接

（1）Wi-Fi

* 單頻帶（2.4 Ghz）Wi-Fi 模塊能力802.11b/g/n

* Wi-Fi在客戶端模式下運行

* 待機模式低功耗

（2）BLE

* 能連接攝像機到房間內其它BLE 4.0設備

* 能從待機喚醒

5、以太網

IEEE 802.3u 10/100Mbps

6、音頻

* 麥克風：全方位麥克風

* 音頻譯碼：16khz，32/64kbps AAC-LC

* 揚聲器：NXP （手機揚聲器）0.5 瓦

7、存儲器

微型SD卡插槽

8、USB 連接器（微型 USB）

* 用于調試

* 用于固件升級

* 錄制圖片和視頻到SD卡和從SD卡播放

* 將有一個滑動開關來打開/關斷

9、電源

* 微型USB

* 單節鋰離子電池充電器

10、鏡頭規格

* HFOV（水平視野）：105°

* VFOV（垂直視野）：80°

11、LED

多色LED以顯示狀態

12、實時時鐘

將使用實時時鐘(RTC)GS2011MIES

四、總結

攝像機在IoT應用中不可或缺，圖像傳感器發揮著至關重要的作用。安森美半導體具有從分立半導體到專用標準產品(ASSP)和定制專用集成電路(ASIC)的寬廣產品陣容，基于強大卓越的運營和大量應用的悠久歷史，能為快速增長的IoT市場提供完整的IoT方案。為促進IoT產品采用更多的視頻而開發，并加快相關產品上市，安森美半導體推出開放的成像平臺MatrixCam，提供通過WiFi、BLE或以太網連接的低功耗視頻流和靜態圖像捕獲，具備領先業界的微光性能，支持雙向音頻和云整合，易于定制，使產品能快速上市。