CN107333035A - 低功耗、小尺寸、可扩展的可见光红外双目测温摄像头 - Google Patents

低功耗、小尺寸、可扩展的可见光红外双目测温摄像头 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种低功耗、小尺寸、可扩展的可见光红外双目测温摄像头。包括传感器数据采集模块、控制模块、PoE模块和数据接口，传感器数据采集模块经数据接口与控制模块连接，控制模块经PoE模块与外部网络连接，由PoE模块进行供电；传感器数据采集模块包括可见光图像采集模块、红外阵列采集模块、其他传感器数据采集模块以及多路数字模拟信号处理单元，PoE模块包括相连接的供电模块和网络接口模块，控制模块包括控制芯片、图像融合模块和数据存储模块。本发明测温摄像头具有易于扩展、安装简单、维护方便、功耗低、尺寸小等特点，尤其在对功耗、空间有较高要求的监控场景具有很强的实际意义。

Description

低功耗、小尺寸、可扩展的可见光红外双目测温摄像头
技术领域
本发明涉及一种测温摄像头，特别是涉及了安全防范监控领域的一种可用于低温段测温、低功耗、小尺寸、可扩展的可见光红外双目测温摄像头。
背景技术
在现代工业生产过程中，为了保障工艺生产设备的正常运行以及保证生产环境在所要求的环境温度范围内，经常需要对工艺生产设备、产品以及环境进行温度监测。以往这种监测一般采取功耗较低的红外点测温仪采集温度信息，但其每次只能测量被测物的某一个小面积的平均温度值，不能反映被测物体的整体温度分布，从而极大降低了红外温度分析的价值。虽然，红外热像仪可以测量被测物体的温度场，对整个物体表面温度信息进行实时采集和分析，但其价格昂贵，功耗高，体积大，且不适合进行二次开发，不适用于对成本、功耗、空间有较高要求的监控场景。
发明内容
本发明所要解决的技术问题，就是提供一种低功耗、小尺寸、可扩展的可见光红外双目测温摄像头，能够实现可见光和物体多点表面温度场的叠加显示，实现温度所见即所得，可用于非接触式监控中。
解决上述技术问题，本发明采用如下的技术方案：
本发明包括依次连接的传感器数据采集模块、数据接口、控制模块和PoE模块，传感器数据采集模块经数据接口连接控制模块，数据接口用于将传感器数据采集模块采集获得的数据进行协议转换再传送到，控制模块经PoE模块、外部网络后连接服务器，控制模块、数据接口和传感器数据采集模块内的多路数字模拟信号处理单元由PoE模块供电，PoE模块连接外部电源。
所述传感器数据采集模块包括可见光图像采集模块、红外阵列采集模块、其他传感器数据采集模块以及多路数字模拟信号处理单元，可见光图像采集模块、红外阵列采集模块、其他传感器数据采集模块分别与多路数字模拟信号处理单元连接，多路数字模拟信号处理单元输出端连接到数据接口，通过多路数字模拟信号处理单元将采集的可见光数据、红外数据和其他传感器数据传送到数据接口。
所述的可见光图像采集模块包括依次连接的CMOS图像传感器、图像数据处理单元和串行摄像机控制总线(SCCB)接口电路，CMOS图像传感器依次经图像数据处理单元、串行摄像机控制总线接口电路后与多路数字模拟信号处理单元连接。
所述的红外阵列采集模块包括依次连接的红外阵列传感器、红外阵列数据处理单元和第一I2C(集成电路总线)接口电路，红外阵列传感器依次经红外阵列数据处理单元、第一I2C接口电路后与多路数字模拟信号处理单元连接。
所述的其他传感器数据采集模块包括依次连接的用户可更换传感器、可更换传感器数据处理单元和第二I2C接口电路，用户可更换传感器依次经可更换传感器数据处理单元、第二I2C接口电路后与多路数字模拟信号处理单元连接。
所述的可见光图像采集模块、红外阵列采集模块、其他传感器数据采集模块中的各个模块均与稳压电源模块连接，由稳压电源模块供电。
所述的用户可更换传感器包括温度传感器、湿度传感器、有害气体传感器、加速度计、超声波传感器和压力传感器其中的一种或者多种，传感器支持I2C协议。
所述的控制模块包括控制芯片、图像融合模块和数据存储模块，所述的控制芯片分别与图像融合模块、数据存储模块、数据接口以及PoE模块的网络接口模块连接通信。
所述的PoE模块包括相连接的供电模块和网络接口模块，网络接口模块还连接到外部网络，网络接口模块传送数据和供电到所述控制模块的控制芯片，使得控制模块由网络接口模块进行供电并接收数据。
所述的数据接口的输入端分别连接传感器数据采集模块的多路数字模拟信号处理单元和控制芯片的输出端，数据接口的输出端连接到数据存储模块的输入端，数据存储模块的输出端连接到控制芯片。
所述摄像头应用于非接触红外测温领域和图像监控领域，测温范围-20摄氏度到300摄氏度。
具体实施中，外部以太网络可以为以太网，控制芯片采用ARM控制芯片。
本发明能够实现低功耗所采用对应的手段是通过软件控制硬件io的通断其由于摄像头在非工作状态下，会通过稳压电源模块将传感器数据采集模块关闭，运行时再启动，因此能达到低功耗效果。
本发明的有益效果是：
本发明双目测温摄像头能够实现可见光和物体多点表面温度场的叠加显示，实现温度所见即所得，具有较好的灵活性，具有易于扩展、安装简单、维护方便、功耗低、尺寸小等特点，尤其在对功耗、空间有较高要求的监控场景具有很强的实际意义。
本发明使用PoE供电，无需单独铺设电力线，简化***结构，安装方便简单，保证网络正常运转且可大幅度降低成本。
本发明在工作状态的功率小于3w，尺寸为3cm×3cm×3cm，配备红外阵列采集模块实现点位的温度测量，并可通过I2C总线扩展各种类型的传感器，实现现场记录可视化、低成本、高效率，达到可见光和物体多点表面温度场的叠加显示的目的，应用面很广。
附图说明
图1是本发明的原理示意图；
图2是本发明的组成和连接关系示意图；
图3是本发明的控制模块电路原理图；
图4是本发明的网络接口模块电路原理图；
图5是本发明的图像数据处理单元电路原理图；
图6是本发明的稳压电源模块电路原理图。
图中附图标记指代：10-传感器数据采集模块，20-控制模块，30-PoE模块，40-数据接口，50-外部网络，60-服务器。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式进行详细的说明。
如图1所示，本发明包括依次连接的传感器数据采集模块10、数据接口40、控制模块20和PoE模块30，传感器数据采集模块10经数据接口40连接控制模块20，数据接口40用于将传感器数据采集模块10采集获得的数据进行协议转换再传送到，控制模块20经PoE模块30、外部网络50后连接服务器60，控制模块20、数据接口40和传感器数据采集模块10内的多路数字模拟信号处理单元104由PoE模块30供电，PoE模块30连接外部电源。
如图2所示，传感器数据采集模块10包括可见光图像采集模块101、红外阵列采集模块102、其他传感器数据采集模块103以及多路数字模拟信号处理单元104，可见光图像采集模块101、红外阵列采集模块102、其他传感器数据采集模块103分别与多路数字模拟信号处理单元104连接，多路数字模拟信号处理单元104输出端连接到数据接口40，通过多路数字模拟信号处理单元104将采集的可见光数据、红外数据和其他传感器数据传送到数据接口40。
可见光图像采集模块101包括依次连接的CMOS图像传感器1011、图像数据处理单元1012和串行摄像机控制总线(SCCB)接口电路1013，CMOS图像传感器1011依次经图像数据处理单元1012、串行摄像机控制总线(SCCB)接口电路1013后与多路数字模拟信号处理单元104连接；
红外阵列采集模块102包括依次连接的红外阵列传感器1021、红外阵列数据处理单元1022和第一I2C接口电路1023，红外阵列传感器1021依次经红外阵列数据处理单元1022、第一I2C接口电路1023后与多路数字模拟信号处理单元104连接；
其他传感器数据采集模块103包括依次连接的用户可更换传感器1031、可更换传感器数据处理单元1032和第二I2C接口电路1033，以及用于连接各个模块并供电的红外稳压电源模块1034，用户可更换传感器1031依次经可更换传感器数据处理单元1032、第二I2C接口电路1033后与多路数字模拟信号处理单元104连接。
用户可更换传感器1031包括温度传感器、湿度传感器、有害气体传感器、加速度计、超声波传感器、压力传感器等其中的一种或者多种，传感器须支持I2C协议。
如图2所示，控制模块20包括控制芯片201、图像融合模块202和数据存储模块203，控制芯片201分别与图像融合模块202、数据存储模块203、数据接口40以及PoE模块30的网络接口模块302连接通信；
如图2所示，PoE模块30包括相连接的供电模块301和网络接口模块302，网络接口模块302还连接到外部网络50、服务器60，网络接口模块302传送数据和供电到控制芯片201，使得控制模块201由网络接口模块进行供电并接收数据。
如图2所示，数据接口40的输入端分别连接传感器数据采集模块10的多路数字模拟信号处理单元104和控制芯片201的输出端，数据接口40的输出端连接到数据存储模块203的输入端。
如图3所示，控制模块40包括电阻R84～R86，电容C83～C84和控制芯片U2，控制芯片U2采用3.3V供电。控制芯片U2的VDD脚连接电源电压3.3V，VDD脚与电容C83相连并接地，SDA脚、SCL脚分别与电源电压3.3V之间串联电阻R84和电阻R85，NRST脚与电源电压3.3V之间串联电阻R86，BOOST脚接地，NRST脚与BOOT脚之间并联复位开关RESET和电阻C84，VSS脚接地，OSC脚与8M晶振Y2连接。
控制模块40的控制芯片U2内嵌有图像融合模块202的软件。数据存储模块203通过DCMII DATA引脚和控制模块40的控制芯片U2连接。
数据接口40如图4所示，包括网络芯片U1、电阻R35、电容C8、LED灯LED0和网线接口CABLE，网络芯片U1采用3.3V供电，网络芯片U1的ETH_CMD脚连接控制模块40的控制芯片U2的RMII_DATA脚，网络芯片U1的RMII_DATA脚连接控制芯片U2的ETH_CMD脚，VDD脚连接电源接口3.3V，VDD脚与电容C8相连并接地，VSS脚接地，CABLE脚连接网线，NET_LED脚依次经二极发光管LED0、电阻R35后串联接地，CLK脚连接24M晶振Y2。
如图5所示，图像数据处理单元1012包括电容C93和图像数据处理芯片U7，采用3.3V供电，图像数据处理芯片U7的1脚连接电源3.3V接口，图像数据处理芯片U7的1脚与地之间串联电容C93，图像数据处理芯片U7的2脚连接控制芯片U2的DCMI_DATA脚，图像数据处理芯片U7的3脚连接控制芯片U2的DCMI_CMD脚，4脚连接地。
图像数据处理单元1012的图像数据处理芯片U7依次经串行摄像机控制总线接口电路1013、多路数字模拟信号处理单元104后连接到网络芯片U1的。
如图6所示，稳压电源模块包括电阻R80～R84，电容C81～C84和同步降压转换芯片U8，同步降压转换芯片U8型号为MP1470。稳压电源模块采用0～12V供电输入，同步降压转换芯片U8的VIN脚通过电阻R80与自身的EN脚相连，VIN脚通过电容C81与地相连，VIN脚通过钽电容E1与地相连，钽电容E1正极连接电源接口12V，钽电容E1负极连接地。BST脚经电阻R81和电容C82后与自身的SW脚连接，SW脚依次经电感L80、电阻R83、电阻R82后与自身的FB脚连接，电感L80和电阻R83之间引出输出3.3V电压，3.3V电压和地之间并接有电容C83和电容C84，电阻R83和电阻R82之间引出经电阻R84接。
本发明的具体实施如下：
网络接口模块302通过RMII接口与控制芯片201连接，线速10M/s。
服务器60、PoE模块30之间通过PoE交换机相互连接，构成外部网络网络50。外部网络网络50通过标准外部网络传输协议进行网络数据传输。网络数据包括服务器发来的控制信号和发向服务器的控制模块20的应答信号、图像数据、温度阵列数据、其他传感器数据。控制信号由远程的服务器发出，经由网络传入PoE模块30中的网络接口模块302，通过网络接口电路的信号脚传入至控制芯片201，经解析后传入经解析后执行对应传感信号的采集。
本摄像头的设计符合PoE设计规范，因此每个摄像头只需一组连线，使得布线更为简单和廉价。
红外阵列采集模块102采集红外图像，红外阵列数据格式为16*4的浮点数温度阵列；可见光图像采集模块101采集可见光图像，图像采集数据格式为JPEG格式。
用户可更换传感器采用温度传感器，湿度传感器，加速度计等，温度传感器、湿度传感器、有害气体传感器、加速度计、超声波传感器、压力传感器等其中的一种或者多种，传感器本身支持I2C协议即可。
数据接口40所处理的数据包括可见光图像采集模块101输出的JPEG格式的图像数据，红外阵列采集模块102输出的温度阵列数据，其他传感器数据采集模块103输出的模拟或者数字传感器信号。
可见光图像采集模块101输出的JPEG格式的图像数据通过SCCB总线协议和DCMI快速摄像头接口进行数据传输；红外阵列采集模块102输出的温度阵列数据，其他传感器数据采集模块103输出的模拟或者数字传感器信号通过I2C总线协议进行数据传输。
图像融合模块202用于将可见光图像数据和红外图像数据进行叠加，具体是可见光和物体多点表面温度场的叠加，具体表现为，本发明能够实时测量物体表面连续多点的温度，从而达到对物体表面温度分布的测定，并使得物体的红外温度分布与被测实物的可见光图像对应，并可连续获得数据，得到被测物体表面各点的实际的二维绝对温度分布图。
在未采用并连接其他传感器数据采集模块103的情况下，本发明在工作状态的功率小于3w，如图4所示，本发明形成的电路外观尺寸为3cm×3cm×3cm，其测温范围为-20摄氏度到300摄氏度。
由此可见，本发明配备红外阵列采集模块实现点位的温度测量，并可通过I2C总线扩展各种类型的传感器，实现现场记录可视化、低成本、高效率，达到可见光和物体多点表面温度场的叠加显示的目的，应用面广。

Claims (7)

1.一种低功耗、小尺寸、可扩展的可见光红外双目测温摄像头，其特征是：包括依次连接的传感器数据采集模块(10)、数据接口(40)、控制模块(20)和PoE模块(30)，传感器数据采集模块(10)经数据接口(40)连接控制模块(20)，控制模块(20)经PoE模块(30)、外部网络(50)后连接服务器(60)，控制模块(20)、数据接口(40)和传感器数据采集模块(10)由PoE模块(30)供电。
2.根据权利要求1所述的一种低功耗、小尺寸、可扩展的可见光红外双目测温摄像头，其特征是：所述传感器数据采集模块(10)包括可见光图像采集模块(101)、红外阵列采集模块(102)、其他传感器数据采集模块(103)以及多路数字模拟信号处理单元(104)，可见光图像采集模块(101)、红外阵列采集模块(102)、其他传感器数据采集模块(103)分别与多路数字模拟信号处理单元(104)连接，多路数字模拟信号处理单元(104)输出端连接到数据接口(40)，通过多路数字模拟信号处理单元(104)将采集的可见光数据、红外数据和其他传感器数据传送到数据接口(40)。
3.根据权利要求2所述的一种低功耗、小尺寸、可扩展的可见光红外双目测温摄像头，其特征是：
所述的可见光图像采集模块(101)包括依次连接的CMOS图像传感器(1011)、图像数据处理单元(1012)和串行摄像机控制总线接口电路(1013)，CMOS图像传感器(1011)依次经图像数据处理单元(1012)、串行摄像机控制总线接口电路(1013)后与多路数字模拟信号处理单元(104)连接；
所述的红外阵列采集模块(102)包括依次连接的红外阵列传感器(1021)、红外阵列数据处理单元(1022)和第一I2C接口电路(1023)，红外阵列传感器(1021)依次经红外阵列数据处理单元(1022)、第一I2C接口电路(1023)后与多路数字模拟信号处理单元(104)连接；
所述的其他传感器数据采集模块(103)包括依次连接的用户可更换传感器(1031)、可更换传感器数据处理单元(1032)和第二I2C接口电路(1033)，用户可更换传感器(1031)依次经可更换传感器数据处理单元(1032)、第二I2C接口电路(1033)后与多路数字模拟信号处理单元(104)连接；
所述的可见光图像采集模块(101)、红外阵列采集模块(102)、其他传感器数据采集模块(103)中的各个模块均与稳压电源模块(105)连接，由稳压电源模块(105)供电。
4.根据权利要求3所述的一种低功耗、小尺寸、可扩展的可见光红外双目测温摄像头，其特征是：所述的用户可更换传感器(1031)包括温度传感器、湿度传感器、有害气体传感器、加速度计、超声波传感器和压力传感器其中的一种或者多种，传感器支持I2C协议。
5.根据权利要求1所述的一种低功耗、小尺寸、可扩展的可见光红外双目测温摄像头，其特征是：所述的控制模块(20)包括控制芯片(201)、图像融合模块(202)和数据存储模块(203)，所述的控制芯片(201)分别与图像融合模块(202)、数据存储模块(203)、数据接口(40)以及PoE模块(30)的网络接口模块(302)连接通信；
所述的PoE模块(30)包括相连接的供电模块(301)和网络接口模块(302)，网络接口模块(302)还连接到外部网络(50)，网络接口模块(302)传送数据和供电到所述控制模块(20)的控制芯片(201)，使得控制模块(201)由网络接口模块(302)进行供电并接收数据。
6.根据权利要求1所述的一种低功耗、小尺寸、可扩展的可见光红外双目测温摄像头，其特征是：所述的数据接口(40)的输入端分别连接传感器数据采集模块(10)的多路数字模拟信号处理单元(104)和控制芯片(201)的输出端，数据接口(40)的输出端连接到数据存储模块(203)的输入端，数据存储模块(203)的输出端连接到控制芯片(201)。
7.根据权利要求1-6任一项所述的可见光红外双目测温摄像头，其特征是：所述摄像头应用于非接触红外测温领域和图像监控领域，测温范围-20摄氏度到300摄氏度。
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