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CN114567733A - 一种智能野外红外相机 - Google Patents

一种智能野外红外相机 Download PDF

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CN114567733A CN202210287714.XA CN202210287714A CN114567733A CN 114567733 A CN114567733 A CN 114567733A CN 202210287714 A CN202210287714 A CN 202210287714A CN 114567733 A CN114567733 A CN 114567733A
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胡绍湘
赵鼎
侯蓉
廖志武
刘鹏
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CHENGDU RESEARCH BASE OF GIANT PANDA BREEDING
University of Electronic Science and Technology of China
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Abstract

本发明公开了一种智能野外红外相机，智能拍摄模块、通信模块、环境感知模块、电源管理模块皆与控制模块相连接，控制模块控制智能拍摄模块进行拍摄、录像、实时视频流传输等操作；通信模块向控制模块传输控制指令同时控制模块向通信模块返回指令接收、执行信息；控制模块控制环境感知模块读取环境中的实时信息，同时设置读取的参数；控制模块控制电源管理模块各变压电路的使能状态，从而控制相机中除控制模块外各模块的通断电状态，使相机尽量处于低功耗状态。通过本发明所述的相关模块以及相应的相机工作流程，能够有效的解决传统红外相机误识别率高、WiFi距离短、无法及时回收数据、待机时间短和维护成本高等问题。

Description

一种智能野外红外相机
技术领域
本发明属于野外红外相机技术领域，具体涉及一种智能野外红外相机。
背景技术
野外红外相机，也称红外触发感应相机或者红外监测相机。随着自然保护区管理水平的提升与现代信息技术的发展，红外相机动物捕获技术已被越来越多的应用于监测保护区内动物和人类干扰的分布情况，同时取得了显著的成果。
现有的商用红外相机出于降低成本以及提高系统长期野外工作的稳定性的角度考虑，其功能单一，不具备远距离通信以及实时控制的功能，因此其相机所获信息的实时性较差，容易丢失珍贵的可供研究数据。尽管已经有能通过4G信号接入网络的相机进入到市场，然而其通信距离较短，只适用于4G环境下较近距离的相机配置以及实时视频查看。而在实际的野外环境中，并不具备相应的条件，其适用性也会大大降低。同时现有野外红外相机电源供给通常也使用不可充电的干电池，在回收一批相机之后会一次性产生大量报废电池，环保性较差，且待机时间短。
发明内容
本发明针对现有技术的缺陷，提供一种智能野外红外相机，解决了现有技术中存在的缺陷。
为了实现以上发明目的，本发明采取的技术方案如下：
一种智能野外红外相机，包括：具备物种检测功能的智能拍摄模块，具备远距离数据传输的通信模块，具备多电源输入的电源管理模块，具备多种环境信息测量功能的环境感知模块；
智能拍摄模块、通信模块、环境感知模块、电源管理模块皆与控制模块相连接，控制模块控制智能拍摄模块进行拍摄、录像、实时视频流传输等操作；通信模块向控制模块传输控制指令同时控制模块向通信模块返回指令接收、执行信息；控制模块控制环境感知模块读取环境中的实时信息，同时设置读取的参数；控制模块控制电源管理模块各变压电路的使能状态，从而控制相机中除控制模块外各模块的通断电状态，使相机尽量处于低功耗状态。
所述智能拍摄模块，将物种检测模型移植于相机中，抑制红外相机误触发，延长其工作周期；
所述通信模块通过高发射功率的射频通信模块、高增益的微带阵列贴片天线、棒状天线实现相机的图像、文本、控制指令数据的远距离传输。
所述环境感知模块，包含红外传感器、温湿度传感器、气压传感器、血氧传感器、海拔经纬度传感器，实现环境信息的全面获取；
所述电源管理模块，包含同时支持USB与太阳能输入的多电源输入充电模块，在USB与太阳能输入同时接入时充电模块以USB输入为优先。
所述智能拍摄模块基于集成神经网络加速单元的相机处理器实现，将物种检测模型移植于相机处理器上，通过检测算法改进了拍摄流程，抑制红外相机误触发，延长其工作周期。相机触发后开始拍摄一定数量的照片，随后物种检测网络对照片进行识别，根据一定的判断阈值，若照片中存在感兴趣目标，则进一步拍摄视频，若不存在目标，则判定为误触发，不触发视频。
所述通信模块基于Wi-Fi和Lo-Ra结合实现，相机通过RMII与大功率Wi-Fi路由模块连接用于传输视频和图像数据，并且能提供相机自身的网络热点；控制模块与Lo-Ra射频模块通过UART进行连接，相机与Wi-Fi模块通过RMII连接，同时控制模块与相机SoC之间通过UART与GPIO相连接，保证二者之间状态信息、控制信息的传输；
与大功率控制子模块分别连接大功率Wi-Fi路由模块和Lo-Ra射频模块，相机通过大功率Wi-Fi无线传输实现数据的实时传输，通过Lo-Ra射频模块实现远程对相机的实时控制以相机实时信息以及传感器所得较小数据的实时传输。
Lo-Ra射频模块与大功率Wi-Fi路由模块皆通过多通道相控阵天线与上一级网络设备进行通信，Lo-Ra射频模块接收上位机的控制指令实现通信模块相关配置信息的更改，实现智能化组网。
所述Wi-Fi网络通过微带阵列WiFi天线实现数据的回收，微带阵列WiFi天线包含多个微带天线，各个微带天线分别被放置于相机的不同位置；通过对每个微带天线独立的收发控制，能实现相机终端设备与不同方向、不同距离的上级组网设备实现各种数据类型的信息传输。
所述环境感知模块基于总线结构实现，接入IMX327图像传感器、BME280系列温湿度、气压传感器、SR602人体感应模块、MPU6050陀螺仪和GPS/北斗定位模块。
所述电源管理模块，包括，多输入充放电模块，通过多电源电路以及电源管理芯片实现高效的充放电；控制模块的模数转换功能进行电压的测量以及电能的估算；充放电模块的输出与电压调节模块相连接，通过电压调节模块获得具备不同负载能力的电压值，用于供给相机中的各个模块。
通过本发明所述的相关模块以及相应的相机工作流程，能够有效的解决传统红外相机误识别率高、WiFi距离短、无法及时回收数据、待机时间短和维护成本高等问题。
附图说明
图1为本发明实施例智能野外红外相机原理框图；
图2为本发明实施例通信模块结构图；
图3为本发明实施例检测识别流程图；
图4为本发明实施例数微带阵列天线结构图；
图5为本发明实施例环境感知模块专用总线结构图；
图6为本发明电源管理模块结构图。
具体实施方式：
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下根据附图并列举实施例，对本发明作进一步详细说明。
一种智能野外红外相机，如图1所示，包括，用于目标检测、物种识别，且具备干扰抑制功能的智能拍摄模块，通过低阈值红外触发的触发机制，智能拍摄模块能获取更多具有潜在价值的图像信息。Faster RCNN目标检测算法、WL-SSD物种识别算法被移植于相机处理器中，Faster RCNN对触发所得的图像信息进行检测，通过干扰抑制功能，本相机能抑制由环境背景变化引起的误触发，从而改进了传统相机仅靠触发的工作流程，延长其工作周期。通过WL-SSD对拍摄的视频图像进行物种识别，能标注具体物种的种类，为后续研究提供更多的有用信息。
用于远距离数据传输且通信距离可调的通信模块。通信模块包括2.4GWiFi微带阵列天线、LoRa射频天线、高灵敏度接收系统及可调式高功率发射系统。阵列天线包括侧向天线与上侧天线。其中微带阵列天线、可调式高功率发射系统受到控制模块的控制，能实现相机终端设备与不同方向、远距离的上级组网设备间实现各种数据类型的信息远距离回收。微带阵列天线用于实现通信方向的调整，可调式发射系统用于实现通信距离上的调整。高功率工作提供相机的远距离通信功能，使野外WiFi最大通信距离达到500米，LoRa射频最大通信距离达到10000米。同时上位机通过控制模块能实现对LoRa射频、2.4GWiFi相关配置信息的实时设置，从而保证相机与上一级组网设备有效的连接，保证数据通信链路始终处在最优路径下。
用于多种环境信息测量功能的环境感知模块，包括通过可扩展串行总线与相机连接的红外传感器、温湿度气压、空气质量、海拔经纬度等传感器，实现环各种环境信息采集，总线结构包括了电源总线、数据总线、控制总线。其中电源总线兼容1.8V、3.3V、5V等多个供电电压，用于总线中处在各类工作电压下模块的电能供应；数据总线兼容SPI、I2C、UART等协议，实现与不同通信协议传感器模块的数据传输；控制总线由控制模块引出，由3个控制I/O组成，实现传感器模块8种工作状态；通过该总线，本相机可灵活的拆卸与安装所需的传感器模块，实现相机功能的删减与扩充。
用于延长相机工作时间的电源管理模块、支持包括USB输入、太阳能输入在内多电源输入的多电源输入电路、高能量密度且内阻较低的锂电池组、以及电压调节模块。电源管理模块结合了最大功率点跟踪算法与阈值调节单元，阈值调节单元光照强度过弱或过强时关闭充电电路与光伏板的连接，起到保护作用，提高了光伏充电模块在不同光照强度下的自我调节能力，最大功率点跟踪算法使光伏充电模块工作时始终处在最大输出功率的状态。即使在低照度情况(光照强度小于10mW/cm2)下本模块也具有较高的发电功率，为野外红外相机补偿电能，实现野外红外相机长续航工作。
上述智能野外红外相机结构图如图1所示，包括用于传输指令、数据、图像等信息的通信模块；用于实现目标识别、物种检测功能的智能拍摄模块及相应的CMOS图像传感器，该模块在红外信号的触发或按控制模块指令工作；用于实现相机工作状态控制的控制模块及相应的存储单元；用于实现高效率充放电的电源管理模块；用于具备多种环境信息测量功能的环境感知模块。
进一步的，所述智能拍摄模块基于集成神经网络加速单元的相机处理器实现，将物种检测模型移植于相机处理器上，通过目标识别、物种检测算法改进了现有相机的拍摄流程，抑制红外相机误触发，延长其工作周期。其中智能拍摄模块工作流程如图3，相机触发后开始拍摄一定数量的照片，随后物种检测网络对照片进行检测，根据一定的判断阈值，若照片中存在感兴趣目标，则进一步拍摄视频，若不存在目标，则判定为误触发，不触发视频。为了获取更多具有潜在价值的影像，针对于红外触发信号可设置较低阈值，针对物种检测网络设置较高的阈值。拍摄的视频图像可进一步送入目标识别网络，标注具体物种的种类，为后续研究提供更多的有用信息。
具体的，所述检测网络采用Faster RCNN网络用于快速的判断相机拍摄的图片中是否有感兴趣的目标，相比较RCNN、Fast RCNN等网络而言，该网络测试速度更快对硬盘的空间占用要求更低，适用于相机的目标检测；所述识别网络采用WL-SSD网络，该网络运行速度与检测精度都较为理想，能够对视频中出现的物种进行精确的识别。
进一步的，所述通信模块基于Wi-Fi和Lo-Ra实现，通过Wi-Fi和Lo-Ra相机不仅能提供相机自身的网络热点，同时能通过上一级组网设备实现远程对相机的实时控制以及环境感知信息、相机状态信息、实时视频流等信息的实时传输。；
具体的，所述Wi-Fi网络通过微带阵列WiFi天线实现数据的回收，其结构如图4所示，该阵列包含多个微带天线，各个天线单元分别被放置于相机的不同位置例如相机顶端、相机侧面；通过对每个天线单元独立的收发控制，能实现相机终端设备与不同方向、不同距离的上级组网设备实现各种数据类型的信息传输。
进一步的，所述环境感知模块，具备多种环境信息测量功能，包通过如图5所示的总线结构与各类传感器相连接。总线结构包括了电源总线、数据总线、控制总线。其中电源总线兼容1.8V、3.3V、5V等多个供电电压，用于总线中处在各类工作电压下模块的电能供应；数据总线兼容SPI、I2C、UART等协议，实现与不同通信协议传感器模块的数据传输；控制总线由控制模块引出，由3个控制I/O组成，实现传感器模块8种工作状态；通过该总线，本相机可灵活的拆卸与安装所需的传感器模块，实现相机环境感知功能的删减与扩展。
进一步的，电源管理模块包含同时支持USB与太阳能输入的多电源输入充电模块，在USB与太阳能输入同时接入时充电模块以USB输入为优先，同时实现二者的隔离，防止相互的干扰。光伏充电模块结合了最大功率点跟踪算法与阈值调节单元，阈值调节单元用于提高光伏充电模块在不同光照强度下的自我调节能力，最大功率点跟踪算法使光伏充电模块工作时始终处在最大输出功率的状态。即使在低照度情况(光照强度小于10mW/cm2)下本模块也具有较高的发电功率，为野外红外相机补偿电能，实现野外红外相机长续航工作。
进一步的，所述控制模块以一种低功耗类型的单片机为核心，相机控制模块以一种低功耗类型的单片机及一种集成神经网络加速单元并可移植目标识别、物种检测算法的SOC为核心，控制模块接收来自于Lo-Ra射频模块的指令，实现对相机其余各个模块工作状态的控制，包括控制相机各模块的上下电状态从而控制其功耗，控制相机微带阵列天线及射频发射系统的工作状态从而控制其通信距离与方向。

Claims (7)

1.一种智能野外红外相机，其特征在于，包括：具备物种检测功能的智能拍摄模块，具备远距离数据传输的通信模块，具备多电源输入的电源管理模块，具备多种环境信息测量功能的环境感知模块；
智能拍摄模块、通信模块、环境感知模块、电源管理模块皆与控制模块相连接，控制模块控制智能拍摄模块进行拍摄、录像、实时视频流传输操作；通信模块向控制模块传输控制指令同时控制模块向通信模块返回指令接收、执行信息；控制模块控制环境感知模块读取环境中的实时信息，同时设置读取的参数；控制模块控制电源管理模块各变压电路的使能状态，从而控制相机中除控制模块外各模块的通断电状态，使相机尽量处于低功耗状态。
2.根据权利要求1所述的一种智能野外红外相机，其特征在于，所述智能拍摄模块，将物种检测模型移植于相机中，抑制红外相机误触发，延长其工作周期；
所述通信模块通过高发射功率的射频通信模块、高增益的微带阵列贴片天线、棒状天线实现相机的图像、文本、控制指令数据的远距离传输；
所述环境感知模块，包含红外传感器、温湿度传感器、气压传感器、血氧传感器、海拔经纬度传感器，实现环境信息的全面获取；
所述电源管理模块，包含同时支持USB与太阳能输入的多电源输入充电模块，在USB与太阳能输入同时接入时充电模块以USB输入为优先。
3.根据权利要求1所述的一种智能野外红外相机，其特征在于，所述智能拍摄模块基于集成神经网络加速单元的相机处理器实现，将物种检测模型移植于相机处理器上，通过检测算法改进了拍摄流程，抑制红外相机误触发，延长其工作周期；相机触发后开始拍摄一定数量的照片，随后物种检测网络对照片进行识别，根据一定的判断阈值，若照片中存在感兴趣目标，则进一步拍摄视频，若不存在目标，则判定为误触发，不触发视频。
4.根据权利要求1所述的一种智能野外红外相机，其特征在于，所述通信模块基于Wi-Fi和Lo-Ra结合实现，相机通过RMII与大功率Wi-Fi路由模块连接用于传输视频和图像数据，并且能提供相机自身的网络热点；控制模块与Lo-Ra射频模块通过UART进行连接，相机与Wi-Fi模块通过RMII连接，同时控制模块与相机SoC之间通过UART与GPIO相连接，保证二者之间状态信息、控制信息的传输；
与大功率控制子模块分别连接大功率Wi-Fi路由模块和Lo-Ra射频模块，相机通过大功率Wi-Fi无线传输实现数据的实时传输，通过Lo-Ra射频模块实现远程对相机的实时控制以相机实时信息以及传感器所得较小数据的实时传输；
Lo-Ra射频模块与大功率Wi-Fi路由模块皆通过多通道相控阵天线与上一级网络设备进行通信，Lo-Ra射频模块接收上位机的控制指令实现通信模块相关配置信息的更改，实现智能化组网。
5.根据权利要求4所述的一种智能野外红外相机，其特征在于，所述Wi-Fi网络通过微带阵列WiFi天线实现数据的回收，微带阵列WiFi天线包含多个微带天线，各个微带天线分别被放置于相机的不同位置；通过对每个微带天线独立的收发控制，能实现相机终端设备与不同方向、不同距离的上级组网设备实现各种数据类型的信息传输。
6.根据权利要求1所述的一种智能野外红外相机，其特征在于，所述环境感知模块基于总线结构实现，接入IMX327图像传感器、BME280系列温湿度、气压传感器、SR602人体感应模块、MPU6050陀螺仪和GPS/北斗定位模块。
7.根据权利要求1所述的一种智能野外红外相机，其特征在于，所述电源管理模块，包括，多输入充放电模块，通过多电源电路以及电源管理芯片实现高效的充放电；控制模块的模数转换功能进行电压的测量以及电能的估算；充放电模块的输出与电压调节模块相连接，通过电压调节模块获得具备不同负载能力的电压值，用于供给相机中的各个模块。
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