THine Value 可延长树莓派与相机连接线的工具正在加速产业用IoT的原型设计

2021.05.24
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 单板电脑「Raspberry Pi(树莓派)」在电气/电子技术者之间可以说是无人不晓。原本是为教育用途投入市场的,但现在还被广泛应用于电子工作等业余兴趣的用途和电子设备的原型设计(试作)用途等。

   尤其是最近在电子设备的原型设计用途上被使用的案例急速增加。根据用户不同,将Raspberry Pi试作出来的装置直接安装进实际的IoT系统的作法也越来越常见了。

   为什么呢?理由有三个。第一就是产业领域上IoT(Internet of Things)技术的适用正在急速扩大。IoT系统是通过各种传感器收集数据,将其活用于改善生产效率或缩减人工费用等用途上。因此就需要处理这些通过各种传感器收集来的数据,将其传送至主机的「电子设备」。但是,如果要从零开始开发这些电子设备,就会花费比较多的时间和很多的成本。所以大家都希望能尽量简单地去开发,因此,只需几千日元就能买到的Raspberry Pi就被选中了。

   第二个理由是Raspberry Pi本身的信赖度在不断改善。无论能以多低的成本简单地开发,如果其信赖度很低的话,即便能在试作设备使用,也无法投入到实际的产业领域用IoT系统中。但是Raspberry Pi每次规格更新产品换代,其信赖度都有得到改善。尤其是最新产品的「Raspberry Pi 4 Model B」的信赖度已经达到产业领域可直接采用的程度。

   第三个理由是它有自己的用户论坛。配备了自己的用户论坛,就能大量收集到在使用Raspberry Pi必须的信息。因此,在使用时遇到什么问题,也有很大可能能找出解决问题的突破口的信息;有时还能在线接受技术支持。

   基于以上三个理由,产业领域用IoT系统中直接使用通过Raspberry Pi开发的试作设备就成为可能了。

可连接距离太短

 但是,现在的Raspberry Pi要实际适用于产业领域用IoT系统上,根据使用环境不同,其性能和规格还不能够满足。

   产业领域用IoT系统的传感器取得的数据很多都是影像。但单一Raspberry Pi与相机模组之间的连线最长也只有20cm~30cm。如果只能连接这么短的长度,在其用途上就会大幅受限。

   例如农场用IoT系统需要通过相机模组拍摄农作物的生长状态,远距离地对这些影像进行监控,发现什么问题的话再由负责人员到现场解决。但如果连接线最长只有20cm~30cm的话,就很难用于对在暖棚上方生长的葡萄、桃子和梨等作物的监控。暖棚的高度根据农场会有所不同,但一般都在2m左右,因此无法连接放置在地上的Raspberry Pi和设置在暖棚上方的相机模组。若用3~4m长的线硬是去连接Raspberry Pi与相机模组的话,可能也可以传输影像信号,但其影像会有很多噪点。这样就无法达到「监控农作物的生长状态」这一目的。

   当然,如果将Raspberry Pi与相机模组安装在一个箱子里,一起安置在暖棚上方的话,就能解决连接线长度的问题;但暖棚上方能安置这样的箱子的地方本就非常有限,所以不能从根本上解决问题。

活用V-by-One HS信号

 为了解决连接线长度问题THine Electronics开发出了可将Raspberry Pi与相机模组的连接距离延长至最长15m的长距离传输工具(图1)。这一长距离传输工具的正式名称为「Cable Extension Kit for Raspberry Pi Camera」,产品型号为「THSER101」。
 
图1 使最长15m的影像数据的传输成为可能

 我们使用了高速接口技术「V-by-One HS」。长距离传输工具的构成见图2。相机模组连接在送信板上, Raspberry Pi连接到收信板。送信板上安装了能将MIPI CSI-2信号转换成V-by-One HS信号的传送器(并串转换器)IC「THCV241A」;而收信板上安装了将V-by-One HS信号转还为MIPI CSI-2信号的接收器(串并转换器)IC「THCV242」。

   送信与收信板之间,用以太线「CAT5e」连接。这样的话使用标准连线的时候其可传输距离能达到15m;但如果使用「静电屏蔽处理后的高品质连接线」,则起传输距离可以达到20m左右。而且,MIPI CSI-2信号与V-by-One HS信号之间的转换几乎不需要花费多余的时间,能实时地将相机模组拍摄到的影像传输至Raspberry Pi。
 
图2 「Cable Extension Kit for Raspberry Pi Camera」的系统构成

 现在,在「Raspberry Pi 4 Model B」与「Raspberry Pi 3 Model B+」这两个机型上,这一工具的使用效果已确认完毕。但是,「在其他机型上也很有可能会有实际效果」(THine Electronics)。

   此外,这一工具可对应的相机模组也有两种;都是Raspberry Pi专用的相机模组。其一是「Raspberry Pi High Quality Camera(HQ相机)」。像素为1230万,可对应最大50帧/秒。另一种是「Raspberry Pi Camera Module V2(V2相机)」;800万像素,可对应最大30帧/秒。在2013发售的较老的Raspberry Pi专用相机模组「Raspberry Pi Camera V1.3(V1.3相机)」上,虽然有效模式有限,但也能使用(图3)。
 
图3 V1.3相机上确认有效的模式

 不过,这一工具在Raspberry Pi专用相机模组以外无法使用。因为Raspberry Pi对相机模组有认证功能,所以专用相机模组以外则无法连接。

无需任何程序设计

 这次发售的Cable Extension Kit for Raspberry Pi Camera一套在送信板和收信板以外,还有将基板连接至相机模组与Raspberry Pi的柔性扁平线(FFC)、CAT5e 线(线长2m);以及将Raspberry Pi固定到收信板上的构件(图4)。
 
图4 「Cable Extension Kit for Raspberry Pi Camera」的配套物

 无需一切软件开发。因为这一工具已具备读取相机模组的各种数据,并自动设定传输时需要的参数的功能。因此购买后马上就可以开始使用。

   当然,市场上已经有别的可延长Raspberry Pi与相机模组间连接线长度的长距离传输工具。比如一些具有能将MIPI CSI-2信号用HDMI线传输的功能的产品。因为HDMI线比MIPI线更适合长距离传输。但即便使用这一类的长距离传输工具,也只能将长度延长到5m左右。

   此外,也有一些用传送微型波带的信号用的SMA(Sub Miniature type A)线来传输MIPI信号的长距离传输工具。这种工具可使数据传输长度超过2m。但是SMA线比较特殊,并不像LAN线(CAT5e)这样便宜而且容易买到。

   Cable Extension Kit for Raspberry Pi Camera已正式开始销售;可在网络销售窗口--Digi-Key公司的网页上购买。价格为6,825日元(2021年5月24日)。<购买窗口

强化解决方案业务

 一直以来THine Electronics都是以半导体IC的开发和销售为公司业务的重点。对采用了这些半导体IC的工具和解决方案的开发和销售都没有太过关注。

   但买入半导体IC后能纯属运用的客户是很有限的。要增加这样的用户,就需要构建起可简单运用半导体IC的环境。基于此点,THine Electronics就开始展开了提供半导体IC直接使用方案的业务。

   这次发售的Cable Extension Kit for Raspberry Pi Camera就是这一解决方案类产品的第1弹。今后,我们也会考虑继续扩充工具和解决方案这类产品的种类;比如我们现在正在探讨的对应UVC(USB Video Class)的网络相机等的产品化。

以上


※「Raspberry Pi」是Raspberry Pi财团的注册商标