THine Value Raspberry Pi用相机延长工具的四大优点为各种产业用IoT系统的实际应用打开了大门

2021.06.21
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 THine Electronics在 2021年3月发售了一款可使单板电脑「Raspberry Pi(树莓派)」与相机模组间的传输距离大幅延长的长距离传输工具--「Cable Extension Kit for Raspberry Pi Camera(产品型号为THSER101)」(图1)。到目前为止,仅使用 Raspberry Pi,其余相机模组的连线长度最多只有20cm~30cm。但如果使用这一长距离传输工具,则可一下子延长传输距离。使用标准以太线 「CAT5e」可延长至 15m,使用高质量的静电屏蔽型以太线则可延長至 20m。
 
图1 可将树莓派与相机间的连接距离最长延长至20m

   这款长距离传输工具受到业界人士和用户的高度评价。在Raspberry Pi Foundation(树莓派财团)出版的官方杂志《MagPi》上也发表了这一工具的介绍文章,并受到了好评。为什么能得到这样的好评呢? 或许是因为长距离传输工具带来了很大的好处吧。
  
   在之前的专栏文章中,我们介绍了一个用于农场的IoT(物联网)系统的案例,该系统是使用于葡萄、桃子和梨等生长于相对较高的暖棚上方等农作物的。暖棚的高度因农场而异,但一般在2m左右。因此,放置在地面上的 Raspberry Pi 和安裝在暖棚上方的相机模组之间就无法用线连接。这时候我们发售的长距离传输工具就登场了。使用它就能比较简单地解决问题。
 
  当然,并不是只有农场用IoT系统可以享受长距离传输工具的好处。 在这次的专栏文章中,我们将以「安全性」、 「轻量化」、 「存取容易性」和「稳定性」这四个优点为关键词,来介绍长距离传输工具的四个最佳应用案例。

Raspberry Pi使用实例快速增加的3个原因

 首先,在介绍长距离传输工具的具体解决方案之前,我们先回顾一下Raspberry Pi在产业领域的使用实例迅速增加的理由。具体来说,可能有以下三个原因。

   第一是低成本。在产业用IoT系统中,由各种传感器收集数据,再将这些数据活用于改善生产效率与削减人工成本中去。因此需要一个「电子设备」来处理传感器收集的数据,并将其发送至主机。然而,从零开始开发这种电子设备需要花费较多的时间和大量的成本。因为想尽量轻松地开发这种电子设备,使用几千日元就能买到的Raspberry Pi的案例就因此迅速增加。

   第二是专业知识的入手性高。 Raspberry Pi 有一个用户论坛,可以在其中找到各种资料。在使用过程中遇到任何问题,都有很大的可能能在其中找到有助于解决问题的信息;并且可以在用户论坛上提出问题,可能能从世界各地的用户那里得到答复。

   第三是产品的生态系统齐全。如相机模组、无线通信模组、显示器、microSD读卡器、温度/湿度/超声波/旋转角传感器等,周边设备一应俱全,可轻松连接至Raspberry Pi。在OS上也一样在官方操作系统「Raspberry Pi OS」以外,还备有「NOOBS」、 「Ubuntu (MATE) 」、 「Windows 10 IOT Core」等;无论应用于何种用途,都配备有所需的硬件和软件。

   另外,这次发售的长距离传输工具可连接的相机模组有两种:「Raspberry Pi High Quality Camera(HQ相机)」和「Raspberry Pi Camera Module V2(V2相机)」。前者拥有1230万像素,最高帧速可达50帧/秒;而后者拥有800万像素,可对应的最高帧速为30帧/秒。

优点①:安全性

 现在,让我们以四个优点为关键词来介绍一下已发售的长距离传输工具「Cable Extension Kit for Raspberry Pi Camera」的最佳使用案例。
 
   第一个关键词是「安全性」(图2)。 通常,一旦确定了用途,相机模组的最佳安装位置就会自动确定。例如监控摄像头由于要拍摄整个需要监控的空间(房间),因此需要安装在天花板或天花板附近的侧面墙壁等高处。这时候如果单独使用Raspberry Pi,由于其与相机模组的距离必须在20cm~30cm以内,所以就必须把Raspberry Pi也一起安装在高处。
 
图2 安全性:监控摄像头

   这时,安全性就成了問題。如果因故障需要维修,工作人员就必须爬上梯子到高处作业。虽然在普通住房等环境下,高度不大会有危险;但如果是工厂或者购物中心等的天花板,就会非常高。在这么高的地方作业是很危险的,如果发生什么事故从梯子上掉下来,很可能会受很重的伤。
 
   这些问题如果使用这次发售的长距离传输工具就能简单解决了。Raspberry Pi与相机模组间的距离最远可以达到20m,所以就可以将Raspberry Pi放在地上或桌子上。这样便可以彻底消除维修工作中的危险性,使原本危险的作业变得安全。
 

优点②:轻量化

 第二个关键词是「轻量化」(图3)。 如上所述,一旦确定了用途,相机模组的最佳安装位置就会自动确定。如机器人手臂,就必须拍摄抓取物体的指尖部分。也就是说,相机模组需要安装在靠近机器人手臂前端的部分。
 
图3 轻量化:机器人手臂

   这里的问题是Raspberry Pi安装的地方。由于Raspberry Pi与相机模组的连接线只有20cm~30cm 长,因此Raspberry Pi也必须安装到机器人手臂上。但Raspberry Pi比较重:比如V2相机仅重4g左右(外形尺寸为约2.5cm x 约2.4cm x 约0.9cm);但「Raspberry Pi 4 Model B」则是其12倍的重量—约48g(尺寸为约9cm x 约5.5cm x 约1.8 cm)。因此,不可避免地会对机器人手臂的驱动控制产生不良影响。最坏的情况下,可能会无法准确地抓取物体,将其移动到指定位置。  
 
   这个问题也可以用这一长距离传输工具来解决。连接线的最大长度20m,因此可以将Raspberry Pi安装在机器人手臂以外的地方。仅相机模组的话重量仅约为4g,非常轻巧;因此不会对机器人手臂的操作造成不良影响。

优点③:存取容易性

 第三个关键词是「存取容易性」(图4)。 由此关键词衍生的最佳使用实例与上一章的专栏文章中介绍的农场用IoT相同。不过这一次我们从另一个不同的角度来介绍一下。
 
図4 アクセス容易性:果樹園

   一般在果园这样的产业用IoT系统中,会间隔数米来安装相机模组。也就是说会用到非常多的相机模组,并且需要放置在各个地方。如果单独使用Raspberry Pi,由于其与相机模组的连接线长度仅有20cm~30cm,因此就需要将Raspberry Pi安置在离相机模组非常近的地方。如此一来,在进行维修或收集影像数据时,就需要到安放相机模组和Raspberry Pi的每一个点上走一圈。

   原本引入IoT系统的目的就是降低人工成本,但是如果需要一个个地绕着安放位置进行作业,就不可能降低人工成本。这样就变得本末倒置了。

   这时候就需要长距离传输工具出场了。因为相机模组与Raspberry Pi的连接线长度延长到了20m,就可以将Raspberry Pi集中安装在一个地方。这样进行维修工作时就很方便了,采集影像数据的工作也变得更加简单了。也就是说这样就能达到预期的降低人工成本的目的。

优点④:稳定性

 第四个关键词是「稳定性」(图5)。 例如,喷洒农药、拍摄动画、测量和包裹配送等使用的大型无人机;上面安装了两个摄像头,也就是所谓的「立体摄像机」。考虑到大型无人机的飞行稳定性,我们当然想把重约4g的相机模组放在无人机的前端部分,而把重约48g的Raspberry Pi放在机体的中央部分。将重物置于中央才能更好地保持平衡,控制飞行姿势。
 
图5 稳定性:无人机

 但是,相机模组与Raspberry Pi间的连接线长度只能延长到20cm~30cm。虽然大型无人机的边缘到中心的距离根据产品而异,大部分小于20cm~30cm;但实际上连接线在是需要盘在机体内的,因此连接线长度仅为20cm~30cm是完全不够的。这就造成Raspberry Pi无法安装在机体的中央部分。  
 
   这个问题也一样可以通过长距离传输工具来轻松解决。相机模组和Raspberry Pi的连接线最长可延长至20m,因此可轻松将Raspberry Pi设置在机体的中央部分。这样就能在不会对大型无人机的飞行姿势产生不良影响的前提下安装相机模组和Raspberry Pi。

发挥概念验证(PoC)效果

 最后,再列举一个Raspberry Pi在产业用IoT等用途上的使用实例快速增长的另一个原因吧。那就是使用Raspberry Pi,就可以轻松执行「概念验证(PoC:Proof of Concept)」。

   在电子设备/系统的前期开发阶段,人力资源和預算都投入地比较少。因此,制造半导体IC和印刷电路板、或是制造金属模具来制作外箱是很不现实的。所以我们很少会只用简单的模型来实施PoC,而实际上这就造成验证精度总是难以提高。

   但是使用 Raspberry Pi的话,就可以花较少的人力资源和成本制作出与实物非常接近的试作品,也就能显著提高PoC验证的精度。这样一来,就能改善试作设备的性能、功能和实用性等,提高量产品的成功率。

   THine Electronics也有销售这次发售的长距离传输工具「Cable Extension Kit for Raspberry Pi Camera」的关键部分—对应V-by-One HS的发送/接收IC「THCV241A / THCV242」。因此,使用由Raspberry Pi、相机模组和长距离传输模组组成的试作品进行PoC,如果效果良好,就可以马上进入量产阶段。

※「Raspberry Pi」是Raspberry Pi集团的注册商标。