無(wú)縫的用戶(hù)體驗

 

傳統的視頻門(mén)鈴系統涉及按鍵，麥克風(fēng)和攝像機。這些系統通常被硬連接到電源上，視頻被路由到特定的監視器。IoT的視頻門(mén)鈴架構類(lèi)似，但實(shí)現方式卻大不相同。運動(dòng)傳感器可檢測到走到門(mén)口的訪(fǎng)客，并通過(guò)云將視頻流傳輸到智能手機或云端存儲。與訪(fǎng)問(wèn)者的通信通過(guò)應用程序中運行的雙向IP音頻流和雙向視頻流進(jìn)行。這些門(mén)鈴的基本功能可以與完整的安全系統集成在一起，該系統可以遠程啟用／禁用無(wú)鑰匙鎖，觸發(fā)警報或根據特定輸入提供自動(dòng)反饋。

 

視頻門(mén)鈴的早期版本經(jīng)常受到視頻和音頻問(wèn)題的困擾，例如錯誤的鈴聲和不連貫的音頻，但是諸如云備份，運動(dòng)檢測，視頻流和雙向通信之類(lèi)的關(guān)鍵功能需要無(wú)縫連接才會(huì )有商業(yè)價(jià)值。這些要求，再加上以前的硬連線(xiàn)功率限制，給現代視頻門(mén)鈴子系統帶來(lái)了一系列自身的硬件挑戰。

 

錯誤動(dòng)作事件

 

可視門(mén)鈴中常用的熱電（又稱(chēng)無(wú)源紅外）傳感器容易出錯，例如對白天行駛的車(chē)輛產(chǎn)生的眩光做出錯誤的反應，陣陣暖風(fēng)，蟲(chóng)子，動(dòng)物以及各種各樣的其他物體?；跓崃康幕顒?dòng)，并在此過(guò)程中觸發(fā)用戶(hù)手機上令人討厭的錯誤警報音和通知。由于用戶(hù)最終將完全忽略警報，甚至使門(mén)鈴脫機，這極大地降低了視頻門(mén)鈴的安全性。此外，PIR傳感器頻繁發(fā)生的虛假運動(dòng)檢測事件會(huì )大大縮短電池壽命。

 

一種相對簡(jiǎn)單的解決方案是使用兩個(gè)PIR傳感器，它們的覆蓋范圍略有重疊，以創(chuàng )建更大的運動(dòng)檢測區域（圖1）。由于雙傳感器僅生成較大物體的通知，因此較小的物體（例如臭蟲(chóng)和寵物）將不會(huì )被發(fā)現。將PIR傳感器與其他光傳感器和溫度／濕度傳感器一起使用可避免因溫度或光的快速變化而引起的誤觸發(fā)。這種多模式傳感方法減少了錯誤警報的可能性，同時(shí)還減少了總功耗，從而延長(cháng)電池壽命。

 

圖1冗余的PIR傳感器提高了人體運動(dòng)檢測的準確性，因為必須觸發(fā)多個(gè)光束才能將其視為運動(dòng)事件。

 

另外也可以使用嵌入式MCU和某些固件來(lái)實(shí)現基于算法的運動(dòng)檢測，以提高準確性。有多種方法可以實(shí)現基于視覺(jué)運動(dòng)的檢測，但是最常見(jiàn)的方法之一是將當前幀與參考圖像進(jìn)行比較，并逐像素跟蹤差異。這種類(lèi)型的圖像處理必須足夠智能，以將來(lái)自風(fēng)車(chē)和樹(shù)木的運動(dòng)作為背景的一部分來(lái)處理，以避免產(chǎn)生誤報，而這種能力需要相當大的處理能力。

 

這些過(guò)濾任務(wù)中的一些可以轉移到基于云的算法上，該算法可以微調特定客戶(hù)的圖像數據。但這需要相對較大的基礎架構來(lái)提供支持和良好的Wi－Fi連接，并且仍然會(huì )是高功耗。因此，電池供電的智能門(mén)鈴不是一個(gè)明智選擇——至少目前是這樣。盡管可以依靠外部供電減少了門(mén)鈴的位置選擇，但也不需要充電或更換電池。

 

圖像傳感器和處理器接口問(wèn)題

 

視頻門(mén)鈴中的圖像處理需要圖像傳感器、數字多媒體處理器，并且在大多數情況下，需要一些外圍設備。選擇圖像傳感器時(shí)，需要考慮幾件事，其中最重要的是分辨率、幀速率、像素大小、像素結構和快門(mén)時(shí)間。除了各個(gè)組件的諸多考慮因素之外，圖像傳感器和數字媒體處理器之間經(jīng)常存在接口問(wèn)題。

 

除非特別注意，否則您可能會(huì )發(fā)現自己的設備因其輸入／輸出（I／O）接口格式不匹配而無(wú)法相互通信。由于I／O接口（I2C，并行，通用I／O）存在大量差異，因此這樣的錯誤比人們想象得多很多。為了避免這種不愉快的情況發(fā)生，設計人員必須確保圖像傳感器支持的I／O接口與數字媒體處理器的I／O兼容。

 

當兩個(gè)設備具有不同的工作電壓和邏輯信號電平時(shí)，可能會(huì )出現類(lèi)似的問(wèn)題。幸運的是，電壓轉換器可以通過(guò)范圍介于0．6至5．5V的雙向電壓轉換輕松解決這種不匹配問(wèn)題，盡管它們?yōu)楫a(chǎn)品的BOM增加了很小的成本，但電壓轉換設備通過(guò)為設計人員提供范圍更廣的傳感器來(lái)補償這一投入，過(guò)去傳感器和MCU必須要使用相同的配套電壓才可以。

 

容易產(chǎn)生噪音的環(huán)境

 

現代視頻門(mén)鈴所需的全雙工通信增加了其他復雜性，要求設計必須處理因用戶(hù)將揚聲器／麥克風(fēng)增益調節得過(guò)高而導致的不穩定反饋。例如，接收音頻的人需要在揚聲器上獲得相對較大的增益才能充分辨別遠端正在說(shuō)什么，但是麥克風(fēng)的近距離很容易檢測到聲音并經(jīng)常將其放大，從而導致不良回聲（圖2）。過(guò)去，半雙工通信通過(guò)顯著(zhù)降低揚聲器接收信號時(shí)麥克風(fēng)的增益來(lái)減輕這種回聲。

 

 

圖2雙向音頻通信在回響的語(yǔ)音和回聲方面要認真考慮

 

主動(dòng)調整麥克風(fēng)和揚聲器增益的系統可能會(huì )在環(huán)境噪聲水平相對較低的環(huán)境中為全雙工通信糾正此問(wèn)題。不幸的是，這在具有不可預測的環(huán)境噪聲源（例如經(jīng)過(guò)的公共汽車(chē)或其他交通）的環(huán)境中效果不佳。有幾種可以解決此問(wèn)題的數字信號處理（DSP）技術(shù)，包括回聲消除（AEC）和自適應頻譜降噪（ASNR）。AEC創(chuàng )建了自適應濾波器，可通過(guò)最初識別傳輸的信號并在某個(gè)時(shí)間窗口內重新出現該信號時(shí)將其消除來(lái)有效消除回聲。ASNR利用頻域從音頻信號中去除環(huán)境噪聲和有害噪聲分量，從而去除背景噪聲和寬帶噪聲。AGC則旨在改善免提通信的低頻語(yǔ)音信號。諸如此類(lèi)的音頻算法通過(guò)保持麥克風(fēng)和揚聲器的增益而不會(huì )產(chǎn)生不必要的反饋和回聲或訴諸語(yǔ)音切換，從而提供了卓越的音頻體驗。

 

最大限度地利用揚聲器

 

盡管復雜的DSP算法有助于實(shí)現全雙工音頻通信，但它們通常無(wú)法最大程度地發(fā)揮系統音頻揚聲器的全部功能。由于揚聲器音圈中的過(guò)多熱量和超出其偏移極限會(huì )導致快速損壞和音錐吹響，因此音頻工程師通常會(huì )對放大級別施加硬性限制，使其遠低于揚聲器的實(shí)際功能。與放大器串聯(lián)使用的軟件算法可以實(shí)時(shí)監控揚聲器的溫度和偏移，該反饋可實(shí)現更精細的聲壓級和更高的音頻清晰度。

 

語(yǔ)音命令和語(yǔ)音識別

 

未來(lái)的視頻門(mén)鈴可能會(huì )基于語(yǔ)音激活和語(yǔ)音識別技術(shù)實(shí)現免提控制。這些語(yǔ)音用戶(hù)界面再次從一系列麥克風(fēng)和DSP算法接收命令時(shí)，又增加了另一層復雜性。盡管與接收麥克風(fēng)的距離相對較大，但這些門(mén)鈴很可能會(huì )使用波束成形算法將所需的音頻信號與背景噪聲分開(kāi)。已經(jīng)有可用的麥克風(fēng)板實(shí)現了波束形成算法，該算法可以放大來(lái)自揚聲器方向的語(yǔ)音信號，以便從嘈雜的環(huán)境中獲得清晰的語(yǔ)音和音頻。

 

在真正實(shí)用的視頻門(mén)鈴產(chǎn)品中，重要的是這些高級功能不需要額外的電源，并且可以對本地麥克風(fēng)輸入信號起作用。我們正在尋找一種設計策略，以使產(chǎn)品更簡(jiǎn)單，低功耗，小尺寸。

 

功耗預算挑戰

 

實(shí)用的視頻門(mén)鈴可以通過(guò)以下方式之一供電：使用可充電電池，允許其從房屋現有的低壓門(mén)鈴布線(xiàn)中獲取電能，或為其配備以太網(wǎng)供電（PoE）接口。這些電源選項各有利弊（表1）。如前所述，電池供電單元所提供的靈活放置方式使安裝更加簡(jiǎn)單，而門(mén)鈴線(xiàn)則具有維護成本低的優(yōu)勢。

 

 

節能是電池供電的視頻門(mén)鈴的主要關(guān)注點(diǎn)，許多上述算法將需要更多的功耗密集型處理。高度特定的SoC設計，例如德州儀器（TI）CC3120／CC3220，可通過(guò)較少的片外事務(wù)（片上RAM和／或閃存）實(shí)現更高級別的并行處理（喚醒／睡眠觸發(fā)器，網(wǎng)絡(luò )連接），從而降低系統總功耗。此外，專(zhuān)為電池供電而設計的MCU具有多種電源模式，包括關(guān)機，休眠，睡眠，待機和活動(dòng)模式，精心的開(kāi)發(fā)人員可以使用它們進(jìn)一步降低能耗。

 

設計用于使用家庭現有門(mén)鈴電源的任何產(chǎn)品的主要考慮因素是，交流電源中沒(méi)有針對這些產(chǎn)品的標準輸出電壓，交流電源最初是為使用8V至24VAC之間的電壓為電鈴供電而設計的。為了最大程度地降低產(chǎn)品的性能下降，重要的是要仔細注意一些參數，例如輸出電壓精度，電壓紋波，滿(mǎn)負載下的系統效率和散熱。對于特別敏感的組件，例如經(jīng)常在視頻門(mén)鈴中使用的CMOS圖像傳感器，尤其如此。這些組件對噪聲源特別敏感，例如電源波動(dòng)，電磁干擾和溫度變化。

 

為了實(shí)現最佳性能，視頻門(mén)鈴需要一個(gè)電源，該電源可以接受各種低電壓轉換器，并為其各個(gè)子系統（傳感器，I／O，音頻，內存，UI等）產(chǎn)生干凈，穩壓良好的直流電，也必須小型化以便放入緊湊型外殼中。如圖3所示，這通常涉及多個(gè)降壓轉換器，最好是采用在重負載下提供高效率的同步降壓轉換器。在這種需要寬電壓范圍或大量分立電源的設計中，可以使用單個(gè)降壓穩壓器為多個(gè)線(xiàn)性穩壓器供電。

 

圖三：可視門(mén)鈴電源架構示意圖

 

對于電池供電的應用，滿(mǎn)負荷和輕負荷下的系統效率都是必需的，對于在密閉包裝，通風(fēng)很少或沒(méi)有通風(fēng)的情況下運行的產(chǎn)品，也是如此。對于視頻門(mén)鈴，必須仔細實(shí)現諸如用戶(hù)界面，無(wú)線(xiàn)通信監視和運動(dòng)檢測之類(lèi)的功能，以最大程度地提高電源效率。必須同樣注

 

 

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