無(wú)縫用戶(hù)體驗

 

傳統的可視門(mén)鈴系統涉及使用按鈴、麥克風(fēng)和攝像機。這些系統通常被硬連接到電源，而視頻被傳送到一臺特定的電視機上。啟用支持IoT的可視門(mén)鈴的目的類(lèi)似，但實(shí)現方式卻大相徑庭。運動(dòng)傳感器可檢測到門(mén)口訪(fǎng)客，并通過(guò)云將視頻流傳輸到智能手機應用。與訪(fǎng)客的通信通過(guò)應用程序中運行的雙向IP音頻流和單向視頻流進(jìn)行。這些門(mén)鈴的基本功能可與完整的安全系統集成在一起。此安全系統可遠程啟用/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。

 

可視門(mén)鈴的早期發(fā)行版本經(jīng)常受到視頻和音頻問(wèn)題的困擾，例如錯誤響鈴和不清楚的音頻，但是諸如云備份、運動(dòng)檢測、視頻流和雙向通信等關(guān)鍵功能需要流暢的性能才能運作。這些要求，加上先前的硬連線(xiàn)功率限制，給現代可視門(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，PIR）運動(dòng)傳感器容易出錯，例如對白天行駛的車(chē)輛產(chǎn)生的眩光、暖流、蟲(chóng)子、動(dòng)物以及其他各種基于熱量的活動(dòng)做出錯誤反應，并在此過(guò)程中在用戶(hù)手機上觸發(fā)惱人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，這極大降低了可視門(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。

 

一種相對直接的解決方案是使用兩個(gè)旨在具有稍微重疊的覆蓋范圍的PIR傳感器來(lái)創(chuàng )建更大的運動(dòng)檢測區域（圖1）。由于雙傳感器僅生成針對較大物體的通知，因此較小物體（例如蟲(chóng)子和寵物）將不會(huì )記錄。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)還消耗了最少的功率，從而延長(cháng)了電池壽命。

 

圖1冗余的PIR傳感器可提高人體運動(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

 

也可使用嵌入式MCU和某些固件來(lái)實(shí)現基于算法的運動(dòng)檢測，以提高精度。有多種方法可實(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，以將經(jīng)過(guò)的車(chē)輛和風(fēng)吹動(dòng)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，而這種功能需要相當大的處理能力。

 

這些過(guò)濾任務(wù)中的一些任務(wù)可卸載到基于云的算法上，這些算法可針對用戶(hù)特性進(jìn)行圖像數據微調。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，并且仍然導致高功耗。因此，大家不會(huì )選擇電池供電的智能門(mén)鈴，至少目前是這樣。雖然依靠外部電源減少了門(mén)鈴的位置選擇，但用戶(hù)也因此無(wú)需充電或更換電池。

 

圖像傳感器和處理器連接問(wèn)題

 

可視門(mén)鈴中的圖像處理需要圖像傳感器、數字媒體處理器，并且在大多數情況下，需要一些外圍器件。選擇圖像傳感器時(shí)，需要考慮一些因素，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。除單獨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也經(jīng)常存在連接問(wèn)題。

 

除非特別注意，否則您可能會(huì )發(fā)現自己的一對出色的器件因其輸入/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，因此更容易犯下此類(lèi)錯誤。為避免這種惱人情況，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)器件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，電壓轉換器件可通過(guò)范圍介于0.6V至5.5 V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增加了少量成本，但它給設計人員提供了更廣泛的圖像傳感器和MCU的選擇，而不是只使用相同電壓的傳感器和MCU。

 

易產(chǎn)生噪音的環(huán)境

 

現代可視門(mén)鈴所需的全雙工、免提通信增加了其他復雜性，要?6?7?6?7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，接收音頻的人員需在揚聲器上獲得相對較大增益才能充分辨別遠端通話(huà)，但是麥克風(fēng)近距離很容易檢測到聲音并經(jīng)常將其放大回去，從而導致討厭的回聲（圖2）。過(guò)去，通過(guò)揚聲器接收信號時(shí)，半雙工通信通過(guò)顯著(zhù)降低麥克風(fēng)的增益，從而減少這種回聲。

 

圖2 雙向音頻通信在混響語(yǔ)音和回聲方面有很多需要認真考慮的因素

 

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（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），可以解決這一問(wèn)題。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，從而有效消除回聲。ASNR利用頻域從音頻信號中去除環(huán)境噪聲和不需要的噪聲分量，從而去除背景噪聲和寬帶噪聲。AGC旨在改善免提通信的低聲壓級語(yǔ)音信號。諸如此類(lèi)的音頻算法保持了麥克風(fēng)和揚聲器的增益而不會(huì )產(chǎn)生不必要的反饋和回聲，且無(wú)需訴諸語(yǔ)音切換，從而提供出色的音頻體驗。

 

最大限度利用揚聲器

 

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限值會(huì )導致快速損壞和音錐，因此音頻工程師通常會(huì )對放大聲壓級施加硬性限制，使其遠低于揚聲器的實(shí)際功能。與放大器配合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)的可視門(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)界面從一系列麥克風(fēng)和DSP算法接收命令時(shí)，再次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)。已有可用的麥克風(fēng)板可用于實(shí)現波束形成算法，該算法可從揚聲器方向放大語(yǔ)音信號，以從嘈雜環(huán)境中獲得清晰的語(yǔ)音和音頻。 

 

在真正實(shí)用的可視門(mén)鈴產(chǎn)品中，重要的是這些高級功能無(wú)需額外的電源，且可對本地麥克風(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。

 

電力預算挑戰

 

實(shí)用的可視門(mén)鈴可以通過(guò)以下其中一種方式供電：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，而硬線(xiàn)門(mén)鈴則具有維護成本低的優(yōu)勢。 

 

表1 向可視門(mén)鈴供電的方法

 

節能是電池供電的可視門(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。高度針對性的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），從而降低了總體功耗。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，細心的開(kāi)發(fā)人員可使用它們進(jìn)一步降低能耗。

 

設計任何使用家庭現有門(mén)鈴電源的產(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，其最初是為使用8 V至24 VAC之間的電壓為電鈴供電而設計的。為最大程度地降低以這種方式供電的產(chǎn)品的性能下降，有必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尤其如此，例如經(jīng)常在可視門(mén)鈴中使用的互補金屬氧化物半導體（CMOS）圖像傳感器。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。

 

為實(shí)現最佳性能，可視門(mén)鈴需要一個(gè)電源。該電源可接受各種低壓交流電，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，也可以放入產(chǎn)品緊湊型外殼中。如圖3所示，這通常涉及多個(gè)降壓轉換器，最好是采用可在重負載下提供高效率的同步架構的轉換器。在這種需要寬電壓范圍或大量分立電源的設計中，可使用單個(gè)降壓穩壓器為多個(gè)線(xiàn)性穩壓器供電（理想的低壓差）。 

 

圖3可視門(mén)鈴的示例電源架構 （來(lái)源：德州儀器）

 

對于電池供電的應用，滿(mǎn)載和輕載下的系統效率都是必需的；對于在密閉封裝、通風(fēng)很少或沒(méi)有通風(fēng)的情況下運行的線(xiàn)路供電產(chǎn)品，也是如此。對于可視門(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。必須同樣注意待機電流，例如電源的靜態(tài)電流和關(guān)斷電流，因為它們會(huì )嚴重影響電池壽命。低靜態(tài)電流可極大延長(cháng)電池的使用壽命，因為可視門(mén)鈴大部分時(shí)間都處于睡眠/休眠模式。此外，同步轉換器具有從其脈寬調制模式到省電模式的無(wú)縫過(guò)渡的能力，使其在滿(mǎn)載和輕載時(shí)均保持相對高效。

 

可視門(mén)鈴是具有嚴格尺寸限制（有時(shí)甚至是功率限制）的幾種IoT產(chǎn)品之一，且必須在處理器愈加復雜的高功耗算法與有限的功率資源之間取得平衡。這些限制導致了一些獨特的設計挑戰，當前技術(shù)進(jìn)步使得克服這些挑戰成為可能。隨著(zhù)人工智能以語(yǔ)音、聲音和面部識別的形式成為住宅安全系統的必備功能，這些挑戰自然將變得越來(lái)越復雜。

 

Srinivasan Iyer

 

Srinivasan Iyer是德州儀器（TI）樓宇自動(dòng)化集團的系統工程師，專(zhuān)注于視頻監控、HVAC、電梯和自動(dòng)扶梯的發(fā)展趨勢。

 

 

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