無縫用戶體驗

 

傳統的可視門鈴係統涉及使用按鈴
、麥克風和攝像機。這些係統通常被硬連接到電源，而視頻被傳送到一台特定的電視機上。啟用支持IoT的可視門鈴的目的類似
，但實現方式卻大相徑庭。運動傳感器可檢測到門口訪客，並通過雲將視頻流傳輸到智能手機應用。與訪客的通信通過應用程序中運行的雙向IP音頻流和單向視頻流進行。這些門鈴的基本功能可與完整的安全係統集成在一起。此安全係統可遠程啟用/禁用無鑰匙鎖，觸發警報或根據特定輸入提供自動反饋。

 

可視門鈴的早期發行版本經常受到視頻和音頻問題的困擾
，例如錯誤響鈴和不清楚的音頻，但是諸如雲備份、運動檢測、視(shi)頻(pin)流(liu)和(he)雙(shuang)向(xiang)通(tong)信(xin)等(deng)關(guan)鍵(jian)功(gong)能(neng)需(xu)要(yao)流(liu)暢(chang)的(de)性(xing)能(neng)才(cai)能(neng)運(yun)作(zuo)。這(zhe)些(xie)要(yao)求(qiu)，加(jia)上(shang)先(xian)前(qian)的(de)硬(ying)連(lian)線(xian)功(gong)率(lv)限(xian)製(zhi)

，給(gei)現(xian)代(dai)可(ke)視(shi)門(men)鈴(ling)子(zi)係(xi)統(tong)帶(dai)來(lai)了(le)一(yi)係(xi)列(lie)自(zi)身(shen)的(de)硬(ying)件(jian)挑(tiao)戰(zhan)。

 

錯誤動作事件

 

可視門鈴中常用的熱電（又稱無源紅外，PIR）運動傳感器容易出錯
，例如對白天行駛的車輛產生的眩光、暖流、蟲子、dongwuyijiqitagezhongjiyureliangdehuodongzuochucuowufanying，bingzaiciguochengzhongzaiyonghushoujishangchufanaorendecuowujingbaoyinhetongzhi。youyuyonghuzuizhongjiangwanquanhulvejingbao，shenzhishimenlingtuoji，zhejidajiangdilekeshimenlingdeanquanxing。ciwai
，PIR傳感器頻繁發生的虛假運動檢測事件會大大縮短電池壽命。

 

一種相對直接的解決方案是使用兩個旨在具有稍微重疊的覆蓋範圍的PIR傳感器來創建更大的運動檢測區域（圖1）。由於雙傳感器僅生成針對較大物體的通知，因此較小物體（例如蟲子和寵物）將不會記錄。將PIR傳感器與其他光傳感器和溫度/shiduchuanganqiyiqishiyongkebimianyinwenduhuoguangdekuaisubianhuaeryinqidewuchufa。zhezhongduomoshichuanganfangfajianshaolecuowujingbaodekenengxing
，tongshihaixiaohaolezuishaodegonglv，congeryanchangledianchishouming。

 

圖1冗餘的PIR傳感器可提高人體運動檢測的準確性
，因為必須觸發多個光束才能將其視為運動事件

 

也可使用嵌入式MCU和he某mou些xie固gu件jian來lai實shi現xian基ji於yu算suan法fa的de運yun動dong檢jian測ce，以yi提ti高gao精jing度du。有you多duo種zhong方fang法fa可ke實shi現xian基ji於yu視shi覺jiao運yun動dong的de檢jian測ce，但dan是shi最zui常chang見jian的de方fang法fa之zhi一yi是shi將jiang當dang前qian幀zhen與yu參can考kao圖tu像xiang進jin行xing比bi較jiao，並bing逐zhu像xiang素su跟gen蹤zong差cha異yi。這zhe種zhong類lei型xing的de圖tu像xiang處chu理li必bi須xu足zu夠gou智zhi能neng，以yi將jiang經jing過guo的de車che輛liang和he風feng吹chui動dong樹shu木mu的de運yun動dong作zuo為wei背bei景jing的de一yi部bu分fen來lai處chu理li
，以yi避bi免mian產chan生sheng誤wu報bao，而er這zhe種zhong功gong能neng需xu要yao相xiang當dang大da的de處chu理li能neng力li。

 

zhexieguolvrenwuzhongdeyixierenwukexiezaidaojiyuyundesuanfashang
，zhexiesuanfakezhenduiyonghutexingjinxingtuxiangshujuweitiao。danzhexuyaoxiangduijiaodadejichujiagoulaitigongzhichihelianghaodeWi-Fi連(lian)接(jie)

，並(bing)且(qie)仍(reng)然(ran)導(dao)致(zhi)高(gao)功(gong)耗(hao)。因(yin)此(ci)，大(da)家(jia)不(bu)會(hui)選(xuan)擇(ze)電(dian)池(chi)供(gong)電(dian)的(de)智(zhi)能(neng)門(men)鈴(ling)，至(zhi)少(shao)目(mu)前(qian)是(shi)這(zhe)樣(yang)。雖(sui)然(ran)依(yi)靠(kao)外(wai)部(bu)電(dian)源(yuan)減(jian)少(shao)了(le)門(men)鈴(ling)的(de)位(wei)置(zhi)選(xuan)擇(ze)
，但(dan)用(yong)戶(hu)也(ye)因(yin)此(ci)無(wu)需(xu)充(chong)電(dian)或(huo)更(geng)換(huan)電(dian)池(chi)。

 

圖像傳感器和處理器連接問題

 

可視門鈴中的圖像處理需要圖像傳感器、數字媒體處理器，並且在大多數情況下，需要一些外圍器件。選擇圖像傳感器時
，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、像素結構和快門時間。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常存在連接問題。

 

除非特別注意，否則您可能會發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法相互通信。由於I/O接口（I2C、並行
、通用I/O）存在大量差異，因此更容易犯下此類錯誤。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。 

 

當兩個器件具有不同的工作電壓和邏輯信號電平時
，可能會出現類似的問題。幸運的是，電壓轉換器件可通過範圍介於0.6V至5.5 V的雙向電壓轉換輕鬆解決這種不匹配問題。盡管它們為產品的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，而不是隻使用相同電壓的傳感器和MCU。

 

易產生噪音的環境

 

現代可視門鈴所需的全雙工
、免提通信增加了其他複雜性，要?6?7?6?7求設計必須處理因用戶將揚聲器/麥mai克ke風feng增zeng益yi調tiao節jie得de過guo高gao而er導dao致zhi的de不bu穩wen定ding反fan饋kui。例li如ru，接jie收shou音yin頻pin的de人ren員yuan需xu在zai揚yang聲sheng器qi上shang獲huo得de相xiang對dui較jiao大da增zeng益yi才cai能neng充chong分fen辨bian別bie遠yuan端duan通tong話hua，但dan是shi麥mai克ke風feng近jin距ju離li很hen容rong易yi檢jian測ce到dao聲sheng音yin並bing經jing常chang將jiang其qi放fang大da回hui去qu，從cong而er導dao致zhi討tao厭yan的de回hui聲sheng（圖2）。過去，通過揚聲器接收信號時，半雙工通信通過顯著降低麥克風的增益
，從而減少這種回聲。

 

圖2 雙向音頻通信在混響語音和回聲方麵有很多需要認真考慮的因素

 

主zhu動dong調tiao整zheng麥mai克ke風feng和he揚yang聲sheng器qi增zeng益yi的de係xi統tong可ke能neng會hui在zai環huan境jing噪zao聲sheng水shui平ping相xiang對dui較jiao低di的de環huan境jing中zhong為wei全quan雙shuang工gong通tong信xin糾jiu正zheng此ci問wen題ti。不bu幸xing的de是shi
，這zhe在zai具ju有you不bu可ke預yu測ce的de環huan境jing噪zao聲sheng源yuan（如經過的公共汽車或其他交通）的環境中效果不佳。有幾種的數字信號處理（DSP）技術，包括回聲消除（AEC）和自適應頻譜降噪（ASNR）
，可以解決這一問題。AEC創建了自適應濾波器，可通過最初識別傳輸的信號並在某個時間窗口內重新出現該信號時將其消除，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zhi在zai改gai善shan免mian提ti通tong信xin的de低di聲sheng壓ya級ji語yu音yin信xin號hao。諸zhu如ru此ci類lei的de音yin頻pin算suan法fa保bao持chi了le麥mai克ke風feng和he揚yang聲sheng器qi的de增zeng益yi而er不bu會hui產chan生sheng不bu必bi要yao的de反fan饋kui和he回hui聲sheng，且qie無wu需xu訴su諸zhu語yu音yin切qie換huan，從cong而er提ti供gong出chu色se的de音yin頻pin體ti驗yan。

 

最大限度利用揚聲器

 

盡管複雜的DSPsuanfayouzhuyushixianquanshuanggongyinpintongxin，dantamentongchangwufazuidachengdudifahuixitongyinpinyangshengqidequanbugongneng。youyuyangshengqiyinquanzhongdeguoduorelianghechaochuqipianyixianzhihuidaozhikuaisusunhuaiheyinzhui，yinciyinpingongchengshitongchanghuiduifangdashengyajishijiayingxingxianzhi
，shiqiyuandiyuyangshengqideshijigongneng。yufangdaqipeiheshiyongderuanjiansuanfakeyishishijiankongyangshengqidewenduhepianyi。gaifankuikeshixiangengjingxideshengyajihegenggaodeyinpinqingxidu。

 

語音命令和語音識別

 

未來的可視門鈴可能會基於語音激活和語音識別技術實現免提控製。這些語音用戶界麵從一係列麥克風和DSP算(suan)法(fa)接(jie)收(shou)命(ming)令(ling)時(shi)，再(zai)次(ci)增(zeng)加(jia)了(le)另(ling)一(yi)層(ceng)複(fu)雜(za)性(xing)。盡(jin)管(guan)與(yu)接(jie)收(shou)麥(mai)克(ke)風(feng)的(de)距(ju)離(li)相(xiang)對(dui)較(jiao)大(da)
，但(dan)這(zhe)些(xie)門(men)鈴(ling)很(hen)可(ke)能(neng)會(hui)使(shi)用(yong)波(bo)束(shu)成(cheng)形(xing)算(suan)法(fa)將(jiang)所(suo)需(xu)的(de)音(yin)頻(pin)信(xin)號(hao)與(yu)背(bei)景(jing)噪(zao)聲(sheng)分(fen)開(kai)。已(yi)有(you)可(ke)用(yong)的(de)麥(mai)克(ke)風(feng)板(ban)可(ke)用(yong)於(yu)實(shi)現(xian)波(bo)束(shu)形(xing)成(cheng)算(suan)法(fa)，該(gai)算(suan)法(fa)可(ke)從(cong)揚(yang)聲(sheng)器(qi)方(fang)向(xiang)放(fang)大(da)語(yu)音(yin)信(xin)號(hao)，以(yi)從(cong)嘈(cao)雜(za)環(huan)境(jing)中(zhong)獲(huo)得(de)清(qing)晰(xi)的(de)語(yu)音(yin)和(he)音(yin)頻(pin)。 

 

在zai真zhen正zheng實shi用yong的de可ke視shi門men鈴ling產chan品pin中zhong，重zhong要yao的de是shi這zhe些xie高gao級ji功gong能neng無wu需xu額e外wai的de電dian源yuan，且qie可ke對dui本ben地di麥mai克ke風feng輸shu入ru信xin號hao起qi作zuo用yong。我wo們men正zheng在zai尋xun找zhao一yi種zhong設she計ji策ce略lve
，以yi使shi產chan品pin更geng簡jian單dan
、低功耗
、小尺寸。

 

電力預算挑戰

 

實用的可視門鈴可以通過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鈴布線中獲取電能，或為其配備以太網供電（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單，而硬線門鈴則具有維護成本低的優勢。 

 

表1 向可視門鈴供電的方法

 

節能是電池供電的可視門鈴的主要關注點。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，可通過較少的片外事務（片上RAM和/或閃存）實現更高級別的並行處理（喚醒/睡眠觸發器、網絡連接），從而降低了總體功耗。此外，專為電池供電而設計的MCU具有多種電源模式，包括關機、休眠、睡眠

、待機和活動模式
，細心的開發人員可使用它們進一步降低能耗。

 

設計任何使用家庭現有門鈴電源的產品的主要考慮因素是：交流電源中沒有針對這些產品的標準輸出電壓，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
、滿負載下的係統效率和散熱。對於特別敏感的組件尤其如此，例如經常在可視門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、電磁幹擾和溫度變化。

 

為實現最佳性能，可視門鈴需要一個電源。該電源可接受各種低壓交流電
，並為其各個子係統（傳感器、I/O
、音頻
、內存
、UI等）產生幹淨、穩壓良好的直流電，也可以放入產品緊湊型外殼中。如圖3所(suo)示(shi)，這(zhe)通(tong)常(chang)涉(she)及(ji)多(duo)個(ge)降(jiang)壓(ya)轉(zhuan)換(huan)器(qi)
，最(zui)好(hao)是(shi)采(cai)用(yong)可(ke)在(zai)重(zhong)負(fu)載(zai)下(xia)提(ti)供(gong)高(gao)效(xiao)率(lv)的(de)同(tong)步(bu)架(jia)構(gou)的(de)轉(zhuan)換(huan)器(qi)。在(zai)這(zhe)種(zhong)需(xu)要(yao)寬(kuan)電(dian)壓(ya)範(fan)圍(wei)或(huo)大(da)量(liang)分(fen)立(li)電(dian)源(yuan)的(de)設(she)計(ji)中(zhong)
，可(ke)使(shi)用(yong)單(dan)個(ge)降(jiang)壓(ya)穩(wen)壓(ya)器(qi)為(wei)多(duo)個(ge)線(xian)性(xing)穩(wen)壓(ya)器(qi)供(gong)電(dian)（理想的低壓差）。 

 

圖3可視門鈴的示例電源架構 （來源：德州儀器）

 

對於電池供電的應用，滿載和輕載下的係統效率都是必需的
；對於在密閉封裝
、通風很少或沒有通風的情況下運行的線路供電產品，也是如此。對於可視門鈴，必須仔細實現諸如用戶界麵、無wu線xian通tong信xin監jian視shi和he運yun動dong檢jian測ce之zhi類lei的de功gong能neng
，以yi最zui大da程cheng度du地di提ti高gao電dian源yuan效xiao率lv。必bi須xu同tong樣yang注zhu意yi待dai機ji電dian流liu，例li如ru電dian源yuan的de靜jing態tai電dian流liu和he關guan斷duan電dian流liu，因yin為wei它ta們men會hui嚴yan重zhong影ying響xiang電dian池chi壽shou命ming。低di靜jing態tai電dian流liu可ke極ji大da延yan長chang電dian池chi的de使shi用yong壽shou命ming，因yin為wei可ke視shi門men鈴ling大da部bu分fen時shi間jian都dou處chu於yu睡shui眠mian/休眠模式。此外，同步轉換器具有從其脈寬調製模式到省電模式的無縫過渡的能力
，使其在滿載和輕載時均保持相對高效。

 

可視門鈴是具有嚴格尺寸限製（有時甚至是功率限製）的幾種IoT產chan品pin之zhi一yi，且qie必bi須xu在zai處chu理li器qi愈yu加jia複fu雜za的de高gao功gong耗hao算suan法fa與yu有you限xian的de功gong率lv資zi源yuan之zhi間jian取qu得de平ping衡heng。這zhe些xie限xian製zhi導dao致zhi了le一yi些xie獨du特te的de設she計ji挑tiao戰zhan，當dang前qian技ji術shu進jin步bu使shi得de克ke服fu這zhe些xie挑tiao戰zhan成cheng為wei可ke能neng。隨sui著zhe人ren工gong智zhi能neng以yi語yu音yin、聲音和麵部識別的形式成為住宅安全係統的必備功能，這些挑戰自然將變得越來越複雜。

 

Srinivasan Iyer

 

Srinivasan Iyer是德州儀器（TI）樓宇自動化集團的係統工程師，專注於視頻監控、HVAC
、電梯和自動扶梯的發展趨勢。

 

 

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