【導(dǎo)讀】出于安全目的，住宅，商業(yè)和工業(yè)設(shè)施正在廣泛使用視頻門鈴技術(shù)，以取代傳統(tǒng)的高價(jià)的閉路電視網(wǎng)絡(luò)，無需通過同軸電纜或者以太網(wǎng)等傳輸媒介，本文研究了與視頻門鈴相關(guān)的一些設(shè)計(jì)難題，并圍繞著視頻、音頻及電源技術(shù)，給相關(guān)嵌入式開發(fā)者一點(diǎn)參考。
無縫的用戶體驗(yàn)
傳統(tǒng)的視頻門鈴系統(tǒng)涉及按鍵，麥克風(fēng)和攝像機(jī)。這些系統(tǒng)通常被硬連接到電源上，視頻被路由到特定的監(jiān)視器。IoT的視頻門鈴架構(gòu)類似，但實(shí)現(xiàn)方式卻大不相同。運(yùn)動(dòng)傳感器可檢測到走到門口的訪客，并通過云將視頻流傳輸?shù)街悄苁謾C(jī)或云端存儲(chǔ)。與訪問者的通信通過應(yīng)用程序中運(yùn)行的雙向IP音頻流和雙向視頻流進(jìn)行。這些門鈴的基本功能可以與完整的安全系統(tǒng)集成在一起，該系統(tǒng)可以遠(yuǎn)程啟用／禁用無鑰匙鎖，觸發(fā)警報(bào)或根據(jù)特定輸入提供自動(dòng)反饋。
視頻門鈴的早期版本經(jīng)常受到視頻和音頻問題的困擾，例如錯(cuò)誤的鈴聲和不連貫的音頻，但是諸如云備份，運(yùn)動(dòng)檢測，視頻流和雙向通信之類的關(guān)鍵功能需要無縫連接才會(huì)有商業(yè)價(jià)值。這些要求，再加上以前的硬連線功率限制，給現(xiàn)代視頻門鈴子系統(tǒng)帶來了一系列自身的硬件挑戰(zhàn)。
錯(cuò)誤動(dòng)作事件
可視門鈴中常用的熱電（又稱無源紅外）傳感器容易出錯(cuò)，例如對白天行駛的車輛產(chǎn)生的眩光做出錯(cuò)誤的反應(yīng)，陣陣暖風(fēng)，蟲子，動(dòng)物以及各種各樣的其他物體?；跓崃康幕顒?dòng)，并在此過程中觸發(fā)用戶手機(jī)上令人討厭的錯(cuò)誤警報(bào)音和通知。由于用戶最終將完全忽略警報(bào)，甚至使門鈴脫機(jī)，這極大地降低了視頻門鈴的安全性。此外，PIR傳感器頻繁發(fā)生的虛假運(yùn)動(dòng)檢測事件會(huì)大大縮短電池壽命。
一種相對簡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(yùn)動(dòng)檢測區(qū)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（例如臭蟲和寵物）將不會(huì)被發(fā)現(xiàn)。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(cuò)誤警報(bào)的可能性，同時(shí)還減少了總功耗，從而延長電池壽命。
圖1冗余的PIR傳感器提高了人體運(yùn)動(dòng)檢測的準(zhǔn)確性，因?yàn)楸仨氂|發(fā)多個(gè)光束才能將其視為運(yùn)動(dòng)事件。
另外也可以使用嵌入式MCU和某些固件來實(shí)現(xiàn)基于算法的運(yùn)動(dòng)檢測，以提高準(zhǔn)確性。有多種方法可以實(shí)現(xiàn)基于視覺運(yùn)動(dòng)的檢測，但是最常見的方法之一是將當(dāng)前幀與參考圖像進(jìn)行比較，并逐像素跟蹤差異。這種類型的圖像處理必須足夠智能，以將來自風(fēng)車和樹木的運(yùn)動(dòng)作為背景的一部分來處理，以避免產(chǎn)生誤報(bào)，而這種能力需要相當(dāng)大的處理能力。
這些過濾任務(wù)中的一些可以轉(zhuǎn)移到基于云的算法上，該算法可以微調(diào)特定客戶的圖像數(shù)據(jù)。但這需要相對較大的基礎(chǔ)架構(gòu)來提供支持和良好的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題
視頻門鈴中的圖像處理需要圖像傳感器、數(shù)字多媒體處理器，并且在大多數(shù)情況下，需要一些外圍設(shè)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(jié)構(gòu)和快門時(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(shù)字媒體處理器之間經(jīng)常存在接口問題。
除非特別注意，否則您可能會(huì)發(fā)現(xiàn)自己的設(shè)備因其輸入／輸出（I／O）接口格式不匹配而無法相互通信。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(cuò)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(shè)計(jì)人員必須確保圖像傳感器支持的I／O接口與數(shù)字媒體處理器的I／O兼容。
當(dāng)兩個(gè)設(shè)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(xiàn)類似的問題。幸運(yùn)的是，電壓轉(zhuǎn)換器可以通過范圍介于0．6至5．5V的雙向電壓轉(zhuǎn)換輕松解決這種不匹配問題，盡管它們?yōu)楫a(chǎn)品的BOM增加了很小的成本，但電壓轉(zhuǎn)換設(shè)備通過為設(shè)計(jì)人員提供范圍更廣的傳感器來補(bǔ)償這一投入，過去傳感器和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(xiàn)代視頻門鈴所需的全雙工通信增加了其他復(fù)雜性，要求設(shè)計(jì)必須處理因用戶將揚(yáng)聲器／麥克風(fēng)增益調(diào)節(jié)得過高而導(dǎo)致的不穩(wěn)定反饋。例如，接收音頻的人需要在揚(yáng)聲器上獲得相對較大的增益才能充分辨別遠(yuǎn)端正在說什么，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(dǎo)致不良回聲（圖2）。過去，半雙工通信通過顯著降低揚(yáng)聲器接收信號時(shí)麥克風(fēng)的增益來減輕這種回聲。
圖2雙向音頻通信在回響的語音和回聲方面要認(rèn)真考慮
主動(dòng)調(diào)整麥克風(fēng)和揚(yáng)聲器增益的系統(tǒng)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題。不幸的是，這在具有不可預(yù)測的環(huán)境噪聲源（例如經(jīng)過的公共汽車或其他交通）的環(huán)境中效果不佳。有幾種可以解決此問題的數(shù)字信號處理（DSP）技術(shù)，包括回聲消除（AEC）和自適應(yīng)頻譜降噪（ASNR）。AEC創(chuàng)建了自適應(yīng)濾波器，可通過最初識(shí)別傳輸?shù)男盘柌⒃谀硞€(gè)時(shí)間窗口內(nèi)重新出現(xiàn)該信號時(shí)將其消除來有效消除回聲。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音信號。諸如此類的音頻算法通過保持麥克風(fēng)和揚(yáng)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音切換，從而提供了卓越的音頻體驗(yàn)。
最大限度地利用揚(yáng)聲器
盡管復(fù)雜的DSP算法有助于實(shí)現(xiàn)全雙工音頻通信，但它們通常無法最大程度地發(fā)揮系統(tǒng)音頻揚(yáng)聲器的全部功能。由于揚(yáng)聲器音圈中的過多熱量和超出其偏移極限會(huì)導(dǎo)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(yuǎn)低于揚(yáng)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(jiān)控?fù)P聲器的溫度和偏移，該反饋可實(shí)現(xiàn)更精細(xì)的聲壓級和更高的音頻清晰度。
語音命令和語音識(shí)別
未來的視頻門鈴可能會(huì)基于語音激活和語音識(shí)別技術(shù)實(shí)現(xiàn)免提控制。這些語音用戶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(fù)雜性。盡管與接收麥克風(fēng)的距離相對較大，但這些門鈴很可能會(huì)使用波束成形算法將所需的音頻信號與背景噪聲分開。已經(jīng)有可用的麥克風(fēng)板實(shí)現(xiàn)了波束形成算法，該算法可以放大來自揚(yáng)聲器方向的語音信號，以便從嘈雜的環(huán)境中獲得清晰的語音和音頻。
在真正實(shí)用的視頻門鈴產(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(shè)計(jì)策略，以使產(chǎn)品更簡單，低功耗，小尺寸。
功耗預(yù)算挑戰(zhàn)
實(shí)用的視頻門鈴可以通過以下方式之一供電：使用可充電電池，允許其從房屋現(xiàn)有的低壓門鈴布線中獲取電能，或?yàn)槠渑鋫湟蕴W(wǎng)供電（PoE）接口。這些電源選項(xiàng)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，而門鈴線則具有維護(hù)成本低的優(yōu)勢。
節(jié)能是電池供電的視頻門鈴的主要關(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(shè)計(jì)，例如德州儀器（TI）CC3120／CC3220，可通過較少的片外事務(wù)（片上RAM和／或閃存）實(shí)現(xiàn)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(tǒng)總功耗。此外，專為電池供電而設(shè)計(jì)的MCU具有多種電源模式，包括關(guān)機(jī)，休眠，睡眠，待機(jī)和活動(dòng)模式，精心的開發(fā)人員可以使用它們進(jìn)一步降低能耗。
設(shè)計(jì)用于使用家庭現(xiàn)有門鈴電源的任何產(chǎn)品的主要考慮因素是，交流電源中沒有針對這些產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)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(shè)計(jì)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(xì)注意一些參數(shù)，例如輸出電壓精度，電壓紋波，滿負(fù)載下的系統(tǒng)效率和散熱。對于特別敏感的組件，例如經(jīng)常在視頻門鈴中使用的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(xiàn)最佳性能，視頻門鈴需要一個(gè)電源，該電源可以接受各種低電壓轉(zhuǎn)換器，并為其各個(gè)子系統(tǒng)（傳感器，I／O，音頻，內(nèi)存，UI等）產(chǎn)生干凈，穩(wěn)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(zhuǎn)換器，最好是采用在重負(fù)載下提供高效率的同步降壓轉(zhuǎn)換器。在這種需要寬電壓范圍或大量分立電源的設(shè)計(jì)中，可以使用單個(gè)降壓穩(wěn)壓器為多個(gè)線性穩(wěn)壓器供電。
圖三：可視門鈴電源架構(gòu)示意圖
對于電池供電的應(yīng)用，滿負(fù)荷和輕負(fù)荷下的系統(tǒng)效率都是必需的，對于在密閉包裝，通風(fēng)很少或沒有通風(fēng)的情況下運(yùn)行的產(chǎn)品，也是如此。對于視頻門鈴，必須仔細(xì)實(shí)現(xiàn)諸如用戶界面，無線通信監(jiān)視和運(yùn)動(dòng)檢測之類的功能，以最大程度地提高電源效率。必須同樣注
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