智能門鈴設(shè)計(jì)：視頻、音頻及電源技術(shù)

出于日常生活中的安全考慮，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。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，例如錯誤的鈴聲和不連貫的音頻，但是諸如云備份，運(yùn)動檢測，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)。

錯誤動作事件

可視門鈴中常用的熱電(又稱無源紅外)傳感器容易出錯，例如對白天行駛的車輛產(chǎn)生的眩光做出錯誤的反應(yīng)，陣陣暖風(fēng)，蟲子，動物以及各種各樣的其他物體?；跓崃康幕顒?，并在此過程中觸發(fā)用戶手機(jī)上令人討厭的錯誤警報(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)動檢測事件會大大縮短電池壽命。

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5.5 V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

主動調(diào)整麥克風(fēng)和揚(yáng)聲器增益的系統(tǒng)可能會在環(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導(dǎo)致快速損壞和音錐吹響，因此音頻工程師通常會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。

語音命令和語音識別

未來的視頻門鈴可能會基于語音激活和語音識別技術(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8 V至24 V AC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，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)動檢測之類的功能，以最大程度地提高電源效率。必須同樣注意待機(jī)電流，例如電源的靜態(tài)電流和關(guān)斷電流，因?yàn)樗鼈儠?yán)重影響電池壽命。低靜態(tài)電流可以大大延長電池的使用壽命，因?yàn)橐曨l門鈴將其大部分時(shí)間都花費(fèi)在睡眠/休眠模式下。此外，同步轉(zhuǎn)換器具有從其脈寬調(diào)制模式到省電模式的無縫過渡，使其在滿負(fù)載和輕負(fù)載下均保持相對高效。

視頻門鈴是具有嚴(yán)格尺寸限制(有時(shí)甚至是功率限制)的幾種IoT產(chǎn)品之一，并且必須在處理器功耗高的算法與有限的功率資源之間取得平衡。這些限制導(dǎo)致了一些獨(dú)特的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，現(xiàn)在技術(shù)上的進(jìn)步使得克服這些挑戰(zhàn)成為可能。自然地，隨著人工智能以語音，聲音和面部識別的形式成為住宅安全系統(tǒng)的必備功能，這些挑戰(zhàn)將繼續(xù)變得越來越復(fù)雜。