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啟用新一代可視門(mén)鈴

本文作者：Srinivasan Iyer 點(diǎn)擊： 2019-06-14 13:02

前言：

借助最新的音頻/視頻處理器和無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，門(mén)鈴正從擁有百年歷史的電子音樂(lè)門(mén)鈴轉(zhuǎn)變?yōu)橥耆珜?shí)現(xiàn)云連接的一線(xiàn)安全系統(tǒng)。

這些變化給系統(tǒng)集成商和嵌入式設(shè)計(jì)人員帶來(lái)了挑戰(zhàn)，即如何將運(yùn)動(dòng)警報(bào)、視頻分析、雙向音頻通信、降噪和云連接等功耗密集型處理功能整合到一個(gè)緊湊（有時(shí)是電池供電）、可靠且易于使用的封裝中。家庭自動(dòng)化和家庭安防技術(shù)已從小眾奢侈品轉(zhuǎn)變?yōu)榇蠖鄶?shù)家庭用得起的一套可行解決方案。同時(shí)，用于工業(yè)自動(dòng)化、辦公室安防和安防系統(tǒng)的成像系統(tǒng)也歷經(jīng)發(fā)展，如今包括更先進(jìn)和聯(lián)網(wǎng)的監(jiān)控功能。

最近進(jìn)入這一市場(chǎng)并受益于云連接安防攝像頭成就的，便是可視門(mén)鈴。隨著越來(lái)越多房主和租客打算掌握自己的個(gè)人安全，或者希望監(jiān)控前門(mén)不斷增多的包裹派送，可視門(mén)鈴已然起步并穩(wěn)健發(fā)展，功能日益豐富。這一趨勢(shì)符合工業(yè)部門(mén)對(duì)于低成本和更復(fù)雜的視頻/音頻安防與監(jiān)控系統(tǒng)的需求。

如今的可視門(mén)鈴功能包括采用機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)的高級(jí)視頻處理能力、云連接和無(wú)線(xiàn)通信、以太網(wǎng)供電 (PoE)、電池備用電源、高級(jí)音頻通信和增強(qiáng)型環(huán)境感應(yīng)以及運(yùn)動(dòng)檢測(cè)。將所有這些功能集成到一個(gè)只有幾英寸寬的防風(fēng)雨電子封裝中給設(shè)計(jì)工程師們帶來(lái)了挑戰(zhàn)，他們不僅要整合這些功能，還要為下一代留出升級(jí)性能和附加功能的空間。

可視門(mén)鈴的技術(shù)發(fā)展
帶有集中視頻和音頻功能的門(mén)鈴和入口安防系統(tǒng)已經(jīng)存在了幾十年。這些產(chǎn)品通常用于大型公寓樓、辦公室和高端住宅，并依賴(lài)于閉路電視和人眼觀察。然而，隨著視頻/音頻門(mén)鈴進(jìn)入消費(fèi)市場(chǎng)，簡(jiǎn)單的鈴聲、單向視頻和雙向音頻已經(jīng)不能滿(mǎn)足精通互聯(lián)網(wǎng)的家庭自動(dòng)化愛(ài)好者的需求。

工業(yè)設(shè)施還需要更安全有效的方法來(lái)監(jiān)控和識(shí)別潛在的威脅或安全漏洞。這一要求推動(dòng)了可視門(mén)鈴中加入視頻處理功能，使門(mén)鈴能夠識(shí)別人類(lèi)、生成分區(qū)警報(bào)并根據(jù)視覺(jué)證據(jù)生成自動(dòng)響應(yīng)。

多個(gè)可視門(mén)鈴還可用作全天候安防攝像頭，或提供類(lèi)似的捕捉、存儲(chǔ)和分析功能。

非常簡(jiǎn)單的視頻處理技術(shù)可以檢測(cè)非靜態(tài)物體，但更復(fù)雜和有用的視頻處理則需要先進(jìn)的機(jī)器學(xué)習(xí)算法。這些人工智能系統(tǒng)通常基于各種測(cè)試案例進(jìn)行訓(xùn)練，但有些訓(xùn)練需要持續(xù)使用來(lái)自云連接攝像頭的信息。因此，通常需要使用微控制器 (MCU) 或更高級(jí)的微處理器 (MPU) 來(lái)實(shí)現(xiàn)邊緣處理并確定與云端之間通信的信息。

云連接
設(shè)計(jì)支持云功能的可視門(mén)鈴有兩個(gè)充分的理由：外形小巧，因此限制了處理能力和存儲(chǔ)空間；社區(qū)防衛(wèi)組織的成功受益于聯(lián)網(wǎng)的門(mén)鈴應(yīng)用。消費(fèi)者已經(jīng)喜歡上了隨時(shí)隨地觀察門(mén)鈴視頻并根據(jù)視頻畫(huà)面進(jìn)行實(shí)時(shí)響應(yīng)的功能。

對(duì)于個(gè)人/社區(qū)安全（或只是確認(rèn)收到包裹）而言，支持云連接可以實(shí)現(xiàn)豐富的用戶(hù)功能，而制造商可以提供無(wú)線(xiàn)更新并獲取有價(jià)值的使用統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和信息。但是，添加云連接需要互聯(lián)網(wǎng)接入技術(shù)（硬線(xiàn)以太網(wǎng)或Wi-Fi®）。由于大多數(shù)連接門(mén)鈴的房屋只有某種類(lèi)型的交流電源而沒(méi)有以太網(wǎng)或其他通信線(xiàn)路，因此支持Wi-Fi 的可視門(mén)鈴越來(lái)越普遍。

無(wú)線(xiàn)通信
對(duì)于簡(jiǎn)單的音頻應(yīng)用，常見(jiàn)的無(wú)線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)（如Bluetooth® 和 Zigbee）具有支持純音頻門(mén)鈴的必要帶寬范圍。但是，若要進(jìn)行視頻數(shù)據(jù)傳輸，Wi-Fi 則是最方便且最常用的無(wú)線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)。如果新住宅的開(kāi)發(fā)商注重家庭自動(dòng)化技術(shù)，這種房屋可能配備以太網(wǎng)連接：在前門(mén)布設(shè)硬線(xiàn)始終是一種選擇。考慮到大量房屋和公寓都是租用的，租戶(hù)更有可能選擇支持 Wi-Fi 的門(mén)鈴進(jìn)行非破壞性安裝。然而，Wi-Fi 門(mén)鈴還需要一個(gè)Wi-Fi 路由器系統(tǒng)，確保在安裝可視門(mén)鈴的每扇門(mén)上都能接收到可靠信號(hào)。

以太網(wǎng)供電
對(duì)于較新的房屋和愿意進(jìn)行一些小型翻新以便支持最新智能家居技術(shù)的用戶(hù)來(lái)說(shuō)，以太網(wǎng)供電 (PoE) 可確保單線(xiàn)安裝，從而實(shí)現(xiàn)相對(duì)高性能的可視門(mén)鈴。許多最新的可視門(mén)鈴超出了典型（或磨損）門(mén)鈴變壓器的功率輸出能力，可能需要升級(jí)，包括布設(shè)新的交流接線(xiàn)。使用 PoE，可視門(mén)鈴可受益于穩(wěn)固可靠的硬線(xiàn)通信以及高達(dá) 100W 的功率（根據(jù) 2018 年 9 月定義的電氣和電子工程師協(xié)會(huì) (IEEE) 802.3bt 標(biāo)準(zhǔn)）。利用 PoE 可以提供動(dòng)態(tài)功率，而無(wú)需擔(dān)心交流/直流電源解決方案的電流限制問(wèn)題。

電池電源和備用電池
由于許多家庭和公寓根本沒(méi)有門(mén)鈴接線(xiàn)，因此許多潛在的可視門(mén)鈴客戶(hù)可能無(wú)法為電源和互聯(lián)網(wǎng)連接添加外部接線(xiàn)。此外，大多數(shù)可視門(mén)鈴所有者希望停電、電壓不足或故意破壞等問(wèn)題不會(huì)導(dǎo)致其家庭安防系統(tǒng)的最新擴(kuò)展方案無(wú)法使用。因此，依靠電池供電的可視門(mén)鈴（或者至少包含大容量備用電池的門(mén)鈴）也在市場(chǎng)上占有一席之地。電池用于主動(dòng)電源系統(tǒng)和完整 Wi-Fi 系統(tǒng)，在這些情況下，智能充電和無(wú)縫電源轉(zhuǎn)換/補(bǔ)充電源是提供備用電源并滿(mǎn)足電池壽命期望的重要要求。

先進(jìn)音頻技術(shù)
除了視頻功能，音頻功能是可視門(mén)鈴的另一項(xiàng)主要技術(shù)。甚至還有競(jìng)爭(zhēng)性的門(mén)鈴技術(shù)提供沒(méi)有視頻的音頻功能。雙向音頻、音頻觸發(fā)事件和音頻方向感應(yīng)在大多數(shù)可視門(mén)鈴中十分常見(jiàn)。雖然雙向音頻最低限度只需要揚(yáng)聲器和麥克風(fēng)，但音頻觸發(fā)事件和音頻方向感應(yīng)還需要額外的音頻處理技術(shù)，而且通常需要額外的麥克風(fēng)。音頻事件觸發(fā)器和雙向音頻通常使用數(shù)字信號(hào)處理器或編解碼器內(nèi)的算法來(lái)實(shí)現(xiàn)。編碼的音頻數(shù)據(jù)通常會(huì)傳送到應(yīng)用程序或云存儲(chǔ)。

運(yùn)動(dòng)檢測(cè)和環(huán)境監(jiān)測(cè)
可視門(mén)鈴的主要功能之一是能夠檢測(cè)運(yùn)動(dòng)。雖然許多可視門(mén)鈴?fù)耆蕾?lài)基于圖像處理的運(yùn)動(dòng)跟蹤，但是各種其他方法也有助于進(jìn)行運(yùn)動(dòng)檢測(cè)并幫助消除誤報(bào)。這些技術(shù)包括一種相對(duì)低成本且簡(jiǎn)單的方法，稱(chēng)為被動(dòng)紅外 (PIR) 探測(cè)器。PIR 探測(cè)器在用于安防照明的運(yùn)動(dòng)檢測(cè)燈中很常見(jiàn)；然而，這種方法僅限于有溫度的對(duì)象，如人類(lèi)和大型動(dòng)物。為了避免誤報(bào)，PIR 傳感器通常與其他傳感器配對(duì)使用。

除了視覺(jué)和聽(tīng)覺(jué)傳感器，各種其他環(huán)境傳感器和功能也有助于根據(jù)外部條件改善可視門(mén)鈴性能。例如，環(huán)境光傳感器有助于圖像處理算法根據(jù)外部光線(xiàn)正確調(diào)整視頻曝光。其他常見(jiàn)傳感器包括外部和內(nèi)部溫度傳感器、用于監(jiān)測(cè)充電和放電熱變換的電池溫度傳感器以及用于提示篡改或盜竊的其他傳感器。防盜或防篡改傳感器包括振動(dòng)、沖擊和接近傳感器，或連接到外殼關(guān)鍵部件的簡(jiǎn)單開(kāi)關(guān)。電源管理電路還可具有電流和電壓監(jiān)測(cè)功能，從而確定電源質(zhì)量以及是否要啟用備用電池。此外，各種內(nèi)部故障傳感器可監(jiān)控關(guān)鍵電路組件是否正常運(yùn)行，從而進(jìn)行故障排除和維修。

可視門(mén)鈴技術(shù)的主要挑戰(zhàn)
與電子設(shè)計(jì)一樣，每個(gè)附加的功能通常會(huì)加劇其設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)以及增加額外電路。可視門(mén)鈴肯定也屬于這種情況，可視門(mén)鈴?fù)ǔＲ彩艿诫娫础⒖臻g、處理能力和成本的約束，為設(shè)計(jì)工程師通過(guò)硬件、軟件和云資源的適當(dāng)組合進(jìn)行創(chuàng)新提出了進(jìn)一步的挑戰(zhàn)。

門(mén)鈴主要由 8V-24V 變壓器（額定功率為 5VA-30VA）供電。隨著 PoE 技術(shù)的推出，最新的 IEEE 標(biāo)準(zhǔn)支持高達(dá) 71W 的功率輸出，因此可以滿(mǎn)足更高的可視門(mén)鈴功率需求。為了讓前端功率級(jí)能夠應(yīng)對(duì)傳統(tǒng)變壓器電源方案以及 PoE 方案，需要使用創(chuàng)新的電源架構(gòu)，確保能夠在寬輸入電壓范圍內(nèi)工作，并在輕負(fù)載條件下維持 PSE 控制器鏈路。

可視門(mén)鈴的尺寸、功率預(yù)算和熱管理功能在很大程度上限制了可實(shí)現(xiàn)的處理能力。鑒于功能的復(fù)雜性（包括音頻和視頻處理），MCU 或 MPU 必須在需要時(shí)具有足夠強(qiáng)大的處理能力，而且在關(guān)閉狀態(tài)下具有最小功耗。最高的處理負(fù)載可能會(huì)導(dǎo)致 MCU 產(chǎn)生大量熱量，但設(shè)備仍需要在極端溫度條件下正常工作。因此，設(shè)計(jì)人員還必須考慮處理能力、熱負(fù)荷、環(huán)境溫度和熱管理的平衡問(wèn)題。

在不增加處理能力的情況下增強(qiáng)可視門(mén)鈴功能的另一種方法是，將處理能力轉(zhuǎn)移到云服務(wù)并流式傳輸音頻和視頻數(shù)據(jù)。但是，這種方法需要能夠進(jìn)行單向連續(xù)傳輸且高度可靠的通信基礎(chǔ)設(shè)施。

可視門(mén)鈴支持以太網(wǎng)連接的情況仍然相對(duì)罕見(jiàn)；因此，Wi-Fi 可作為備用的連接解決方案。然而，要實(shí)現(xiàn)可靠的無(wú)線(xiàn)連接來(lái)支持高質(zhì)量視頻和音頻流所需的帶寬，并不容易，尤其是在考慮到功率限制和門(mén)鈴位置的情況下。室外安裝會(huì)將門(mén)鈴暴露在惡劣環(huán)境中，并為高速流式傳輸帶來(lái)實(shí)際問(wèn)題。

無(wú)線(xiàn)門(mén)鈴的緊湊外形也限制了天線(xiàn)設(shè)計(jì)的空間和增益。由于消費(fèi)者幾乎無(wú)法選擇門(mén)鈴的安裝位置，而且大多數(shù) Wi-Fi 路由器安裝人員可能不會(huì)將門(mén)口視為Wi-Fi 的主要位置，因此可視門(mén)鈴設(shè)計(jì)人員必須仔細(xì)選擇具有良好接收靈敏度和低相位噪聲的 Wi-Fi 功能微控制器，以便在信號(hào)接收不良的區(qū)域中正常工作。雖然典型的可視門(mén)鈴應(yīng)該具有至少 1Mbps 的帶寬，但是高端可視門(mén)鈴或連接不良的視頻門(mén)鈴可能需要高達(dá) 3Mbps 的帶寬。

精密的印刷電路板天線(xiàn)設(shè)計(jì)或封裝內(nèi)天線(xiàn)可以降低建筑材料和非理想布局導(dǎo)致的帶寬性能下降問(wèn)題。此外，帶有嵌入式 Wi-Fi 前端的高效 Wi-Fi 芯片或 MCU可進(jìn)一步增強(qiáng)接收能力和傳輸性能，從而滿(mǎn)足功率預(yù)算限制。

較之簡(jiǎn)單地為電池系統(tǒng)增加低壓檢測(cè)切換功能，在產(chǎn)品中增加備用電池更為復(fù)雜。此外還需要考慮電池充電、放電和保養(yǎng)問(wèn)題。考慮到外形因素的限制，許多可視門(mén)鈴制造商可能會(huì)選擇鋰離子或鎳氫電池技術(shù)。鋰離子電池是現(xiàn)有電池技術(shù)中能量密度最高的電池類(lèi)型之一。

這種類(lèi)型的電池也非常容易在高溫和低溫工作條件下出現(xiàn)性能下降，而鎳氫電池則存在過(guò)度自放電問(wèn)題。如果沒(méi)有額外的充電/放電控制器進(jìn)行溫度檢測(cè)，鋰離子電池化合物在充電和放電期間還可能過(guò)熱。由于電池?zé)峁芾砣Q于外部環(huán)境條件（主要是溫度和濕度），因此建議使用電量監(jiān)測(cè)功能，此類(lèi)功能使用復(fù)雜算法甚至機(jī)器學(xué)習(xí)來(lái)確定特定電池配置的最佳充電/放電條件。

盡管圖像處理算法可以有效跟蹤甚至識(shí)別靜止和移動(dòng)物體，但是能夠?qū)崟r(shí)執(zhí)行此類(lèi)操作的電路和算法通常需要高性能處理技術(shù)。由于并不能始終滿(mǎn)足這種理想條件，許多可視門(mén)鈴制造商選擇使用多種運(yùn)動(dòng)檢測(cè)技術(shù)與圖像處理系統(tǒng)協(xié)同工作。PIR 探測(cè)以及最近的毫米波運(yùn)動(dòng)檢測(cè)是可行的技術(shù)，能夠與視頻處理運(yùn)動(dòng)檢測(cè)器配合使用，甚至可以在被動(dòng)模式下運(yùn)行時(shí)節(jié)省大量功率。用于運(yùn)動(dòng)檢測(cè)的圖像處理方法在長(zhǎng)距離的情況下也經(jīng)常失敗，這種情況下的分辨率不足以產(chǎn)生高水平的置信度。毫米波和 PIR 運(yùn)動(dòng)檢測(cè)器在被動(dòng)模式下都有幾米的檢測(cè)范圍。此外，毫米波傳感器（例如用于汽車(chē)的單芯片雷達(dá)系統(tǒng)中的毫米波傳感器）可以提供準(zhǔn)確和高速的運(yùn)動(dòng)和物體檢測(cè)。

通常需要評(píng)估可視門(mén)鈴是否能夠從各目標(biāo)方獲取清晰的音頻。因此，可視門(mén)鈴必須能夠確定講話(huà)人或事件相對(duì)于門(mén)的方向。這一功能非常重要，原因之一是大多數(shù)大城市（甚至農(nóng)村）的家門(mén)口會(huì)有背景噪音和外部干擾。即使在理想條件下，可視門(mén)鈴也無(wú)法應(yīng)對(duì)所有可能的情況。因此，使用到達(dá)方向音頻處理功能可以減少背景噪音并將注意力集中在預(yù)期目標(biāo)上。

有多種方法可以實(shí)現(xiàn)此類(lèi)功能，包括定向麥克風(fēng)系統(tǒng)、帶有天線(xiàn)陣列的波束成形以及配置為遠(yuǎn)場(chǎng)接收而不是近場(chǎng)接收的麥克風(fēng)陣列。每種方法都有其自身的挑戰(zhàn)，通常需要額外的麥克風(fēng)和額外的電路來(lái)處理實(shí)時(shí)音頻。要使用確切電路將各種麥克風(fēng)發(fā)出的多個(gè)信號(hào)組合在一起并確定正確處理動(dòng)態(tài)，并非易事。尤其在嘈雜和多樣化的大都市環(huán)境中，大量的背景噪音通過(guò)空氣直接傳導(dǎo)至麥克風(fēng)和門(mén)鈴的外殼，情況更是如此。

最后，鈴聲誤報(bào)和安全漏洞的問(wèn)題對(duì)于每個(gè)可視門(mén)鈴制造商來(lái)說(shuō)都是一大挑戰(zhàn)。許多可視門(mén)鈴的評(píng)論者抱怨說(shuō)，大型卡車(chē)、高眩光的物體甚至車(chē)輛或當(dāng)?shù)貜V告（通常是那些有人臉的廣告）都可能觸發(fā)誤報(bào)。這些誤報(bào)通常讓人厭煩。

減少鈴聲誤報(bào)數(shù)量需要更復(fù)雜的圖像處理人工智能/機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)、高效和動(dòng)態(tài)的電源方案以及考慮了可視門(mén)鈴安裝環(huán)境的可行工作模式。此外，采用各種運(yùn)動(dòng)檢測(cè)算法的傳感器融合技術(shù)以及音頻處理系統(tǒng)可作為調(diào)查、識(shí)別和消除潛在鈴聲誤報(bào)的后援支持。通過(guò)智能應(yīng)用程序，用戶(hù)甚至可以通過(guò)確認(rèn)是否是誤報(bào)來(lái)參與優(yōu)化檢測(cè)算法，從而使可視門(mén)鈴能夠更準(zhǔn)確適應(yīng)環(huán)境條件。

結(jié)論
隨著競(jìng)爭(zhēng)加劇以及消費(fèi)者越來(lái)越熟悉可視門(mén)鈴，可視門(mén)鈴制造商需要通過(guò)增強(qiáng)的功能組合以及創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品多樣化。主要的挑戰(zhàn)在于解決老問(wèn)題：為了方便使用并與智能家居配置實(shí)現(xiàn)無(wú)縫集成，能夠在較小和較低成本的封裝中實(shí)現(xiàn)更高性能。許多可視門(mén)鈴制造商越來(lái)越青睞搭載 Wi-Fi 功能和先進(jìn)傳感器技術(shù)的高集成度 MCU 芯片，由此提高視頻和音頻處理人工智能/機(jī)器學(xué)習(xí)算法的性能。

其他資源
• 了解有關(guān) TI 可視門(mén)鈴支持的更多信息
• 閱讀《語(yǔ)音處理新時(shí)代》
• 了解設(shè)計(jì)可視門(mén)鈴時(shí)需要考慮的三大品質(zhì)

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