出于安全目的,住宅,商業和工業設施正在廣泛使用視頻門鈴技術,以取代傳統的高價的閉路電視網絡,無需通過同軸電纜或者以太網等傳輸媒介,本文研究了與視頻門鈴相關的一些設計難題,并圍繞著視頻、音頻及電源技術,給相關嵌入式開發者一點參考。

無縫的用戶體驗

傳統的視頻門鈴系統涉及按鍵,麥克風和攝像機。這些系統通常被硬連接到電源上,視頻被路由到特定的監視器。IoT的視頻門鈴架構類似,但實現方式卻大不相同。運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到智能手機或云端存儲。與訪問者的通信通過應用程序中運行的雙向IP音頻流和雙向視頻流進行。這些門鈴的基本功能可以與完整的安全系統集成在一起,該系統可以遠程啟用/禁用無鑰匙鎖,觸發警報或根據特定輸入提供自動反饋。

視頻門鈴的早期版本經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,運動檢測,視頻流和雙向通信之類的關鍵功能需要無縫連接才會有商業價值。這些要求,再加上以前的硬連線功率限制,給現代視頻門鈴子系統帶來了一系列自身的硬件挑戰。

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生的眩光做出錯誤的反應,陣陣暖風,蟲子,動物以及各種各樣的其他物體。基于熱量的活動,并在此過程中觸發用戶手機上令人討厭的錯誤警報音和通知。由于用戶最終將完全忽略警報,甚至使門鈴脫機,這極大地降低了視頻門鈴的安全性。此外,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。

一種相對簡單的解決方案是使用兩個PIR傳感器,它們的覆蓋范圍略有重疊,以創建更大的運動檢測區域(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)將不會被發現。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。這種多模式傳感方法減少了錯誤警報的可能性,同時還減少了總功耗,從而延長電池壽命。

智能門鈴設計二三事:視頻、音頻及電源技術

圖1冗余的PIR傳感器提高了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。

另外也可以使用嵌入式MCU和某些固件來實現基于算法的運動檢測,以提高準確性。有多種方法可以實現基于視覺運動的檢測,但是最常見的方法之一是將當前幀與參考圖像進行比較,并逐像素跟蹤差異。這種類型的圖像處理必須足夠智能,以將來自風車和樹木的運動作為背景的一部分來處理,以避免產生誤報,而這種能力需要相當大的處理能力。

這些過濾任務中的一些可以轉移到基于云的算法上,該算法可以微調特定客戶的圖像數據。但這需要相對較大的基礎架構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、數字多媒體處理器,并且在大多數情況下,需要一些外圍設備。選擇圖像傳感器時,需要考慮幾件事,其中最重要的是分辨率、幀速率、像素大小、像素結構和快門時間。除了各個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經常存在接口問題。

除非特別注意,否則您可能會發現自己的設備因其輸入/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生,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。

當兩個設備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,電壓轉換器可以通過范圍介于0.6至5.5 V的雙向電壓轉換輕松解決這種不匹配問題,盡管它們為產品的BOM增加了很小的成本,但電壓轉換設備通過為設計人員提供范圍更廣的傳感器來補償這一投入,過去傳感器和MCU必須要使用相同的配套電壓才可以。

容易產生噪音的環境

現代視頻門鈴所需的全雙工通信增加了其他復雜性,要求設計必須處理因用戶將揚聲器/麥克風增益調節得過高而導致的不穩定反饋。例如,接收音頻的人需要在揚聲器上獲得相對較大的增益才能充分辨別遠端正在說什么,但是麥克風的近距離很容易檢測到聲音并經常將其放大,從而導致不良回聲(圖2)。過去,半雙工通信通過顯著降低揚聲器接收信號時麥克風的增益來減輕這種回聲。

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圖2雙向音頻通信在回響的語音和回聲方面要認真考慮

主動調整麥克風和揚聲器增益的系統可能會在環境噪聲水平相對較低的環境中為全雙工通信糾正此問題。不幸的是,這在具有不可預測的環境噪聲源(例如經過的公共汽車或其他交通)的環境中效果不佳。有幾種可以解決此問題的數字信號處理(DSP)技術,包括回聲消除(AEC)和自適應頻譜降噪(ASNR)。AEC創建了自適應濾波器,可通過最初識別傳輸的信號并在某個時間窗口內重新出現該信號時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和揚聲器的增益而不會產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。

最大限度地利用揚聲器

盡管復雜的DSP算法有助于實現全雙工音頻通信,但它們通常無法最大程度地發揮系統音頻揚聲器的全部功能。由于揚聲器音圈中的過多熱量和超出其偏移極限會導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,使其遠低于揚聲器的實際功能。與放大器串聯使用的軟件算法可以實時監控揚聲器的溫度和偏移,該反饋可實現更精細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實現免提控制。這些語音用戶界面再次從一系列麥克風和DSP算法接收命令時,又增加了另一層復雜性。盡管與接收麥克風的距離相對較大,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。已經有可用的麥克風板實現了波束形成算法,該算法可以放大來自揚聲器方向的語音信號,以便從嘈雜的環境中獲得清晰的語音和音頻。

在真正實用的視頻門鈴產品中,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輸入信號起作用。我們正在尋找一種設計策略,以使產品更簡單,低功耗,小尺寸。

功耗預算挑戰

實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,而門鈴線則具有維護成本低的優勢。

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節能是電池供電的視頻門鈴的主要關注點,許多上述算法將需要更多的功耗密集型處理。高度特定的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)實現更高級別的并行處理(喚醒/睡眠觸發器,網絡連接),從而降低系統總功耗。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,精心的開發人員可以使用它們進一步降低能耗。

設計用于使用家庭現有門鈴電源的任何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,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計的。為了最大程度地降低產品的性能下降,重要的是要仔細注意一些參數,例如輸出電壓精度,電壓紋波,滿負載下的系統效率和散熱。對于特別敏感的組件,例如經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。

為了實現最佳性能,視頻門鈴需要一個電源,該電源可以接受各種低電壓轉換器,并為其各個子系統(傳感器,I/O,音頻,內存,UI等)產生干凈,穩壓良好的直流電,也必須小型化以便放入緊湊型外殼中。如圖3所示,這通常涉及多個降壓轉換器,最好是采用在重負載下提供高效率的同步降壓轉換器。在這種需要寬電壓范圍或大量分立電源的設計中,可以使用單個降壓穩壓器為多個線性穩壓器供電。

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圖三:可視門鈴電源架構示意圖

對于電池供電的應用,滿負荷和輕負荷下的系統效率都是必需的,對于在密閉包裝,通風很少或沒有通風的情況下運行的產品,也是如此。對于視頻門鈴,必須仔細實現諸如用戶界面,無線通信監視和運動檢測之類的功能,以最大程度地提高電源效率。必須同樣注意待機電流,例如電源的靜態電流和關斷電流,因為它們會嚴重影響電池壽命。低靜態電流可以大大延長電池的使用壽命,因為視頻門鈴將其大部分時間都花費在睡眠/休眠模式下。此外,同步轉換器具有從其脈寬調制模式到省電模式的無縫過渡,使其在滿負載和輕負載下均保持相對高效。

視頻門鈴是具有嚴格尺寸限制(有時甚至是功率限制)的幾種IoT產品之一,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。這些限制導致了一些獨特的設計挑戰,現在技術上的進步使得克服這些挑戰成為可能。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的必備功能,這些挑戰將繼續變得越來越復雜。

本文作者:Srinivasan Iyer,德州儀器(TI)樓宇自動化部門系統工程師,專注于視頻監控,HVAC,電梯和自動扶梯等產業。