有用的物聯網（IoT）程式被應用於幾乎所有行業的縱向分支中，並有效擴展了舊有系統的實用性。例如，出於安全目的，住宅、商業和工業設施正在使用可視門鈴。這些服務已經存在數十年，但通常僅限於可通過閉路電視網路提供昂貴的雙向音訊和單向視頻功能的高端設備。但是，現在物聯網技術無需大規模的同軸電纜或乙太網基礎結構即可實現此級別的安全性。本文將仔細研究與可視門鈴相關的一些視頻、音訊和電源設計難題，以及解決這些難題所需的技術進步。
無縫用戶體驗
傳統的可視門鈴系統涉及使用按鈴、麥克風和攝像機。這些系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。啟用支援IoT的可視門鈴的目的類似，但實現方式卻大相徑庭。運動感測器可檢測到門口訪客，並通過雲將視頻流傳輸到智慧手機應用。與訪客的通信通過應用程式中運行的雙向IP音訊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系統集成在一起。此安全系統可遠端啟用/禁用無鑰匙鎖，觸發警報或根據特定輸入提供自動回饋。
可視門鈴的早期發行版本本經常受到視頻和音訊問題的困擾，例如錯誤響鈴和不清楚的音訊，但是諸如雲備份、運動檢測、視頻流和雙向通信等關鍵功能需要流暢的性能才能運作。這些要求，加上先前的硬連線功率限制，給現代可視門鈴子系統帶來了一系列自身的硬體挑戰。
錯誤動作事件
可視門鈴中常用的熱電（又稱無源紅外，PIR）運動感測器容易出錯，例如對白天行駛的車輛產生的眩光、暖流、蟲子、動物以及其他各種基於熱量的活動做出錯誤反應，並在此過程中在用戶手機上觸發惱人的錯誤警報音和通知。由於用戶最終將完全忽略警報，甚至使門鈴離線，這極大降低了可視門鈴的安全性。此外，PIR感測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感測器來創建更大的運動檢測區域（圖1）。由於雙感測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感測器與其他光感測器和溫度/濕度感測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，同時還消耗了最少的功率，從而延長了電池壽命。
圖1冗餘的PIR感測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和某些固件來實現基於演算法的運動檢測，以提高精度。有多種方法可實現基於視覺運動的檢測，但是最常見的方法之一是將當前幀與參考圖像進行比較，並逐圖元跟蹤差異。這種類型的影像處理必須足夠智慧，以將經過的車輛和風吹動樹木的運動作為背景的一部分來處理，以避免產生誤報，而這種功能需要相當大的處理能力。
這些過濾任務中的一些任務可卸載到基於雲的演算法上，這些演算法可針對使用者特性進行圖像資料微調。但這需要相對較大的基礎架構來提供支援和良好的Wi-Fi連接，並且仍然導致高功耗。因此，大家不會選擇電池供電的智慧門鈴，至少目前是這樣。雖然依靠外部電源減少了門鈴的位置選擇，但用戶也因此無需充電或更換電池。
圖像感測器和處理器連接問題
可視門鈴中的影像處理需要圖像感測器、數位媒體處理器，並且在大多數情況下，需要一些週邊器件。選擇圖像感測器時，需要考慮一些因素，其中最重要的是解析度、畫面播放速率、圖元大小、圖元結構和快門時間。除單獨元件的諸多考慮因素之外，圖像感測器和數位媒體處理器之間也經常存在連接問題。
可視門鈴中的影像處理需要圖像感測器、數位媒體處理器，並且在大多數情況下，需要一些週邊器件。選擇圖像感測器時，需要考慮一些因素，其中最重要的是解析度、畫面播放速率、圖元大小、圖元結構和快門時間。除單獨元件的諸多考慮因素之外，圖像感測器和數位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）介面格式不匹配而無法相互通信。由於I/O介面（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感測器支援的I/O介面與數位媒體處理器的I/O相容。
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。儘管它們為產品的BOM增加了少量成本，但它給設計人員提供了更廣泛的圖像感測器和MCU的選擇，而不是只使用相同電壓的感測器和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，要求設計必須處理因使用者將揚聲器/麥克風增益調節得過高而導致的不穩定回饋。例如，接收音訊的人員需在揚聲器上獲得相對較大增益才能充分辨別遠端通話，但是麥克風近距離很容易檢測到聲音並經常將其放大回去，從而導致討厭的回聲（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。
現代可視門鈴所需的全雙工、免提通信增加了其他複雜性，要求設計必須處理因使用者將揚聲器/麥克風增益調節得過高而導致的不穩定回饋。例如，接收音訊的人員需在揚聲器上獲得相對較大增益才能充分辨別遠端通話，但是麥克風近距離很容易檢測到聲音並經常將其放大回去，從而導致討厭的回聲（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 雙向音訊通信在混響語音和回聲方面有很多需要認真考慮的因素
主動調整麥克風和揚聲器增益的系統可能會在環境雜訊水準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音源（如經過的公共汽車或其他交通）的環境中效果不佳。有幾種的數位信號處理（DSP）技術，包括回聲消除（AEC）和自我調整頻譜降噪（ASNR），可以解決這一問題。AEC創建了自我調整濾波器，可通過最初識別傳輸的信號並在某個時間視窗內重新出現該信號時將其消除，從而有效消除回聲。ASNR利用頻域從音訊信號中去除環境雜訊和不需要的雜訊分量，從而去除背景雜訊和寬頻雜訊。AGC旨在改善免提通信的低聲壓級語音信號。諸如此類的音訊演算法保持了麥克風和揚聲器的增益而不會產生不必要的回饋和回聲，且無需訴諸語音切換，從而提供出色的音訊體驗。
最大限度利用揚聲器
儘管複雜的DSP演算法有助於實現全雙工音訊通信，但它們通常無法最大程度地發揮系統音訊揚聲器的全部功能。由於揚聲器音圈中的過多熱量和超出其偏移限值會導致快速損壞和音錐，因此音訊工程師通常會對放大聲壓級施加硬性限制，使其遠低於揚聲器的實際功能。與放大器配合使用的軟體演算法可以即時監控揚聲器的溫度和偏移。該回饋可實現更精細的聲壓級和更高的音訊清晰度。
儘管複雜的DSP演算法有助於實現全雙工音訊通信，但它們通常無法最大程度地發揮系統音訊揚聲器的全部功能。由於揚聲器音圈中的過多熱量和超出其偏移限值會導致快速損壞和音錐，因此音訊工程師通常會對放大聲壓級施加硬性限制，使其遠低於揚聲器的實際功能。與放大器配合使用的軟體演算法可以即時監控揚聲器的溫度和偏移。該回饋可實現更精細的聲壓級和更高的音訊清晰度。
語音命令和語音辨識
未來的可視門鈴可能會基於語音啟動和語音辨識技術實現免提控制。這些語音使用者介面從一系列麥克風和DSP演算法接收命令時，再次增加了另一層複雜性。儘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演算法將所需的音訊信號與背景雜訊分開。已有可用的麥克風板可用于實現波束形成演算法，該演算法可從揚聲器方向放大語音信號，以從嘈雜環境中獲得清晰的語音和音訊。
未來的可視門鈴可能會基於語音啟動和語音辨識技術實現免提控制。這些語音使用者介面從一系列麥克風和DSP演算法接收命令時，再次增加了另一層複雜性。儘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演算法將所需的音訊信號與背景雜訊分開。已有可用的麥克風板可用于實現波束形成演算法，該演算法可從揚聲器方向放大語音信號，以從嘈雜環境中獲得清晰的語音和音訊。
在真正實用的可視門鈴產品中，重要的是這些高級功能無需額外的電源，且可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。
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佈線中獲取電能，或為其配備乙太網供電（PoE）介面。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。
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佈線中獲取電能，或為其配備乙太網供電（PoE）介面。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
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電源類型 |
優點 |
注意事項 |
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可充電電池 |
靈活的門鈴佈置，易於安裝 |
依靠無線（OTA）連接 |
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連接到先前的門鈴接線 |
無需更換電池 |
依靠OTA連接，可能需要升級變壓器 |
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通過PoE連接 |
硬線連接，PoE |
必須在外殼的牆壁上打一個孔，然後將乙太網通過家庭路由到外部 |
節能是電池供電的可視門鈴的主要關注點。許多上述演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/或快閃記憶體）實現更高級別的並行處理（喚醒/睡眠觸發器、網路連接），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、滿負載下的系統效率和散熱。對於特別敏感的元件尤其如此，例如經常在可視門鈴中使用的互補金屬氧化物半導體（CMOS）圖像感測器。這些元件對噪音源特別敏感，例如電源波動、電磁干擾和溫度變化。
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，並為其各個子系統（感測器、I/O、音訊、記憶體、UI等）產生乾淨、穩壓良好的直流電，也可以放入產品緊湊型外殼中。如圖3所示，這通常涉及多個降壓轉換器，最好是採用可在重負載下提供高效率的同步架構的轉換器。在這種需要寬電壓範圍或大量分立電源的設計中，可使用單個降壓穩壓器為多個線性穩壓器供電（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，滿載和輕載下的系統效率都是必需的；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，必須仔細實現諸如使用者介面、無線通訊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。低靜態電流可極大延長電池的使用壽命，因為可視門鈴大部分時間都處於睡眠/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制（有時甚至是功率限制）的幾種IoT產品之一，且必須在處理器愈加複雜的高功耗演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，當前技術進步使得克服這些挑戰成為可能。隨著人工智慧以語音、聲音和面部識別的形式成為住宅安全系統的必備功能，這些挑戰自然將變得越來越複雜。
Srinivasan Iyer是德州儀器（TI）樓宇自動化集團的系統工程師，專注於視頻監控、HVAC、電梯和自動扶梯的發展趨勢。
