霸占可视门铃中的规划妨碍

有用的物联网（IoT）程序被运用于简直一切职业的纵向分支中，并有用扩展了旧有体系的有用性。例如，出于安全意图，住所、商业和工业设备正在运用可视门铃。这些服务现已存在数十年，但一般仅限于可经过闭路电视网络供给贵重的双向音频和单向视频功用的高端设备。可是，现在物联网技能无需大规模的同轴电缆或以太网根底结构即可完成此等级的安全性。本文将细心研讨与可视门铃相关的一些视频、音频和电源规划难题，以及处理这些难题所需的技能进步。

无缝用户体会

传统的可视门铃体系触及运用按铃、麦克风和摄像机。这些体系一般被硬衔接到电源，而视频被传送到一台特定的电视机上。启用支撑IoT的可视门铃的意图相似，但完成办法却截然不同。运动传感器可检测到门口访客，并经过云将视频撒播输到智能手机运用。与访客的通讯经过运用程序中运转的双向IP音频流和单向视频流进行。这些门铃的基本功用可与完好的安全体系集成在一同。此安全体系可长途启用/禁用无钥匙锁，触发警报或依据特定输入供给自动反响。

可视门铃的前期发行版别常常遭到视频和音频问题的困扰，例如过错响铃和不清楚的音频，可是比如云备份、运动检测、视频流和双向通讯等要害功用需求流通的功用才干运作。这些要求，加上从前的硬连线功率约束，给现代可视门铃子体系带来了一系列本身的硬件应战。

图1冗余的PIR传感器可进步人体运动检测的准确性，由于有必要触发多个光束才干将其视为运动事情

过错动作事情

可视门铃中常用的热电（又称无源红外，PIR）运动传感器简略犯错，例如对白日行进的车辆发生的眩光、热流、虫子、动物以及其他各种根据热量的活动做出过错反响，并在此过程中在用户手机上触发恼人的过错警报音和告诉。由于用户最终将彻底疏忽警报，乃至使门铃脱机，这极大下降了可视门铃的安全性。此外，PIR传感器频频发生的虚伪运动检测事情会大大缩短电池寿数。

一种相对直接的处理方案是运用 两个旨在具有略微堆叠的掩盖规模的PIR传感器 来创立更大的运动检测区域（图1）。由于双传感器仅生成针对较大物体的告诉，因而较小物体（例如虫子和宠物）将不会记载。将PIR传感器与其他光传感器和温度/湿度传感器一同运用可防止因温度或光的快速改变而引起的误触发。这种多方式传感办法削减了过错警报的或许性，一起还耗费了最少的功率，然后延伸了电池寿数。

也可运用嵌入式MCU和某些固件来完成根据算法的运动检测，以进步精度。有多种办法可完成根据视觉运动的检测，可是最常见的办法之一是将当时帧与参阅图画进行比较，并逐像素盯梢差异。这种类型的图画处理有必要满足智能，以将经过的车辆和风吹动树木的运动作为布景的一部分来处理，以防止发生误报，而这种功用需求相当大的处理才干。

这些过滤使命中的一些使命可卸载到根据云的算法上，这些算法可针对用户特性进行图画数据微调。但这需求相对较大的根底架构来供给支撑和杰出的Wi-Fi衔接，而且依然导致高功耗。因而，咱们不会挑选电池供电的智能门铃，至少现在是这样。虽然依托外部电源削减了门铃的方位挑选，但用户也因而无需充电或替换电池。

图2 双向音频通讯在混响语音和回声方面有许多需求细心考虑的要素

图画传感器和处理器衔接问题

可视门铃中的图画处理需求图画传感器、数字媒体处理器，而且在大多数状况下，需求一些外围器材。挑选图画传感器时，需求考虑一些要素，其间最重要的是分辨率、帧速率、像素巨细、像素结构和快门时刻。除独自组件的许多考虑要素之外，图画传感器和数字媒体处理器之间也常常存在衔接问题。

除非特别留意，不然您或许会发现自己的一对超卓的器材因其输入/输出（I/O）接口格局不匹配而无法相互通讯。由于I/O接口（I2C、并行、通用I/O）存在很多差异，因而更简略犯下此类过错。为防止这种恼人状况，规划人员有必要保证图画传感器支撑的I/O接口与数字媒体处理器的I/O兼容。 

当两个器材具有不同的作业电压和逻辑信号电平常，或许会呈现相似的问题。走运的是，电压转化器材可经过规模介于0.6V至5.5 V的双向电压转化轻松处理这种不匹配问题。虽然它们为产品的BOM增加了少数本钱，但它给规划人员供给了更广泛的图画传感器和MCU的挑选，而不是只运用相同电压的传感器和MCU。

表1 向可视门铃供电的办法

易发生噪音的环境

现代可视门铃所需的全双工、免提通讯增加了其他杂乱性，要求规划有必要处理因用户将扬声器/麦克风增益调理得过高而导致的不稳定反响。例如，接纳音频的人员需在扬声器上获得相对较大增益才干充沛区分远端通话，可是麦克风近间隔很简略检测到声响并常常将其扩大回去，然后导致厌烦的回声（图2）。曩昔，经过扬声器接纳信号时，半双工通讯经过明显下降麦克风的增益，然后削减这种回声。表1 向可视门铃供电的办法

自动调整麦克风和扬声器增益的体系或许会在环境噪声水平相对较低的环境中为全双工通讯纠正此问题。不幸的是，这在具有不行猜测的环境噪声源（如经过的公共汽车或其他交通）的环境中作用欠安。有几种的数字信号处理（DSP）技能，包含回声消除（AEC）和自适应频谱降噪（ASNR），能够处理这一问题。AEC创立了自适应滤波器，可经过开始辨认传输的信号并在某个时刻窗口内从头呈现该信号时将其消除，然后有用消除回声。ASNR运用频域从音频信号中去除环境噪声和不需求的噪声重量，然后去除布景噪声和宽带噪声。AGC旨在改进免提通讯的低声压级语音信号。比如此类的音频算法坚持了麦克风和扬声器的增益而不会发生不必要的反响和回声，且无需诉诸语音切换，然后供给超卓的音频体会。

图3可视门铃的示例电源架构 （来历： 德州仪器 ）

最大极限运用扬声器

虽然杂乱的DSP算法有助于完成全双工音频通讯，但它们一般无法最大程度地发挥体系音频扬声器的悉数功用。由于扬声器音圈中的过多热量和超出其偏移限值会导致快速损坏和音锥，因而音频工程师一般会对扩大声压级施加硬性约束，使其远低于扬声器的实践功用。 与扩大器合作运用的软件算法 能够实时监控扬声器的温度和偏移。该反响可完成更精密的声压级和更高的音频明晰度。

语音指令和语音辨认

未来的可视门铃或许会根据语音激活和语音辨认技能完成免提操控。这些语音用户界面从一系列麦克风和DSP算法接纳指令时，再次增加了另一层杂乱性。虽然与接纳麦克风的间隔相对较大，但这些门铃很或许会运用波束成形算法将所需的音频信号与布景噪声分隔。已有可用的麦克风板可用于完成波束构成算法，该算法可从扬声器方向扩大语音信号，以从喧闹环境中获得明晰的语音和音频。 

在真实有用的可视门铃产品中，重要的是这些高档功用无需额定的电源，且可对本地麦克风输入信号起作用。咱们正在寻觅一种规划战略，以使产品更简略、低功耗、小尺度。

电力预算应战

有用的可视门铃能够经过以下其间一种办法供电：运用可充电电池，答应其从房子现有的低压门铃布线中获取电能，或为其装备以太网供电（PoE）接口。这些电源选项各有利弊（表1）。如前所述，电池供电单元所供给的灵敏放置办法使装置更加简略，而硬线门铃则具有保护本钱低的优势。 

节能是电池供电的可视门铃的首要关注点。许多上述算法将需求更多的功耗密集型处理。高度针对性的SoC规划，例如德州仪器（TI）CC3120/CC3220，可经过较少的片外业务（片上RAM和/或闪存）完成更高等级的并行处理（唤醒/睡觉触发器、网络衔接），然后下降了整体功耗。此外，专为电池供电而规划的MCU具有多种电源方式，包含关机、休眠、睡觉、待机和活动方式，细心的开发人员可运用它们进一步下降能耗。

规划任何运用家庭现有门铃电源的产品的首要考虑要素是：交流电源中没有针对这些产品的规范输出电压，其开始是为运用8 V至24 VAC之间的电压为电铃供电而规划的。为最大程度地下降以这种办法供电的产品的功用下降，有必要细心留意一些参数，例如输出电压精度、电压纹波、满负载下的体系功率和散热。关于特别灵敏的组件特别如此，例如常常在可视门铃中运用的互补金属氧化物半导体（CMOS）图画传感器。这些组件对噪声源特别灵敏，例如电源动摇、电磁搅扰和温度改变。

为完成最佳功用，可视门铃需求一个电源。该电源可接受各种低压交流电，并为其各个子体系（传感器、I/O、音频、内存、UI等）发生洁净、稳压杰出的直流电，也能够放入产品紧凑型外壳中。如图3所示，这一般触及多个降压转化器，最好是选用可在重负载下供给高功率的同步架构的转化器。在这种需求宽电压规模或很多分立电源的规划中，可运用单个降压稳压器为多个线性稳压器供电（抱负的低压差）。 

关于电池供电的运用，满载和轻载下的体系功率都是必需的；关于在密闭封装、通风很少或没有通风的状况下运转的线路供电产品，也是如此。关于可视门铃，有必要细心完成比如用户界面、无线通讯监督和运动检测之类的功用，以最大程度地进步电源功率。有必要相同留意待机电流，例如电源的静态电流和关断电流，由于它们会严重影响电池寿数。低静态电流可极大延伸电池的运用寿数，由于可视门铃大部分时刻都处于睡觉/休眠方式。此外，同步转化器具有从其脉宽调制方式到省电方式的无缝过渡的才干，使其在满载和轻载时均坚持相对高效。

可视门铃是具有严厉尺度约束（有时乃至是功率约束）的几种IoT产品之一，且有必要在处理器更加杂乱的高功耗算法与有限的功率资源之间获得平衡。这些约束导致了一些共同的规划应战，当时技能进步使得战胜这些应战成为或许。跟着人工智能以语音、声响和面部辨认的方式成为住所安全体系的必备功用，这些应战天然将变得越来越杂乱。

Srinivasan Iyer 是德州仪器（TI）楼宇自动化集团的体系工程师，专心于视频监控、HVAC、电梯和自动扶梯的发展趋势。