啟用新一代可視門鈴

Srinivasan lyer

借助最新的音頻/視頻處理器和無線通信技術(shù)，門鈴正從擁有百年歷史的電子音樂門鈴轉(zhuǎn)變?yōu)橥耆珜崿F(xiàn)云連接的一線安全系統(tǒng)。這些變化給系統(tǒng)集成商和嵌入式設計人員帶來了挑戰(zhàn)，即如何將運動警報、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緊湊（有時是電池供電）、可靠且易于使用的封裝中。家庭自動化和家庭安防技術(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，用于工業(yè)自動化、辦公室安防和安防系統(tǒng)的成像系統(tǒng)也歷經(jīng)發(fā)展，如今包括更先進和聯(lián)網(wǎng)的監(jiān)控功能。

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

如今的可視門鈴功能包括采用機器學習技術(shù)的高級視頻處理能力、云連接和無線通信、以太網(wǎng)供電（PoE），電池備用電源、高級音頻通信和增強型環(huán)境感應以及運動檢測。將所有這些功能集成到一個只有幾英寸寬的防風雨電子封裝中給設計工程師們帶來了挑戰(zhàn)，他們不僅要整合這些功能，還要為下一代留出升級性能和附加功能的空間。

可視門鈴的技術(shù)發(fā)展

帶有集中視頻和音頻功能的門鈴和人口安防系統(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，并依賴于閉路電視和人眼觀察。然而，隨著視頻/音頻門鈴進入消費市場，簡單的鈴聲、單向視頻和雙向音頻已經(jīng)不能滿足精通互聯(lián)網(wǎng)的家庭自動化愛好者的需求。

工業(yè)設施還需要更安全有效的方法來監(jiān)控和識別潛在的威脅或安全漏洞。這一要求推動了可視門鈴中加入視頻處理功能，使門鈴能夠識別人類、生成分區(qū)警報并根據(jù)視覺證據(jù)生成自動響應。多個可視門鈴還可用作全天候安防攝像頭，或提供類似的捕捉、存儲和分析功能。

非常簡單的視頻處理技術(shù)可以檢測非靜態(tài)物體，但更復雜和有用的視頻處理則需要先進的機器學習算法。這些人工智能系統(tǒng)通?；诟鞣N測試案例進行訓練，但有些訓練需要持續(xù)使用來自云連接攝像頭的信息。因此，通常需要使用微控制器（MCU）或更高級的微處理器（MPU）來實現(xiàn)邊緣處理并確定與云端之間通信的信息。

云連接

設計支持云功能的可視門鈴有兩個充分的理由：外形小巧，因此限制了處理能力和存儲空間;社區(qū)防衛(wèi)組織的成功受益于聯(lián)網(wǎng)的門鈴應用。消費者已經(jīng)喜歡上了隨時隨地觀察門鈴視頻并根據(jù)視頻畫面進行實時響應的功能。

對于個人/社區(qū)安全（或只是確認收到包裹）而言，支持云連接可以實現(xiàn)豐富的用戶功能，而制造商可以提供無線更新并獲取有價值的使用統(tǒng)計數(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)（硬線以太網(wǎng)或Wi-Fi）。由于大多數(shù)連接門鈴的房屋只有某種類型的交流電源而沒有以太網(wǎng)或其他通信線路，因此支持Wi-Fi的可視門鈴越來越普遍。

無線通信

對于簡單的音頻應用，常見的無線標準（如Bluetooth和Zigbee）具有支持純音頻門鈴的必要帶寬范圍。但是，若要進行視頻數(shù)據(jù)傳輸，Wi-Fi則是最方便且最常用的無線標準。如果新住宅的開發(fā)商注重家庭自動化技術(shù)，這種房屋可能配備以太網(wǎng)連接：在前門布設硬線始終是一種選擇?？紤]到大量房屋和公寓都是租用的，租戶更有可能選擇支持Wi-Fi的門鈴進行非破壞性安裝。然而，Wi-Fi門鈴還需要一個Wi-Fi路由器系統(tǒng)，確保在安裝可視門鈴的每扇門上都能接收到可靠信號。

以太網(wǎng)供電

對于較新的房屋和愿意進行一些小型翻新以便支持最新智能家居技術(shù)的用戶來說，以太網(wǎng)供電（PoE）可確保單線安裝，從而實現(xiàn)相對高性能的可視門鈴。許多最新的可視門鈴超出了典型（或磨損）門鈴變壓器的功率輸出能力，可能需要升級，包括布設新的交流接線。使用PoE，可視門鈴可受益于穩(wěn)固可靠的硬線通信以及高達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（IEEE） 802.3bt標準）。利用PoE可以提供動態(tài)功率，而無需擔心交流/直流電源解決方案的電流限制問題。

電池電源和備用電池

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

先進音頻技術(shù)

除了視頻功能，音頻功能是可視門鈴的另一項主要技術(shù)。甚至還有競爭性的門鈴技術(shù)提供沒有視頻的音頻功能。雙向音頻、音頻觸發(fā)事件和音頻方向感應在大多數(shù)可視門鈴中十分常見。雖然雙向音頻最低限度只需要揚聲器和麥克風，但音頻觸發(fā)事件和音頻方向感應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。音頻事件觸發(fā)器和雙向音頻通常使用數(shù)字信號處理器或編解碼器內(nèi)的算法來實現(xiàn)。編碼的音頻數(shù)據(jù)通常會傳送到應用程序或云存儲。

運動檢測和環(huán)境監(jiān)測

可視門鈴的主要功能之一是能夠檢測運動。雖然許多可視門鈴完全依賴基于圖像處理的運動跟蹤，但是各種其他方法也有助于進行運動檢測并幫助消除誤報。這些技術(shù)包括一種相對低成本且簡單的方法，稱為被動紅外（PIR）探測器。PIR探測器在用于安防照明的運動檢測燈中很常見;然而，這種方法僅限于有溫度的對象，如人類和大型動物。為了避免誤報，PIR傳感器通常與其他傳感器配對使用。

除了視覺和聽覺傳感器，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)外部光線正確調(diào)整視頻曝光。其他常見傳感器包括外部和內(nèi)部溫度傳感器、用于監(jiān)測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、沖擊和接近傳感器，或連接到外殼關(guān)鍵部件的簡單開關(guān)。電源管理電路還可具有電流和電壓監(jiān)測功能，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行，從而進行故障排除和維修。

可視門鈴技術(shù)的主要挑戰(zhàn)

與電子設計一樣，每個附加的功能通常會加劇其設計挑戰(zhàn)以及增加額外電路。可視門鈴肯定也屬于這種情況，可視門鈴通常也受到電源、空間、處理能力和成本的約束，為設計工程師通過硬件、軟件和云資源的適當組合進行創(chuàng)新提出了進一步的挑戰(zhàn)。

門鈴主要由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標準支持高達71W的功率輸出，因此可以滿足更高的可視門鈴功率需求。為了讓前端功率級能夠應對傳統(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，并在輕負載條件下維持PSE控制器鏈路。

可視門鈴的尺寸、功率預算和熱管理功能在很大程度上限制了可實現(xiàn)的處理能力。鑒于功能的復雜性（包括音頻和視頻處理），MCU或MPU必須在需要時具有足夠強大的處理能力，而且在關(guān)閉狀態(tài)下具有最小功耗。最高的處理負載可能會導致MCU產(chǎn)生大量熱量，但設備仍需要在極端溫度條件下正常工作。因此，設計人員還必須考慮處理能力、熱負荷、環(huán)境溫度和熱管理的平衡問題。

在不增加處理能力的情況下增強可視門鈴功能的另一種方法是，將處理能力轉(zhuǎn)移到云服務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行單向連續(xù)傳輸且高度可靠的通信基礎(chǔ)設施。

可視門鈴支持以太網(wǎng)連接的情況仍然相對罕見;因此，Wi-Fi可作為備用的連接解決方案。然而，要實現(xiàn)可靠的無線連接來支持高質(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鈴位置的情況下。室外安裝會將門鈴暴露在惡劣環(huán)境中，并為高速流式傳輸帶來實際問題。

無線門鈴的緊湊外形也限制了天線設計的空間和增益。由于消費者幾乎無法選擇門鈴的安裝位置，而且大多數(shù)Wi-Fi路由器安裝人員可能不會將門口視為Wi-Fi的主要位置，因此可視門鈴設計人員必須仔細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，以便在信號接收不良的區(qū)域中正常工作。雖然典型的可視門鈴應該具有至少1Mbps的帶寬，但是高端可視門鈴或連接不良的視頻門鈴可能需要高達3Mbps的帶寬。

精密的印刷電路板天線設計或封裝內(nèi)天線可以降低建筑材料和非理想布局導致的帶寬性能下降問題。此外，帶有嵌入式Wi-Fi前端的高效Wi-Fi芯片或MCU可進一步增強接收能力和傳輸性能，從而滿足功率預算限制。

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

這種類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度自放電問題。如果沒有額外的充電/放電控制器進行溫度檢測，銼離子電池化合物在充電和放電期間還可能過熱。由于電池熱管理取決于外部環(huán)境條件（主要是溫度和濕度），因此建議使用電量監(jiān)測功能，此類功能使用復雜算法甚至機器學習來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別靜止和移動物體，但是能夠?qū)崟r執(zhí)行此類操作的電路和算法通常需要高性能處理技術(shù)。由于并不能始終滿足這種理想條件，許多可視門鈴制造商選擇使用多種運動檢測技術(shù)與圖像處理系統(tǒng)協(xié)同工作。PIR探測以及最近的毫米波運動檢測是可行的技術(shù)，能夠與視頻處理運動檢測器配合使用，甚至可以在被動模式下運行時節(jié)省大量功率。用于運動檢測的圖像處理方法在長距離的情況下也經(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運動檢測器在被動模式下都有幾米的檢測范圍。此外，毫米波傳感器（例如用于汽車的單芯片雷達系統(tǒng)中的毫米波傳感器）可以提供準確和高速的運動和物體檢測。

通常需要評估可視門鈴是否能夠從各目標方獲取清晰的音頻。因此，可視門鈴必須能夠確定講話人或事件相對于門的方向。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）的家門口會有背景噪音和外部干擾。即使在理想條件下，可視門鈴也無法應對所有可能的情況。因此，使用到達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期目標上。

有多種方法可以實現(xiàn)此類功能，包括定向麥克風系統(tǒng)、帶有天線陣列的波束成形以及配置為遠場接收而不是近場接收的麥克風陣列。每種方法都有其自身的挑戰(zhàn)，通常需要額外的麥克風和額外的電路來處理實時音頻。要使用確切電路將各種麥克風發(fā)出的多個信號組合在一起并確定正確處理動態(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空氣直接傳導至麥克風和門鈴的外殼，情況更是如此。

最后，鈴聲誤報和安全漏洞的問題對于每個可視門鈴制造商來說都是一大挑戰(zhàn)。許多可視門鈴的評論者抱怨說，大型卡車、高眩光的物體甚至車輛或當?shù)貜V告（通常是那些有人臉的廣告）都可能觸發(fā)誤報。這些誤報通常讓人厭煩。

減少鈴聲誤報數(shù)量需要更復雜的圖像處理人工智能/機器學習技術(shù)、高效和動態(tài)的電源方案以及考慮了可視門鈴安裝環(huán)境的可行工作模式。此外，采用各種運動檢測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、識別和消除潛在鈴聲誤報的后援支持。通過智能應用程序，用戶甚至可以通過確認是否是誤報來參與優(yōu)化檢測算法，從而使可視門鈴能夠更準確適應環(huán)境條件。

結(jié)論

隨著競爭加劇以及消費者越來越熟悉可視門鈴，可視門鈴制造商需要通過增強的功能組合以及創(chuàng)新設計實現(xiàn)產(chǎn)品多樣化。主要的挑戰(zhàn)在于解決老問題：為了方便使用并與智能家居配置實現(xiàn)無縫集成，能夠在較小和較低成本的封裝中實現(xiàn)更高性能。許多可視門鈴制造商越來越青睞搭載Wi-Fi功能和先進傳感器技術(shù)的高集成度MCU芯片，由此提高視頻和音頻處理人工智能/機器學習算法的性能。