有用的物聯(lián)網(wǎng)（IoT）程序被應(yīng)用于幾乎所有行業(yè)的縱向分支中，并有效擴(kuò)展了舊有系統(tǒng)的實(shí)用性。例如，出于安全目的，住宅、商業(yè)和工業(yè)設(shè)施正在使用可視門(mén)鈴。這些服務(wù)已經(jīng)存在數(shù)十年，但通常僅限于可通過(guò)閉路電視網(wǎng)絡(luò)提供昂貴的雙向音頻和單向視頻功能的高端設(shè)備。但是，現(xiàn)在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)無(wú)需大規(guī)模的同軸電纜或以太網(wǎng)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)即可實(shí)現(xiàn)此級(jí)別的安全性。本文將仔細(xì)研究與可視門(mén)鈴相關(guān)的一些視頻、音頻和電源設(shè)計(jì)難題，以及解決這些難題所需的技術(shù)進(jìn)步。

無(wú)縫用戶體驗(yàn)

　　傳統(tǒng)的可視門(mén)鈴系統(tǒng)涉及使用按鈴、麥克風(fēng)和攝像機(jī)。這些系統(tǒng)通常被硬連接到電源，而視頻被傳送到一臺(tái)特定的電視機(jī)上。啟用支持IoT的可視門(mén)鈴的目的類(lèi)似，但實(shí)現(xiàn)方式卻大相徑庭。運(yùn)動(dòng)傳感器可檢測(cè)到門(mén)口訪客，并通過(guò)云將視頻流傳輸?shù)街悄苁謾C(jī)應(yīng)用。與訪客的通信通過(guò)應(yīng)用程序中運(yùn)行的雙向IP音頻流和單向視頻流進(jìn)行。這些門(mén)鈴的基本功能可與完整的安全系統(tǒng)集成在一起。此安全系統(tǒng)可遠(yuǎn)程啟用/禁用無(wú)鑰匙鎖，觸發(fā)警報(bào)或根據(jù)特定輸入提供自動(dòng)反饋。

　　可視門(mén)鈴的早期發(fā)行版本經(jīng)常受到視頻和音頻問(wèn)題的困擾，例如錯(cuò)誤響鈴和不清楚的音頻，但是諸如云備份、運(yùn)動(dòng)檢測(cè)、視頻流和雙向通信等關(guān)鍵功能需要流暢的性能才能運(yùn)作。這些要求，加上先前的硬連線功率限制，給現(xiàn)代可視門(mén)鈴子系統(tǒng)帶來(lái)了一系列自身的硬件挑戰(zhàn)。

錯(cuò)誤動(dòng)作事件

　　可視門(mén)鈴中常用的熱電（又稱(chēng)無(wú)源紅外，PIR）運(yùn)動(dòng)傳感器容易出錯(cuò)，例如對(duì)白天行駛的車(chē)輛產(chǎn)生的眩光、暖流、蟲(chóng)子、動(dòng)物以及其他各種基于熱量的活動(dòng)做出錯(cuò)誤反應(yīng)，并在此過(guò)程中在用戶手機(jī)上觸發(fā)惱人的錯(cuò)誤警報(bào)音和通知。由于用戶最終將完全忽略警報(bào)，甚至使門(mén)鈴脫機(jī)，這極大降低了可視門(mén)鈴的安全性。此外，PIR傳感器頻繁發(fā)生的虛假運(yùn)動(dòng)檢測(cè)事件會(huì)大大縮短電池壽命。

　　一種相對(duì)直接的解決方案是使用兩個(gè)旨在具有稍微重疊的覆蓋范圍的PIR傳感器來(lái)創(chuàng)建更大的運(yùn)動(dòng)檢測(cè)區(qū)域（圖1）。由于雙傳感器僅生成針對(duì)較大物體的通知，因此較小物體（例如蟲(chóng)子和寵物）將不會(huì)記錄。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(fā)。這種多模式傳感方法減少了錯(cuò)誤警報(bào)的可能性，同時(shí)還消耗了最少的功率，從而延長(zhǎng)了電池壽命。

圖1冗余的PIR傳感器可提高人體運(yùn)動(dòng)檢測(cè)的準(zhǔn)確性，因?yàn)楸仨氂|發(fā)多個(gè)光束才能將其視為運(yùn)動(dòng)事件

　　也可使用嵌入式MCU和某些固件來(lái)實(shí)現(xiàn)基于算法的運(yùn)動(dòng)檢測(cè)，以提高精度。有多種方法可實(shí)現(xiàn)基于視覺(jué)運(yùn)動(dòng)的檢測(cè)，但是最常見(jiàn)的方法之一是將當(dāng)前幀與參考圖像進(jìn)行比較，并逐像素跟蹤差異。這種類(lèi)型的圖像處理必須足夠智能，以將經(jīng)過(guò)的車(chē)輛和風(fēng)吹動(dòng)樹(shù)木的運(yùn)動(dòng)作為背景的一部分來(lái)處理，以避免產(chǎn)生誤報(bào)，而這種功能需要相當(dāng)大的處理能力。

　　這些過(guò)濾任務(wù)中的一些任務(wù)可卸載到基于云的算法上，這些算法可針對(duì)用戶特性進(jìn)行圖像數(shù)據(jù)微調(diào)。但這需要相對(duì)較大的基礎(chǔ)架構(gòu)來(lái)提供支持和良好的Wi-Fi連接，并且仍然導(dǎo)致高功耗。因此，大家不會(huì)選擇電池供電的智能門(mén)鈴，至少目前是這樣。雖然依靠外部電源減少了門(mén)鈴的位置選擇，但用戶也因此無(wú)需充電或更換電池。

圖像傳感器和處理器連接問(wèn)題

　　可視門(mén)鈴中的圖像處理需要圖像傳感器、數(shù)字媒體處理器，并且在大多數(shù)情況下，需要一些外圍器件。選擇圖像傳感器時(shí)，需要考慮一些因素，其中最重要的是分辨率、幀速率、像素大小、像素結(jié)構(gòu)和快門(mén)時(shí)間。除單獨(dú)組件的諸多考慮因素之外，圖像傳感器和數(shù)字媒體處理器之間也經(jīng)常存在連接問(wèn)題。

　　除非特別注意，否則您可能會(huì)發(fā)現(xiàn)自己的一對(duì)出色的器件因其輸入/輸出（I/O）接口格式不匹配而無(wú)法相互通信。由于I/O接口（I2C、并行、通用I/O）存在大量差異，因此更容易犯下此類(lèi)錯(cuò)誤。為避免這種惱人情況，設(shè)計(jì)人員必須確保圖像傳感器支持的I/O接口與數(shù)字媒體處理器的I/O兼容。

　　當(dāng)兩個(gè)器件具有不同的工作電壓和邏輯信號(hào)電平時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)類(lèi)似的問(wèn)題。幸運(yùn)的是，電壓轉(zhuǎn)換器件可通過(guò)范圍介于0.6V至5.5 V的雙向電壓轉(zhuǎn)換輕松解決這種不匹配問(wèn)題。盡管它們?yōu)楫a(chǎn)品的BOM增加了少量成本，但它給設(shè)計(jì)人員提供了更廣泛的圖像傳感器和MCU的選擇，而不是只使用相同電壓的傳感器和MCU。

易產(chǎn)生噪音的環(huán)境

　　現(xiàn)代可視門(mén)鈴所需的全雙工、免提通信增加了其他復(fù)雜性，要求設(shè)計(jì)必須處理因用戶將揚(yáng)聲器/麥克風(fēng)增益調(diào)節(jié)得過(guò)高而導(dǎo)致的不穩(wěn)定反饋。例如，接收音頻的人員需在揚(yáng)聲器上獲得相對(duì)較大增益才能充分辨別遠(yuǎn)端通話，但是麥克風(fēng)近距離很容易檢測(cè)到聲音并經(jīng)常將其放大回去，從而導(dǎo)致討厭的回聲（圖2）。過(guò)去，通過(guò)揚(yáng)聲器接收信號(hào)時(shí)，半雙工通信通過(guò)顯著降低麥克風(fēng)的增益，從而減少這種回聲。

　
圖2 雙向音頻通信在混響語(yǔ)音和回聲方面有很多需要認(rèn)真考慮的因素

　　主動(dòng)調(diào)整麥克風(fēng)和揚(yáng)聲器增益的系統(tǒng)可能會(huì)在環(huán)境噪聲水平相對(duì)較低的環(huán)境中為全雙工通信糾正此問(wèn)題。不幸的是，這在具有不可預(yù)測(cè)的環(huán)境噪聲源（如經(jīng)過(guò)的公共汽車(chē)或其他交通）的環(huán)境中效果不佳。有幾種的數(shù)字信號(hào)處理（DSP）技術(shù)，包括回聲消除（AEC）和自適應(yīng)頻譜降噪（ASNR），可以解決這一問(wèn)題。AEC創(chuàng)建了自適應(yīng)濾波器，可通過(guò)最初識(shí)別傳輸?shù)男盘?hào)并在某個(gè)時(shí)間窗口內(nèi)重新出現(xiàn)該信號(hào)時(shí)將其消除，從而有效消除回聲。ASNR利用頻域從音頻信號(hào)中去除環(huán)境噪聲和不需要的噪聲分量，從而去除背景噪聲和寬帶噪聲。AGC旨在改善免提通信的低聲壓級(jí)語(yǔ)音信號(hào)。諸如此類(lèi)的音頻算法保持了麥克風(fēng)和揚(yáng)聲器的增益而不會(huì)產(chǎn)生不必要的反饋和回聲，且無(wú)需訴諸語(yǔ)音切換，從而提供出色的音頻體驗(yàn)。

最大限度利用揚(yáng)聲器

　　盡管復(fù)雜的DSP算法有助于實(shí)現(xiàn)全雙工音頻通信，但它們通常無(wú)法最大程度地發(fā)揮系統(tǒng)音頻揚(yáng)聲器的全部功能。由于揚(yáng)聲器音圈中的過(guò)多熱量和超出其偏移限值會(huì)導(dǎo)致快速損壞和音錐，因此音頻工程師通常會(huì)對(duì)放大聲壓級(jí)施加硬性限制，使其遠(yuǎn)低于揚(yáng)聲器的實(shí)際功能。與放大器配合使用的軟件算法可以實(shí)時(shí)監(jiān)控?fù)P聲器的溫度和偏移。該反饋可實(shí)現(xiàn)更精細(xì)的聲壓級(jí)和更高的音頻清晰度。

語(yǔ)音命令和語(yǔ)音識(shí)別

　　未來(lái)的可視門(mén)鈴可能會(huì)基于語(yǔ)音激活和語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)實(shí)現(xiàn)免提控制。這些語(yǔ)音用戶界面從一系列麥克風(fēng)和DSP算法接收命令時(shí)，再次增加了另一層復(fù)雜性。盡管與接收麥克風(fēng)的距離相對(duì)較大，但這些門(mén)鈴很可能會(huì)使用波束成形算法將所需的音頻信號(hào)與背景噪聲分開(kāi)。已有可用的麥克風(fēng)板可用于實(shí)現(xiàn)波束形成算法，該算法可從揚(yáng)聲器方向放大語(yǔ)音信號(hào)，以從嘈雜環(huán)境中獲得清晰的語(yǔ)音和音頻。

　　在真正實(shí)用的可視門(mén)鈴產(chǎn)品中，重要的是這些高級(jí)功能無(wú)需額外的電源，且可對(duì)本地麥克風(fēng)輸入信號(hào)起作用。我們正在尋找一種設(shè)計(jì)策略，以使產(chǎn)品更簡(jiǎn)單、低功耗、小尺寸。

電力預(yù)算挑戰(zhàn)

　　實(shí)用的可視門(mén)鈴可以通過(guò)以下其中一種方式供電：使用可充電電池，允許其從房屋現(xiàn)有的低壓門(mén)鈴布線中獲取電能，或?yàn)槠渑鋫湟蕴W(wǎng)供電（PoE）接口。這些電源選項(xiàng)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(jiǎn)單，而硬線門(mén)鈴則具有維護(hù)成本低的優(yōu)勢(shì)。

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