Akıllı kapı zili tasarımında iki veya üç şey: video, ses ve güç teknolojisi
Güvenlik amacıyla, konut, ticari ve endüstriyel tesisler, koaksiyel kablolar veya Ethernet gibi iletim ortamlarına ihtiyaç duymadan geleneksel yüksek fiyatlı kapalı devre televizyon ağlarının yerini almak için yaygın olarak görüntülü kapı zili teknolojisini kullanıyor. Bu makale, görüntülü kapı zilleri ile ilgili bazı tasarımları incelemektedir. İlgili yerleşik geliştiricilere bir referans vermek için zorluklar ve video, ses ve güç teknolojisi.
Sorunsuz kullanıcı deneyimi
Geleneksel görüntülü kapı zili sistemi düğmeler, mikrofonlar ve kameralar içerir. Bu sistemler genellikle bir güç kaynağına kabloyla bağlanır ve video belirli bir monitöre yönlendirilir. IoT'nin görüntülü kapı zili mimarisi benzerdir, ancak uygulaması oldukça farklıdır. Hareket sensörü, kapıya doğru yürüyen ziyaretçileri algılayabilir ve videoyu bulut aracılığıyla bir akıllı telefona veya bulut depolamaya aktarabilir. Ziyaretçi ile iletişim, iki yönlü IP ses akışı ve uygulamada çalışan iki yönlü video akışı aracılığıyla gerçekleşir. Bu kapı zillerinin temel işlevleri, anahtarsız kilitleri uzaktan etkinleştirebilen / devre dışı bırakabilen, alarmları tetikleyebilen veya belirli girişlere göre otomatik geri bildirim sağlayabilen eksiksiz bir güvenlik sistemi ile entegre edilebilir.
Görüntülü kapı zillerinin ilk sürümleri genellikle yanlış zil sesleri ve tutarsız ses gibi video ve ses sorunlarından muzdariptir, ancak bulut yedekleme, hareket algılama, video akışı ve iki yönlü iletişim gibi temel işlevlerin ticari olması için sorunsuz bir şekilde bağlanması gerekir. değer. Bu gereksinimler, önceki sabit kablolu güç sınırlarıyla birleştiğinde, modern görüntülü kapı zili alt sistemlerine bir dizi donanım zorluğu getirmiştir.
Yanlış eylem olayı
Video kapı zillerinde yaygın olarak kullanılan piroelektrik (pasif kızılötesi olarak da bilinir) sensörler, gün içinde sürüş yapan araçlardan gelen parlamaya yanlış tepki verme, sıcak rüzgar, böcekler, hayvanlar ve diğer çeşitli nesneler gibi hatalara eğilimlidir. Kalori bazlı aktivite ve bu süreçte kullanıcının cep telefonunda can sıkıcı yanlış alarm sesleri ve bildirimler tetiklenir. Kullanıcı sonunda alarmı tamamen görmezden geleceği ve hatta kapı zilini devre dışı bırakacağı için bu, görüntülü kapı zilinin güvenliğini büyük ölçüde azaltır. Ek olarak, PIR sensörlerinin sık yanlış hareket algılama olayları, pil ömrünü büyük ölçüde kısaltacaktır.
Nispeten basit bir çözüm, daha büyük bir hareket algılama alanı oluşturmak için biraz örtüşen kapsama alanına sahip iki PIR sensörü kullanmaktır (Şekil 1). İkili sensörler yalnızca daha büyük nesneler için bildirim ürettiğinden, daha küçük nesneler (böcekler ve evcil hayvanlar gibi) algılanmayacaktır. PIR sensörünü diğer ışık sensörleri ve sıcaklık / nem sensörleriyle birlikte kullanmak, sıcaklık veya ışıktaki hızlı değişikliklerin neden olduğu yanlış tetiklemeleri önleyebilir. Bu çok modlu algılama yaklaşımı, yanlış alarm olasılığını azaltırken aynı zamanda genel güç tüketimini azaltır ve böylece pil ömrünü uzatır.
Şekil 1 Yedekli PIR sensörü, insan hareket algılamasının doğruluğunu artırır,
Çünkü birden fazla ışının hareket olayı olarak değerlendirilmesi için tetiklenmesi gerekir.
Ek olarak, katıştırılmış bir MCU ve belirli bir aygıt yazılımı, doğruluğu artırmak için algoritma tabanlı hareket algılamayı uygulamak için de kullanılabilir. Görsel harekete dayalı algılama elde etmenin birçok yolu vardır, ancak en yaygın yöntemlerden biri, geçerli kareyi bir referans görüntü ile karşılaştırmak ve farkı piksel piksel izlemektir. Bu tür görüntü işleme, yanlış alarmları önlemek için arka planın bir parçası olarak yel değirmenlerinden ve ağaçlardan gelen hareketi işleyecek kadar akıllı olmalıdır ve bu yetenek, önemli bir işlem gücü gerektirir.
Bu filtreleme görevlerinden bazıları, belirli müşteriler için görüntü verilerine ince ayar yapabilen bulut tabanlı algoritmalara aktarılabilir. Ancak bu, destek ve iyi bir Wi-Fi bağlantısı sağlamak için nispeten büyük bir altyapı gerektirir ve yine de yüksek güç tüketimi olacaktır. Bu nedenle, pille çalışan akıllı bir kapı zili akıllıca bir seçim değildir - en azından şimdilik. Kapı zilinin yerini azaltmak için harici güç kaynağına güvenebilirsiniz, ancak pili şarj etmenize veya değiştirmenize gerek yoktur.
Görüntü sensörü ve işlemci arayüz sorunu
Görüntülü kapı zilinde görüntü işleme, bir görüntü sensörü, bir dijital multimedya işlemcisi ve çoğu durumda bazı çevresel ekipman gerektirir. Bir görüntü sensörü seçerken, en önemlileri çözünürlük, kare hızı, piksel boyutu, piksel yapısı ve deklanşör süresidir. Her bileşene ilişkin pek çok hususa ek olarak, genellikle görüntü sensörü ile dijital ortam işlemcisi arasında arayüz sorunları vardır.
Özel dikkat göstermezseniz, uyumsuz giriş / çıkış (G / Ç) arabirim formatları nedeniyle cihazlarınızın birbirleriyle iletişim kuramadığını görebilirsiniz. G / Ç arayüzlerindeki (I2C, paralel, genel amaçlı G / Ç) çok sayıda farklılık olması nedeniyle, insanların düşündüğünden çok daha fazla hata vardır. Bu rahatsız edici durumu önlemek için tasarımcı, görüntü sensörü tarafından desteklenen I / O arayüzünün dijital medya işlemcisinin I / O'su ile uyumlu olmasını sağlamalıdır.
İki cihaz farklı çalışma voltajlarına ve mantık sinyal seviyelerine sahip olduğunda, benzer sorunlar ortaya çıkabilir. Neyse ki, voltaj dönüştürücüler bu uyumsuzluk sorununu 0,6 ila 5,5 V arasında değişen çift yönlü voltaj dönüştürme yoluyla kolayca çözebilirler. Ürünün ürün reçetesine küçük bir maliyet katsalar da voltaj dönüştürme ekipmanı tasarımcılara Daha geniş bir sensör aralığı bu girişi telafi edebilir Geçmişte, sensörler ve MCU'lar aynı destek voltajını kullanmak zorundaydı.
Gürültüye eğilimli ortam
Modern görüntülü kapı zillerinin gerektirdiği tam çift yönlü iletişim, tasarımın, kullanıcının hoparlör / mikrofon kazancını çok yüksek ayarlamasının neden olduğu dengesiz geri beslemeyle başa çıkmasını gerektiren başka bir karmaşıklık ekler. Örneğin, ses alan bir kişinin, uzak ucun ne söylediğini tam olarak ayırt edebilmesi için hoparlörde nispeten büyük bir kazanıma ihtiyacı vardır, ancak mikrofonun yakın mesafesi, sesi kolayca algılayabilir ve genellikle onu güçlendirerek kötü yankıya neden olabilir (Şekil 2). Geçmişte, yarı çift yönlü iletişim, hoparlör sinyali aldığında mikrofon kazancını önemli ölçüde azaltarak bu yankıyı azalttı.
Şekil 2 İki yönlü sesli iletişim, yankılanan ses ve yankı açısından dikkatlice düşünülmelidir
Mikrofon ve hoparlör kazançlarını aktif olarak ayarlayan sistemler, nispeten düşük ortam gürültüsü seviyelerine sahip ortamlarda tam çift yönlü iletişim için bu sorunu düzeltebilir. Ne yazık ki bu, öngörülemeyen çevresel gürültü kaynaklarının olduğu ortamlarda (geçen otobüsler veya diğer trafik gibi) iyi çalışmaz. Yankı giderme (AEC) ve uyarlamalı spektral gürültü azaltma (ASNR) dahil olmak üzere bu sorunu çözebilecek birkaç dijital sinyal işleme (DSP) tekniği vardır. AEC, iletilen sinyali başlangıçta tanımlayarak ve belirli bir zaman aralığında yeniden göründüğünde ortadan kaldırarak ekoyu etkin bir şekilde ortadan kaldırabilen uyarlanabilir bir filtre oluşturur. ASNR, çevresel gürültüyü ve zararlı gürültü bileşenlerini ses sinyallerinden çıkarmak için frekans alanını kullanır, böylece arka plan gürültüsünü ve geniş bant gürültüsünü ortadan kaldırır. AGC, eller serbest iletişimin düşük frekanslı ses sinyalini iyileştirmeyi amaçlamaktadır. Bunlar gibi ses algoritmaları, gereksiz geri bildirim ve yankı oluşturmadan veya ses değiştirmeye başvurmadan mikrofon ve hoparlörün kazancını koruyarak mükemmel bir ses deneyimi sağlar.
Hoparlör kullanımını en üst düzeye çıkarın
Karmaşık DSP algoritmaları tam çift yönlü ses iletişimi sağlamaya yardımcı olsa da, genellikle sistemin ses hoparlörlerinin tüm yeteneklerini en üst düzeye çıkaramazlar. Konuşmacının ses bobinindeki aşırı ısı ve dengeleme sınırını aşmak hızlı hasara ve ses konisi üflemesine neden olabileceğinden, ses mühendisleri genellikle amplifikasyon seviyesine katı sınırlar koyar ve bu da onu hoparlörün gerçek işlevinin çok altında yapar. Amplifikatör ile seri olarak kullanılan yazılım algoritması, hoparlörün sıcaklığını ve ofsetini gerçek zamanlı olarak izleyebilir ve bu geri bildirim, daha ince bir ses basıncı seviyesi ve daha yüksek ses netliği sağlayabilir.
Sesli komutlar ve ses tanıma
Gelecekte, görüntülü kapı zilleri, ses aktivasyonuna ve ses tanıma teknolojisine dayalı eller serbest kontrolü uygulayabilir. Bu ses kullanıcı arayüzleri, bir dizi mikrofondan ve DSP algoritmasından komutları tekrar aldığında, başka bir karmaşıklık katmanı eklenir. Alıcı mikrofondan nispeten büyük mesafeye rağmen, bu kapı zillerinin istenen ses sinyalini arka plan gürültüsünden ayırmak için hüzmeleme algoritmaları kullanması muhtemeldir. Gürültülü bir ortamdan net ses ve ses elde etmek için hoparlörden gelen ses sinyalini yükseltebilen bir hüzmeleme algoritması uygulayan halihazırda mevcut mikrofon kartları mevcuttur.
Gerçekten pratik bir görüntülü kapı zili ürününde, bu gelişmiş işlevlerin ek bir güç kaynağı gerektirmemesi ve yerel mikrofon giriş sinyali üzerinde hareket edebilmesi önemlidir. Ürünü daha basit, düşük güç tüketimi ve küçük boyutlu hale getirmek için bir tasarım stratejisi arıyoruz.
Güç bütçesi zorluğu
Pratik bir görüntülü kapı zili aşağıdaki yöntemlerden biriyle çalıştırılabilir: evin mevcut düşük voltajlı kapı zili kablolarından güç çekmesini sağlamak için şarj edilebilir bir pil kullanın veya bir Ethernet Üzerinden Güç (PoE) arabirimiyle donatın. Bu güç seçeneklerinin her birinin avantajları ve dezavantajları vardır (Tablo 1). Daha önce bahsedildiği gibi, pille çalışan birimin esnek yerleşimi kurulumu kolaylaştırırken, kapı zili kordonu düşük bakım maliyetleri avantajına sahiptir.
Enerji tasarrufu, pille çalışan görüntülü kapı zillerinin ana odak noktasıdır ve yukarıda bahsedilen algoritmaların çoğu, daha fazla güç yoğun işlem gerektirecektir. Texas Instruments (TI) CC3120 / CC3220 gibi son derece spesifik SoC tasarımları, daha az yonga dışı işlemle (yonga üzerinde RAM ve / veya flash bellek) daha yüksek düzeyde paralel işleme (uyandırma / uyku tetikleme, ağ bağlantısı) sağlayabilir, Böylece sistemin toplam güç tüketimini azaltır. Ek olarak, pil güç kaynağı için tasarlanmış MCU'larda kapatma, hazırda bekletme, uyku, bekleme ve etkin modlar dahil olmak üzere çeşitli güç modları bulunur ve dikkatli geliştiriciler bunları enerji tüketimini daha da azaltmak için kullanabilir.
Evdeki mevcut kapı zili güç kaynağını kullanmak üzere tasarlanmış herhangi bir ürün için ana husus, AC güç kaynağında bu ürünler için standart bir çıkış voltajı olmamasıdır.AC güç kaynağı, elektrikli zile güç sağlamak için orijinal olarak 8 V ile 24 V AC arasında bir voltaj kullanmak üzere tasarlanmıştır. Tasarlandı. Ürün performansındaki düşüşün en aza indirilmesi için, çıkış voltajı doğruluğu, voltaj dalgalanması, sistem verimliliği ve tam yük altında ısı dağılımı gibi bazı parametrelere dikkat etmek önemlidir. Bu, özellikle video kapı zillerinde sıklıkla kullanılan CMOS görüntü sensörü gibi özellikle hassas bileşenler için geçerlidir. Bu bileşenler, güç kaynağı dalgalanmaları, elektromanyetik girişim ve sıcaklık değişiklikleri gibi gürültü kaynaklarına özellikle duyarlıdır.
En iyi performansı elde etmek için, video kapı zilinin çeşitli düşük voltaj dönüştürücüleri kabul edebilen ve çeşitli alt sistemleri (sensörler, I / O, ses, bellek, UI, vb.) İçin temiz, iyi düzenlenmiş voltajlar üretebilen bir güç kaynağına ihtiyacı vardır. Doğru akım da kompakt bir muhafazaya sığması için minyatürleştirilmelidir. Şekil 3'te gösterildiği gibi, bu genellikle birden fazla kovalı dönüştürücüyü, tercihen ağır yükler altında yüksek verimlilik sağlayan bir eşzamanlı kovalı dönüştürücüyü içerir. Geniş bir voltaj aralığı veya çok sayıda ayrı güç kaynağı gerektiren bu tür tasarımda, birden fazla doğrusal regülatöre güç sağlamak için tek bir kova regülatörü kullanılabilir.
Şekil 3: Görüntülü kapı zili güç mimarisinin şematik diyagramı
Pille çalışan uygulamalar için, çok az havalandırma ile veya hiç havalandırma olmadan kapalı ambalaj içinde çalışan ürünlerde olduğu gibi tam yükte ve hafif yükte sistem verimliliği gereklidir. Görüntülü kapı zilleri için, güç verimliliğini en üst düzeye çıkarmak için kullanıcı arayüzü, kablosuz iletişim izleme ve hareket algılama gibi işlevler dikkatlice uygulanmalıdır. Ayrıca, güç kaynağının durgun akımı ve kapatma akımı gibi bekleme akımına da dikkat etmelisiniz, çünkü bunlar pil ömrünü ciddi şekilde etkiler. Düşük hareketsiz akım, pilin ömrünü büyük ölçüde uzatabilir, çünkü video kapı zili zamanının çoğunu uyku / hazırda bekletme modunda geçirir. Ek olarak, eşzamanlı dönüştürücü, darbe genişlik modülasyon modundan güç tasarrufu moduna kesintisiz bir geçişe sahiptir, bu da onu hem tam yükte hem de hafif yükte nispeten verimli kılar.
Görüntülü kapı zilleri, katı boyut kısıtlamaları (bazen güç kısıtlamaları bile) olan birkaç IoT ürününden biridir ve yüksek güçlü algoritmalar ile sınırlı güç kaynakları arasında bir denge kurulmalıdır. Bu sınırlamalar bazı benzersiz tasarım zorluklarına yol açtı ve teknolojideki ilerlemeler artık bu zorlukların üstesinden gelmeyi mümkün kılıyor. Doğal olarak, ses, ses ve yüz tanıma şeklindeki yapay zeka konut güvenlik sistemlerinin önemli bir özelliği haline geldikçe, bu zorluklar giderek daha karmaşık hale gelmeye devam edecek.
Yazar: Srinivasan Iyer, Texas Instruments (TI) bina otomasyon sistemi mühendis departmanı, video gözetim, HVAC, asansör ve yürüyen merdiven endüstrisinde uzmanlaşmıştır.
