智能家居:數字視頻監控 門(mén)禁和燈光控制
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智能家居的基本功能包括智能家電控制、無(wú)線(xiàn)燈光控制、智能遙控電動(dòng)窗簾、門(mén)禁控制、視頻監控、防火防煙報警、煤氣泄露探測、遠程抄表等。就中國市場(chǎng)來(lái)說(shuō)，從2000年提出智能家居概念到現在，智能家居產(chǎn)業(yè)取得了迅猛發(fā)展并日漸滲透到我們的日常生活中。一些高檔的住宅小區已經(jīng)配套了比較完善的智能家庭網(wǎng)絡(luò )，并將“智能化”作為一個(gè)最大的賣(mài)點(diǎn)。我國自行研制開(kāi)發(fā)的一些系統也已較為成熟并逐漸進(jìn)入市場(chǎng)，如可視門(mén)禁系統、紅外報警裝置等。但是，在這一新興領(lǐng)域，如何越過(guò)系統復雜性和成本較高這兩道門(mén)檻，全面普及智能家居仍然是擺在設備制造廠(chǎng)商和系統廠(chǎng)商面前的一道難題。
本文將對當前我國市場(chǎng)最熱點(diǎn)的無(wú)線(xiàn)燈光控制、門(mén)禁控制以及視頻監控這三個(gè)部分進(jìn)行剖析，探討如何將最新的技術(shù)引入智能家居產(chǎn)品之中，打造出真正實(shí)用、易用、高性?xún)r(jià)比的智能家居系統。
IP視頻監控是未來(lái)主流
傳統家用模擬攝像機的局限之一是無(wú)法通過(guò)網(wǎng)絡(luò )傳輸視頻數據以實(shí)現實(shí)時(shí)遠程監控。日前興起的IP攝像機是應對該問(wèn)題的有效解決方案，IP攝像機將來(lái)自圖像傳感器的信號進(jìn)行數字化，然后通過(guò)Wi-Fi、ADSL、有線(xiàn)電視網(wǎng)或蜂窩通訊網(wǎng)絡(luò )傳輸至手機或互聯(lián)網(wǎng)上，這樣用戶(hù)就可以通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)隨時(shí)隨地對自己的家庭進(jìn)行監控?！癐P攝像機的獨特之處在于遠程觀(guān)察和管理能力，它使得家庭監控不再是一種事后監控工具。"Micron公司項目市場(chǎng)經(jīng)理Cliff Cheng強調，“一旦在被監控區域檢測到動(dòng)作，實(shí)時(shí)警報便可以通過(guò)SMS、電子郵件和電話(huà)發(fā)送給家庭成員。家庭成員可以從任何地點(diǎn)登陸來(lái)檢查家中的狀況。此外，在主動(dòng)對家中狀況進(jìn)行監視的時(shí)間、內容和方式等方面，新的IP攝像機技術(shù)為終端用戶(hù)提供了諸多功能?！?
用戶(hù)需求的不同使得對系統和設備的規格要求和技術(shù)要求各不相同，實(shí)現的成本也會(huì )有所區別。海思半導體數字媒體產(chǎn)品管理部營(yíng)銷(xiāo)經(jīng)理羅勇華認為，低端家庭監控方案通常利用家中的ADSL線(xiàn)路，通過(guò)PC進(jìn)行遠程監控，這種方案對畫(huà)面的分辨率和連續性要求較低，因此，低成本、可支持ADSL傳輸的IP攝像機就足以滿(mǎn)足要求。另一方面，中高端方案對網(wǎng)絡(luò )傳輸方式、畫(huà)面分辨率、傳輸連續性等提出了更高要求，簡(jiǎn)單的視頻傳輸不能滿(mǎn)足客戶(hù)的需求。此時(shí)需要選擇能適應多網(wǎng)絡(luò )傳輸方式(如Wi-Fi、ADSL、GPRS、CDMA、3G網(wǎng)絡(luò )等)，可使傳輸的圖像具備更高分辨率、更流暢，支持多種報警方式(如遠程IE和手機短信等方式)以及簡(jiǎn)單人工智能功能的IP攝像機。
IP攝像機的主要組成元件包括用于捕獲圖像的圖像傳感器、進(jìn)行視頻壓縮處理的DSP或ASIC、以及將視頻數據傳輸至接入點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò )接口模塊(例如Wi-Fi模塊、ADSL調制解調器、蜂窩網(wǎng)絡(luò )收發(fā)模塊等)。隨著(zhù)CMOS傳感器的圖像質(zhì)量和低光照性能已經(jīng)達到(并有望超過(guò))CCD傳感器水平，安全監控市場(chǎng)正在開(kāi)始步入CMOS傳感器主導的時(shí)代。除了可支持優(yōu)異的圖像質(zhì)量之外，圖像傳感器須經(jīng)過(guò)嚴格的測試和質(zhì)量保證流程，以確保傳感器能夠在較寬的溫度范圍和不同的光照環(huán)境下工作。攝像機制造商還需要進(jìn)行性能和范圍測試，從而保證即使在被其它家用電器連續干擾的情況下視頻流質(zhì)量也不會(huì )下降。Micron的200萬(wàn)像素、1/3.2英寸圖像傳感器MT9D131可支持遠程監看時(shí)的電子傾斜、搖攝和完全內插的變焦功能，是針對高端家用市場(chǎng)的產(chǎn)品。
“不同光照情況和不同溫度下的圖像質(zhì)量和性能、總材料成本、易于攝像機設計或安全系統的集成、終端用戶(hù)的安全和操作，這些都是選擇傳感器時(shí)要考慮的重要因素?！監mniVision公司安全產(chǎn)品市場(chǎng)經(jīng)理Jason Wang補充道。OmniVision專(zhuān)門(mén)針對安全市場(chǎng)的具有成本效率、高集成度的單芯片CMOS攝像機，能夠在低光照環(huán)境下很好地工作，這對于安全監控市場(chǎng)來(lái)說(shuō)是一個(gè)不可或缺的因素。與多芯片圖像傳感器解決方案有所不同，OmniVision的CameraChip解決方案無(wú)需任何額外的處理能力即可提供高品質(zhì)靜止幀和視頻圖像。通過(guò)OmniVision專(zhuān)有技術(shù)將相機功能整合到單芯片中，可以減小設計尺寸、減少工作量、降低成本并縮短上市時(shí)間。
值得一提的是，Pixim公司基于數字像素系統(DPS)技術(shù)的視頻監控攝像機在圖像捕獲和處理技術(shù)方面取得了極大的突破，它具有高靈敏性、超寬動(dòng)態(tài)范圍、高分辨率以及出色的色彩保真度。Pixim公司副總裁Todd E. Rockoff博士表示，DPS是唯一的直接以數字值表示光信號的圖像捕獲 系統。與之相反，CCD和CMOS傳感器是以模擬值表示光信號，然后再將模擬值轉換成數字值，存在著(zhù)噪聲大和輸出時(shí)間長(cháng)等缺點(diǎn)?！癉PS不存在模擬讀出噪聲，非常適合于家庭IP監控應用，這是因為DPS可以為壓縮解決方案提供最簡(jiǎn)單的輸入。并且基于DPS的系統不會(huì )產(chǎn)生任何像素和數據包之間的模擬誤差?！?
雖然家庭監控屬于成本敏感型應用，但消費者并不愿意犧牲任何視頻質(zhì)量，因而對視頻信號的壓縮和分析成為系統實(shí)現的關(guān)鍵因素。正如Altera消費、汽車(chē)及廣播事業(yè)部資深總監Todd Scott所指出的，“目前家庭監控技術(shù)面臨兩大挑戰：視頻壓縮和高級分析功能。它們都需要采用大量的數字信號處理以及復雜的算法來(lái)完成任務(wù)?！?
網(wǎng)絡(luò )帶寬的限制促使IP視頻監控系統要求能夠進(jìn)行有效的圖像壓縮。在低端攝像機中普遍采用的是MJPEG(Motion JPEG)，但隨著(zhù)MPEG4和H.264編解碼器成本的不斷下降，許多家用IP攝像機正轉而采用這兩種壓縮方案，以獲得更高的帶寬利用率?！俺烁鞣N連接協(xié)議和硬件驅動(dòng)，傳輸的關(guān)鍵是在同等質(zhì)量下碼流的高低，各種帶寬下圖像效果的實(shí)現。作為專(zhuān)門(mén)為網(wǎng)絡(luò )傳輸而制定的H.264應是首選方案?！焙Ｋ及雽w的羅勇華說(shuō)。
根據不同的市場(chǎng)需求，攝像機供應商可為其IP攝像機選擇不同的處理內核。MCU、DSP、FPGA和ASIC等處理芯片都具有其自身的優(yōu)缺點(diǎn)。例如，入門(mén)級系統一般要求低成本、低功率壓縮技術(shù)，因此優(yōu)化的媒體處理器是首選。高端系統可能會(huì )加入視頻流的計算機分析能力，從而為用戶(hù)提供附加值。這種分析應用傾向于由靈活的高性能DSP實(shí)現，不過(guò)成本高和開(kāi)發(fā)周期較長(cháng)仍是DSP難以跨越的一道門(mén)檻。專(zhuān)用ASIC具有最佳的功率和性能，可滿(mǎn)足對成本敏感的大批量消費類(lèi)需求，但缺乏靈活性和可升級性。
Altera公司的Todd Scott則表示，FPGA是實(shí)現多數據流(DVR編解碼)最有效的技術(shù)。一塊FPGA芯片能夠對1至16路H.264標準清晰視頻流進(jìn)行編碼。對于家庭應用來(lái)說(shuō)，用于工業(yè)視頻監控DSP芯片不但過(guò)于昂貴，且用于分析的帶寬有限，一般只能處理4路甚至更少的視頻流。FPGA可以用于攝像頭編碼和分析，非常適合多攝像頭服務(wù)器和DVR的編解碼。此外，FPGA功能靈活，除了編解碼之外，還能夠完成各種分析任務(wù)。當產(chǎn)量上升時(shí)，FPGA可以轉換為HardCopy ASIC(Altera的結構化ASIC解決方案)，從而有效降低攝像頭或服務(wù)器/DVR的成本和功耗。
上海杰得微電子有限公司商務(wù)拓展經(jīng)理羅霖的觀(guān)點(diǎn)代表了另一種解決思路。他認為：“高集成度的雙核SoC將能夠勝任視頻監控的處理核心。其中一個(gè)核用于器件控制和管理，另一個(gè)核用作計算密集的視頻和音頻處理。這種芯片可以在提供高處理性能同時(shí)滿(mǎn)足對成本的限制，這在大規模部署的系統中非常重要?！?
“DSP SoC是最佳的候選方案，因為該器件可滿(mǎn)足IP攝像機對靈活編解碼能力的需求，以適應網(wǎng)絡(luò )帶寬的限制和變化?！毕D視鼎(C2 Microsystems)公司市場(chǎng)經(jīng)理劉明璋強調說(shuō)。希圖視鼎推出的CC1100采用可編程多處理器結合硬件加速引擎的SoC體系架構，其主CPU是主頻350MHz的超級標量RISC處理器，視頻編解碼工作由3個(gè)可編程但不同架構的子處理器分階段協(xié)同完成。這種創(chuàng )新的架構使CC1100能以較低的主頻來(lái)獲取足夠的視頻處理性能。
對于監控設備生產(chǎn)廠(chǎng)商來(lái)說(shuō)，如何在較低成本下實(shí)現一個(gè)復雜的產(chǎn)品是當前的主要挑戰之一，“用戶(hù)用來(lái)安裝IP家庭監控攝像機的時(shí)間應不超過(guò)10分鐘?！盡icron公司項目市場(chǎng)經(jīng)理Cliff Cheng說(shuō)道，“一種實(shí)現方式是通過(guò)uPNP(Universal Plug and Play，通用即插即用)接口達到設備間的無(wú)縫連接并簡(jiǎn)化家庭網(wǎng)絡(luò )實(shí)現?！倍鴮τ谙到y廠(chǎng)商而言，軟件設計的兼容性一直是開(kāi)發(fā)中的困難所在。深圳高斯貝爾家居智能電子有限公司項目總監張祖德表示，在開(kāi)發(fā)視頻監控系統時(shí)，須考慮不同平臺的操作系統、軟硬件之間的兼容性。他認為視頻監控系統的硬件實(shí)現基本已經(jīng)不存在問(wèn)題，但由于系統環(huán)境以及用戶(hù)安裝的軟件千變萬(wàn)化，給系統的兼容性造成了一定的困難，“這是我們未來(lái)需要重點(diǎn)解決的問(wèn)題”。 光控開(kāi)關(guān)相關(guān)文章:光控開(kāi)關(guān)原理 聲光控開(kāi)關(guān)相關(guān)文章:聲光控開(kāi)關(guān)原理
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