智能家居:數(shù)字視頻監(jiān)控 門禁和燈光控制
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智能家居的基本功能包括智能家電控制、無線燈光控制、智能遙控電動窗簾、門禁控制、視頻監(jiān)控、防火防煙報警、煤氣泄露探測、遠程抄表等。就中國市場來說，從2000年提出智能家居概念到現(xiàn)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(qū)已經(jīng)配套了比較完善的智能家庭網(wǎng)絡(luò)，并將“智能化”作為一個最大的賣點。我國自行研制開發(fā)的一些系統(tǒng)也已較為成熟并逐漸進入市場，如可視門禁系統(tǒng)、紅外報警裝置等。但是，在這一新興領(lǐng)域，如何越過系統(tǒng)復(fù)雜性和成本較高這兩道門檻，全面普及智能家居仍然是擺在設(shè)備制造廠商和系統(tǒng)廠商面前的一道難題。
本文將對當前我國市場最熱點的無線燈光控制、門禁控制以及視頻監(jiān)控這三個部分進行剖析，探討如何將最新的技術(shù)引入智能家居產(chǎn)品之中，打造出真正實用、易用、高性價比的智能家居系統(tǒng)。
IP視頻監(jiān)控是未來主流
傳統(tǒng)家用模擬攝像機的局限之一是無法通過網(wǎng)絡(luò)傳輸視頻數(shù)據(jù)以實現(xiàn)實時遠程監(jiān)控。日前興起的IP攝像機是應(yīng)對該問題的有效解決方案，IP攝像機將來自圖像傳感器的信號進行數(shù)字化，然后通過Wi-Fi、ADSL、有線電視網(wǎng)或蜂窩通訊網(wǎng)絡(luò)傳輸至手機或互聯(lián)網(wǎng)上，這樣用戶就可以通過互聯(lián)網(wǎng)隨時隨地對自己的家庭進行監(jiān)控。“IP攝像機的獨特之處在于遠程觀察和管理能力，它使得家庭監(jiān)控不再是一種事后監(jiān)控工具。"Micron公司項目市場經(jīng)理Cliff Cheng強調(diào)，“一旦在被監(jiān)控區(qū)域檢測到動作，實時警報便可以通過SMS、電子郵件和電話發(fā)送給家庭成員。家庭成員可以從任何地點登陸來檢查家中的狀況。此外，在主動對家中狀況進行監(jiān)視的時間、內(nèi)容和方式等方面，新的IP攝像機技術(shù)為終端用戶提供了諸多功能?！?
用戶需求的不同使得對系統(tǒng)和設(shè)備的規(guī)格要求和技術(shù)要求各不相同，實現(xiàn)的成本也會有所區(qū)別。海思半導(dǎo)體數(shù)字媒體產(chǎn)品管理部營銷經(jīng)理羅勇華認為，低端家庭監(jiān)控方案通常利用家中的ADSL線路，通過PC進行遠程監(jiān)控，這種方案對畫面的分辨率和連續(xù)性要求較低，因此，低成本、可支持ADSL傳輸?shù)腎P攝像機就足以滿足要求。另一方面，中高端方案對網(wǎng)絡(luò)傳輸方式、畫面分辨率、傳輸連續(xù)性等提出了更高要求，簡單的視頻傳輸不能滿足客戶的需求。此時需要選擇能適應(yīng)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?shù)膱D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、進行視頻壓縮處理的DSP或ASIC、以及將視頻數(shù)據(jù)傳輸至接入點的網(wǎng)絡(luò)接口模塊(例如Wi-Fi模塊、ADSL調(diào)制解調(diào)器、蜂窩網(wǎng)絡(luò)收發(fā)模塊等)。隨著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)CCD傳感器水平，安全監(jiān)控市場正在開始步入CMOS傳感器主導(dǎo)的時代。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行性能和范圍測試，從而保證即使在被其它家用電器連續(xù)干擾的情況下視頻流質(zhì)量也不會下降。Micron的200萬像素、1/3.2英寸圖像傳感器MT9D131可支持遠程監(jiān)看時的電子傾斜、搖攝和完全內(nèi)插的變焦功能，是針對高端家用市場的產(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(shè)計或安全系統(tǒng)的集成、終端用戶的安全和操作，這些都是選擇傳感器時要考慮的重要因素?！監(jiān)mniVision公司安全產(chǎn)品市場經(jīng)理Jason Wang補充道。OmniVision專門針對安全市場的具有成本效率、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(jiān)控市場來說是一個不可或缺的因素。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OmniVision專有技術(shù)將相機功能整合到單芯片中，可以減小設(shè)計尺寸、減少工作量、降低成本并縮短上市時間。
值得一提的是，Pixim公司基于數(shù)字像素系統(tǒng)(DPS)技術(shù)的視頻監(jiān)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(shù)字值表示光信號的圖像捕獲 系統(tǒng)。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(zhuǎn)換成數(shù)字值，存在著噪聲大和輸出時間長等缺點?！癉PS不存在模擬讀出噪聲，非常適合于家庭IP監(jiān)控應(yīng)用，這是因為DPS可以為壓縮解決方案提供最簡單的輸入。并且基于DPS的系統(tǒng)不會產(chǎn)生任何像素和數(shù)據(jù)包之間的模擬誤差?！?
雖然家庭監(jiān)控屬于成本敏感型應(yīng)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(tǒng)實現(xiàn)的關(guān)鍵因素。正如Altera消費、汽車及廣播事業(yè)部資深總監(jiān)Todd Scott所指出的，“目前家庭監(jiān)控技術(shù)面臨兩大挑戰(zhàn)：視頻壓縮和高級分析功能。它們都需要采用大量的數(shù)字信號處理以及復(fù)雜的算法來完成任務(wù)?！?
網(wǎng)絡(luò)帶寬的限制促使IP視頻監(jiān)控系統(tǒng)要求能夠進行有效的圖像壓縮。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(zhuǎn)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(qū)動，傳輸?shù)年P(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現(xiàn)。作為專門為網(wǎng)絡(luò)傳輸而制定的H.264應(yīng)是首選方案?！焙Ｋ及雽?dǎo)體的羅勇華說。
根據(jù)不同的市場需求，攝像機供應(yīng)商可為其IP攝像機選擇不同的處理內(nèi)核。MCU、DSP、FPGA和ASIC等處理芯片都具有其自身的優(yōu)缺點。例如，入門級系統(tǒng)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(tǒng)可能會加入視頻流的計算機分析能力，從而為用戶提供附加值。這種分析應(yīng)用傾向于由靈活的高性能DSP實現(xiàn)，不過成本高和開發(fā)周期較長仍是DSP難以跨越的一道門檻。專用ASIC具有最佳的功率和性能，可滿足對成本敏感的大批量消費類需求，但缺乏靈活性和可升級性。
Altera公司的Todd Scott則表示，F(xiàn)PGA是實現(xiàn)多數(shù)據(jù)流(DVR編解碼)最有效的技術(shù)。一塊FPGA芯片能夠?qū)?至16路H.264標準清晰視頻流進行編碼。對于家庭應(yīng)用來說，用于工業(yè)視頻監(jiān)控DSP芯片不但過于昂貴，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，F(xiàn)PGA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，F(xiàn)PGA可以轉(zhuǎn)換為HardCopy ASIC(Altera的結(jié)構(gòu)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)理羅霖的觀點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(jiān)控的處理核心。其中一個核用于器件控制和管理，另一個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滿足對成本的限制，這在大規(guī)模部署的系統(tǒng)中非常重要?！?
“DSP SoC是最佳的候選方案，因為該器件可滿足IP攝像機對靈活編解碼能力的需求，以適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)帶寬的限制和變化?！毕D視鼎(C2 Microsystems)公司市場經(jīng)理劉明璋強調(diào)說。希圖視鼎推出的CC1100采用可編程多處理器結(jié)合硬件加速引擎的SoC體系架構(gòu)，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個可編程但不同架構(gòu)的子處理器分階段協(xié)同完成。這種創(chuàng)新的架構(gòu)使CC1100能以較低的主頻來獲取足夠的視頻處理性能。
對于監(jiān)控設(shè)備生產(chǎn)廠商來說，如何在較低成本下實現(xiàn)一個復(fù)雜的產(chǎn)品是當前的主要挑戰(zhàn)之一，“用戶用來安裝IP家庭監(jiān)控攝像機的時間應(yīng)不超過10分鐘?！盡icron公司項目市場經(jīng)理Cliff Cheng說道，“一種實現(xiàn)方式是通過uPNP(Universal Plug and Play，通用即插即用)接口達到設(shè)備間的無縫連接并簡化家庭網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)。”而對于系統(tǒng)廠商而言，軟件設(shè)計的兼容性一直是開發(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(jiān)張祖德表示，在開發(fā)視頻監(jiān)控系統(tǒng)時，須考慮不同平臺的操作系統(tǒng)、軟硬件之間的兼容性。他認為視頻監(jiān)控系統(tǒng)的硬件實現(xiàn)基本已經(jīng)不存在問題，但由于系統(tǒng)環(huán)境以及用戶安裝的軟件千變?nèi)f化，給系統(tǒng)的兼容性造成了一定的困難，“這是我們未來需要重點解決的問題”。 光控開關(guān)相關(guān)文章:光控開關(guān)原理 聲光控開關(guān)相關(guān)文章:聲光控開關(guān)原理
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