智能家居:數字視頻監控 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在，智能家居產業取得了迅猛發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配套了比較完善的智能家庭網絡，并將“智能化”作為一個最大的賣點。我國自行研制開發的一些系統也已較為成熟并逐漸進入市場，如可視門禁系統、紅外報警裝置等。但是，在這一新興領域，如何越過系統復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備制造廠商和系統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控這三個部分進行剖析，探討如何將最新的技術引入智能家居產品之中，打造出真正實用、易用、高性價比的智能家居系統。
IP視頻監控是未來主流
傳統家用模擬攝像機的局限之一是無法通過網絡傳輸視頻數據以實現實時遠程監控。日前興起的IP攝像機是應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字化，然后通過Wi-Fi、ADSL、有線電視網或蜂窩通訊網絡傳輸至手機或互聯網上，這樣用戶就可以通過互聯網隨時隨地對自己的家庭進行監控。“IP攝像機的獨特之處在于遠程觀察和管理能力，它使得家庭監控不再是一種事后監控工具。"Micron公司項目市場經理Cliff Cheng強調，“一旦在被監控區域檢測到動作，實時警報便可以通過SMS、電子郵件和電話發送給家庭成員。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視的時間、內容和方式等方面，新的IP攝像機技術為終端用戶提供了諸多功能。”
用戶需求的不同使得對系統和設備的規格要求和技術要求各不相同，實現的成本也會有所區別。海思半導體數字媒體產品管理部營銷經理羅勇華認為，低端家庭監控方案通常利用家中的ADSL線路，通過PC進行遠程監控，這種方案對畫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攝像機就足以滿足要求。另一方面，中高端方案對網絡傳輸方式、畫面分辨率、傳輸連續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多網絡傳輸方式(如Wi-Fi、ADSL、GPRS、CDMA、3G網絡等)，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、以及將視頻數據傳輸至接入點的網絡接口模塊(例如Wi-Fi模塊、ADSL調制解調器、蜂窩網絡收發模塊等)。隨著CMOS傳感器的圖像質量和低光照性能已經達到(并有望超過)CCD傳感器水平，安全監控市場正在開始步入CMOS傳感器主導的時代。除了可支持優異的圖像質量之外，圖像傳感器須經過嚴格的測試和質量保證流程，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干擾的情況下視頻流質量也不會下降。Micron的200萬像素、1/3.2英寸圖像傳感器MT9D131可支持遠程監看時的電子傾斜、搖攝和完全內插的變焦功能，是針對高端家用市場的產品。
“不同光照情況和不同溫度下的圖像質量和性能、總材料成本、易于攝像機設計或安全系統的集成、終端用戶的安全和操作，這些都是選擇傳感器時要考慮的重要因素。”OmniVision公司安全產品市場經理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，能夠在低光照環境下很好地工作，這對于安全監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靜止幀和視頻圖像。通過OmniVision專有技術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間。
值得一提的是，Pixim公司基于數字像素系統(DPS)技術的視頻監控攝像機在圖像捕獲和處理技術方面取得了極大的突破，它具有高靈敏性、超寬動態范圍、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，存在著噪聲大和輸出時間長等缺點。“DPS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單的輸入。并且基于DPS的系統不會產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量，因而對視頻信號的壓縮和分析成為系統實現的關鍵因素。正如Altera消費、汽車及廣播事業部資深總監Todd Scott所指出的，“目前家庭監控技術面臨兩大挑戰：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完成任務。”
網絡帶寬的限制促使IP視頻監控系統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攝像機正轉而采用這兩種壓縮方案，以獲得更高的帶寬利用率。“除了各種連接協議和硬件驅動，傳輸的關鍵是在同等質量下碼流的高低，各種帶寬下圖像效果的實現。作為專門為網絡傳輸而制定的H.264應是首選方案。”海思半導體的羅勇華說。
根據不同的市場需求，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缺點。例如，入門級系統一般要求低成本、低功率壓縮技術，因此優化的媒體處理器是首選。高端系統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。這種分析應用傾向于由靈活的高性能DSP實現，不過成本高和開發周期較長仍是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，FPGA是實現多數據流(DVR編解碼)最有效的技術。一塊FPGA芯片能夠對1至16路H.264標準清晰視頻流進行編碼。對于家庭應用來說，用于工業視頻監控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。當產量上升時，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器/DVR的成本和功耗。
上海杰得微電子有限公司商務拓展經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，因為該器件可滿足IP攝像機對靈活編解碼能力的需求，以適應網絡帶寬的限制和變化。”希圖視鼎(C2 Microsystems)公司市場經理劉明璋強調說。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個可編程但不同架構的子處理器分階段協同完成。這種創新的架構使CC1100能以較低的主頻來獲取足夠的視頻處理性能。
對于監控設備生產廠商來說，如何在較低成本下實現一個復雜的產品是當前的主要挑戰之一，“用戶用來安裝IP家庭監控攝像機的時間應不超過10分鐘。”Micron公司項目市場經理Cliff Cheng說道，“一種實現方式是通過uPNP(Universal Plug and Play，通用即插即用)接口達到設備間的無縫連接并簡化家庭網絡實現。”而對于系統廠商而言，軟件設計的兼容性一直是開發中的困難所在。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，在開發視頻監控系統時，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現基本已經不存在問題，但由于系統環境以及用戶安裝的軟件千變萬化，給系統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”。 光控開關相關文章:光控開關原理 聲光控開關相關文章:聲光控開關原理
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