原创 智能家居

智能家居的基本功能包括智能家电控制、无线灯光控制、智能遥控电动窗帘、门禁控制、视频监控、防火防烟报警、煤气泄露探测、远程抄表等。就中国市场来说，从2000年提出智能家居概念到现在，智能家居产业取得了迅猛发展并日渐渗透到我们的日常生活中。一些高档的住宅小区已经配套了比较完善的智能家庭网络，并将“智能化”作为一个最大的卖点。我国自行研制开发的一些系统也已较为成熟并逐渐进入市场，如可视门禁系统、红外报警装置等。但是，在这一新兴领域，如何越过系统复杂性和成本较高这两道门槛，全面普及智能家居仍然是摆在设备制造厂商和系统厂商面前的一道难题。

本文将对当前我国市场最热点的无线灯光控制、门禁控制以及视频监控这三个部分进行剖析，探讨如何将最新的技术引入智能家居产品之中，打造出真正实用、易用、高性价比的智能家居系统。

图1：利用FPGA实现的视频监控系统示例。

IP视频监控是未来主流

传统家用模拟摄像机的局限之一是无法通过网络传输视频数据以实现实时远程监控。日前兴起的IP摄像机是应对该问题的有效解决方案，IP摄像机将来自图像传感器的信号进行数字化，然后通过Wi-Fi、ADSL、有线电视网或蜂窝通讯网络传输至手机或互联网上，这样用户就可以通过互联网随时随地对自己的家庭进行监控。“IP摄像机的独特之处在于远程观察和管理能力，它使得家庭监控不再是一种事后监控工具。"Micron公司项目市场经理Cliff Cheng强调，“一旦在被监控区域检测到动作，实时警报便可以通过SMS、电子邮件和电话发送给家庭成员。家庭成员可以从任何地点登陆来检查家中的状况。此外，在主动对家中状况进行监视的时间、内容和方式等方面，新的IP摄像机技术为终端用户提供了诸多功能。”

用户需求的不同使得对系统和设备的规格要求和技术要求各不相同，实现的成本也会有所区别。海思半导体数字媒体产品管理部营销经理罗勇华认为，低端家庭监控方案通常利用家中的ADSL线路，通过PC进行远程监控，这种方案对画面的分辨率和连续性要求较低，因此，低成本、可支持ADSL传输的IP摄像机就足以满足要求。另一方面，中高端方案对网络传输方式、画面分辨率、传输连续性等提出了更高要求，简单的视频传输不能满足客户的需求。此时需要选择能适应多网络传输方式(如Wi-Fi、ADSL、GPRS、CDMA、3G网络等)，可使传输的图像具备更高分辨率、更流畅，支持多种报警方式(如远程IE和手机短信等方式)以及简单人工智能功能的IP摄像机。

IP摄像机的主要组成元件包括用于捕获图像的图像传感器、进行视频压缩处理的DSP或ASIC、以及将视频数据传输至接入点的网络接口模块(例如Wi-Fi模块、ADSL调制解调器、蜂窝网络收发模块等)。随着CMOS传感器的图像质量和低光照性能已经达到(并有望超过)CCD传感器水平，安全监控市场正在开始步入CMOS传感器主导的时代。除了可支持优异的图像质量之外，图像传感器须经过严格的测试和质量保证流程，以确保传感器能够在较宽的温度范围和不同的光照环境下工作。摄像机制造商还需要进行性能和范围测试，从而保证即使在被其它家用电器连续干扰的情况下视频流质量也不会下降。Micron的200万像素、1/3.2英寸图像传感器MT9D131可支持远程监看时的电子倾斜、摇摄和完全内插的变焦功能，是针对高端家用市场的产品。

“不同光照情况和不同温度下的图像质量和性能、总材料成本、易于摄像机设计或安全系统的集成、终端用户的安全和操作，这些都是选择传感器时要考虑的重要因素。”OmniVision公司安全产品市场经理Jason Wang补充道。OmniVision专门针对安全市场的具有成本效率、高集成度的单芯片CMOS摄像机，能够在低光照环境下很好地工作，这对于安全监控市场来说是一个不可或缺的因素。与多芯片图像传感器解决方案有所不同，OmniVision的CameraChip解决方案无需任何额外的处理能力即可提供高品质静止帧和视频图像。通过OmniVision专有技术将相机功能整合到单芯片中，可以减小设计尺寸、减少工作量、降低成本并缩短上市时间。

图2：(a) Cypress无线USB芯片CYRF6936方框图；(b) 利用Cypress的PSoC和CYRF6936可实现无线灯光控制。

值得一提的是，Pixim公司基于数字像素系统(DPS)技术的视频监控摄像机在图像捕获和处理技术方面取得了极大的突破，它具有高灵敏性、超宽动态范围、高分辨率以及出色的色彩保真度。Pixim公司副总裁Todd E. Rockoff博士表示，DPS是唯一的直接以数字值表示光信号的图像捕获 系统。与之相反，CCD和CMOS传感器是以模拟值表示光信号，然后再将模拟值转换成数字值，存在着噪声大和输出时间长等缺点。“DPS不存在模拟读出噪声，非常适合于家庭IP监控应用，这是因为DPS可以为压缩解决方案提供最简单的输入。并且基于DPS的系统不会产生任何像素和数据包之间的模拟误差。”

虽然家庭监控属于成本敏感型应用，但消费者并不愿意牺牲任何视频质量，因而对视频信号的压缩和分析成为系统实现的关键因素。正如Altera消费、汽车及广播事业部资深总监Todd Scott所指出的，“目前家庭监控技术面临两大挑战：视频压缩和高级分析功能。它们都需要采用大量的数字信号处理以及复杂的算法来完成任务。”

网络带宽的限制促使IP视频监控系统要求能够进行有效的图像压缩。在低端摄像机中普遍采用的是MJPEG(Motion JPEG)，但随着MPEG4和H.264编解码器成本的不断下降，许多家用IP摄像机正转而采用这两种压缩方案，以获得更高的带宽利用率。“除了各种连接协议和硬件驱动，传输的关键是在同等质量下码流的高低，各种带宽下图像效果的实现。作为专门为网络传输而制定的H.264应是首选方案。”海思半导体的罗勇华说。

根据不同的市场需求，摄像机供应商可为其IP摄像机选择不同的处理内核。MCU、DSP、FPGA和ASIC等处理芯片都具有其自身的优缺点。例如，入门级系统一般要求低成本、低功率压缩技术，因此优化的媒体处理器是首选。高端系统可能会加入视频流的计算机分析能力，从而为用户提供附加值。这种分析应用倾向于由灵活的高性能DSP实现，不过成本高和开发周期较长仍是DSP难以跨越的一道门槛。专用ASIC具有最佳的功率和性能，可满足对成本敏感的大批量消费类需求，但缺乏灵活性和可升级性。

德州仪器针对视频监控应用推出的DSP TMS320DM647和TMS320DM648是基于全新达芬奇(DaVinci)技术。达芬奇技术使视频监控应用获得系统性能的双倍提升并降低成本，可编程架构为支持双流媒体、视频分析、定制的编解码器与全新压缩标准等高度差异化功能提供了框架，可帮助客户推出差异化的视频系统。这两款产品建立在TI TMS320C64x+ DSP内核基础上，为基于TMS320DM642的现有视频处理应用提供了无缝移植路径，其高性能有助于实现出色的通道密度与智能视频分析/处理功能，并使视频系统材料清单(BOM)成本降低了40美元。

Altera公司的Todd Scott则表示，FPGA是实现多数据流(DVR编解码)最有效的技术。一块FPGA芯片能够对1至16路H.264标准清晰视频流进行编码。对于家庭应用来说，用于工业视频监控DSP芯片不但过于昂贵，且用于分析的带宽有限，一般只能处理4路甚至更少的视频流。FPGA可以用于摄像头编码和分析，非常适合多摄像头服务器和DVR的编解码。此外，FPGA功能灵活，除了编解码之外，还能够完成各种分析任务。当产量上升时，FPGA可以转换为HardCopy ASIC(Altera的结构化ASIC解决方案)，从而有效降低摄像头或服务器/DVR的成本和功耗。

上海杰得微电子有限公司商务拓展经理罗霖的观点代表了另一种解决思路。他认为：“高集成度的双核SoC将能够胜任视频监控的处理核心。其中一个核用于器件控制和管理，另一个核用作计算密集的视频和音频处理。这种芯片可以在提供高处理性能同时满足对成本的限制，这在大规模部署的系统中非常重要。”

“DSP SoC是最佳的候选方案，因为该器件可满足IP摄像机对灵活编解码能力的需求，以适应网络带宽的限制和变化。”希图视鼎(C2 Microsystems)公司市场经理刘明璋强调说。希图视鼎推出的CC1100采用可编程多处理器结合硬件加速引擎的SoC体系架构，其主CPU是主频350MHz的超级标量RISC处理器，视频编解码工作由3个可编程但不同架构的子处理器分阶段协同完成。这种创新的架构使CC1100能以较低的主频来获取足够的视频处理性能。

对于监控设备生产厂商来说，如何在较低成本下实现一个复杂的产品是当前的主要挑战之一，“用户用来安装IP家庭监控摄像机的时间应不超过10分钟。”Micron公司项目市场经理Cliff Cheng说道，“一种实现方式是通过uPNP(Universal Plug and Play，通用即插即用)接口达到设备间的无缝连接并简化家庭网络实现。”而对于系统厂商而言，软件设计的兼容性一直是开发中的困难所在。深圳高斯贝尔家居智能电子有限公司项目总监张祖德表示，在开发视频监控系统时，须考虑不同平台的操作系统、软硬件之间的兼容性。他认为视频监控系统的硬件实现基本已经不存在问题，但由于系统环境以及用户安装的软件千变万化，给系统的兼容性造成了一定的困难，“这是我们未来需要重点解决的问题”。

无线灯光控制：ZigBee最受青睐

虽然目前市场上已有大量可用于家庭灯光控制的无线技术，包括IrDA、蓝牙、ZigBee、Z-Wave、无线USB等等，但根据目标应用对成本、功耗、复杂程度、可靠性、功能等要求的不同，上述各种方案分别有其最适合的市场。飞思卡尔无线及移动系统部市场经理邝景亮坦言，IrDA和一些专有无线解决方案正主导着低端市场。但这些方案的功能十分有限，主要的缺点体现在产品的可扩展性、操作范围、由于意外干扰导致的工作不稳定以及只能单向操作等。另一方面，中端和高端市场正在寻求能够解决以上问题的通用型无线系统，专有的系统解决方案将被淘汰。而在蓝牙、ZigBee、Z-Wave、WLAN等备选方案中，虽然蓝牙和无线USB已经拥有广泛的市场接受度，但由于高功耗、低网络性能以及高系统成本等因素，使得这两种技术并不适合家庭无线控制。

“ZigBee是智能家庭无线灯光控制系统中最有前途的解决方案”。Ember公司亚太区营销总监Paul Covell指出。他认为，首先，ZigBee便于部署。与其它大多数无线技术不同的是，ZigBee可以将照明传感器、设备和控制功能自组织到可自动配置和自我修复的无线网状网络中。其次，相对蓝牙和无线USB等需要大量功率的技术，ZigBee具有节能的优势，利用电池供电就能让ZigBee设备工作数年。ZigBee网络中的传感器、照明开关等电池供电的终端设备在大部分时间都处于睡眠状态，在激活时或定期的状态更新时被唤醒。第三，ZigBee是一个开放的全球性无线标准，并得到超过225家OEM、芯片制造商和技术提供商的支持。最后，ZigBee具有比其它无线方案更高的可扩展性和可靠性。ZigBee是为升级到支持多达65,000个设备的大型网络而设计的。在网状网络中，设备在没有单点故障的情况下实现相互通信，如果一条通路出现断开的链路，则会自动发现并使用新的通路，而不停止系统工作。这种长期可靠性对于许多期望使用寿命达数十年的灯光控制系统而言至关重要。

Jennic公司应用工程副总裁Paul Chilton则强调，应将互操作性视为智能家庭的关键特性。智能家居的一个卖点应是所有的应用都能相互通信，从而提供协同效应。例如，如果用户家中安装了运动检测器，那么除执行安全任务之外，用户还希望这些设备能发送一个信息给家中的灯光系统，通知系统在某段时间房间内没有人，以便关灯。作为一个开放式的全球标准，ZigBee已基本消除了互操作性的障碍。此外，随着节点密度的提高，网状网络的可靠性也将越来越高。Jennic解决方案的独特优势在于可以提供包含32位RISC内核和2.4GHz收发器的单芯片无线微控制器。32位处理器为开发工程师提供了在ZigBee或IEEE802.15.4堆栈之上运行复杂应用所需的灵活性。

尽管ZigBee技术得到了业界的广泛支持，但作为其在家庭控制领域的有力竞争者，Z-Wave技术的发展势头也不容小觑。Zensys公司亚太区总监王俞乔表示，Z-Wave提供的是一种真正的网状网解决方案，该方案允许不同供应商的产品进行互操作。目前市面上已有多种Z-Wave产品推出，还有更多的商用产品很快就将面市。Z-Wave开发包还提供了一个完全的开发平台以便用户简化应用软件的开发。用户所需的学习时间短，可以在几个月内开发出产品并推向市场。

利用无绳DECT技术来实现灯光控制是TI的创新解决方案，这是因为无绳DECT技术具有成熟、便宜及易用等多个优点。DECT控制系统与传统家庭控制系统的不同之处在于，它可以与2.5G/3G网络连接，因此用户可以在出差、办公室等户外场合通过手机对家中的灯光设备进行控制。

当选择无线灯光系统的控制芯片时，MCU得到了包括飞思卡尔、Atmel、富士通微电子、Microchip、Silicon Labs在内的众多厂商的一致认同。不过，采用8位、16位还是32位MCU架构需取决于价格、功耗以及运行在网络协议栈之上的应用。富士通微电子公司的产品经理丁洁早指出，如果采用ZigBee技术来设计智能家庭的控制应用，那么从成本和资源来衡量，8位MCU已经足够。4位MCU由于其内部资源不够，无法承载ZigBee的控制协议。而16位MCU成本相对较高，难以成为主流选择。富士通微电子推出业内首个面向简单应用的802.15.4/ZigBee无线开发套件WiLeKit。该套件基于富士通微电子出色的低功耗8位微控制器MB95F108A，采用特别设计的简单网络控制协议，客户无需支付昂贵的认证费用，就可以为他们的现有产品上快速增加高可靠性的ZigBee无线控制功能。

Microchip的一款IEEE802.15.4无线收发器芯片MRF24J40可用于ZigBee认证的产品中。除了硅芯片，Microchip还提供了一个针对PIC微控制器优化的ZigBee协议栈。此外，Microchip提供了另一个IEEE802.15.4协议栈，被称为MiWi协议。该协议栈比ZigBee协议栈大约小70%。MiWi协议有望被用于对成本敏感的应用中，这类应用无需ZigBee协议提供的互操作性。

意法半导体低数据速率网络技术市场经理Olivier Rouy则认为，16位或32位MCU更有望成为ZigBee SoC的标准内核，其原因是同时管理ZigBee网络(安全、路由)和灯光应用本身需要一定的计算能力。8位MCU唯一可以应用的地方是最基本的开关(无需路由功能)，此时对ZigBee栈的要求不是很高。但是这类设备将无法从ZigBee网状网络的灵活性中获益。

Atmel公司AVR RF产品市场总监Magnus Pedersen的观点是，带有高效软件堆栈的标准闪存8位MCU非常适合无线灯控应用，而且不会增加不必要的系统设计成本。这种8位解决方案可以降低材料清单成本，并减小耗电量，提供高功效解决方案。AVR Z-Link解决方案包括了Atmel的多种AVR微控制器和符合IEEE802.15.4/ZigBee规范的RF器件，可提供出色的灵活性。目前客户可根据应用要求选用带有4Kb到256Kb闪存的微控制器，使设备的成本符合其特定需求。

不过，Cypress公司的无线USB芯片CYRF6936为无线控制方案指明了另一种解决思路。CYRF6936芯片的优点包括：在2.4GHz频段具有抗干扰能力、低功耗，具有集成的组件以及加速产品上市的软硬件工具。组件集成功能有助于简化工程设计、减小BOM，简化库存管理等。同时选用PSoC作为控制处理器，这款动态可配置的器件集成了模拟和数字组件，是一种极具灵活性的解决方案。Cypress还提供了易于使用的工具和集成开发环境(IDE)，以及无需编写代码的PSoC Express设计工具。Cypress高级产品市场工程师Leon Tan表示，“通过结合使用CYRF6936与PSoC，可获得PSoC的可编程能力和无线控制的自由性。”

门禁：数字键盘输入控制方式将率先流行

近年来门禁控制技术取得了长足的进步，作为一种新型的现代化安全管理系统，门禁控制系统已被大量用于家庭环境，并且随着技术的不断进步，系统的类型也日渐丰富，出现了从磁条卡、智能卡、数字键盘到生物特征识别等一系列多元化的产品。数字键盘通过检验输入密码是否正确来判断出入权限，其成本较低，缺点是密码容易泄露，安全性能不高。智能卡相对来说则难以被复制，开门方便安全，并可实现双向控制，但出入时必须携带卡片将造成一定的麻烦。

“在高安全性能比成本更重要的门禁应用中，指纹、脸型和虹膜识别将成为主流。在对成本更加敏感的应用中，智能卡和数字键盘更有发展空间。”Silicon Labs MCU市场总监Ross Bannatyne指出，“不过，以上所有选择的成本都将随着技术的发展而降低，并且尺寸更小，功能更强。”

楚亚(Atrua)电子技术副总裁、总经理邱伦纪博士对此也有认同，他认为数字键盘输入既便宜又较为可靠，因此有可能在低端市场中最流行。而指纹识别将在中端和高端市场中占据主导地位。邱伦纪解释道，给一个设备增加指纹功能的成本包括指纹阅读器以及嵌入式微控制器。阅读器的成本及其需要的计算资源都已降价，这使得它们对于中端市场极具吸引力。另一个原因是，面部识别和眼睛识别系统的部署成本最高，但是这些识别技术不会给用户带来任何相对指纹识别的精确性优势，使用起来也不如指纹识别方便。

控制器是门禁系统的核心部分，其功能相当于计算机的CPU，负责整个系统的输入、输出信息的处理和储存、控制等。它验证门禁读卡器输入信息的可靠性，并根据规则判断其有效性，如果信息有效则对执行部件发出信号。因此，门禁控制器性能的好坏直接影响着系统的可靠性。

Atrua的邱伦纪称，16/32位MCU是最适合的控制和处理内核，特别是基于ARM架构的产品，因为这种架构广受供应商的支持，且具有高功效特性。MCU的灵活性也很高，而且与DSP相比具有成本优势。他认为ASIC和FPGA在门禁控制中几乎没有用武之地，任何需要特别与ASIC搭配的解决方案都没有成本竞争优势，这是因为其数量无法与目前更流行的MCU相竞争。Atrua推出的全球最小的指纹传感器将过流保护等电路集成到硅片中，降低了BOM材料成本。其自适应电容技术具有最高精确度，可确保理想的用户体验。基于标准的解决方案更是确保了供应商互操作性和未来的升级途径。

“但从降低成本的角度来考虑，高速8位MCU就已足够满足需求。”台湾福华先进微电子公司(FameG)产品经理陈圣泓表示，“FameG已推出高达160MHz的超高速8位MCU产品，在对运算机制进行优化后，利用超高速8位MCU产品即可完成系统设计。”Silicon Labs提供的8位MCU平台同样可实现各种安全应用，这是因为其处于业界领先地位的高性能8051内核具有100MIPS的处理性能。此外，集成的高性能模拟性能也降低了客户的成本。

Silicon Labs的MCU市场总监Ross Bannatyne表示，在设计一个嵌入式系统时，工程师重点考虑的事项包括易于使用的工具以及系统的整体成本。对于这些日益普遍的应用必须便于客户设计，以便客户能将精力集中在其专有技术上。当然，成本也是一个重要因素，虽然门禁控制技术的成本已经大幅降低，但进一步降低系统成本将有利于安全系统得到更广泛的采用。此外还应考虑的是产品是否易于实现。利用Silicon Labs和Cypress提供的混合信号MCU可以实现低成本目标，混合器件中集成了放大、ADC、DAC等模拟元件，因此客户无需再采用多个外围模拟元件来设计复杂的电路板。通过将高性能模拟器件和高性能CPU集成，可以简化设计，同时不会有性能上的损失，并且客户无需采用更昂贵的架构来延长8位设计的寿命。

作者：Nicole Chen

高级助理编辑

《电子系统设计》