借助最新的音频/视频处理器和无线通信技术，门铃正在从具有百年历史的电子音乐门铃转变为完全与云连接的一线安全系统。

这些变化给系统集成商和嵌入式设计人员带来了挑战，即如何将运动警报、视频分析、双向音频通信、降噪和云连接等功率密集型处理功能整合到一个紧凑型（有时是电池）中供电），可靠且易于使用的封装。家庭自动化和家庭安全技术已经从小众奢侈品转变为大多数家庭都能使用的可行解决方案。同时，用于工业自动化、办公安全和安保系统的成像系统也在不断发展，现在包括更先进的网络监控功能。

视频门铃是最近进入该市场并受益于云连接安全摄像头的参与者之一。随着越来越多的房主和租房者计划控制他们的个人安全，或者想要监控越来越多的包裹递送从他们的前门，可视门铃已经起飞并稳步增长，具有越来越多的功能。这一趋势符合工业部门对更低成本和更复杂的视频/音频安全和监控系统的需求。

当今的视频门铃功能包括具有机器学习功能的高级视频处理、云连接和无线通信、以太网供电 (PoE)、备用电池、高级音频通信和增强的环境感应以及运动检测。将所有这些功能集成到只有几英寸宽的防风雨电子封装中，设计工程师面临的挑战不仅是要集成这些功能，还要为下一代升级性能和附加功能留出空间。

可视门铃的技术发展

具有集中式视频和音频功能的门铃和门禁安全系统已经存在了几十年。这些产品通常用于大型公寓楼、办公室和高档住宅，并依靠闭路电视和人眼观察。然而，随着视频/音频门铃进入消费市场，简单的铃声、单向视频和双向音频对于精通互联网的家庭自动化爱好者来说已经不够了。

工业设施还需要更安全、更有效的方法来监控和识别潜在威胁或安全漏洞。这一要求推动了视频门铃中包含视频处理功能，使门铃能够识别人类、生成区域警报并根据视觉证据生成自动响应。

多个视频门铃还可用作 24/7 全天候安全摄像头或提供类似的捕获、存储和分析功能。

非常简单的视频处理技术可以检测非静态对象，但更复杂和有用的视频处理需要先进的机器学习算法。这些 AI 系统通常在各种测试用例上进行训练，但有些训练需要持续使用来自云连接摄像头的信息。因此，通常需要微控制器 (MCU) 或更高级别的微处理器 (MPU) 来实现边缘处理并确定与云端通信的信息。

云连接

设计支持云的可视门铃有两个很好的理由：小尺寸限制了处理能力和存储空间；社区防御组织受益于连接的门铃应用程序。消费者已经爱上了随时随地观看门铃视频并根据视频片段进行实时响应的能力。

对于个人/社区安全（或只是确认收到包裹），支持云连接可实现丰富的用户功能，同时制造商提供无线更新并访问有价值的使用统计数据和信息。但是无线可视门铃，添加云连接需要互联网访问技术（硬连线以太网或 Wi-Fi®）。支持 Wi-Fi 的可视门铃正变得越来越普遍，因为大多数连接门铃的家庭只有某种类型的交流电源，没有以太网或其他通信线路。

无线通信

对于简单的音频应用，® 和® 等常见无线标准具有支持纯音频门铃所需的带宽。然而，对于视频数据传输来说，Wi-Fi 是最方便、最常用的无线标准。如果新家的开发商专注于家庭自动化技术，那么这样的家可能配备以太网连接：硬接线前门始终是一种选择。鉴于出租的房屋和公寓数量众多，租户更有可能选择支持 Wi-Fi 的门铃进行无损安装。但是，Wi-Fi 门铃还需要一个 Wi-Fi 路由器系统，以确保安装了可视门铃的每扇门都能可靠地接收信号。

以太网供电

对于愿意进行一些小装修以支持最新智能家居技术的新房和用户，以太网供电 (PoE) 可确保单线安装，从而实现相对高性能的可视门铃。许多最新的可视门铃超过了典型（或磨损）门铃变压器的功率输出能力，可能需要升级，包括运行新的交流接线。使用 PoE，可视门铃受益于稳健可靠的硬连线通信和高达 100W 的功率（由电气和电子工程师协会 (IEEE) 802.3bt 标准，2018 年 9 月定义）。利用 PoE 可以提供动态电源，而无需担心 AC/DC 电源解决方案的电流限制。

电池电源和备用电池

由于许多家庭和公寓根本没有门铃接线，许多潜在的可视门铃客户可能无法为电源和互联网连接添加外部接线。此外，大多数可视门铃所有者希望停电、断电或故意破坏等问题不会导致其家庭安全系统的最新扩展无法使用。因此，依赖电池供电的可视门铃（或者至少是包含大容量备用电池的门铃）也在市场上占有一席之地。电池用于有源电源系统和完整的 Wi-Fi 系统，其中智能充电和无缝电源转换/补充电源是提供备用电源和满足电池寿命预期的重要要求。

高级音频技术

除了视频功能，音频功能是可视门铃的另一项主要技术。甚至还有与之竞争的门铃技术，它提供了没有视频的音频功能。双向音频、音频触发事件和音频方向感应在大多数可视门铃中都很常见。虽然双向音频需要最少的扬声器和麦克风，但音频触发事件和音频方向感应需要额外的音频处理技术，并且通常需要额外的麦克风。音频事件触发器和双向音频通常使用数字信号处理器或编解码器中的算法来实现。编码后的音频数据通常传送到应用程序或云存储。

运动检测和环境监测

可视门铃的主要功能之一是检测运动的能力。虽然许多视频门铃仅依赖于基于图像处理的运动跟踪，但各种其他方法也有助于运动检测并有助于消除误报。这些技术包括一种成本相对较低且简单的方法，称为被动红外 (PIR) 检测器。 PIR 探测器常见于用于安全照明的运动检测灯中；但是，这种方法仅限于有温度的物体，例如人类和大型动物。为避免误报，PIR 传感器通常与其他传感器配对。

除了视觉和听觉传感器之外，各种其他环境传感器和功能有助于根据外部条件提高可视门铃性能。例如，环境光传感器有助于图像处理算法根据外部光正确调整视频曝光。其他常见的传感器包括外部和内部温度传感器、用于监测充电和放电热变化的电池温度传感器，以及用于指示篡改或盗窃的其他传感器。防盗或防篡改传感器包括振动、冲击和接近传感器，或连接到外壳关键组件的简单开关。电源管理电路还可以监控电流和电压，以确定电能质量以及是否启用备用电池。此外，各种内部故障传感器可监控关键电路组件的正常运行，以便进行故障排除和维修。

可视门铃技术的主要挑战

与电子设计一样，每个附加功能通常都会加剧其设计挑战并增加额外的电路。视频门铃当然就是这种情况，它通常也受到功率、空间、处理能力和成本的限制，这给设计工程师在硬件、软件和云资源的正确组合上进行创新提出了进一步的挑战。

门铃主要由8V-24V变压器供电（额定5VA-30VA）。随着PoE技术的引入，最新的IEEE标准支持高达71W的功率输出，因此可以满足更高的可视门铃功率要求。为了使前端功率级能够应对传统的变压器电源方案以及 PoE 方案，需要创新的电源架构来确保在宽输入电压范围内运行并在轻负载条件下保持 PSE 控制器链路。

可视门铃的尺寸、功率预算和热管理能力在很大程度上限制了可实现的处理能力。由于功能的复杂性，包括音频和视频处理，MCU或MPU在需要时必须具有足够的处理能力，并且在关闭状态下功耗最小。最高处理负载会导致 MCU 产生大量热量，但设备仍需要在极端温度条件下正常运行。因此，设计人员还必须考虑处理能力、热负载、环境温度和热管理的平衡。

在不增加处理能力的情况下增强可视门铃功能的另一种方法是将处理能力卸载到云服务并流式传输音频和视频数据。但是，这种方法需要能够单向连续传输的高度可靠的通信基础设施。

可视门铃支持以太网连接的还是比较少见的；因此，Wi-Fi 可以用作备用连接解决方​​案。然而，实现可靠的无线连接以支持高质量视频和音频流所需的带宽并不容易，尤其是在考虑功率限制和门铃放置时。室外安装将门铃暴露在恶劣的环境中，并为高速流媒体带来真正的问题。

无线门铃的紧凑外形也限制了天线设计的空间和增益。由于消费者对门铃的安装位置几乎没有选择，而且大多数 Wi-Fi 路由器安装人员可能不会将门口视为 Wi-Fi 的主要位置，因此可视门铃设计人员必须谨慎选择接收灵敏度高且相位低的门铃支持 Wi-Fi 的嘈杂微控制器，可在信号接收不良的区域正常运行。典型的可视门铃应具有至少 1Mbps 的带宽，而高端可视门铃或连接不佳的可视门铃可能需要高达 3Mbps 的带宽。

复杂的 PCB 天线设计或封装内天线可以减少由建筑材料和非理想布局引起的带宽性能下降问题。此外，具有嵌入式 Wi-Fi 前端的高效 Wi-Fi 芯片或 MCU 可以进一步增强接收能力和传输性能，以满足功率预算限制。

为产品添加备用电池比简单地为电池系统添加低电压检测开关功能要复杂得多。还需要考虑电池充电、放电和维护问题。鉴于外形尺寸的限制，许多可视门铃制造商可能会选择锂离子或镍氢电池技术。锂离子电池是现有电池技术中能量密度最高的电池类型之一。

这种电池在高低温工作条件下也很容易出现性能下降，而镍氢电池则会出现过度自放电。锂离子电池化合物在充电和放电过程中也会过热，而无需额外的充电/放电控制器进行温度感应。由于电池热管理取决于外部环境条件（主要是温度和湿度），因此建议使用电量计功能，该功能使用复杂的算法甚至机器学习来确定特定电池配置的最佳充电/放电条件。

虽然图像处理算法可以有效地跟踪甚至识别静止和移动的物体，但可以实时执行此类操作的电路和算法通常需要高性能处理技术。由于并非总是能满足这一理想条件，因此许多可视门铃制造商选择将各种运动检测技术与图像处理系统结合使用。 PIR 检测和最近的毫米波运动检测是可行的技术，可与视频处理运动检测器一起使用，在被动模式下运行时甚至可以节省大量电力。用于运动检测的图像处理方法也经常在长距离时失败，其中分辨率不足以产生高水平的置信度。毫米波和 PIR 运动检测器在被动模式下的检测范围均为数米。此外，毫米波传感器（例如汽车中使用的单芯片雷达系统中的那些）可以提供准确、高速的运动和物体检测。

通常需要评估可视门铃是否可以从每个目标方获得清晰的音频。因此，可视门铃必须能够确定说话者或事件相对于门的方向。此功能之所以如此重要，部分原因是大多数大城市（甚至农村地区）的门口都有背景噪音和外界干扰。即使在理想条件下，可视门铃也无法应对所有可能的情况。因此，使用到达方向音频处理可以减少背景噪音并将注意力集中在预期目标上。

有多种方法可以实现这一点，包括定向麦克风系统、使用天线阵列的波束成形，以及配置用于远场接收而非近场接收的麦克风阵列。每种方法都有其自身的挑战，通常需要额外的麦克风和额外的电路来处理实时音频。使用精确的电路来组合来自不同麦克风的多个信号并确定正确的处理动态并不是一件容易的事。在嘈杂和多样化的大都市环境中尤其如此，大量背景噪音通过空气直接传导到麦克风和门铃外壳。

最后，误报和安全漏洞问题是每个可视门铃制造商面临的挑战。许多视频门铃评论者抱怨说无线可视门铃，大型卡车、高眩光物体甚至车辆或本地广告（通常是有面孔的广告）都可能引发误报。这些误报通常很烦人。

减少门铃误报的数量需要更复杂的图像处理 AI/机器学习技术、高效和动态的电源方案以及考虑到可视门铃安装环境的可行操作模式。此外，使用各种运动检测算法和音频处理系统的传感器融合技术可用作调查、识别和消除潜在铃声误报的备份。通过智能APP，用户甚至可以参与优化检测算法，确认是否误报，让可视门铃更准确地适应环境条件。

结论

随着竞争的加剧和消费者对可视门铃的熟悉程度越来越高，可视门铃制造商需要通过增强功能集和创新设计来实现产品多样化。主要挑战是解决老问题：以更小、更低成本的封装实现更高的性能，以实现易用性以及与智能家居配置的无缝集成。许多可视门铃制造商越来越多地寻找具有 Wi-Fi 功能和先进传感器技术的高度集成 MCU 芯片，以提高用于视频和音频处理的人工智能/机器学习算法的性能。

（作者：Iyer，德州仪器楼宇自动化部门系统工程师）