智能家居無疑是近年來最炙手可熱的概念。讓我們來設想一下這樣的場景：當汽車駛入小區大門，傳感器立刻將信息傳送到控制中心，通知家中的燈光、空調等設備進入預定工作狀態。只要在門口稍作停留，指紋識別儀就可以完成身份識別，自動開門或者是給主人發送信息提醒有人來訪。此外，還可以在辦公室進入網絡查看安防系統的攝像記錄，在下班前用手機遠程遙控空調、熱水器開始工作，以便回家就能盡享舒適環境。……是的，以上種種美妙情景都不再是夢想，而是已經或即將出現在我們的現實生活當中。

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”。

無線燈光控制：ZigBee最受青睞

雖然目前市場上已有大量可用于家庭燈光控制的無線技術，包括IrDA、藍牙、ZigBee、Z-Wave、無線USB等等，但根據目標應用對成本、功耗、復雜程度、可靠性、功能等要求的不同，上述各種方案分別有其最適合的市場。飛思卡爾無線及移動系統部市場經理鄺景亮坦言，IrDA和一些專有無線解決方案正主導著低端市場。

但這些方案的功能十分有限，主要的缺點體現在產品的可擴展性、操作范圍、由于意外干擾導致的工作不穩定以及只能單向操作等。另一方面，中端和高端市場正在尋求能夠解決以上問題的通用型無線系統，專有的系統解決方案將被淘汰。而在藍牙、ZigBee、Z-Wave、 WLAN等備選方案中，雖然藍牙和無線USB已經擁有廣泛的市場接受度，但由于高功耗、低網絡性能以及高系統成本等因素，使得這兩種技術并不適合家庭無線控制。

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”。

無線燈光控制：ZigBee最受青睞

雖然目前市場上已有大量可用于家庭燈光控制的無線技術，包括IrDA、藍牙、ZigBee、Z-Wave、無線USB等等，但根據目標應用對成本、功耗、復雜程度、可靠性、功能等要求的不同，上述各種方案分別有其最適合的市場。飛思卡爾無線及移動系統部市場經理鄺景亮坦言，IrDA和一些專有無線解決方案正主導著低端市場。

但這些方案的功能十分有限，主要的缺點體現在產品的可擴展性、操作范圍、由于意外干擾導致的工作不穩定以及只能單向操作等。另一方面，中端和高端市場正在尋求能夠解決以上問題的通用型無線系統，專有的系統解決方案將被淘汰。而在藍牙、ZigBee、Z-Wave、 WLAN等備選方案中，雖然藍牙和無線USB已經擁有廣泛的市場接受度，但由于高功耗、低網絡性能以及高系統成本等因素，使得這兩種技術并不適合家庭無線控制。

“ZigBee是智能家庭無線燈光控制系統中最有前途的解決方案”。Ember公司亞太區營銷總監Paul Covell指出。他認為，首先，ZigBee便于部署。與其它大多數無線技術不同的是，ZigBee可以將照明傳感器、設備和控制功能自組織到可自動配置和自我修復的無線網狀網絡中。其次，相對藍牙和無線USB等需要大量功率的技術，ZigBee具有節能的優勢，利用電池供電就能讓ZigBee設備工作數年。ZigBee網絡中的傳感器、照明開關等電池供電的終端設備在大部分時間都處于睡眠狀態，在激活時或定期的狀態更新時被喚醒。

第三，ZigBee是一個開放的全球性無線標準，并得到超過225家OEM、芯片制造商和技術提供商的支持。最后，ZigBee具有比其它無線方案更高的可擴展性和可靠性。ZigBee是為升級到支持多達65,000個設備的大型網絡而設計的。在網狀網絡中，設備在沒有單點故障的情況下實現相互通信，如果一條通路出現斷開的鏈路，則會自動發現并使用新的通路，而不停止系統工作。這種長期可靠性對于許多期望使用壽命達數十年的燈光控制系統而言至關重要。

Jennic公司應用工程副總裁Paul Chilton則強調，應將互操作性視為智能家庭的關鍵特性。智能家居的一個賣點應是所有的應用都能相互通信，從而提供協同效應。例如，如果用戶家中安裝了運動檢測器，那么除執行安全任務之外，用戶還希望這些設備能發送一個信息給家中的燈光系統，通知系統在某段時間房間內沒有人，以便關燈。作為一個開放式的全球標準，ZigBee已基本消除了互操作性的障礙。此外，隨著節點密度的提高，網狀網絡的可靠性也將越來越高。Jennic解決方案的獨特優勢在于可以提供包含32位RISC內核和2.4GHz收發器的單芯片無線微控制器。32位處理器為開發工程師提供了在ZigBee或IEEE802.15.4堆棧之上運行復雜應用所需的靈活性。

盡管ZigBee技術得到了業界的廣泛支持，但作為其在家庭控制領域的有力競爭者，Z-Wave技術的發展勢頭也不容小覷。Zensys公司亞太區總監王俞喬表示，Z-Wave提供的是一種真正的網狀網解決方案，該方案允許不同供應商的產品進行互操作。目前市面上已有多種Z-Wave產品推出，還有更多的商用產品很快就將面市。Z-Wave開發包還提供了一個完全的開發平臺以便用戶簡化應用軟件的開發。用戶所需的學習時間短，可以在幾個月內開發出產品并推向市場。

利用無繩DECT技術來實現燈光控制是TI的創新解決方案，這是因為無繩 DECT技術具有成熟、便宜及易用等多個優點。DECT控制系統與傳統家庭控制系統的不同之處在于，它可以與2.5G/3G網絡連接，因此用戶可以在出差、辦公室等戶外場合通過手機對家中的燈光設備進行控制。

當選擇無線燈光系統的控制芯片時，MCU得到了包括飛思卡爾、Atmel、富士通微電子、Microchip、Silicon Labs在內的眾多廠商的一致認同。不過，采用8位、16位還是32位MCU架構需取決于價格、功耗以及運行在網絡協議棧之上的應用。富士通微電子公司的產品經理丁潔早指出，如果采用ZigBee技術來設計智能家庭的控制應用，那么從成本和資源來衡量，8位MCU已經足夠。4位MCU由于其內部資源不夠，無法承載ZigBee的控制協議。而16位MCU成本相對較高，難以成為主流選擇。富士通微電子推出業內首個面向簡單應用的 802.15.4/ZigBee無線開發套件WiLeKit。該套件基于富士通微電子出色的低功耗8位微控制器MB95F108A，采用特別設計的簡單網絡控制協議，客戶無需支付昂貴的認證費用，就可以為他們的現有產品上快速增加高可靠性的ZigBee無線控制功能。

Microchip 的一款IEEE802.15.4無線收發器芯片MRF24J40可用于ZigBee認證的產品中。除了硅芯片，Microchip還提供了一個針對PIC 微控制器優化的ZigBee協議棧。此外，Microchip提供了另一個IEEE802.15.4協議棧，被稱為MiWi協議。該協議棧比ZigBee 協議棧大約小70%。MiWi協議有望被用于對成本敏感的應用中，這類應用無需ZigBee協議提供的互操作性。

意法半導體低數據速率網絡技術市場經理Olivier Rouy則認為，16位或32位MCU更有望成為ZigBee SoC的標準內核，其原因是同時管理ZigBee網絡(安全、路由)和燈光應用本身需要一定的計算能力。8位MCU唯一可以應用的地方是最基本的開關(無需路由功能)，此時對ZigBee棧的要求不是很高。但是這類設備將無法從ZigBee網狀網絡的靈活性中獲益。

Atmel公司 RFID高級市場經理Roland Schropp的觀點是，帶有高效軟件堆棧的標準閃存8位MCU非常適合無線燈控應用，而且不會增加不必要的系統設計成本。這種8位解決方案可以降低材料清單成本，并減小耗電量，提供高功效解決方案。AVR Z-Link解決方案包括了Atmel的多種AVR微控制器和符合IEEE802.15.4/ZigBee規范的RF器件，可提供出色的靈活性。目前客戶可根據應用要求選用帶有4Kb到256Kb閃存的微控制器，使設備的成本符合其特定需求。

不過，Cypress公司 近年來門禁控制技術取得了長足的進步，作為一種新型的現代化安全管理系統，門禁控制系統已被大量用于家庭環境，并且隨著技術的不斷進步，系統的類型也日漸豐富，出現了從磁條卡、智能卡、數字鍵盤到生物特征識別等一系列多元化的產品。數字鍵盤通過檢驗輸入密碼是否正確來判斷出入權限，其成本較低，缺點是密碼容易泄露，安全性能不高。智能卡相對來說則難以被復制，開門方便安全，并可實現雙向控制，但出入時必須攜帶卡片將造成一定的麻煩。

“在高安全性能比成本更重要的門禁應用中，指紋、臉型和虹膜識別將成為主流。在對成本更加敏感的應用中，智能卡和數字鍵盤更有發展空間。”Silicon Labs MCU市場總監Ross Bannatyne指出，“不過，以上所有選擇的成本都將隨著技術的發展而降低，并且尺寸更小，功能更強。”

楚亞(Atrua)電子技術副總裁、總經理邱倫紀博士對此也有認同，他認為數字鍵盤輸入既便宜又較為可靠，因此有可能在低端市場中最流行。而指紋識別將在中端和高端市場中占據主導地位。邱倫紀解釋道，給一個設備增加指紋功能的成本包括指紋閱讀器以及嵌入式微控制器。閱讀器的成本及其需要的計算資源都已降價，這使得它們對于中端市場極具吸引力。另一個原因是，面部識別和眼睛識別系統的部署成本最高，但是這些識別技術不會給用戶帶來任何相對指紋識別的精確性優勢，使用起來也不如指紋識別方便。

控制器是門禁系統的核心部分，其功能相當于計算機的CPU，負責整個系統的輸入、輸出信息的處理和儲存、控制等。它驗證門禁讀卡器輸入信息的可靠性，并根據規則判斷其有效性，如果信息有效則對執行部件發出信號。因此，門禁控制器性能的好壞直接影響著系統的可靠性。

Atrua的邱倫紀稱，16/32位MCU是最適合的控制和處理內核，特別是基于ARM架構的產品，因為這種架構廣受供應商的支持，且具有高功效特性。 MCU的靈活性也很高，而且與DSP相比具有成本優勢。他認為ASIC和FPGA在門禁控制中幾乎沒有用武之地，任何需要特別與ASIC搭配的解決方案都沒有成本競爭優勢，這是因為其數量無法與目前更流行的MCU相競爭。Atrua推出的全球最小的指紋傳感器將過流保護等電路集成到硅片中，降低了BOM材料成本。其自適應電容技術具有最高精確度，可確保理想的用戶體驗。基于標準的解決方案更是確保了供應商互操作性和未來的升級途徑。

“但從降低成本的角度來考慮，高速8位MCU就已足夠滿足需求。”臺灣福華先進微電子公司(FameG)產品經理陳圣泓表示，“FameG已推出高達 160MHz的超高速8位MCU產品，在對運算機制進行優化后，利用超高速8位MCU產品即可完成系統設計。”Silicon Labs提供的8位MCU平臺同樣可實現各種安全應用，這是因為其處于業界領先地位的高性能8051內核具有100MIPS的處理性能。此外，集成的高性能模擬性能也降低了客戶的成本。

Silicon Labs的MCU市場總監Ross Bannatyne表示，在設計一個嵌入式系統時，工程師重點考慮的事項包括易于使用的工具以及系統的整體成本。對于這些日益普遍的應用必須便于客戶設計，以便客戶能將精力集中在其專有技術上。當然，成本也是一個重要因素，雖然門禁控制技術的成本已經大幅降低，但進一步降低系統成本將有利于安全系統得到更廣泛的采用。此外還應考慮的是產品是否易于實現。利用Silicon Labs和Cypress提供的混合信號MCU可以實現低成本目標，混合器件中集成了放大、ADC、DAC等模擬元件，因此客戶無需再采用多個外圍模擬元件來設計復雜的電路板。通過將高性能模擬器件和高性能CPU集成，可以簡化設計，同時不會有性能上的損失，并且客戶無需采用更昂貴的架構來延長8位設計的壽命。