1. Про компанію Texas Instruments

Компанія Texas Instruments розробила типову схему сучасного домофона, який може бути включений в систему «розумного будинку» і стати одним з пристроїв Інтернету речей. Ядром домофона є медіапроцесор з лінійки DaVinci.

Питання безпеки завжди мали високий пріоритет, і наш час - не виняток. Збільшення кількості антисоціальних людей, підвищення рівня злочинності, агресивні методи продажів - ось далеко не повний список негативних факторів, що змушує людину боятися непроханих гостей. Щоб ідентифікувати прийшов, досить поспілкуватися з ним всього кілька секунд. Саме для цієї мети - забезпечення дистанційного аудіо- та відеоспілкування з відвідувачем - і призначені домофони.

Домофони відносяться до систем контролю і управління доступом (СКУД), важливість використання яких відзначається навіть на урядовому рівні.

Попередники перших домофонів, що з'явилися в середині 50-х років ХХ століття, за своїми функціональними можливостями більше відповідали кодовою замкам, ніж пристрою зв'язку, і призначалися швидше для збереження тепла в під'їздах багатоквартирних будинків, ніж для захисту від непроханих відвідувачів. Але незабаром були розроблені перші апарати з можливістю аудіозв'язку, які і отримали назву «домофон». Спочатку домофони були досить непрактичні і ненадійні, але з часом набули сучасний дизайн, стали надавати можливість відеозв'язку і ряд інших корисних функцій.

Мал. 1. Найпростіша СКУД на основі традиційного домофона

Традиційний домофон (рисунок 1) складається з двох блоків (панелей), що встановлюються з різних сторін пропускного бар'єру - дверей або воріт. Відвідувач з допомогою встановлюваної зовні панелі має можливість двостороннього голосового спілкування з господарем будинку, консьєржем, охоронцем. Якщо встановлюється всередині базовий блок підтримує роботу з відеокамерами, то господар додатково може бачити свого відвідувача і навколишню територію, якщо відеокамер кілька. Викличні панелі домофонів багатоквартирних будинків мають антивандальний клавіатуру для зв'язку з потрібною квартирою. Для доступу в систему може використовуватися безліч варіантів - від набору коду на клавіатурі панелі до сучасних електронних ключів, що забезпечують найвищий на сьогоднішній день рівень надійності і безпеки.

Такою була ситуація до початку XXI століття, але можливостей традиційного домофона в наш час стає вже недостатньо.

Сучасний домофон повинен мати можливість віддаленого доступу. На роль пульта дистанційного керування підходять смартфони, а найбільш доступною середовищем передачі інформації сьогодні є Інтернет. Отже, в домофон необхідно реалізувати протоколи передачі даних, інтерфейси доступу, кодеки аудіо- і відеопотоків і багато іншого. А оскільки підключення до мережі передачі даних може бути дротових або бездротових, то домофон може мати різні інтерфейси підключення, наприклад, за допомогою Ethernet і / або Wi-Fi.

Також сучасний домофон повинен підтримувати технології «розумного будинку» і Інтернету речей для того щоб взаємодіяти з іншими приладами, в першу чергу - з охоронною системою, і при цьому бути досить захищеним від віддаленого злому зловмисниками.

Уразливими місцями будь-якої охоронної системи є харчування і канали зв'язку. Кабель, який використовується в традиційних домофонах, можна легко пошкодити, до нього просто підключитися, а прокласти його не завжди можливо, наприклад, при великій відстані між базовим блоком і викличної панеллю. Тому сучасні домофони можуть підтримувати технології бездротового підключення панелі виклику до базового блоку. При цьому як виклична панель, так і базовий блок можуть мати аварійне батарейне харчування, а значить, в них повинні використовуватися сучасні енергозберігаючі технології для збільшення часу автономної роботи.

Таким чином, домофон перестає бути простим аналоговим пристроєм. Сучасна версія домофона є високотехнологічною інфокомунікаційної вбудовується системою, що базується на основі високопродуктивних мікроконтролерів, операційних систем і інтерфейсів. Розробка домофона «з нуля» тепер є складним завданням навіть для кваліфікованих фахівців. На щастя, виробники електронних компонентів сьогодні надають інженерам заготовки у вигляді апаратних і програмних модулів, засобів розробки і тестування, що дозволяють розробити сучасний домофон з мінімальними витратами часу і ресурсів.

Компанія Texas Instruments - один з найбільших світових виробників електронних компонентів - пропонує розробникам багатий вибір готових рішень, за допомогою яких можна спроектувати домофонну систему практично під будь-які вимоги і будь-який функціонал. Для полегшення пошуку необхідної інформації на сайті компанії створена інтерактивна структурна схема сучасного домофона (малюнок 2) на якій можна вибрати цікаву для підсистему, після чого протягом декількох секунд сформується добірка посилань на продукти, документацію, керівництва по застосуванню та інші матеріали, необхідні фахівцеві для розробки .

Мал. 2. Інтерактивна структурна схема домофона на сайті Texas Instruments

Як видно з малюнка 2, центральним елементом домофона є медіапроцесор, що здійснює управління як аудіо- і відео Ви, так і системою в цілому. У номенклатурі Texas Instruments присутній лінійка цифрових сигнальних процесорів DaVinci DMхх на основі ARM-контролерів (таблиця 1). Більшість з них підтримує стандарт Full HD 1080p H.264 і розраховане на застосування у великій кількості різноманітних додатків, в числі яких - спортивні та екшн-камери, системи машинного зору, автомобільні відеореєстратори, що носяться пристрої, охоронні системи, зовнішнє відеоспостереження та багато інших.

Недорогими медіапроцесора, можливостей яких, тим не менше, цілком достатньо для створення високоякісного домофона, є виготовлені по 65-нанометровому техпроцесу мікросхеми TMS320DM368 і TMS320DM369 (Рисунок 3). Мікросхема функціонує під управлінням операційної системи Linux, що працює на платформі ARM926EJ з максимальною тактовою частотою 432 МГц. Основне кодування відеопотоку виконують співпроцесори MJCP і HDVICP спільно з апаратної підсистемою відео обробки, виконує чорнову рутинну роботу: фільтрацію шумів, корекцію спотворень об'єктива, розпізнавання осіб, масштабування, введення і виведення інформації з різних інтерфейсів і багато іншого. Перенесення обробки сигналів на апаратний рівень дозволив розвантажити основне ядро ​​і підтримувати відео в форматах H.264, MPEG4, MPEG2, MJPEG, JPEG, WMV9 / VC1 з якістю зображення аж до HD 1080 з максимальною частотою до 30 кадрів в секунду.

Мал. 3. Структурна схема процесорів сімейства DM36x

Таблиця 1. Порівняння процесорів DaVinci

процесор DM369 , DM368 , DM365 DM388 , DM385 DM8127 DM8148 , DM8147 DM8168 , DM8167 , DM8165 Ядро ARM @ ARM9 ™ 432 МГц ARM @ Cortex ™ -A8 1,0 ГГц ARM @ Cortex ™ -A8 1,0 ГГц ARM @ Cortex ™ -A8 1,0 ГГц ARM @ Cortex ™ -A8 1,2 ГГц DSP - - C764 DSP 750 МГц C764 DSP 750 МГц C764 DSP 1,0 ГГц Кодери /
декодери Multi format: H.264, MPEG4, MPEG2, MJPEG, H.264 BP / MP / HP up to 1080 p30 Multi format: H.264, MPEG4, MPEG2, MJPEG, H.264 BP / MP / HP up to 1080 p60 Multi format: H.264, MPEG4, MPEG2, MJPEG, H.264 BP / MP / HP up to 1080 p60 Multi format: H.264, MPEG4, MPEG2, MJPEG, H.264 BP / MP / HP up to 1080 p60 Multi format: H.264, MPEG4, MPEG2, MJPEG, H.264 BP / MP / HP up to 1080 p60 (2-3 каналу) Мультимедіа - - - SGX530 Graphics Available SGX530 Graphics Available Периферія Integrated HW ISP, Parallel Camera Input , 3ch Video Output, DAC, DDR2, USB 2.0, 10/100 EMAC, SD / MMC Integrated HW ISP, Parallel Camera Input, SCI-2, HDMI Output, DDR3 / L, USB 2.0, PCIe 10/100/1000 EMAC, SD / MMC Integrated HW ISP, Parallel Camera Input, SCI-2, HDMI Output, DDR3 / L, USB 2.0, PCIe 10/100/1000 EMAC, SD / MMC Parallel Camera Input, SCI-2, HDMI Output, DDR3 / L , USB 2.0, PCIe 10/100/1000 EMAC, SD / MMC Parallel Camera Input, SCI-2, HDMI Output, DDR3 / L, USB 2.0, PCIe 10/100/1000 EMAC, SATA , SD / MMC Додатки Спортивні та екшн-камери, носяться пристрої, дрони, автомобільні камери, охоронні системи, системи зовнішнього відеоспостереження Спортивні та екшн-камери, носяться пристрої, дрони, автомобільні камери, охоронні системи, системи зовнішнього відеоспостереження Системи машинного зору і розпізнавання образів, спортивні та екшн-камери, носяться пристрої, дрони, автомобільні камери, охоронні системи, системи зовнішнього відеоспостереження Тонкі клієнти, системи машинного зору, обладнання для відеоконференцій, охоронні систем и, відеодомофони широкомовними відео, системи зовнішнього відеоспостереження, багатоканальне транскодирование відео Корпус 13х13 мм; 0,65 мм BGA 16х16 мм; 0,8 мм BGA 23х23 мм; 0,8 мм BGA 23х23 мм; 0,8 мм BGA 23х23 мм; 0,8 мм BGA

Крім модулів високоякісної обробки медіаконтенту на кристалах мікросхем інтегрований багатий набір стандартних периферійних пристроїв, в числі яких: АЦП, модуль управління живленням, інтерфейси USB 2.0 (в тому числі і Host), UART, SPI, HPI, ASP, I2C, контролери DMA, Ethernet ; 64-розрядні таймери; сторожовий таймер, ШІМ-модулятори, до 104 ліній введення / виведення загального призначення і безліч інших вузлів, широко використовуваних в мікроконтролерах загального призначення. Це дозволяє використовувати дані контролери не тільки для обробки сигналів, але і для управління всіма вузлами домофона, що значно скорочує кількість компонентів і вартість системи, а також зменшує складність в разі розробки додаткових інтерфейсів.

Ще однією відповідальною підсистемою є звуковий тракт. Традиційно в домофон можуть бути присутніми як мінімум два мікрофони і два гучномовця - по одному комплекту в базовому блоці і панелі виклику. У традиційній системі цей тракт зазвичай аналоговий, але в сучасному домофон з можливістю віддаленого доступу використання аналогових компонентів зведено до мінімуму. Так, наприклад, сигнал з мікрофона після попереднього посилення оцифровується за допомогою АЦП, а потім, для зменшення бітрейту і, відповідно, смуги пропускання каналу зв'язку, кодується в один з форматів та подається для подальшої обробки. У зворотному напрямку цифровий потік повинен бути розкодувати, а потім або перетворений в аналоговий сигнал за допомогою ЦАП з наступним посиленням аналоговим підсилювачем, або, при використанні підсилювачів класу D, перетворений в звукові хвилі безпосередньо в гучномовці без цифро-аналогового перетворення. В останньому випадку за рахунок виключення аналогового способу посилення потужності, що має низький ККД, зменшується загальне споживання системи, а при використанні батарейного живлення - продовжується термін служби батареї.

Для аудіотрактом домофонів компанія Texas Instruments пропонує як окремі мікросхеми, так і інтегровані рішення. Наприклад, в якості підсилювача гучномовця можна використовувати мікросхему TAS2770 - 15-ватний цифровий підсилювач класу D, - або TPA2028D1 - 3-ватний підсилювач з автоматичним регулюванням посилення, динамічної компресією діапазону і цифровим управлінням гучністю по інтерфейсу I2C. Оцифрування сигналу мікрофона можна виконати, наприклад, за допомогою 4-канального АЦП PCM1864 або малопотребляющего 24-розрядної дельта-сигма-стерео-АЦП PCM1808 . З числа інтегральних рішень можна відзначити мікросхему TLV320AIC3262 , Відому також як AIC3262 - гнучкий малопотребляющій низьковольтний стереофонічний аудіокодек з цифровими мікрофонними входами і програмованими виходами (рисунок 4). У цій мікросхемі кодування / декодування аудіосигналу виконується за допомогою повністю програмованих цифрових сигнальних процесорів з параметрізіруемимі і встановленими на заводі блоками обробки сигналів, що забезпечують три незалежні канали обробки звуку.

Мал. 4. Спрощена структурна схема аудиокодека TLV320AIC3262

Варто окремо зупинитися на рішеннях для організації бездротового доступу. Відмова від провідних методів передачі даних є загальносвітовою тенденцією. Більшість пристроїв «розумного будинку» і Інтернету речей принципово використовують бездротові з'єднання, найбільш популярними з яких є Wi-Fi, Bluetooth і ZigBee. Оскільки радіус дії Bluetooth обмежений, а ZigBee орієнтований на невеликі обсяги переданої інформації, то найбільш зручним протоколом для бездротового підключення домофона є Wi-Fi. На сьогоднішній день контролер мережі Wi-Fi присутній у багатьох приміщеннях, що дозволяє легко і швидко інтегрувати домофон в інформаційний простір практично будь-якого будинку або виробництва.

Для підключення до мережі Wi-Fi компанія Texas Instruments також пропонує широкий спектр рішень, серед яких можна виділити як популярні з 2014 року мережеві процесори CC3100 і CC3200 , Так і їх оновлені в 2017 році версії CC3120 і CC3220 (Рисунок 5). Обидві мікросхеми містять передавач з максимальною потужністю 18 дБм і приймач з чутливістю на рівні -96 дБм, що дозволяє впевнено працювати в приміщеннях і передавати дані зі швидкістю до 16 Мбіт / с і 12 Мбіт / с в режимах UDP і TCP відповідно. У мережі Wi-Fi мікросхеми можуть працювати в режимі пристрою (Station) 802.11b / g / n або точки доступу (Access Point) 802.11b / g і підтримувати протоколи WPA2: WEP, WPA / WPA2 PSK, WPA2 Enterprise (802.1x). При установці з'єднання може бути організовано до 16 одночасно працюючих сокетов TCP або UDP або до 6 одночасно працюючих сокетов TSL і SSL. Мікросхеми підтримують статичну і динамічну DHCPv4- і DHCPv6-адресацію з визначенням повторюваних адрес.

Мал. 5. Структурна схема мікросхем CC3120 і CC3220

На відміну від мікросхеми CC3120, яка може використовуватися тільки в якості модему, мікросхема CC3220 додатково має інтегрований мікроконтролер з архітектурою ARM® Cortex®-M4, здатний працювати з максимальною тактовою частотою до 80 МГц. На кристалі також міститься 1 Мбайт Flash-пам'яті з можливістю її розширення за рахунок зовнішніх мікросхем, комунікаційні інтерфейси I²S, SD, SPI, I²C, UART, 12-розрядний АЦП, 8-розрядний інтерфейс камери, чотири 16-розрядних таймера загального призначення з можливістю роботи в режимі ШІМ, а також 27 портів введення / виводу загального призначення. Це дозволяє компанії Texas Instruments позиціонувати дану мікросхему також в якості контролера системи і реалізовувати на її основі домофон без використання складних і дорогих медіапроцесорів, розглянутих вище (малюнок 6).

Мал. 6. Структурна схема домофона на основі мікросхеми CC3220

Звичайно, крім розглянутих вище підсистем, сучасний домофон має набагато більше функціональних вузлів (малюнок 2). Як будь-який «розумне» пристрій, домофон повинен мати засоби самодіагностики, наприклад, датчики температури, вимірювачі напруги системних шин, витратоміри енергії, щоб, наприклад, завчасно повідомити користувачеві про необхідність заміни батарейки. Для фіксації подій необхідно знати точний час їх настання, тому в домофон повинні бути присутніми годинник реального часу. Для інтеграції з системою відеоспостереження домофон може бути обладнаний інфрачервоними датчиками руху, за сигналом яких може, наприклад, включати сигнал тривоги і виконуватися запис зображення і звуку. А оскільки всю цю інформацію треба десь зберігати, то в системі треба реалізовувати відповідні сховища, наприклад, на основі Flash-накопичувачів. Ці ж накопичувачі можуть бути використані, наприклад, для зберігання записів автовідповідача на випадок, якщо ніхто з власників не може або не хоче спілкуватися з відвідувачем.

Окремим питанням при побудові домофона може бути призначена для користувача светозвуковая індикація. Економічне управління інфрачервоним підсвічуванням камери відеоспостереження, для якої необхідний контроль рівня освітленості навколишнього середовища, мелодія дверного дзвінка, призначена для користувача індикація режимів роботи - все це вимагає ретельного опрацювання. На особливу увагу заслуговує розробка харчування, від якого залежить стабільність і довговічність всієї системи в цілому.

XXI століття поступово стирає відмінності між електронними пристроями. Наприклад, за останні 25 років мобільний телефон з аналогового апарату стандарту NMT перетворився в мультимедійний центр з функцією «подзвонити», об'єднавши в собі безліч корисних речей, починаючи від кишенькового ліхтарика і закінчуючи науковою бібліотекою. Можливо, через 25 років домофони, як самостійні пристрої, також перестануть існувати, а їхні функції буде виконувати якийсь домашній охоронно-розважально-інформаційний комплекс. Однак сьогодні потреба в домофонах нового покоління зростає, і її можна задовольнити за допомогою систем, розроблених на основі високотехнологічних рішень компанії Texas Instruments.

Про компанію Texas Instruments

В середині 2001 р компанії Texas Instruments і КОМПЕЛ уклали офіційну дистриб'юторську угоду, яке стало результатом тривалої і успішної роботи КОМПЕЛ в якості офіційного дистриб'ютора фірми Burr-Brown. (Як відомо, Burr-Brown увійшла до складу TI так само, як і компанії Unitrode, Power Trend і Klixon). З цього часу компанія КОМПЕЛ отримала доступ до постачання всієї номенклатури вироблених компанією TI компонентів, технологій та налагоджувальних засобів, а також ... читати далі