№1 / 2018 / статья 4

Кому и как открыть дверь за тысячу километров от дома?

Александр Русу (г. Одесса)

Компания Texas Instruments разработала типовую схему современного домофона, который может быть включен в систему «умного дома» и стать одним из устройств Интернета вещей. Ядром домофона является медиапроцессор из линейки DaVinci.

Вопросы безопасности всегда имели высокий приоритет, и наше время — не исключение.  Увеличение количества антисоциальных людей, повышение уровня преступности, агрессивные методы продаж – вот далеко не полный список негативных факторов, заставляющий человека опасаться незваных гостей. Чтобы идентифицировать пришедшего, достаточно пообщаться с ним всего несколько секунд. Именно для этой цели – обеспечения дистанционного аудио- и видеообщения с посетителем – и предназначены домофоны.

Домофоны относятся к системам контроля и управления доступом (СКУД), важность использования которых отмечается даже на правительственном уровне.

Предшественники первых домофонов, появившиеся в середине 50-х годов ХХ века, по своим функциональным возможностям больше соответствовали кодовым замкам, чем устройству связи, и предназначались скорее для сохранения тепла в подъездах многоквартирных домов, чем для защиты от непрошеных посетителей. Но вскоре были разработаны первые аппараты с возможностью аудиосвязи, которые и получили название «домофон». Вначале домофоны были весьма непрактичны и ненадежны, но со временем приобрели современный дизайн, стали предоставлять возможность видеосвязи и ряд других полезных функций.

Рис. 1. Простейшая СКУД на основе традиционного домофона

Рис. 1. Простейшая СКУД на основе традиционного домофона

Традиционный домофон (рисунок 1) состоит из двух блоков (панелей), устанавливаемых с разных сторон пропускного барьера – дверей или ворот. Посетитель с помощью устанавливаемой снаружи вызывной панели имеет возможность двухстороннего голосового общения с хозяином дома, консьержем, охранником. Если устанавливаемый внутри базовый блок поддерживает работу с видеокамерами, то хозяин дополнительно может видеть своего посетителя и окружающую территорию, если видеокамер несколько. Вызывные панели домофонов многоквартирных домов имеют антивандальную клавиатуру для связи с нужной квартирой. Для доступа в систему может использоваться множество вариантов – от набора кода на клавиатуре вызывной панели до современных электронных ключей, обеспечивающих наивысший на сегодняшний день уровень надежности и безопасности.

Такой была ситуация к началу XXI века, но возможностей традиционного домофона в наше время становится уже недостаточно.

Современный домофон должен иметь возможность удаленного доступа. На роль пульта дистанционного управления подходят смартфоны, а самой доступной средой передачи информации сегодня является Интернет. Следовательно, в домофоне необходимо реализовать протоколы передачи данных, интерфейсы доступа, кодеки аудио- и видеопотоков и многое другое. А поскольку подключение к сети передачи данных может быть проводным или беспроводным, то домофон может иметь различные интерфейсы подключения, например, с помощью Ethernet и/или Wi-Fi.

Также современный домофон должен поддерживать технологии «умного дома» и Интернета вещей для того чтобы взаимодействовать с другими приборами, в первую очередь — с охранной системой, и при этом быть достаточно защищенным от удаленного взлома злоумышленниками.

Уязвимыми местами любой охранной системы являются питание и каналы связи. Кабель, используемый в традиционных домофонах, можно легко повредить, к нему просто подключиться, а проложить его не всегда возможно, например, при большом расстоянии между базовым блоком и вызывной панелью. Поэтому современные домофоны могут поддерживать технологии беспроводного подключения вызывной панели к базовому блоку. При этом как вызывная панель, так и базовый блок могут иметь аварийное батарейное питание, а значит, в них должны использоваться современные энергосберегающие технологии для увеличения времени автономной работы.

Таким образом, домофон перестает быть простым аналоговым устройством. Современная версия домофона является высокотехнологичной инфокоммуникационной встраиваемой системой, базирующейся на основе высокопроизводительных микроконтроллеров, операционных систем и интерфейсов. Разработка домофона «с нуля» теперь является сложной задачей даже для квалифицированных специалистов. К счастью, производители электронных компонентов сегодня предоставляют инженерам заготовки в виде аппаратных и программных модулей, средств разработки и тестирования, позволяющих разработать современный домофон с минимальными затратами времени и ресурсов.

Компания Texas Instruments – один из крупнейших мировых производителей электронных компонентов – предлагает разработчикам богатый выбор готовых решений, с помощью которых можно спроектировать домофонную систему практически под любые требования и любой функционал. Для облегчения поиска необходимой информации на сайте компании создана интерактивная структурная схема современного домофона (рисунок 2) на которой можно выбрать интересующую подсистему, после чего в течение нескольких секунд сформируется подборка ссылок на продукты, документацию, руководства по применению и другие материалы, необходимые специалисту для разработки.

Рис. 2. Интерактивная структурная схема домофона на сайте Texas Instruments

Рис. 2. Интерактивная структурная схема домофона на сайте Texas Instruments

Как видно из рисунка 2, центральным элементом домофона является медиапроцессор, осуществляющий управление как аудио- и видеопотоками, так и системой в целом. В номенклатуре Texas Instruments присутствует линейка цифровых сигнальных процессоров DaVinci DMхх на основе ARM-контроллеров (таблица 1). Большинство из них поддерживает стандарт Full HD 1080p H.264 и рассчитано на применение в большом количестве разнообразных приложений, в числе которых – спортивные и экшн-камеры, системы машинного зрения, автомобильные видеорегистраторы, носимые устройства, охранные системы, наружное видеонаблюдение и многие другие.

Недорогими медиапроцессорами, возможностей которых, тем не менее, вполне достаточно для создания высококачественного домофона, являются изготовленные по 65-нанометровому техпроцессу микросхемы TMS320DM368 и TMS320DM369 (рисунок 3). Микросхема функционирует под управлением операционной системы Linux, работающей на платформе ARM926EJ с максимальной тактовой частотой 432 МГц. Основное кодирование видеопотока выполняют сопроцессоры MJCP и HDVICP совместно с аппаратной подсистемой видеообработки, выполняющей черновую рутинную работу: фильтрацию шумов, коррекцию искажений объектива, распознавание лиц, масштабирование, ввод и вывод информации по различным интерфейсам и многое другое. Перенос обработки сигналов на аппаратный уровень позволил разгрузить основное ядро и поддерживать видео в форматах H.264, MPEG4, MPEG2, MJPEG, JPEG, WMV9/VC1 с качеством изображения вплоть до HD 1080 с максимальной частотой до 30 кадров в секунду.

Рис. 3. Структурная схема процессоров семейства DM36x

Рис. 3. Структурная схема процессоров семейства DM36x

Таблица 1. Сравнение процессоров DaVinci

Процессор 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
Кодеры/
декодеры
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 канала)
Мультимедиа SGX530 Graphics Available SGX530 Graphics Available
Периферия 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
Приложения Спортивные и экшн-камеры, носимые устройства, дроны, автомобильные камеры, охранные системы, системы наружного видеонаблюдения Спортивные и экшн-камеры, носимые устройства, дроны, автомобильные камеры, охранные системы, системы наружного видеонаблюдения Системы машинного зрения и распознавания образов, спортивные и экшн-камеры, носимые устройства, дроны, автомобильные камеры, охранные системы, системы наружного видеонаблюдения Тонкие клиенты, системы машинного зрения, оборудование для видеоконференций, охранные системы, видеодомофоны Широковещательное видео, системы наружного видеонаблюдения, многоканальное транскодирование видео
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

Кроме модулей высококачественной обработки медиаконтента на кристаллах микросхем интегрирован богатый набор стандартных периферийных устройств, в числе которых: АЦП, модуль управления питанием, интерфейсы USB 2.0 (в том числе и Host), UART, SPI, HPI, ASP, I2C, контроллеры DMA, Ethernet; 64-разрядные таймеры; сторожевой таймер, ШИМ-модуляторы, до 104 линий ввода/вывода общего назначения и множество других узлов, широко используемых в микроконтроллерах общего назначения. Это позволяет использовать данные контроллеры не только для обработки сигналов, но и для управления всеми узлами домофона, что значительно сокращает количество компонентов и стоимость системы, а также уменьшает сложность в случае разработки дополнительных интерфейсов.

Еще одной ответственной подсистемой является звуковой тракт. Традиционно в домофоне могут присутствовать как минимум два микрофона и два громкоговорителя – по одному комплекту в базовом блоке и вызывной панели. В традиционной системе этот тракт обычно аналоговый, но в современном домофоне с возможностью удаленного доступа использование аналоговых компонентов сведено к минимуму. Так, например, сигнал с микрофона после предварительного усиления оцифровывается с помощью АЦП, а затем, для уменьшения битрейта и, соответственно, полосы пропускания канала связи, кодируется в один из аудиоформатов и подается для последующей обработки. В обратном направлении цифровой поток должен быть раскодирован, а затем либо преобразован в аналоговый сигнал с помощью ЦАП с последующим усилением аналоговым усилителем, либо, при использовании усилителей класса D, преобразован в звуковые волны непосредственно в громкоговорителе без цифро-аналогового преобразования. В последнем случае за счет исключения аналогового способа усиления мощности, имеющего низкий КПД, уменьшается общее потребление системы, а при использовании батарейного питания – продлевается срок службы батареи.

Для аудиотрактов домофонов компания Texas Instruments предлагает как отдельные микросхемы, так и интегрированные решения. Например, в качестве усилителя громкоговорителя можно использовать микросхему TAS2770 – 15-ваттный цифровой усилитель класса D, – или TPA2028D1 – 3-ваттный усилитель с автоматической регулировкой усиления, динамической компрессией диапазона и цифровым управлением громкостью по интерфейсу I2C. Оцифровку сигнала микрофона можно выполнить, например, с помощью 4-канального АЦП PCM1864 или малопотребляющего 24-разрядного дельта-сигма-стерео-АЦП PCM1808. Из числа интегральных решений можно отметить микросхему TLV320AIC3262, известную также как AIC3262 – гибкий малопотребляющий низковольтный стереофонический аудиокодек с цифровыми микрофонными входами и программируемыми выходами (рисунок 4). В этой микросхеме кодирование/декодирование аудиосигнала выполняется с помощью полностью программируемых цифровых сигнальных процессоров с параметризируемыми и предустановленными на заводе блоками обработки сигналов, обеспечивающими три независимых канала обработки звука.

Рис. 4. Упрощенная структурная схема аудиокодека TLV320AIC3262

Рис. 4. Упрощенная структурная схема аудиокодека TLV320AIC3262

Особо следует остановиться на решениях для организации беспроводного доступа. Отказ от проводных методов передачи данных является общемировой тенденцией. Большинство устройств «умного дома» и Интернета вещей принципиально используют беспроводные соединения, наиболее популярными из которых являются Wi-Fi, Bluetooth и ZigBee. Поскольку радиус действия Bluetooth ограничен, а ZigBee ориентирован на небольшие объемы передаваемой информации, то наиболее удобным протоколом для беспроводного подключения домофона является Wi-Fi. На сегодняшний день контроллер сети Wi-Fi присутствует во многих помещениях, что позволяет легко и быстро интегрировать домофон в информационное пространство практически любого дома или производства.

Для подключения к сети Wi-Fi компания Texas Instruments также предлагает широкий спектр решений, среди которых можно выделить как популярные с 2014 года сетевые процессоры CC3100 и CC3200, так и их обновленные в 2017 году версии CC3120 и CC3220 (рисунок 5). Обе микросхемы содержат передатчик с максимальной мощностью 18 дБм и приемник с чувствительностью на уровне –96 дБм, что позволяет уверенно работать в помещениях и передавать данные со скоростью до 16 Мбит/с и 12 Мбит/с в режимах UDP и TCP соответственно. В сети Wi-Fi микросхемы могут работать в режиме устройства (Station) 802.11b/g/n или точки доступа (Access Point) 802.11b/g и поддерживать протоколы WPA2: WEP, WPA/WPA2 PSK, WPA2 Enterprise (802.1x). При установке соединения может быть организовано до 16 одновременно работающих сокетов TCP или UDP либо до 6 одновременно работающих сокетов TSL и SSL. Микросхемы поддерживают статическую и динамическую DHCPv4- и DHCPv6-адресацию с определением повторяющихся адресов.

Рис. 5. Структурная схема микросхем CC3120 и CC3220

Рис. 5. Структурная схема микросхем CC3120 и CC3220

В отличие от микросхемы CC3120, которая может использоваться только в качестве модема, микросхема CC3220 дополнительно имеет интегрированный микроконтроллер с архитектурой ARM® Cortex®-M4, способный работать с максимальной тактовой частотой до 80 МГц. На кристалле также содержится 1 Мбайт Flash-памяти с возможностью ее расширения за счет внешних микросхем, коммуникационные интерфейсы I²S, SD, SPI, I²C, UART, 12-разрядный АЦП, 8-разрядный интерфейс камеры, четыре 16-разрядных таймера общего назначения с возможностью работы в режиме ШИМ, а также 27 портов ввода/вывода общего назначения. Это позволяет компании Texas Instruments позиционировать данную микросхему также в качестве контроллера системы и реализовывать на ее основе домофон без использования сложных и дорогих медиапроцессоров, рассмотренных выше (рисунок 6).

Рис. 6. Структурная схема домофона на основе микросхемы CC3220

Рис. 6. Структурная схема домофона на основе микросхемы CC3220

Конечно, кроме рассмотренных выше подсистем, современный домофон имеет гораздо больше функциональных узлов (рисунок 2). Как любое «умное» устройство, домофон должен иметь средства самодиагностики, например, датчики температуры, измерители напряжений системных шин, расходометры энергии, чтобы, например, заблаговременно сообщить пользователю о необходимости замены батарейки. Для фиксации событий необходимо знать точное время их наступления, поэтому в домофоне должны присутствовать часы реального времени. Для интеграции с системой видеонаблюдения домофон может быть оборудован инфракрасными датчиками движения, по сигналу которых может, например, включаться сигнал тревоги и выполняться запись изображения и звука. А поскольку всю эту информацию надо где-то хранить, то в системе надо реализовывать соответствующие хранилища, например, на основе Flash-накопителей. Эти же накопители могут быть использованы, например, для хранения записей автоответчика на случай, если никто из владельцев не может или не хочет общаться с посетителем.

Отдельным вопросом при построении домофона может быть пользовательская светозвуковая индикация. Экономичное управление инфракрасной подсветкой камеры видеонаблюдения, для которой необходим контроль уровня освещенности окружающей среды, мелодия дверного звонка, пользовательская индикация режимов работы – все это требует тщательной проработки. Особого внимания заслуживает разработка питания, от которого зависит стабильность и долговечность всей системы в целом.

Заключение

XXI век постепенно стирает различия между электронными устройствами. Например, за последние 25 лет мобильный телефон из аналогового аппарата стандарта NMT превратился в мультимедийный центр с функцией «позвонить», объединив в себе множество полезных вещей, начиная от карманного фонарика и заканчивая научной библиотекой. Возможно, через 25 лет домофоны, как самостоятельные устройства, также перестанут существовать, а их функции будет выполнять некий домашний охранно-развлекательно-информационный комплекс. Однако сегодня потребность в домофонах нового поколения возрастает, и ее можно удовлетворить с помощью систем, разработанных на основе высокотехнологичных решений компании Texas Instruments.

О компании Texas Instruments

В середине 2001 г. компании Texas Instruments и КОМПЭЛ заключили официальное дистрибьюторское соглашение, которое явилось результатом длительной и успешной работы КОМПЭЛ в качестве официального дистрибьютора фирмы Burr-Brown. (Как известно, Burr-Brown вошла в состав TI так же, как и компании Unitrode, Power Trend и Klixon). С этого времени компания КОМПЭЛ получила доступ к поставке всей номенклатуры производимых компанией TI компонентов, ...читать далее

Наличие на складах
Наименование Наличие Цена
TMS320DM368ZCEF (TI) 1 161 27.24 $ 1571 руб. от 19 шт
TMS320DM365ZCEF (TI) 3 680 22.30 $ 1286 руб. от 160 шт
TMS320DM369ZCED (TI) 2 909 30.90 $ 1781 руб. от 160 шт
TMS320DM8127SCYED0 (TI) 420 57.82 $ 3334 руб. от 60 шт
TMS320DM8127SCYE1 (TI) 360 58.36 $ 3365 руб. от 60 шт
TMS320DM8127SCYE0 (TI) 300 54.04 $ 3116 руб. от 60 шт
DM388AAARD21FP (TI) 2 120 49.14 $ 2833 руб. от 90 шт
DM388AAARD11FP (TI) 1 882 45.63 $ 2631 руб. от 90 шт
DM388AAAR21 (TI) 1 800 43.88 $ 2530 руб. от 90 шт
DM385AAAR01F (TI) 2 887 36.86 $ 2125 руб. от 90 шт
DM385AAARD21F (TI) 716 47.39 $ 2732 руб. от 90 шт
DM385AAAR21F (TI) 534 43.88 $ 2530 руб. от 90 шт
TMS320DM8168CCYGA2 (TI) 41 149.63 $ 8626 руб. от 4 шт
DM81LS96AJ (TI) 3 963 1.5065 $ 86.85 руб. от 103 шт
DM81LS98AN (TI) 3 750 1.5065 $ 86.85 руб. от 103 шт
TPA2028D1YZFR (TI) 47 119 0.8116 $ 46.79 руб. от 3 000 шт
TPA2028D1YZFT (TI) 29 000 0.9331 $ 53.80 руб. от 250 шт
TPA2028D1YZFEVM (TI) 57 133.92 $ 7721 руб. от 2 шт
PCM1864QDBTRQ1 (TI) 10 476 5.5232 $ 318.41 руб. от 2 000 шт
PCM1864DBT (TI) 5 714 4.8529 $ 279.78 руб. от 120 шт
PCM1864DBTR (TI) 3 300 4.0444 $ 233.16 руб. от 2 000 шт
PCM1808PWR (TI) 47 408 1.0822 $ 62.39 руб. от 2 000 шт
PCM1808QPWRQ1 (TI) 24 631 1.2774 $ 73.64 руб. от 2 000 шт
PCM1808PW (TI) 17 828 1.2989 $ 74.88 руб. от 360 шт
TLV320AIC3262IYZFR (TI) 7 276 6.6960 $ 386.03 руб. от 2 500 шт
TLV320AIC3262IYZFT (TI) 4 538 7.7014 $ 443.99 руб. от 250 шт
TLV320AIC3262EVM-U (TI) 33 404.47 $ 23318 руб. от 1 шт
CC3100MODR11MAMOBT (TI) 4 603 9.7397 $ 561.50 руб. от 250 шт
CC3100R11MRGCR (TI) 13 120 4.8560 $ 279.96 руб. от 2 500 шт
CC31XXEMUBOOST (TI) 825 25.62 $ 1477 руб. от 20 шт