第2章 智慧家庭幾種智能終端簡介

本章要點

●熟悉智慧家庭有關智能終端的功能。

●熟悉智慧家庭有關智能終端的主要參數。

●熟悉智慧家庭有關智能終端的電路組成和主要器件。

2.1 智能音箱（聲控音箱、語音音箱）

2.1.1 智能音箱概述

智能音箱又稱為聲控音箱或語音音箱，是近幾年進入智慧家庭的終端產品。智能音箱備受追捧，甚至被定位為智能家居入口，其中關鍵在于背后的語音識別技術。語音識別是人工智能技術最為成熟的細分領域之一，也是與智能家居、物聯網設備、機器人等交互的重要方式，語音將是智能家居和物聯網的一個重要突破點。

智能音箱和以往更加傾向于個人使用的智能電子產品不同，它使用場景更多是家庭。它除了播放音樂外，還要具備語音助理、智能家居中控等“技能”。隨著物聯網、云計算、大數據和人工智能等技術的發展，智能音箱將成為能聽會說的家庭小助手，完全有潛力成為智能家居的入口，即物聯網關。

早在2014年11月，亞馬遜發布首款Echo智能音箱，內部搭載了亞馬遜的語音助手Al?exa。和Siri、Google Now、Cortana這類手機上的智能助手不同，用戶無須操作某個按鈕，只通過簡單的語音指令，就可以通過音箱播放音樂、查詢新聞和天氣信息、控制智能家居設備。

谷歌緊隨其后，于2016年5月在當年的I/O大會上宣布推出Google Home智能音箱和升級版的語音助手Google Assistant。一年之后，Google Home迅速迭代，不僅在功能上迅速追平Echo，還在硬件上降低了成本，并圍繞音箱與Android手機和電視建立起了一個生態。

2017年6月5日，蘋果公司在年度開發者大會上推出了一款內置語音數字助理的家用智能音箱。這款HomePod智能音箱，高17.2cm，直徑14.2cm，可與蘋果音樂播放器、蘋果智能手機、蘋果音樂服務無線連接。借助蘋果語音數字助理Siri，HomePod可以接收和識別用戶的語音指令，執行相應任務，比如設置鬧鈴、開關房間照明燈、查詢天氣情況、播放音樂等，智能音箱外形如圖2?1所示。

在2017中國智慧家庭博覽會上（5月18日～5月20日），深圳市彩易生活科技有限公司（大魚管家）推出首款物聯網語音音箱，該物聯網語音音箱通過語音交互，可以作為智能家居的控制中心，控制家庭中上百種不同的設備，包括大小家用電器、影音系統、燈光、溫濕度傳感器、空氣凈化器和路由器等。在基礎智能的設置上，物聯網語音音箱集成了海量音樂、兒童故事和語音交互百科等內容，使其除了應對成年人對家居設備的控制之外，還能保持跟家庭兒童及老人之間的閑暇互動，既有實用的功能，有相當有趣味性，物聯網語音音箱外形如圖2?2所示。

圖2?1 智能音箱外形

a）蘋果HomePod b）亞馬遜Echo c）谷歌Home

圖2?2 物聯網語音音箱外形

a）銀灰色 b）黑色

當前無論是海外智能音箱“四大天王”亞馬遜Echo、谷歌（微博）Home、微軟Invoke和蘋果HomePod，還是國內從BAT到中小創業者，一條圍繞著智能音箱的產業鏈正在生成。智能交互系統、語音翻譯模塊、芯片廠家、第三方內容開發者以及生意冷清多年的傳統音箱制造商，正在把智能音箱看作進軍智能家居的鑰匙，盼望早日進入萬物智能時代。

2.1.2 智能音箱的功能簡介

下面以深圳市彩易生活科技有限公司（大魚管家）物聯網語音音箱為例，介紹智能音箱的主要功能。（大魚管家）物聯網語音音箱的主要功能示意圖如圖2?3所示。

圖2?3 （大魚管家）物聯網語音音箱的主要功能示意圖

1.海量音樂任點播

物聯網語音音箱首先具有音箱功能，它內置雙40mm釹鐵硼強磁發聲單元，釋放透徹音質，配合耐用高功率的CONEX彈波，能充分調動揚聲器能量，外加強音源驅動力音圈，有效擴大低音響應，減少雜音。它還與喜馬拉雅、蝦米音樂等第三方音樂源合作，共享他們的千萬曲庫，讓每一位喜愛智能音箱的朋友都可以收聽這些平臺的音頻資源。只要你對智能音箱說：“你好，小樂”進行喚醒后，便可隨意點播自己想聽的歌曲，海量音樂任點播示意圖如圖2?4所示。

圖2?4 海量音樂任點播示意圖

2.兒童故事任你挑

物聯網語音音箱采用思必馳做語音解析，并可做部分語義分析，解析后的命令字分為15個領域，其中有睡前故事、兒童早教、國學古詩等，只要你對物聯網語音音箱說“你好，小樂，播放兒童故事小王子”后，它就會為你講小王子的故事。

3.智能家用電器可控制

音箱能夠控制的家中所有的智能家用電器，包括空調、電視、插座、窗簾、加濕器和燈具等上千種。早上起床的時候，只要對著音箱說一聲：“你好，小樂，請打開窗簾”，窗簾就會緩慢拉開；坐在沙發上只要對著音箱說一聲：“你好，小樂，將空調溫度調到26℃”，空調就會自動將溫度調到26℃；只要對著音箱說一聲：“你好，小樂，我要看湖南衛視×××節目”，電視機就會自動換臺，呈現所要看的湖南衛視×××電視節目……總而言之，智能音箱將成為智能家居的中控主機。

4.信息查詢真方便，股票信息隨時問

該語音音箱除了播放音樂、控制家用電器外，還要具備信息查詢功能。如交通信息、新聞、天氣和股票等關鍵信息，當你問語音音箱：“你好，小樂，××現在的股票是多少？”

“××的股票當前價格為××元，下跌××元，跌幅××%”。物聯網語音音箱馬上回答。

如果對著音箱說一聲：“你好，小樂，今天天氣怎樣？”，智能音箱馬上會告訴你當天的天氣，天氣預報示意圖如圖2?5所示。

圖2?5 天氣預報示意圖

2.1.3 智能音箱的系統組成

深圳市彩易生活科技有限公司（大魚管家）物聯網語音音箱系統架構圖如圖2?6所示。由圖2?6可知，物聯網語音音箱系統由4大部分組成，即思必馳云、彩易云—聲控模塊、蝦米音樂和喜馬拉雅FM。

圖2?6 物聯網語音音箱系統架構圖

思必馳是一家語音識別方案公司，擁有自主知識產權的人機對話、語音識別、語義理解、語音合成和聲紋識別等綜合語音技術。由于思必馳的云沒有設備控制功能，所以，大部分解析回來的語句，由音箱發向彩易云，歸彩易云聲控模塊進行分析、處理，并返回音箱處理結果。彩易云是深圳市彩易生活科技有限公司的云。蝦米音樂和喜馬拉雅FM是第三方音樂平臺。

語音控制流程如下：

1）用戶使用“你好，小樂”喚醒詞進行喚醒。

2）音箱響一下，表示接受喚醒，進行監聽狀態。

3）用戶開始說話。

4）音箱開始錄音；7s結束。

5）音箱向思必馳上報語音數據包。

6）思必馳進行分析，返回文本內容和語義分析。

7）音箱根據語義分析，確定哪些需要處理，哪些不需要處理；哪些需要上報彩易云。

8）不需要處理的，音箱直接返回結果。

9）如果需要彩易云—聲控模塊處理，提交。

10）彩易云—聲控模塊需要第三方云處理，轉發。

11）彩易云—聲控模塊接受處理結果。

12）返回彩易云—聲控模塊的處理結果。

13）語音控制音箱處理結果，播放結果。

2.1.4 智能音箱的硬件組成

深圳市彩易生活科技有限公司（大魚管家）物聯網語音音箱硬件組成框圖如圖2?7所示。由圖2?7可知，物聯網語音音箱硬件主要有功能按鍵、電源模塊、思必馳語音識別模塊、彩易云智能家居模塊、顯示屏、WiFi模塊、數字功率放大器與高保真揚聲器。

圖2?7 物聯網語音音箱硬件組成框圖

語音識別是智能家居和物聯網的一個重要突破點，主要涉及語音合成、語音識別、多語種語音處理、遠場喚醒和識別降噪等技術。語音交互是用戶與設備“交流”的理想模式，在人工智能、大數據時代，語音交互的效果也越來越實用。

語音識別技術（Auto Speech Recognize，ASR）所要解決的問題是讓計算機能夠“聽懂”人類的語音，將語音中包含的文字信息“提取”出來。ASR技術在“能聽會說”的智能音箱中扮演著重要角色，相當于給智能音箱安裝上“耳朵”，使其具備“能聽”的功能，進而實現人機通信和交互。在國內從事智能語音及語音識別技術研究，軟件及芯片產品開發的企業主要有科大訊飛、思必馳等。

語音識別模塊是在一種基于嵌入式的語音識別技術的模塊，主要包括語音識別芯片和一些其他的附屬電路，能夠方便的與主控芯片進行通信，開發者可以方便地將該模塊嵌入到自己的產品中使用，實現語音交互的目的。語音識別模塊組成框圖如圖2?8所示。

圖2?8 語音識別模塊組成框圖

圖2?9 LD3320A芯片實物

例如科大訊飛研發的語音識別芯片LD3320A，它是一顆基于非特定人語音識別技術的語音識別/聲控芯片。LD3320A芯片上集成了高精度的A-D和D-A接口，不再需要外接輔助的Flash和RAM，即可以實現語音識別/聲控/人機對話功能。LD3320A芯片實物如圖2?9所示。

它的主要特色功能有以下幾點：

1）非特定人語音識別技術，不需要用戶進行錄音訓練。

2）可動態編輯的識別關鍵詞語列表，只需要把識別的關鍵詞語以字符串的形式傳送進芯片，即可以在下次識別中立即生效。比如，用戶在51等MCU的編程中，簡單地通過設置芯片的寄存器，把諸如“你好”這樣的識別關鍵詞的內容動態地傳入芯片中，芯片就可以識別這樣設定的關鍵詞語了。

3）支持用戶自由編輯50條關鍵詞語條，在同一時刻，最多在50條關鍵詞語中進行識別，終端用戶可以根據場景需要，隨時編輯和更新這50條關鍵詞語的內容。

4）內置高精度A-D和D-A通道，不需要外接AD芯片，只需要把傳聲器接在芯片的AD引腳上，可以播放聲音文件，并提供550mW的內置放大器。

5）真正單芯片解決方案，不需要任何外接的輔助Flash和RAM，真正降低系統成本。

主要技術參數如下。

●內置單聲道16bit A-D模數轉換。

●內置雙聲道16bit D-A數模轉換。

●內置20mW雙聲道耳機放大器輸出。

●內置550mW單聲道揚聲器放大器輸出。

●支持并行接口或者SPI接口。

●內置鎖相電路PLL，輸入主控時鐘頻率為2～34MHz。

●工作電壓：（VDD）3.3V。

●48pin的QFN7×7標準封裝。

●省電模式耗電：1μA。

LD3320芯片內部的語音識別原理框圖如圖2?10中的虛線框所示。

圖2?10 LD3320芯片內部的語音識別原理框圖

首先，把通過傳聲器輸入的聲音進行頻譜分析；其次，提取語音特征，通過以上兩步后將得到語音（即關鍵詞）的特征信息；再次，將關鍵詞語列表（即訓練模板）中的數據與特征信息進行對比匹配；最后，找出得分最高的關鍵詞語作為識別結果輸出。

2.2 智能貓眼

2.2.1 智能貓眼概述

智能貓眼是一種替代傳統貓眼的家居安防產品，是安裝在防盜門上可以24小時自動拍照、感應監控的智能可視貓眼。通過攝像頭和液晶屏顯示，無論老人或者小孩都可以看清門外的情況，同時還可以對來訪者進行自動拍照留檔，以便業主外出歸來時查看來訪記錄。當有訪客到來時，如果家里有人，可直接通過室內顯示屏與訪客視頻對話；如果出門在外，訪客按響門鈴時，通過智能貓眼搭配的手機APP將自動推送消息，打開APP即可與訪客實現實時視頻對話。

智能貓眼與可視門鈴最本質的區別就是：設備是否通過聯網，實現遠程實時掌控，不論身在何方，都能通過手機隨時隨地獲知家門外一切信息。

移康智能叮咚3（R26F）是一款具有移動偵測功能的智能門鈴，移康智能叮咚3（R26F）外形如圖2?11所示。

圖2?11 移康智能叮咚3（R26F）外形

2.2.2 智能貓眼的功能簡介

移康智能叮咚3安裝180°魚眼超視角鏡頭、300萬高清攝像頭、像素高達720p高清、WiFi無線監控模塊，主要有以下幾點功能。

1.角度增加，廣角更廣

普通的攝像頭的視角一般不過120°，甚至還有只達90°的小視角。移康智能叮咚3從曾經的165°廣角鏡頭增加到180°，徹底地將門外場景全部收進眼底，不放過任何可能出現漏洞。

2.消除色差，色彩失真修復

移康智能叮咚3新添獨特功能，自動進行色彩失真修復，讓貓眼拍攝的畫質更加真實。拍攝像素更是增加到300萬，屏幕再次革新，采用960×540mm的IPS高清顯示屏，給用戶還原最真實的情況，捕捉所有細節，讓所有威脅無所遁形。

3.紅外夜視，自動抓拍

移康智能叮咚3采用的PIR（人體智能偵測）和紅外夜視傳感器，幫助每個用戶日夜監控家門外的可疑人物。只要外面有人停留3s以上就可以自動拍照或者拍視頻（停留時間可以設置）。

4.監督小孩，保護老人

移康智能叮咚3可根據小孩的進門記錄，隨時隨地掌握小孩放學是否按時回家；同時根據老人開關門記錄，掌握家里老人的活動是否正常，降低老人出危險事件的概率。

5.遠程對講，可視通話

通過專門設計的手機APP，可以實現手機與智能貓眼之間的通話。如當快遞小哥上門送快遞或重要客人來訪時，而用戶卻不在家。此時此刻快遞小哥便可以通過單擊智能貓眼上的按鈕實現與用戶的通話。還可以綁定手機查看，即使身在千里之外，掏出手機打開APP就能隨時隨地遠程查看門外情況。

手機APP的操作步驟如圖2?12所示。

2.2.3 智能貓眼的主要參數

移康智能叮咚3的主要參數見表2?1。

圖2?12 手機APP的操作步驟

表2?1 移康智能叮咚3的主要參數

2.2.4 智能貓眼的系統組成

智能貓眼主要分為門內主機、門外子機兩大部分，包裝盒內還附贈了說明書、充電器、安裝配件，移康智能叮咚3（R26F）系統如圖2?13所示。

門鈴主機采用的是6寸電容觸摸屏，可以將門外的情況盡收屏幕之內，不僅清晰，6寸的大屏幕，即使是老人也可以看清門外。

門外子機內置180°魚眼攝像頭，采用720p安防專用的攝像頭，并且獨有彩色失真修復技術，這一技術，使得移康智能叮咚3WiFi遠程可視門鈴避免了市面上其他智能貓眼在白天時的偏色問題。叮咚3可視門鈴通過計算感光芯片吸收到自然界的各種光線，再調整攝像頭使得圖像達到一個佳值。

圖2?13 移康智能叮咚3（R26F）系統

2.3 智能指紋鎖

2.3.1 智能指紋鎖概述

智能指紋鎖是在指紋鎖的基礎上，加入物聯網功能，實現APP操控。它集合了互聯科技、人工智能、生物智能等高新技術，可以說是中國智能家居領域最具備科技含量的產品類目之一。智能指紋鎖是智能家居入口，也是智能家居安防系統的核心組成部分。通過云端安全技術，實時反饋門鎖狀態和家庭安全狀況，實現雙向通信，并可實現門鎖和智能家居設備的聯動，門鎖和社區O2O服務的對接，云端遠程管理門鎖，門鎖緊急呼救等等功能。智能指紋門鎖具有指紋、密碼、機械鑰匙和手機遙控4種開門方式。

指紋鎖是一種以人體手指部位的指紋為識別載體和手段的智能鎖具，它是計算機信息技術、電子技術、機械技術和現代五金工藝的完美結晶。指紋鎖一般由電子識別與控制、機械聯動系統兩部分組成。指紋的唯一性和不可復制性決定了指紋鎖是目前所有鎖具中最為安全的鎖種。指紋鎖除指紋識別外，根據國家規定，應當加配應急機械鑰匙。產品質量規范以《中華人民共和國公共安全行業標準（GA701—2007）》為主要依據。

指紋鎖通過指紋識別傳感器錄入使用者的指紋信息，通過指紋算法，把指紋信息轉換成數字信息。當已注冊用戶把指紋放到指紋傳感器上時，系統會自動分析比對指紋信息。對比成功后，輸出信號給離合器電機或磁鐵實現開啟或閉合，從而實現開鎖或關鎖。

指紋識別傳感器又稱為指紋采集器，是智能指紋鎖中的核心器件之一，它的好壞直接影響指紋鎖的安全性。目前指紋識別傳感器根據采集原理的不同，一般分為光學指紋識別傳感器與半導體指紋識別傳感器兩種，其中半導體指紋識別傳感器又分為電容半導體指紋識別傳感器和射頻式半導體指紋識別傳感器，電容半導體指紋識別傳感器是瑞典FPC公司的一種叫法，而射頻式半導體指紋識別傳感器則是美國UPEK公司的說法。

光學指紋識別傳感器是利用光的折射和反射原理，光從底部射向三棱鏡，并經棱鏡射出，射出的光線在手指表面指紋凹凸不平的線紋上折射的角度及反射回去的光線明暗就會不一樣。CMOS或者CCD的光學器件就會收集到不同明暗程度的圖片信息，就完成指紋的采集。

半導體指紋識別傳感器是在一塊集成有成千上萬半導體器件的“平板”上，手指貼在其上與其構成了電容（電感）的另一面，由于手指平面凸凹不平，凸點處和凹點處接觸平板的實際距離大小就不一樣，形成的電容/電感數值也就不一樣，設備根據這個原理將采集到的不同的數值匯總，也就完成了指紋的采集。

生物射頻式指紋識別傳感器是在電容式傳感器的基礎上擴展的，通過傳感器本身發射出微量射頻信號，穿透手指的表皮層獲取里層的紋路，來獲得最佳的指紋圖像。可以排除手指表面的污垢、油脂干擾，防偽指紋能力強，射頻識別原理只對人的真皮皮膚有反應，從根本上杜絕了人造指紋的問題。

指紋識別傳感器根據信號的采集方式又可分為劃擦式和接觸式（面陣式）兩種。劃擦式（又稱為滑動式或刮擦式）指紋識別傳感器將手指從傳感器上劃過，系統就能獲得整個手指的指紋，其寬度只有5mm左右，面積只有手指的1/5，手指按壓上去時，無法一次性采集到完整圖像。在采集時需要手指劃過采集表面，對手指劃過時采集到的每一塊指紋圖像進行快照，這些快照再進行拼接，才能形成完整的指紋圖像；接觸式（一般稱為面陣式）指紋識別傳感器，手指平放在設備上以便獲取指紋圖像，一般為了獲得整個手指的指紋，必須使用比手指更大的傳感器，整個手指同時按壓在傳感器之上。

2014年8月13日，中國臺灣J-Metrics（茂丞科技）推出新一代基于主動式垂直射頻技術的指紋識別傳感器，該指紋傳感器是利用半導體感面積型測接收器，接收微小的人體手指發出指紋影像訊號，使能偵測手指3D影像，以辨識表面指紋的脊和谷的深度3D圖形。它可捕捉到皮膚活體層底下，輪廓鮮明及清晰的指紋影像。

目前在智能門鎖，尤其是家用智能門鎖中，指紋識別已經成為標配。這其中，由于價格的原因，光學式識別方案應用得更為普遍，能占到70%以上。對于光學指紋識別方案，容易被假指模欺騙的安全性問題，可以說是這種方案的硬傷。

業界普遍在追尋更為安全的生物識別方案，如人臉、虹膜等，但由于技術方案的成熟度和價格原因，很難在智能門鎖上大規模應用。倒是有一種與指紋識別有點類似的技術方案，有望成為指紋識別的升級替代，那就是指靜脈識別。

指靜脈方案的原理是采用波長700～1100nm的紅外光照射手指，手指內部靜脈血管里的血紅蛋白會吸收部分紅外光，從而繪制出指靜脈的圖像。然后將圖像數字化，并做特征提取，與已經記錄的指靜脈圖像比對，完成識別過程。

智能門鎖可以說是指靜脈識別最佳的應用場景，尤其與光學式指紋識別在原理和結構上的相似性，使得指靜脈識別方案可以很平滑的替換掉光學指紋識別方案，指靜脈技術對于智能門鎖最重要的安全性會有顯著的提升。

2.3.2 智能指紋鎖的功能簡介

下面以移康YK6088E型智能指紋鎖為例，介紹智能指紋鎖的主要功能。移康YK6088E型智能指紋鎖的外形如圖2?14所示。

圖2?14 移康YK6088E型智能指紋鎖的外形

1.指紋開鎖，安全快捷

指紋是指手指末端正面皮膚上凸凹不平的紋路，盡管指紋只是人體皮膚的一小部分，但是，它蘊涵大量的信息，這些紋路在圖案、斷點和交點上是各不相同的，在信息處理中將它們稱作“特征”，醫學上已經證明這些特征對于每個手指都是不同的，而且這些特征具有唯一性、永久性和不可復制性。每個人的指紋還具有易攜帶、不忘記和不丟失的特點。智能指紋鎖在鎖內模塊的Flash中開辟了一段存儲區域作為用戶指紋模板存放區即指紋庫。指紋庫數據是斷電保護的。當用戶將指紋放到指紋傳感器上時，系統就會比較他的指紋特征和預先保存在指紋庫的指紋特征，以驗證用戶的真實身份。身份符合的便可開鎖，否則是打不鎖的。移康YK6088E型智能指紋鎖采用瑞典FPC指紋采集器，0.5s指紋快速識別，指紋容量100條，指紋開鎖如圖2?15所示。并有效防止指紋淺淡、粗糙指紋和受傷指紋。

2.密碼開鎖，謹防窺視

移康YK6088E型智能指紋鎖采用具有虛位密碼功能的芯片算法，可以在真實密碼前后，隨意添加任意隨機數字開門，讓用戶在有客人的場合都不必遮遮掩掩，防止密碼無意中泄露，也可以大大方方的解鎖開門。這個密碼技術不同于其他密碼技術，用戶在開門時，可在真實密碼前后隨意增加亂碼，起到保護密碼的作用，虛位密碼開鎖如圖2?16所示。

圖2?15 指紋開鎖

圖2?16 虛位密碼開鎖

3.手機聯動，遠程開鎖

移康YK6088E型智能指紋鎖內部加裝了無線通信簿塊，用戶可以通過手機APP就可輸入密碼實現遠程開鎖，手機遠程開鎖如圖2?17所示。這樣智能指紋鎖有指紋開鎖、密碼開鎖和手機開鎖3種方式，可供用戶任意選擇。

4.應急鑰匙開鎖

移康YK6088E型智能指紋鎖根據國家規定，加配了應急機械鑰匙插孔，出現密碼忘記、電量耗盡或系統無法運作等緊急情況，可使用備用機械鑰匙開鎖。其位置在室外門鎖面板最下方，機械鑰匙插孔如圖2?18所示。

圖2?17 手機遠程開鎖

圖2?18 機械鑰匙插孔

5.內部反鎖與安全模式

移康YK6088E型智能指紋鎖還支持內部反鎖功能，旋轉反鎖旋鈕后室外無法正常開啟，晚上睡覺前可啟用該模式。若長時間出差可啟用“安全模式”，即進門時需要密碼+指紋的雙重驗證。

6.其他功能

移康YK6088E型智能指紋鎖除上述開鎖的基本功能外，還具有以下幾點功能。

1）電量查詢。查詢智能指紋鎖當前電量，手機APP會顯示當前門鎖電池的電量。

2）開鎖記錄。用戶開門后鎖內控制器需上報開門時間、上報開門方式給中控設備，并傳給云端，存儲開門記錄，手機APP會顯示用戶開門記錄。

3）安防告警。在輸入密碼時，如果連續3次出錯，智能指紋鎖會發出密碼驗證錯誤報警；如果連續3次出現指紋輸入錯誤，會發出指紋驗證錯誤報警；如果門鎖被撬開時，會發出防撬報警；如果門鎖超時未鎖時，也會發出告警。上述告警信息由鎖內的控制器上報給中控設備，并傳給云端，手機APP通知用戶安防告警消息，提醒用戶及時處理異常情況。

4）低電告警。當指紋鎖電量過低時，指紋鎖上報低電告警，手機APP顯示低電量圖標。

5）采用三防鎖體，防盜更安心。鎖芯是采用了超B級鎖芯，具有防撞、防撬、防鋸的三防功能。職業小偷采用技術開鎖至少需要3h以上，極大增加了盜竊成本，讓小偷望門生畏。

6）鎖內安裝了無線通信模塊，不僅支持手機遠程開鎖，還能與智能貓眼形成聯動，組成智能門系統。如將叮咚R23E智能貓眼與YK6088E智能指紋鎖進行聯動后，便形成的一套更加智能化的家庭安防系統。通過在指紋鎖內安裝無線通信模塊，實現了智能貓眼和鎖的聯通，此外智能門系統還兼顧了遠程可視對講、防盜預警推送和遠程聯動開鎖三項核心功能。不僅如此，智能門系統還能時刻記錄家門出入人流的信息，防止一切可能出現的威脅。

7）低耗節能，持久耐用。鎖內裝有標準4節5號電池，可持續使用半年以上，如圖2?19所示。

8）鎖上顯示屏自動顯示日期、時間及操作提示，如圖2?20所示。圖2?20顯示的日期是2013年11月15日，時間是13點59分51秒，“請輸入密碼”提示。

圖2?19 鎖內裝有標準4節5號電池

圖2?20 鎖上顯示屏

2.3.3 智能指紋鎖的主要參數

移康YK6088E型智能指紋鎖的主要參數見表2?2。

表2?2 移康YK6088E型智能指紋鎖的主要參數

2.3.4 智能指紋鎖的硬件組成

智能指紋鎖的硬件組成包括機械部分和電子部分，機械部分有前后面板、鎖體、把手、電機和應急鑰匙；電子部分有指紋識別傳感器（指紋采集器）、指紋算法芯片、數字鍵盤、微控制器（MCU）、液晶顯示屏、網絡模塊、電機驅動器和電池，智能指紋鎖電子部分組成框圖如圖2?21所示。

圖2?21 智能指紋鎖電子部分組成框圖

1.指紋傳感器

移康YK6088E型智能指紋鎖采用瑞典FPC1011F3指紋傳感器，其外形如圖2?22所示。

瑞典FPC指紋傳感器采取了獨創的反射式測量法，就像回聲原理一樣，發出的聲音越大，回聲就越大，這就實現了增強探測信號。保證取得穩定、清晰的指紋圖像，由于探測信號增強就帶來了另一個好處，芯片表面的保護膜可以做得更厚（比同類厚10～25倍），擁有更厚的保護層就意味著更強，耐磨性（>100萬次）和抗靜電（大于15kV）甚至可達20kV，反之，因為直接測量法探測到的信號本來就微弱，所以芯片表面的保護膜就無法做得很厚，抗靜電性和耐磨性就無法達到實際需求。

圖2?22 瑞典FPC1011F3指紋傳感器外形

瑞典FPC指紋傳感器有以下特點。

●抗靜電：大于15kV，達到國際4IEC6100042標準。

●耐磨性：超過100萬次。

●采集圖像清晰：初次采集圖像，到100萬次后采集圖像依然清晰。

●識別指紋時間短。

●高速的SPI接口。

●環境濕度：0～95%。

●具有363dpi的分辨率。

●低功耗，3.3V或2.5V的工作電壓，7mA工作電流。

●符合國際標準高品質FR4材質。

●內置A-D轉換，從而輸出高質量的數字指紋圖像。

●活體指紋識別，探測真皮層，對干濕手指具有良好適應性。

●8位模數轉換器，可以方便與低成本接頭接入系統中。

●耐高低溫：通常適用溫度-20～+85℃，儲存溫度-40～+85℃。

新一代升級指紋傳感器FPC1011F的技術參數見表2?3。

表2?3 新一代升級指紋傳感器FPC1011F的技術參數

廣東佛山耐特鎖業有限公司生產指紋鎖采用指昂科技研發的光學指紋識別模塊，該模塊以高速DSP處理器為核心，結合具有自主知識產權的光學指紋傳感器，具有指紋錄入、圖像處理、指紋比對、搜索和模板儲存等功能，ZAZ-050指紋識別模塊外形如圖2?23所示。

圖2?23 ZAZ-050指紋識別模塊外形

ZAZ-050指紋識別模塊的技術參數如下。

（1）電氣參數

供電電壓：5V（典型值），范圍是：4.2～7.0V。

供電電流：60mA（典型值），峰值電流，80mA。

指紋圖像：錄入時間<0.5s。

工作溫度：-30～+70℃。

存儲溫度：-40～+80℃。

工作濕度：20%～90%。

存儲濕度：16%～95%。

（2）性能參數

采集窗口尺寸：21mm×24mm。

有效圖像尺寸：17mm×19.3mm。

圖像大小：256×288pixel。

圖像像素：500dpi。

匹配方式：比對方式（1∶1）搜索方式（1∶N）。

指紋特征：384B。

指紋模板：1536B。

存儲容量：100枚。

安全等級：五級（從低到高：1、2、3、4、5）。

認假率（FAR）：<0.001%（安全等級為3時）。

拒真率（FRR）：<0.005%（安全等級為3時）。

搜索時間：<1.0s（1∶1000時，均值）。

通信接口：UART（TTL邏輯電平）或者USB1.1/2.0兼容。

通信波特率（UART）：（9600×N）bit/s，其中N=1～12（默認出廠N=6，即57600bit/s）。

2.指紋算法芯片

指紋識別算法是指在指紋識別過程中，對采集的指紋圖像預處理、數據特征提取、特征匹配等。其中圖像預處理的主要步驟包括：圖像分割、圖像增強、二值化處理、二值去噪、細化等。預處理的目的是改善輸入指紋圖像的質量，以提高特征提取的準確性。原始指紋圖像一般存在噪聲污染、脊線斷裂或脊線模糊等問題，需要進行圖像增強（使用濾波技術）以改善質量。由于指紋特征僅包含在脊線的形狀結構中，所以，通過二值化和細化把深淺不一、寬度不同的脊線變成灰度相同、單像素寬的細脊線，以便于特征提取。指紋識別算法流程框圖如圖2?24所示。

圖2?24 指紋識別算法流程框圖

（1）圖像預處理

1）圖像分割。因為獲得的指紋圖像跟其背景區域相混合，所以需要對原始指紋圖像進行背景分離。由指紋圖像可知，在背景和指紋圖像之間存在一道白色區域，所以首先對指紋圖像進行初步處理，消除最外面的邊框。然后對指紋圖像進行進一步的處理，消除剩下的背景區域。

2）圖像增強（中值濾波）。由于分割后的圖像質量仍然不是很好，所以需要對其進行進一步的增強處理。這是指紋圖像預處理過程中最核心的一步，主要是通過對受噪聲影響的指紋圖像去噪，同時對圖像進行修復和整理，增強脊線谷線結構對比度，進一步獲取更加清晰的圖像。

3）二值化處理。經過中值濾波后的指紋圖像首先要進行二值化處理，變成二值圖像。即將灰度圖像（灰度有255階）轉化為只包含黑、白兩個灰度的二值圖像，即0和1兩個值。

由于采集到的指紋圖像不同區域深淺不一，如對整幅圖像使用同一閾值進行二值分割，會造成大量有用信息的丟失。使用自適應局部閾值二值化處理是對每小塊指紋圖像，選取的閾值應盡量使該塊圖像內大于該閾值的像素點數等于小于該閾值的像素點數。這樣使脊的灰度值趨于一致，對圖像信息進行壓縮，節約了存儲空間，有利于指紋特征提取和匹配。

4）二值去噪。二值去噪是在指紋圖像二值化處理后，再一次消除不必要的噪聲，以利于辨識。

5）指紋圖像的細化。細化處理是在指紋圖像二值去噪之后，在不影響紋線連通性的基礎上，刪除紋線的邊緣像素，直到紋線為單像素寬為止，并在此基礎上進行細化紋線的修復，包括斷線的連接、毛刺和叉連的去除、短線和小孔的消除等。

（2）特征提取

指紋圖像特征提取的算法有很多種，主要有基于灰度圖像的細節特征提取、基于曲線的特征提取、基于奇異點的特征提取、基于脊線頻率的特征提取等。對指紋圖像的特征點進行提取，能有效地減少偽特征點，提取準確的特征點，提高匹配速度和指紋識別性能，降低識別系統的誤識率和拒真率。

有一種是基于非徹底細化圖像的指紋細節提取算法，它在不對紋線做任何修復處理的情況下，在細化指紋圖像上直接提取原始細節特征點集，得到初步的特征提取結果；然后分析圖像中存在的各類噪聲及其特點，結合指紋細節特征點固有的分布規律和局部紋線方向信息，針對不同的噪聲采用針對性算法，并利用偽特征點在數學形態學上的分布規律，將各類噪聲引起的偽特征點分別予以刪除，而將最終保留的特征點集作為真正特征點的集合。指紋圖像特征點提取具體算法流程如圖2?25所示，其中去偽算法又分為去除偽端點、去除小孔、去除毛刺和去除絞線差連等幾部分。

（3）指紋圖像匹配

指紋圖像的匹配就是對兩個輸入指紋的特征集合（模板指紋集和輸入指紋集）進行判斷，看是否屬于同一指紋。在極坐標下進行指紋圖像的特征點匹配，具體的極坐標細節匹配算法步驟如圖2?26所示。指紋特征匹配主要是基于細節特征值的匹配，通過對輸入指紋細節特征值與存儲的指紋細節特征值相比較，實現指紋識別，兩者相比較時需要設立一個臨界值，匹配時大于這個閾值，則指紋匹配；當匹配時小于閾值，則指紋不匹配。特征匹配是識別系統的關鍵環節，匹配算法的好壞直接影響識別的性能、速度和效率。

圖2?25 圖像特征點提取具體算法流程

圖2?26 具體的極坐標細節匹配算法步驟

指紋識別算法隨著科技的進步，也在不斷發展。一些企業將指紋識別算法嵌入在芯片中，能夠片上實現指紋的圖像采集、特征提取、特征比對。這使得開發過程變得簡單，開發者可以方便地實現指紋識別的功能。

如北京艾迪沃德科技發展有限公司研制的QS808指紋算法芯片是一款高性能、低功耗指紋算法芯片，QS808芯片外形如圖2?27所示。該芯片是一種32位多功能微控制器，搭載了IDworld幾十年國際領先的IDworld5.0自學習指紋識別算法。基于ARM Cortex^TM-M3指令的內核，具備最佳處理性能、低功耗和外設可配的能力，帶有一個緊密耦合的嵌套向量中斷控制器、系統時鐘和先進的調試功能。

圖2?27 QS808芯片外形

QS808指紋芯片主頻為108MHz，提供了出色的處理性能。基本型片內閃存（Flash）最大為128KB，RAM最大為20KB，供電電壓范圍為2.6～3.6V，內核的供電電壓為1.2V，I/O口可承受5V電平，內嵌實時時鐘（RTC）和2個看門狗（WDG），具有掉電復位（PDR）、上電復位（POR）及電壓監測（LVD）功能。支持三相PWM互補輸出和積分器的高級控制定時器可用于矢量控制，還擁有3個通用16位定時器。提供多達43個外部中斷并可嵌套16個可編程優先級。還集成了豐富的外設功能，擁有USB2.0全速、CAN、LIN、LCD等通用接口并可連接NORFlash、SRAM等外部存儲器，還配備有兩個采樣率為1MSPS多達16通道的12位高速ADC、3個USART、2個SPI、2個I²C、多達80%的可用GPIO還支持端口重映射功能，極佳的靈活性滿足多種應用需求。QS808指紋芯片基本型提供從16KB到128KB的Flash容量，并有QFN36、TQFP48、LQFP64和LQFP100多種封裝選擇。

QS808可以適配多種類型的指紋傳感器：半導體指紋傳感器、滑動式指紋傳感器、光學指紋傳感器以及熱敏式指紋傳感器等。同時，它支持多種開發環境：Android、Windows、Linux，也可用于其他嵌入式環境等。所以QS808可以運用于智能家居、物聯網、安防市場和車聯網等領域。

圖2?28 AS602芯片外形

又如杭州晟元芯片技術有限公司研制的AS602芯片，AS602芯片外形如圖2?28所示。該芯片采用哈佛結構32位RISC處理器內核，內置專用DSP指令集和加速器。其主要特點是具有SEA/RSA加速引擎、內置存儲器（Flash/OTP）、指紋處理加速器和專用算法軟件。AS602芯片主頻高達128MHz，內置128KB高速靜態隨機存儲器（SRAM），嵌入了1MB大容量FLASH，64KBROM和4KBOTPROM，并具備豐富的對外接口：除了USB2.0全速接口外，還具備3組USART接口、4通道PWM接口、ISO7816智能卡接口、APC主接口、片上實時鐘、對稱算法引擎（SEA）加速器、RSA加解密引擎、真隨機數產生器（TRNG），以及多達51路GPIO，以便滿足不同傳感器的需求，用于指紋鎖、指紋門禁、指紋U盤、指紋硬盤以及指紋手機等數碼產品。

2.4 智能背景音樂主機

深圳億佳音科技有限公司生產的億佳音JY188A型背景音樂主機采用的是7寸高清數字顯示屏（1024×600IPS高清分辨率顯示屏），多點電容式觸摸屏，主芯片采用Cortex-A9四核處理器，主頻1.2GHz，安卓4.4操作系統。本機運行存儲為1GB，機身存儲為8GB。支持DLNA、Airplay、Qplay等協議。

2.4.1 智能背景音樂主機的功能介紹

1.手機同屏操作

用智能手機等移動終端設備安裝本公司的APP可以實現局域網內對本主機進行各種不同操控，如可以將主機的操作畫面實時投射到移動終端設備，通過移動終端設備進行操作主機的各項功能。JY188A型主機的功能界面（一）如圖2?29所示，在智能手機上同樣可有這種功能界面，這樣可在手機上隨時隨地控制主機。

圖2?29 JY188A型主機的功能界面（一）

2.實時顯示日期、時間、天氣、地址

億佳音JY188A型智能背景音樂主機能實時顯示日期、時間、天氣與地址。圖2?29功能界面（一）上面中間屏幕顯示的日期是（2017年）05/19周五（農歷）四月二十四、時間是13：32、地址是深圳市寶安區、天氣晴，明天中雨22/26℃、周日中雨23/29℃、周一中雨23/26℃。

3.卡拉OK演唱

億佳音JY188A型智能背景音樂主機支持利用無線傳聲器進行家庭卡拉OK演唱娛樂，只要輕輕一點圖2?29功能界面（一）右上方的卡拉OK圖案，就可在朋友歡聚時，想唱就唱。

4.局域網對講

億佳音JY188A型智能背景音樂主機支持局域網語音實時對講，只要輕輕一點圖2?29功能界面（一）左下方的對講機圖案，就可與其他房間的主機進行對講，對方能及時聽到呼叫聲音。

5.多檔定時開關機

億佳音JY188A型智能背景音樂主機可任意設定時間，支持多檔定時開關機。定時開機后可選取指定歌曲進行播放。設置定時開關機時要將功能界面用手往右滑動，見到下方第三只指示燈亮，出現圖2?30所示設置定時開關機界面，然后單擊圖2?30上方中間的定時開關機圖案，便可任意設定時間。

圖2?30 設置定時開關機界面

6.多種音樂播放

億佳音JY188A型智能背景音樂主機支持多種音樂播放，圖2?29功能界面（一）左上方有本地音樂，下面中間有百度音樂和聽喜馬拉雅FM（調頻）廣播，圖2?30中左上方有網絡音樂。不同音樂由藍牙信號自動切換或用手機切換。

7.高清視頻輸出

億佳音JY188A型智能背景音樂主機具有高清視頻解碼功能，支持網絡視頻、網絡電影、電視節目隨意看，配合HDMI輸出至電視機，背景音樂主機變成網絡電視機頂盒。

8.語音點播歌曲

億佳音JY188A型智能背景音樂主機內置語音識別電路，只要說出想聽的歌曲，主機就會輸出優美動聽的音樂。

9.兩功率放大器輸出

億佳音JY188A型智能背景音樂主機內置YAMAHA（雅馬哈）YDA138-E數字，四聲道揚聲器輸出，支持2區分音量調節，調節音調時要將功能界面用手往右滑動，見到下方第二只指示燈亮，出現圖2?31所示界面，然后單擊圖2?31上方調節圖案，便可進行操作，音量調節界面如圖2?31所示。

10.對接可視門鈴

億佳音JY188A型智能背景音樂主機支持可視門鈴，可與本公司生產的WIFI601/602型可視門鈴對接，進行實時雙向可視通話，達到圖像、語音雙重識別，從而增加了安全可靠性。

圖2?31 音量調節界面

2.4.2 智能背景音樂主機的主要參數

億佳音JY188A型智能背景音樂主機的主要參數見表2?4。

表2?4 主要參數

2.4.3 智能背景音樂主機的電路組成和主要器件

1.內部結構框圖

億佳音JY188A型智能背景音樂主機主要由Cortex-A9四核處理器、YAMAHA（雅馬哈）YD138-E數字功率放大器、咪頭（傳聲器）、觸摸屏、顯示屏、藍牙模塊、WiFi模塊、電源模塊等電路組成，其內部結構框圖如圖2?32所示。

2.Cortex-A9四核處理器

Cortex-A9四核處理器是性能最高的ARM處理器，能與其他Cortex系列處理器以及廣受歡迎的ARMMPCore技術兼容，因此能夠很好延用包括操作系統/實時操作系統（OS/RTOS）、中間件及應用在內的豐富生態系統，從而減少采用全新處理器所需的成本。Cortex-A9四核處理器內部結構框圖如圖2?33所示。

由圖2?33可知，Cortex-A9內的主要子模塊包括中央處理單元CPU、指令高速緩存和數據高速緩存器、浮點運算單元、偵測控制單元和內核接口等。

圖2?32 內部結構框圖

圖2?33 Cortex-A9四核處理器內部結構框圖

Cortex-A9 CPU的內部結構如圖2?34所示。每個Cortex-A9的CPU能在一個周期給出兩個指令，并且以無序的方式執行。CPU實現動態地分支預測和可變長度的流水線，性能達到2.5DMIPs/MHz。Cortex-A9處理器實現ARMv7A的結構、支持充分的虛擬存儲器、能執行32位的ARM指令、16位及32位的Thumb指令和在Jazelle狀態下的一個8位Java字節碼。

指令高速緩存負責給Cortex-A9處理器提供一個指令流。指令緩存有直接和預取單元接口，預取單元包含一個兩級預測機制。指令緩存為虛擬索引和物理標記。

數據高速緩存負責保留Cortex-A9處理器所使用的數據。數據緩存的關鍵特性包括：數據緩存為物理索引和物理標記；數據緩存是非阻塞的，因此加載/保存指令能連續地命中緩存，同時執行由于先前讀/寫缺失所產生的來自外部存儲器的分配，數據緩存支持4個超前地讀和4個超前地寫；CPU能支持最多4個超前的預加載指令，然而明確的加載/保存指令有較高的優先級；Cortex-A9加載/保存單元支持預測的數據預加載，用于監視程序順序的訪問，在請求開始前開始加載下一個期望的行，使用cp15輔助控制寄存器（DP位），使能這個特性，在分配前可以不使用這個預取行，預加載指令有較高的優先級；數據緩存支持兩個32B行填充的緩沖區和一個32B的替換（淘汰）緩沖區；Cortex-A9 CPU有一個帶64位槽和數據合并能力的保存緩沖區；所有數據讀缺失和寫缺失是非阻塞的，支持最多4個超前數據讀缺失和4個超前數據寫缺失；APU數據緩存使用MESI算法，完整地偵聽一致性控制；Cortex-A9內的數據緩存包含本地保存/加載互斥監視程序，用于LDREX/STREX同步，這些指令用于實現信號量，互斥監控程序只管理帶有8個字或者一個緩存行顆粒度的一個地址，因此避免交錯的LDREX/STREX序列，并且總是執行一個CLREX指令，作為任何上下文切換的一部分；數據緩存只支持寫回/寫分配策略，不實現寫通過和寫回/非寫分配策略。

圖2?34 Cortex-A9 CPU的內部結構

偵測控制單元（SCU）將兩個Cortex-A9處理器連接到存儲器子系統，并且管理兩個處理器和2級緩存之間的緩存一致性。這個單元負責管理互聯仲裁、通信、緩存和系統存儲器傳輸，以及Cortex-A9處理器的緩存一致性。APU也將SCU的能力開放給通過ACP接口所連接的、PL內所實現的加速器。這個接口允許PL主設備共享和訪問處理器的緩存“層次”（不同的緩存結構）。所提供的系統一致性不但改善了性能，也減少了軟件的復雜度（否則需要在每個操作系統的驅動程序中負責維護軟件的一致性）。

3.雅馬哈數字功率放大器YDA138-E芯片

雅馬哈YDA138-E芯片是集成化D類立體聲（雙聲道）音頻功率放大器，不失真輸出功率為3W，噪聲系數、串擾特性等指標較優異，使它可以獲得更好的聲音。非耦合輸出和無低通濾波電路，使它可以直接驅動揚聲器，降低整個功率放大器和PCB空間成本。它是一種理想的便攜式設備（如筆記本式計算機）音頻功率放大器。YDA138-E有一個“純脈沖直接揚聲器驅動電路”，它直接驅動揚聲器，同時降低失真脈沖輸出信號，并減少信號噪聲，實現了最高標準的低失真率的特點和低噪聲特性。

YDA138-E具有過電流保護功能和時鐘停止保護功能的數字放大器。此外，它具有輸出電流限制功能的耳機放大器。此外，還具有熱保護功能、低電壓故障預防功能、電源電壓動態保護功能。YDA138-E芯片內部結構框圖如圖2?35所示，YDA138-E芯片引腳定義如圖2?36所示。

圖2?35 YDA138-E芯片內部結構框圖

圖2?36 YDA138-E芯片引腳定義

2.5 實訓2 剖析智慧家庭中一種智能產品

1.實訓目的

1）了解這種智能產品主要功能。

2）熟悉這種智能產品的組成與主要器件。

3）分析這種智能產品與其他同類產品優缺點。

2.實訓場地

到學校附近的智慧家庭體驗店了解一種智能產品，然后買到這種產品。

3.實訓步驟與內容

1）在網上收集這種產品的資料。

2）分小組對這種產品進行剖析。

3）畫出這種產品組成的硬件框圖。

4.實訓報告

寫出實訓報告，包括這種智能產品與其他同類產品優缺點。

2.6 思考題

1.智能音箱有哪些主要功能？畫出智能音箱的硬件組成框圖。

2.什么是語音識別模塊？畫出語音識別模塊的組成框圖。

3.智能貓眼有哪些主要功能？由幾部分組成？

4.智能指紋鎖有哪些主要功能？由幾部分組成？

5.指紋傳感器主要有幾種？指紋算法包括哪些步驟？

6.智能背景音樂控制器有哪些主要功能？畫出其硬件組成框圖。