第2章 智慧家庭几种智能终端简介

本章要点

●熟悉智慧家庭有关智能终端的功能。

●熟悉智慧家庭有关智能终端的主要参数。

●熟悉智慧家庭有关智能终端的电路组成和主要器件。

2.1 智能音箱（声控音箱、语音音箱）

2.1.1 智能音箱概述

智能音箱又称为声控音箱或语音音箱，是近几年进入智慧家庭的终端产品。智能音箱备受追捧，甚至被定位为智能家居入口，其中关键在于背后的语音识别技术。语音识别是人工智能技术最为成熟的细分领域之一，也是与智能家居、物联网设备、机器人等交互的重要方式，语音将是智能家居和物联网的一个重要突破点。

智能音箱和以往更加倾向于个人使用的智能电子产品不同，它使用场景更多是家庭。它除了播放音乐外，还要具备语音助理、智能家居中控等“技能”。随着物联网、云计算、大数据和人工智能等技术的发展，智能音箱将成为能听会说的家庭小助手，完全有潜力成为智能家居的入口，即物联网关。

早在2014年11月，亚马逊发布首款Echo智能音箱，内部搭载了亚马逊的语音助手Al⁃exa。和Siri、Google Now、Cortana这类手机上的智能助手不同，用户无须操作某个按钮，只通过简单的语音指令，就可以通过音箱播放音乐、查询新闻和天气信息、控制智能家居设备。

谷歌紧随其后，于2016年5月在当年的I/O大会上宣布推出Google Home智能音箱和升级版的语音助手Google Assistant。一年之后，Google Home迅速迭代，不仅在功能上迅速追平Echo，还在硬件上降低了成本，并围绕音箱与Android手机和电视建立起了一个生态。

2017年6月5日，苹果公司在年度开发者大会上推出了一款内置语音数字助理的家用智能音箱。这款HomePod智能音箱，高17.2cm，直径14.2cm，可与苹果音乐播放器、苹果智能手机、苹果音乐服务无线连接。借助苹果语音数字助理Siri，HomePod可以接收和识别用户的语音指令，执行相应任务，比如设置闹铃、开关房间照明灯、查询天气情况、播放音乐等，智能音箱外形如图2⁃1所示。

在2017中国智慧家庭博览会上（5月18日～5月20日），深圳市彩易生活科技有限公司（大鱼管家）推出首款物联网语音音箱，该物联网语音音箱通过语音交互，可以作为智能家居的控制中心，控制家庭中上百种不同的设备，包括大小家用电器、影音系统、灯光、温湿度传感器、空气净化器和路由器等。在基础智能的设置上，物联网语音音箱集成了海量音乐、儿童故事和语音交互百科等内容，使其除了应对成年人对家居设备的控制之外，还能保持跟家庭儿童及老人之间的闲暇互动，既有实用的功能，有相当有趣味性，物联网语音音箱外形如图2⁃2所示。

图2⁃1 智能音箱外形

a）苹果HomePod b）亚马逊Echo c）谷歌Home

图2⁃2 物联网语音音箱外形

a）银灰色 b）黑色

当前无论是海外智能音箱“四大天王”亚马逊Echo、谷歌（微博）Home、微软Invoke和苹果HomePod，还是国内从BAT到中小创业者，一条围绕着智能音箱的产业链正在生成。智能交互系统、语音翻译模块、芯片厂家、第三方内容开发者以及生意冷清多年的传统音箱制造商，正在把智能音箱看作进军智能家居的钥匙，盼望早日进入万物智能时代。

2.1.2 智能音箱的功能简介

下面以深圳市彩易生活科技有限公司（大鱼管家）物联网语音音箱为例，介绍智能音箱的主要功能。（大鱼管家）物联网语音音箱的主要功能示意图如图2⁃3所示。

图2⁃3 （大鱼管家）物联网语音音箱的主要功能示意图

1.海量音乐任点播

物联网语音音箱首先具有音箱功能，它内置双40mm钕铁硼强磁发声单元，释放透彻音质，配合耐用高功率的CONEX弹波，能充分调动扬声器能量，外加强音源驱动力音圈，有效扩大低音响应，减少杂音。它还与喜马拉雅、虾米音乐等第三方音乐源合作，共享他们的千万曲库，让每一位喜爱智能音箱的朋友都可以收听这些平台的音频资源。只要你对智能音箱说：“你好，小乐”进行唤醒后，便可随意点播自己想听的歌曲，海量音乐任点播示意图如图2⁃4所示。

图2⁃4 海量音乐任点播示意图

2.儿童故事任你挑

物联网语音音箱采用思必驰做语音解析，并可做部分语义分析，解析后的命令字分为15个领域，其中有睡前故事、儿童早教、国学古诗等，只要你对物联网语音音箱说“你好，小乐，播放儿童故事小王子”后，它就会为你讲小王子的故事。

3.智能家用电器可控制

音箱能够控制的家中所有的智能家用电器，包括空调、电视、插座、窗帘、加湿器和灯具等上千种。早上起床的时候，只要对着音箱说一声：“你好，小乐，请打开窗帘”，窗帘就会缓慢拉开；坐在沙发上只要对着音箱说一声：“你好，小乐，将空调温度调到26℃”，空调就会自动将温度调到26℃；只要对着音箱说一声：“你好，小乐，我要看湖南卫视×××节目”，电视机就会自动换台，呈现所要看的湖南卫视×××电视节目……总而言之，智能音箱将成为智能家居的中控主机。

4.信息查询真方便，股票信息随时问

该语音音箱除了播放音乐、控制家用电器外，还要具备信息查询功能。如交通信息、新闻、天气和股票等关键信息，当你问语音音箱：“你好，小乐，××现在的股票是多少？”

“××的股票当前价格为××元，下跌××元，跌幅××%”。物联网语音音箱马上回答。

如果对着音箱说一声：“你好，小乐，今天天气怎样？”，智能音箱马上会告诉你当天的天气，天气预报示意图如图2⁃5所示。

图2⁃5 天气预报示意图

2.1.3 智能音箱的系统组成

深圳市彩易生活科技有限公司（大鱼管家）物联网语音音箱系统架构图如图2⁃6所示。由图2⁃6可知，物联网语音音箱系统由4大部分组成，即思必驰云、彩易云—声控模块、虾米音乐和喜马拉雅FM。

图2⁃6 物联网语音音箱系统架构图

思必驰是一家语音识别方案公司，拥有自主知识产权的人机对话、语音识别、语义理解、语音合成和声纹识别等综合语音技术。由于思必驰的云没有设备控制功能，所以，大部分解析回来的语句，由音箱发向彩易云，归彩易云声控模块进行分析、处理，并返回音箱处理结果。彩易云是深圳市彩易生活科技有限公司的云。虾米音乐和喜马拉雅FM是第三方音乐平台。

语音控制流程如下：

1）用户使用“你好，小乐”唤醒词进行唤醒。

2）音箱响一下，表示接受唤醒，进行监听状态。

3）用户开始说话。

4）音箱开始录音；7s结束。

5）音箱向思必驰上报语音数据包。

6）思必驰进行分析，返回文本内容和语义分析。

7）音箱根据语义分析，确定哪些需要处理，哪些不需要处理；哪些需要上报彩易云。

8）不需要处理的，音箱直接返回结果。

9）如果需要彩易云—声控模块处理，提交。

10）彩易云—声控模块需要第三方云处理，转发。

11）彩易云—声控模块接受处理结果。

12）返回彩易云—声控模块的处理结果。

13）语音控制音箱处理结果，播放结果。

2.1.4 智能音箱的硬件组成

深圳市彩易生活科技有限公司（大鱼管家）物联网语音音箱硬件组成框图如图2⁃7所示。由图2⁃7可知，物联网语音音箱硬件主要有功能按键、电源模块、思必驰语音识别模块、彩易云智能家居模块、显示屏、WiFi模块、数字功率放大器与高保真扬声器。

图2⁃7 物联网语音音箱硬件组成框图

语音识别是智能家居和物联网的一个重要突破点，主要涉及语音合成、语音识别、多语种语音处理、远场唤醒和识别降噪等技术。语音交互是用户与设备“交流”的理想模式，在人工智能、大数据时代，语音交互的效果也越来越实用。

语音识别技术（Auto Speech Recognize，ASR）所要解决的问题是让计算机能够“听懂”人类的语音，将语音中包含的文字信息“提取”出来。ASR技术在“能听会说”的智能音箱中扮演着重要角色，相当于给智能音箱安装上“耳朵”，使其具备“能听”的功能，进而实现人机通信和交互。在国内从事智能语音及语音识别技术研究，软件及芯片产品开发的企业主要有科大讯飞、思必驰等。

语音识别模块是在一种基于嵌入式的语音识别技术的模块，主要包括语音识别芯片和一些其他的附属电路，能够方便的与主控芯片进行通信，开发者可以方便地将该模块嵌入到自己的产品中使用，实现语音交互的目的。语音识别模块组成框图如图2⁃8所示。

图2⁃8 语音识别模块组成框图

图2⁃9 LD3320A芯片实物

例如科大讯飞研发的语音识别芯片LD3320A，它是一颗基于非特定人语音识别技术的语音识别/声控芯片。LD3320A芯片上集成了高精度的A-D和D-A接口，不再需要外接辅助的Flash和RAM，即可以实现语音识别/声控/人机对话功能。LD3320A芯片实物如图2⁃9所示。

它的主要特色功能有以下几点：

1）非特定人语音识别技术，不需要用户进行录音训练。

2）可动态编辑的识别关键词语列表，只需要把识别的关键词语以字符串的形式传送进芯片，即可以在下次识别中立即生效。比如，用户在51等MCU的编程中，简单地通过设置芯片的寄存器，把诸如“你好”这样的识别关键词的内容动态地传入芯片中，芯片就可以识别这样设定的关键词语了。

3）支持用户自由编辑50条关键词语条，在同一时刻，最多在50条关键词语中进行识别，终端用户可以根据场景需要，随时编辑和更新这50条关键词语的内容。

4）内置高精度A-D和D-A通道，不需要外接AD芯片，只需要把传声器接在芯片的AD引脚上，可以播放声音文件，并提供550mW的内置放大器。

5）真正单芯片解决方案，不需要任何外接的辅助Flash和RAM，真正降低系统成本。

主要技术参数如下。

●内置单声道16bit A-D模数转换。

●内置双声道16bit D-A数模转换。

●内置20mW双声道耳机放大器输出。

●内置550mW单声道扬声器放大器输出。

●支持并行接口或者SPI接口。

●内置锁相电路PLL，输入主控时钟频率为2～34MHz。

●工作电压：（VDD）3.3V。

●48pin的QFN7×7标准封装。

●省电模式耗电：1μA。

LD3320芯片内部的语音识别原理框图如图2⁃10中的虚线框所示。

图2⁃10 LD3320芯片内部的语音识别原理框图

首先，把通过传声器输入的声音进行频谱分析；其次，提取语音特征，通过以上两步后将得到语音（即关键词）的特征信息；再次，将关键词语列表（即训练模板）中的数据与特征信息进行对比匹配；最后，找出得分最高的关键词语作为识别结果输出。

2.2 智能猫眼

2.2.1 智能猫眼概述

智能猫眼是一种替代传统猫眼的家居安防产品，是安装在防盗门上可以24小时自动拍照、感应监控的智能可视猫眼。通过摄像头和液晶屏显示，无论老人或者小孩都可以看清门外的情况，同时还可以对来访者进行自动拍照留档，以便业主外出归来时查看来访记录。当有访客到来时，如果家里有人，可直接通过室内显示屏与访客视频对话；如果出门在外，访客按响门铃时，通过智能猫眼搭配的手机APP将自动推送消息，打开APP即可与访客实现实时视频对话。

智能猫眼与可视门铃最本质的区别就是：设备是否通过联网，实现远程实时掌控，不论身在何方，都能通过手机随时随地获知家门外一切信息。

移康智能叮咚3（R26F）是一款具有移动侦测功能的智能门铃，移康智能叮咚3（R26F）外形如图2⁃11所示。

图2⁃11 移康智能叮咚3（R26F）外形

2.2.2 智能猫眼的功能简介

移康智能叮咚3安装180°鱼眼超视角镜头、300万高清摄像头、像素高达720p高清、WiFi无线监控模块，主要有以下几点功能。

1.角度增加，广角更广

普通的摄像头的视角一般不过120°，甚至还有只达90°的小视角。移康智能叮咚3从曾经的165°广角镜头增加到180°，彻底地将门外场景全部收进眼底，不放过任何可能出现漏洞。

2.消除色差，色彩失真修复

移康智能叮咚3新添独特功能，自动进行色彩失真修复，让猫眼拍摄的画质更加真实。拍摄像素更是增加到300万，屏幕再次革新，采用960×540mm的IPS高清显示屏，给用户还原最真实的情况，捕捉所有细节，让所有威胁无所遁形。

3.红外夜视，自动抓拍

移康智能叮咚3采用的PIR（人体智能侦测）和红外夜视传感器，帮助每个用户日夜监控家门外的可疑人物。只要外面有人停留3s以上就可以自动拍照或者拍视频（停留时间可以设置）。

4.监督小孩，保护老人

移康智能叮咚3可根据小孩的进门记录，随时随地掌握小孩放学是否按时回家；同时根据老人开关门记录，掌握家里老人的活动是否正常，降低老人出危险事件的概率。

5.远程对讲，可视通话

通过专门设计的手机APP，可以实现手机与智能猫眼之间的通话。如当快递小哥上门送快递或重要客人来访时，而用户却不在家。此时此刻快递小哥便可以通过单击智能猫眼上的按钮实现与用户的通话。还可以绑定手机查看，即使身在千里之外，掏出手机打开APP就能随时随地远程查看门外情况。

手机APP的操作步骤如图2⁃12所示。

2.2.3 智能猫眼的主要参数

移康智能叮咚3的主要参数见表2⁃1。

图2⁃12 手机APP的操作步骤

表2⁃1 移康智能叮咚3的主要参数

2.2.4 智能猫眼的系统组成

智能猫眼主要分为门内主机、门外子机两大部分，包装盒内还附赠了说明书、充电器、安装配件，移康智能叮咚3（R26F）系统如图2⁃13所示。

门铃主机采用的是6寸电容触摸屏，可以将门外的情况尽收屏幕之内，不仅清晰，6寸的大屏幕，即使是老人也可以看清门外。

门外子机内置180°鱼眼摄像头，采用720p安防专用的摄像头，并且独有彩色失真修复技术，这一技术，使得移康智能叮咚3WiFi远程可视门铃避免了市面上其他智能猫眼在白天时的偏色问题。叮咚3可视门铃通过计算感光芯片吸收到自然界的各种光线，再调整摄像头使得图像达到一个佳值。

图2⁃13 移康智能叮咚3（R26F）系统

2.3 智能指纹锁

2.3.1 智能指纹锁概述

智能指纹锁是在指纹锁的基础上，加入物联网功能，实现APP操控。它集合了互联科技、人工智能、生物智能等高新技术，可以说是中国智能家居领域最具备科技含量的产品类目之一。智能指纹锁是智能家居入口，也是智能家居安防系统的核心组成部分。通过云端安全技术，实时反馈门锁状态和家庭安全状况，实现双向通信，并可实现门锁和智能家居设备的联动，门锁和社区O2O服务的对接，云端远程管理门锁，门锁紧急呼救等等功能。智能指纹门锁具有指纹、密码、机械钥匙和手机遥控4种开门方式。

指纹锁是一种以人体手指部位的指纹为识别载体和手段的智能锁具，它是计算机信息技术、电子技术、机械技术和现代五金工艺的完美结晶。指纹锁一般由电子识别与控制、机械联动系统两部分组成。指纹的唯一性和不可复制性决定了指纹锁是目前所有锁具中最为安全的锁种。指纹锁除指纹识别外，根据国家规定，应当加配应急机械钥匙。产品质量规范以《中华人民共和国公共安全行业标准（GA701—2007）》为主要依据。

指纹锁通过指纹识别传感器录入使用者的指纹信息，通过指纹算法，把指纹信息转换成数字信息。当已注册用户把指纹放到指纹传感器上时，系统会自动分析比对指纹信息。对比成功后，输出信号给离合器电机或磁铁实现开启或闭合，从而实现开锁或关锁。

指纹识别传感器又称为指纹采集器，是智能指纹锁中的核心器件之一，它的好坏直接影响指纹锁的安全性。目前指纹识别传感器根据采集原理的不同，一般分为光学指纹识别传感器与半导体指纹识别传感器两种，其中半导体指纹识别传感器又分为电容半导体指纹识别传感器和射频式半导体指纹识别传感器，电容半导体指纹识别传感器是瑞典FPC公司的一种叫法，而射频式半导体指纹识别传感器则是美国UPEK公司的说法。

光学指纹识别传感器是利用光的折射和反射原理，光从底部射向三棱镜，并经棱镜射出，射出的光线在手指表面指纹凹凸不平的线纹上折射的角度及反射回去的光线明暗就会不一样。CMOS或者CCD的光学器件就会收集到不同明暗程度的图片信息，就完成指纹的采集。

半导体指纹识别传感器是在一块集成有成千上万半导体器件的“平板”上，手指贴在其上与其构成了电容（电感）的另一面，由于手指平面凸凹不平，凸点处和凹点处接触平板的实际距离大小就不一样，形成的电容/电感数值也就不一样，设备根据这个原理将采集到的不同的数值汇总，也就完成了指纹的采集。

生物射频式指纹识别传感器是在电容式传感器的基础上扩展的，通过传感器本身发射出微量射频信号，穿透手指的表皮层获取里层的纹路，来获得最佳的指纹图像。可以排除手指表面的污垢、油脂干扰，防伪指纹能力强，射频识别原理只对人的真皮皮肤有反应，从根本上杜绝了人造指纹的问题。

指纹识别传感器根据信号的采集方式又可分为划擦式和接触式（面阵式）两种。划擦式（又称为滑动式或刮擦式）指纹识别传感器将手指从传感器上划过，系统就能获得整个手指的指纹，其宽度只有5mm左右，面积只有手指的1/5，手指按压上去时，无法一次性采集到完整图像。在采集时需要手指划过采集表面，对手指划过时采集到的每一块指纹图像进行快照，这些快照再进行拼接，才能形成完整的指纹图像；接触式（一般称为面阵式）指纹识别传感器，手指平放在设备上以便获取指纹图像，一般为了获得整个手指的指纹，必须使用比手指更大的传感器，整个手指同时按压在传感器之上。

2014年8月13日，中国台湾J-Metrics（茂丞科技）推出新一代基于主动式垂直射频技术的指纹识别传感器，该指纹传感器是利用半导体感面积型测接收器，接收微小的人体手指发出指纹影像讯号，使能侦测手指3D影像，以辨识表面指纹的脊和谷的深度3D图形。它可捕捉到皮肤活体层底下，轮廓鲜明及清晰的指纹影像。

目前在智能门锁，尤其是家用智能门锁中，指纹识别已经成为标配。这其中，由于价格的原因，光学式识别方案应用得更为普遍，能占到70%以上。对于光学指纹识别方案，容易被假指模欺骗的安全性问题，可以说是这种方案的硬伤。

业界普遍在追寻更为安全的生物识别方案，如人脸、虹膜等，但由于技术方案的成熟度和价格原因，很难在智能门锁上大规模应用。倒是有一种与指纹识别有点类似的技术方案，有望成为指纹识别的升级替代，那就是指静脉识别。

指静脉方案的原理是采用波长700～1100nm的红外光照射手指，手指内部静脉血管里的血红蛋白会吸收部分红外光，从而绘制出指静脉的图像。然后将图像数字化，并做特征提取，与已经记录的指静脉图像比对，完成识别过程。

智能门锁可以说是指静脉识别最佳的应用场景，尤其与光学式指纹识别在原理和结构上的相似性，使得指静脉识别方案可以很平滑的替换掉光学指纹识别方案，指静脉技术对于智能门锁最重要的安全性会有显著的提升。

2.3.2 智能指纹锁的功能简介

下面以移康YK6088E型智能指纹锁为例，介绍智能指纹锁的主要功能。移康YK6088E型智能指纹锁的外形如图2⁃14所示。

图2⁃14 移康YK6088E型智能指纹锁的外形

1.指纹开锁，安全快捷

指纹是指手指末端正面皮肤上凸凹不平的纹路，尽管指纹只是人体皮肤的一小部分，但是，它蕴涵大量的信息，这些纹路在图案、断点和交点上是各不相同的，在信息处理中将它们称作“特征”，医学上已经证明这些特征对于每个手指都是不同的，而且这些特征具有唯一性、永久性和不可复制性。每个人的指纹还具有易携带、不忘记和不丢失的特点。智能指纹锁在锁内模块的Flash中开辟了一段存储区域作为用户指纹模板存放区即指纹库。指纹库数据是断电保护的。当用户将指纹放到指纹传感器上时，系统就会比较他的指纹特征和预先保存在指纹库的指纹特征，以验证用户的真实身份。身份符合的便可开锁，否则是打不锁的。移康YK6088E型智能指纹锁采用瑞典FPC指纹采集器，0.5s指纹快速识别，指纹容量100条，指纹开锁如图2⁃15所示。并有效防止指纹浅淡、粗糙指纹和受伤指纹。

2.密码开锁，谨防窥视

移康YK6088E型智能指纹锁采用具有虚位密码功能的芯片算法，可以在真实密码前后，随意添加任意随机数字开门，让用户在有客人的场合都不必遮遮掩掩，防止密码无意中泄露，也可以大大方方的解锁开门。这个密码技术不同于其他密码技术，用户在开门时，可在真实密码前后随意增加乱码，起到保护密码的作用，虚位密码开锁如图2⁃16所示。

图2⁃15 指纹开锁

图2⁃16 虚位密码开锁

3.手机联动，远程开锁

移康YK6088E型智能指纹锁内部加装了无线通信簿块，用户可以通过手机APP就可输入密码实现远程开锁，手机远程开锁如图2⁃17所示。这样智能指纹锁有指纹开锁、密码开锁和手机开锁3种方式，可供用户任意选择。

4.应急钥匙开锁

移康YK6088E型智能指纹锁根据国家规定，加配了应急机械钥匙插孔，出现密码忘记、电量耗尽或系统无法运作等紧急情况，可使用备用机械钥匙开锁。其位置在室外门锁面板最下方，机械钥匙插孔如图2⁃18所示。

图2⁃17 手机远程开锁

图2⁃18 机械钥匙插孔

5.内部反锁与安全模式

移康YK6088E型智能指纹锁还支持内部反锁功能，旋转反锁旋钮后室外无法正常开启，晚上睡觉前可启用该模式。若长时间出差可启用“安全模式”，即进门时需要密码+指纹的双重验证。

6.其他功能

移康YK6088E型智能指纹锁除上述开锁的基本功能外，还具有以下几点功能。

1）电量查询。查询智能指纹锁当前电量，手机APP会显示当前门锁电池的电量。

2）开锁记录。用户开门后锁内控制器需上报开门时间、上报开门方式给中控设备，并传给云端，存储开门记录，手机APP会显示用户开门记录。

3）安防告警。在输入密码时，如果连续3次出错，智能指纹锁会发出密码验证错误报警；如果连续3次出现指纹输入错误，会发出指纹验证错误报警；如果门锁被撬开时，会发出防撬报警；如果门锁超时未锁时，也会发出告警。上述告警信息由锁内的控制器上报给中控设备，并传给云端，手机APP通知用户安防告警消息，提醒用户及时处理异常情况。

4）低电告警。当指纹锁电量过低时，指纹锁上报低电告警，手机APP显示低电量图标。

5）采用三防锁体，防盗更安心。锁芯是采用了超B级锁芯，具有防撞、防撬、防锯的三防功能。职业小偷采用技术开锁至少需要3h以上，极大增加了盗窃成本，让小偷望门生畏。

6）锁内安装了无线通信模块，不仅支持手机远程开锁，还能与智能猫眼形成联动，组成智能门系统。如将叮咚R23E智能猫眼与YK6088E智能指纹锁进行联动后，便形成的一套更加智能化的家庭安防系统。通过在指纹锁内安装无线通信模块，实现了智能猫眼和锁的联通，此外智能门系统还兼顾了远程可视对讲、防盗预警推送和远程联动开锁三项核心功能。不仅如此，智能门系统还能时刻记录家门出入人流的信息，防止一切可能出现的威胁。

7）低耗节能，持久耐用。锁内装有标准4节5号电池，可持续使用半年以上，如图2⁃19所示。

8）锁上显示屏自动显示日期、时间及操作提示，如图2⁃20所示。图2⁃20显示的日期是2013年11月15日，时间是13点59分51秒，“请输入密码”提示。

图2⁃19 锁内装有标准4节5号电池

图2⁃20 锁上显示屏

2.3.3 智能指纹锁的主要参数

移康YK6088E型智能指纹锁的主要参数见表2⁃2。

表2⁃2 移康YK6088E型智能指纹锁的主要参数

2.3.4 智能指纹锁的硬件组成

智能指纹锁的硬件组成包括机械部分和电子部分，机械部分有前后面板、锁体、把手、电机和应急钥匙；电子部分有指纹识别传感器（指纹采集器）、指纹算法芯片、数字键盘、微控制器（MCU）、液晶显示屏、网络模块、电机驱动器和电池，智能指纹锁电子部分组成框图如图2⁃21所示。

图2⁃21 智能指纹锁电子部分组成框图

1.指纹传感器

移康YK6088E型智能指纹锁采用瑞典FPC1011F3指纹传感器，其外形如图2⁃22所示。

瑞典FPC指纹传感器采取了独创的反射式测量法，就像回声原理一样，发出的声音越大，回声就越大，这就实现了增强探测信号。保证取得稳定、清晰的指纹图像，由于探测信号增强就带来了另一个好处，芯片表面的保护膜可以做得更厚（比同类厚10～25倍），拥有更厚的保护层就意味着更强，耐磨性（>100万次）和抗静电（大于15kV）甚至可达20kV，反之，因为直接测量法探测到的信号本来就微弱，所以芯片表面的保护膜就无法做得很厚，抗静电性和耐磨性就无法达到实际需求。

图2⁃22 瑞典FPC1011F3指纹传感器外形

瑞典FPC指纹传感器有以下特点。

●抗静电：大于15kV，达到国际4IEC6100042标准。

●耐磨性：超过100万次。

●采集图像清晰：初次采集图像，到100万次后采集图像依然清晰。

●识别指纹时间短。

●高速的SPI接口。

●环境湿度：0～95%。

●具有363dpi的分辨率。

●低功耗，3.3V或2.5V的工作电压，7mA工作电流。

●符合国际标准高品质FR4材质。

●内置A-D转换，从而输出高质量的数字指纹图像。

●活体指纹识别，探测真皮层，对干湿手指具有良好适应性。

●8位模数转换器，可以方便与低成本接头接入系统中。

●耐高低温：通常适用温度-20～+85℃，储存温度-40～+85℃。

新一代升级指纹传感器FPC1011F的技术参数见表2⁃3。

表2⁃3 新一代升级指纹传感器FPC1011F的技术参数

广东佛山耐特锁业有限公司生产指纹锁采用指昂科技研发的光学指纹识别模块，该模块以高速DSP处理器为核心，结合具有自主知识产权的光学指纹传感器，具有指纹录入、图像处理、指纹比对、搜索和模板储存等功能，ZAZ-050指纹识别模块外形如图2⁃23所示。

图2⁃23 ZAZ-050指纹识别模块外形

ZAZ-050指纹识别模块的技术参数如下。

（1）电气参数

供电电压：5V（典型值），范围是：4.2～7.0V。

供电电流：60mA（典型值），峰值电流，80mA。

指纹图像：录入时间<0.5s。

工作温度：-30～+70℃。

存储温度：-40～+80℃。

工作湿度：20%～90%。

存储湿度：16%～95%。

（2）性能参数

采集窗口尺寸：21mm×24mm。

有效图像尺寸：17mm×19.3mm。

图像大小：256×288pixel。

图像像素：500dpi。

匹配方式：比对方式（1∶1）搜索方式（1∶N）。

指纹特征：384B。

指纹模板：1536B。

存储容量：100枚。

安全等级：五级（从低到高：1、2、3、4、5）。

认假率（FAR）：<0.001%（安全等级为3时）。

拒真率（FRR）：<0.005%（安全等级为3时）。

搜索时间：<1.0s（1∶1000时，均值）。

通信接口：UART（TTL逻辑电平）或者USB1.1/2.0兼容。

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

2.指纹算法芯片

指纹识别算法是指在指纹识别过程中，对采集的指纹图像预处理、数据特征提取、特征匹配等。其中图像预处理的主要步骤包括：图像分割、图像增强、二值化处理、二值去噪、细化等。预处理的目的是改善输入指纹图像的质量，以提高特征提取的准确性。原始指纹图像一般存在噪声污染、脊线断裂或脊线模糊等问题，需要进行图像增强（使用滤波技术）以改善质量。由于指纹特征仅包含在脊线的形状结构中，所以，通过二值化和细化把深浅不一、宽度不同的脊线变成灰度相同、单像素宽的细脊线，以便于特征提取。指纹识别算法流程框图如图2⁃24所示。

图2⁃24 指纹识别算法流程框图

（1）图像预处理

1）图像分割。因为获得的指纹图像跟其背景区域相混合，所以需要对原始指纹图像进行背景分离。由指纹图像可知，在背景和指纹图像之间存在一道白色区域，所以首先对指纹图像进行初步处理，消除最外面的边框。然后对指纹图像进行进一步的处理，消除剩下的背景区域。

2）图像增强（中值滤波）。由于分割后的图像质量仍然不是很好，所以需要对其进行进一步的增强处理。这是指纹图像预处理过程中最核心的一步，主要是通过对受噪声影响的指纹图像去噪，同时对图像进行修复和整理，增强脊线谷线结构对比度，进一步获取更加清晰的图像。

3）二值化处理。经过中值滤波后的指纹图像首先要进行二值化处理，变成二值图像。即将灰度图像（灰度有255阶）转化为只包含黑、白两个灰度的二值图像，即0和1两个值。

由于采集到的指纹图像不同区域深浅不一，如对整幅图像使用同一阈值进行二值分割，会造成大量有用信息的丢失。使用自适应局部阈值二值化处理是对每小块指纹图像，选取的阈值应尽量使该块图像内大于该阈值的像素点数等于小于该阈值的像素点数。这样使脊的灰度值趋于一致，对图像信息进行压缩，节约了存储空间，有利于指纹特征提取和匹配。

4）二值去噪。二值去噪是在指纹图像二值化处理后，再一次消除不必要的噪声，以利于辨识。

5）指纹图像的细化。细化处理是在指纹图像二值去噪之后，在不影响纹线连通性的基础上，删除纹线的边缘像素，直到纹线为单像素宽为止，并在此基础上进行细化纹线的修复，包括断线的连接、毛刺和叉连的去除、短线和小孔的消除等。

（2）特征提取

指纹图像特征提取的算法有很多种，主要有基于灰度图像的细节特征提取、基于曲线的特征提取、基于奇异点的特征提取、基于脊线频率的特征提取等。对指纹图像的特征点进行提取，能有效地减少伪特征点，提取准确的特征点，提高匹配速度和指纹识别性能，降低识别系统的误识率和拒真率。

有一种是基于非彻底细化图像的指纹细节提取算法，它在不对纹线做任何修复处理的情况下，在细化指纹图像上直接提取原始细节特征点集，得到初步的特征提取结果；然后分析图像中存在的各类噪声及其特点，结合指纹细节特征点固有的分布规律和局部纹线方向信息，针对不同的噪声采用针对性算法，并利用伪特征点在数学形态学上的分布规律，将各类噪声引起的伪特征点分别予以删除，而将最终保留的特征点集作为真正特征点的集合。指纹图像特征点提取具体算法流程如图2⁃25所示，其中去伪算法又分为去除伪端点、去除小孔、去除毛刺和去除绞线差连等几部分。

（3）指纹图像匹配

指纹图像的匹配就是对两个输入指纹的特征集合（模板指纹集和输入指纹集）进行判断，看是否属于同一指纹。在极坐标下进行指纹图像的特征点匹配，具体的极坐标细节匹配算法步骤如图2⁃26所示。指纹特征匹配主要是基于细节特征值的匹配，通过对输入指纹细节特征值与存储的指纹细节特征值相比较，实现指纹识别，两者相比较时需要设立一个临界值，匹配时大于这个阈值，则指纹匹配；当匹配时小于阈值，则指纹不匹配。特征匹配是识别系统的关键环节，匹配算法的好坏直接影响识别的性能、速度和效率。

图2⁃25 图像特征点提取具体算法流程

图2⁃26 具体的极坐标细节匹配算法步骤

指纹识别算法随着科技的进步，也在不断发展。一些企业将指纹识别算法嵌入在芯片中，能够片上实现指纹的图像采集、特征提取、特征比对。这使得开发过程变得简单，开发者可以方便地实现指纹识别的功能。

如北京艾迪沃德科技发展有限公司研制的QS808指纹算法芯片是一款高性能、低功耗指纹算法芯片，QS808芯片外形如图2⁃27所示。该芯片是一种32位多功能微控制器，搭载了IDworld几十年国际领先的IDworld5.0自学习指纹识别算法。基于ARM Cortex^TM-M3指令的内核，具备最佳处理性能、低功耗和外设可配的能力，带有一个紧密耦合的嵌套向量中断控制器、系统时钟和先进的调试功能。

图2⁃27 QS808芯片外形

QS808指纹芯片主频为108MHz，提供了出色的处理性能。基本型片内闪存（Flash）最大为128KB，RAM最大为20KB，供电电压范围为2.6～3.6V，内核的供电电压为1.2V，I/O口可承受5V电平，内嵌实时时钟（RTC）和2个看门狗（WDG），具有掉电复位（PDR）、上电复位（POR）及电压监测（LVD）功能。支持三相PWM互补输出和积分器的高级控制定时器可用于矢量控制，还拥有3个通用16位定时器。提供多达43个外部中断并可嵌套16个可编程优先级。还集成了丰富的外设功能，拥有USB2.0全速、CAN、LIN、LCD等通用接口并可连接NORFlash、SRAM等外部存储器，还配备有两个采样率为1MSPS多达16通道的12位高速ADC、3个USART、2个SPI、2个I²C、多达80%的可用GPIO还支持端口重映射功能，极佳的灵活性满足多种应用需求。QS808指纹芯片基本型提供从16KB到128KB的Flash容量，并有QFN36、TQFP48、LQFP64和LQFP100多种封装选择。

QS808可以适配多种类型的指纹传感器：半导体指纹传感器、滑动式指纹传感器、光学指纹传感器以及热敏式指纹传感器等。同时，它支持多种开发环境：Android、Windows、Linux，也可用于其他嵌入式环境等。所以QS808可以运用于智能家居、物联网、安防市场和车联网等领域。

图2⁃28 AS602芯片外形

又如杭州晟元芯片技术有限公司研制的AS602芯片，AS602芯片外形如图2⁃28所示。该芯片采用哈佛结构32位RISC处理器内核，内置专用DSP指令集和加速器。其主要特点是具有SEA/RSA加速引擎、内置存储器（Flash/OTP）、指纹处理加速器和专用算法软件。AS602芯片主频高达128MHz，内置128KB高速静态随机存储器（SRAM），嵌入了1MB大容量FLASH，64KBROM和4KBOTPROM，并具备丰富的对外接口：除了USB2.0全速接口外，还具备3组USART接口、4通道PWM接口、ISO7816智能卡接口、APC主接口、片上实时钟、对称算法引擎（SEA）加速器、RSA加解密引擎、真随机数产生器（TRNG），以及多达51路GPIO，以便满足不同传感器的需求，用于指纹锁、指纹门禁、指纹U盘、指纹硬盘以及指纹手机等数码产品。

2.4 智能背景音乐主机

深圳亿佳音科技有限公司生产的亿佳音JY188A型背景音乐主机采用的是7寸高清数字显示屏（1024×600IPS高清分辨率显示屏），多点电容式触摸屏，主芯片采用Cortex-A9四核处理器，主频1.2GHz，安卓4.4操作系统。本机运行存储为1GB，机身存储为8GB。支持DLNA、Airplay、Qplay等协议。

2.4.1 智能背景音乐主机的功能介绍

1.手机同屏操作

用智能手机等移动终端设备安装本公司的APP可以实现局域网内对本主机进行各种不同操控，如可以将主机的操作画面实时投射到移动终端设备，通过移动终端设备进行操作主机的各项功能。JY188A型主机的功能界面（一）如图2⁃29所示，在智能手机上同样可有这种功能界面，这样可在手机上随时随地控制主机。

图2⁃29 JY188A型主机的功能界面（一）

2.实时显示日期、时间、天气、地址

亿佳音JY188A型智能背景音乐主机能实时显示日期、时间、天气与地址。图2⁃29功能界面（一）上面中间屏幕显示的日期是（2017年）05/19周五（农历）四月二十四、时间是13：32、地址是深圳市宝安区、天气晴，明天中雨22/26℃、周日中雨23/29℃、周一中雨23/26℃。

3.卡拉OK演唱

亿佳音JY188A型智能背景音乐主机支持利用无线传声器进行家庭卡拉OK演唱娱乐，只要轻轻一点图2⁃29功能界面（一）右上方的卡拉OK图案，就可在朋友欢聚时，想唱就唱。

4.局域网对讲

亿佳音JY188A型智能背景音乐主机支持局域网语音实时对讲，只要轻轻一点图2⁃29功能界面（一）左下方的对讲机图案，就可与其他房间的主机进行对讲，对方能及时听到呼叫声音。

5.多档定时开关机

亿佳音JY188A型智能背景音乐主机可任意设定时间，支持多档定时开关机。定时开机后可选取指定歌曲进行播放。设置定时开关机时要将功能界面用手往右滑动，见到下方第三只指示灯亮，出现图2⁃30所示设置定时开关机界面，然后单击图2⁃30上方中间的定时开关机图案，便可任意设定时间。

图2⁃30 设置定时开关机界面

6.多种音乐播放

亿佳音JY188A型智能背景音乐主机支持多种音乐播放，图2⁃29功能界面（一）左上方有本地音乐，下面中间有百度音乐和听喜马拉雅FM（调频）广播，图2⁃30中左上方有网络音乐。不同音乐由蓝牙信号自动切换或用手机切换。

7.高清视频输出

亿佳音JY188A型智能背景音乐主机具有高清视频解码功能，支持网络视频、网络电影、电视节目随意看，配合HDMI输出至电视机，背景音乐主机变成网络电视机顶盒。

8.语音点播歌曲

亿佳音JY188A型智能背景音乐主机内置语音识别电路，只要说出想听的歌曲，主机就会输出优美动听的音乐。

9.两功率放大器输出

亿佳音JY188A型智能背景音乐主机内置YAMAHA（雅马哈）YDA138-E数字，四声道扬声器输出，支持2区分音量调节，调节音调时要将功能界面用手往右滑动，见到下方第二只指示灯亮，出现图2⁃31所示界面，然后单击图2⁃31上方调节图案，便可进行操作，音量调节界面如图2⁃31所示。

10.对接可视门铃

亿佳音JY188A型智能背景音乐主机支持可视门铃，可与本公司生产的WIFI601/602型可视门铃对接，进行实时双向可视通话，达到图像、语音双重识别，从而增加了安全可靠性。

图2⁃31 音量调节界面

2.4.2 智能背景音乐主机的主要参数

亿佳音JY188A型智能背景音乐主机的主要参数见表2⁃4。

表2⁃4 主要参数

2.4.3 智能背景音乐主机的电路组成和主要器件

1.内部结构框图

亿佳音JY188A型智能背景音乐主机主要由Cortex-A9四核处理器、YAMAHA（雅马哈）YD138-E数字功率放大器、咪头（传声器）、触摸屏、显示屏、蓝牙模块、WiFi模块、电源模块等电路组成，其内部结构框图如图2⁃32所示。

2.Cortex-A9四核处理器

Cortex-A9四核处理器是性能最高的ARM处理器，能与其他Cortex系列处理器以及广受欢迎的ARMMPCore技术兼容，因此能够很好延用包括操作系统/实时操作系统（OS/RTOS）、中间件及应用在内的丰富生态系统，从而减少采用全新处理器所需的成本。Cortex-A9四核处理器内部结构框图如图2⁃33所示。

由图2⁃33可知，Cortex-A9内的主要子模块包括中央处理单元CPU、指令高速缓存和数据高速缓存器、浮点运算单元、侦测控制单元和内核接口等。

图2⁃32 内部结构框图

图2⁃33 Cortex-A9四核处理器内部结构框图

Cortex-A9 CPU的内部结构如图2⁃34所示。每个Cortex-A9的CPU能在一个周期给出两个指令，并且以无序的方式执行。CPU实现动态地分支预测和可变长度的流水线，性能达到2.5DMIPs/MHz。Cortex-A9处理器实现ARMv7A的结构、支持充分的虚拟存储器、能执行32位的ARM指令、16位及32位的Thumb指令和在Jazelle状态下的一个8位Java字节码。

指令高速缓存负责给Cortex-A9处理器提供一个指令流。指令缓存有直接和预取单元接口，预取单元包含一个两级预测机制。指令缓存为虚拟索引和物理标记。

数据高速缓存负责保留Cortex-A9处理器所使用的数据。数据缓存的关键特性包括：数据缓存为物理索引和物理标记；数据缓存是非阻塞的，因此加载/保存指令能连续地命中缓存，同时执行由于先前读/写缺失所产生的来自外部存储器的分配，数据缓存支持4个超前地读和4个超前地写；CPU能支持最多4个超前的预加载指令，然而明确的加载/保存指令有较高的优先级；Cortex-A9加载/保存单元支持预测的数据预加载，用于监视程序顺序的访问，在请求开始前开始加载下一个期望的行，使用cp15辅助控制寄存器（DP位），使能这个特性，在分配前可以不使用这个预取行，预加载指令有较高的优先级；数据缓存支持两个32B行填充的缓冲区和一个32B的替换（淘汰）缓冲区；Cortex-A9 CPU有一个带64位槽和数据合并能力的保存缓冲区；所有数据读缺失和写缺失是非阻塞的，支持最多4个超前数据读缺失和4个超前数据写缺失；APU数据缓存使用MESI算法，完整地侦听一致性控制；Cortex-A9内的数据缓存包含本地保存/加载互斥监视程序，用于LDREX/STREX同步，这些指令用于实现信号量，互斥监控程序只管理带有8个字或者一个缓存行颗粒度的一个地址，因此避免交错的LDREX/STREX序列，并且总是执行一个CLREX指令，作为任何上下文切换的一部分；数据缓存只支持写回/写分配策略，不实现写通过和写回/非写分配策略。

图2⁃34 Cortex-A9 CPU的内部结构

侦测控制单元（SCU）将两个Cortex-A9处理器连接到存储器子系统，并且管理两个处理器和2级缓存之间的缓存一致性。这个单元负责管理互联仲裁、通信、缓存和系统存储器传输，以及Cortex-A9处理器的缓存一致性。APU也将SCU的能力开放给通过ACP接口所连接的、PL内所实现的加速器。这个接口允许PL主设备共享和访问处理器的缓存“层次”（不同的缓存结构）。所提供的系统一致性不但改善了性能，也减少了软件的复杂度（否则需要在每个操作系统的驱动程序中负责维护软件的一致性）。

3.雅马哈数字功率放大器YDA138-E芯片

雅马哈YDA138-E芯片是集成化D类立体声（双声道）音频功率放大器，不失真输出功率为3W，噪声系数、串扰特性等指标较优异，使它可以获得更好的声音。非耦合输出和无低通滤波电路，使它可以直接驱动扬声器，降低整个功率放大器和PCB空间成本。它是一种理想的便携式设备（如笔记本式计算机）音频功率放大器。YDA138-E有一个“纯脉冲直接扬声器驱动电路”，它直接驱动扬声器，同时降低失真脉冲输出信号，并减少信号噪声，实现了最高标准的低失真率的特点和低噪声特性。

YDA138-E具有过电流保护功能和时钟停止保护功能的数字放大器。此外，它具有输出电流限制功能的耳机放大器。此外，还具有热保护功能、低电压故障预防功能、电源电压动态保护功能。YDA138-E芯片内部结构框图如图2⁃35所示，YDA138-E芯片引脚定义如图2⁃36所示。

图2⁃35 YDA138-E芯片内部结构框图

图2⁃36 YDA138-E芯片引脚定义

2.5 实训2 剖析智慧家庭中一种智能产品

1.实训目的

1）了解这种智能产品主要功能。

2）熟悉这种智能产品的组成与主要器件。

3）分析这种智能产品与其他同类产品优缺点。

2.实训场地

到学校附近的智慧家庭体验店了解一种智能产品，然后买到这种产品。

3.实训步骤与内容

1）在网上收集这种产品的资料。

2）分小组对这种产品进行剖析。

3）画出这种产品组成的硬件框图。

4.实训报告

写出实训报告，包括这种智能产品与其他同类产品优缺点。

2.6 思考题

1.智能音箱有哪些主要功能？画出智能音箱的硬件组成框图。

2.什么是语音识别模块？画出语音识别模块的组成框图。

3.智能猫眼有哪些主要功能？由几部分组成？

4.智能指纹锁有哪些主要功能？由几部分组成？

5.指纹传感器主要有几种？指纹算法包括哪些步骤？

6.智能背景音乐控制器有哪些主要功能？画出其硬件组成框图。