第2章 智慧家庭幾種智能終端簡(jiǎn)介

本章要點(diǎn)

●熟悉智慧家庭有關(guān)智能終端的功能。

●熟悉智慧家庭有關(guān)智能終端的主要參數(shù)。

●熟悉智慧家庭有關(guān)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(yǔ)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(yǔ)音音箱，是近幾年進(jìn)入智慧家庭的終端產(chǎn)品。智能音箱備受追捧，甚至被定位為智能家居入口，其中關(guān)鍵在于背后的語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)。語(yǔ)音識(shí)別是人工智能技術(shù)最為成熟的細(xì)分領(lǐng)域之一，也是與智能家居、物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備、機(jī)器人等交互的重要方式，語(yǔ)音將是智能家居和物聯(lián)網(wǎng)的一個(gè)重要突破點(diǎn)。

智能音箱和以往更加傾向于個(gè)人使用的智能電子產(chǎn)品不同，它使用場(chǎng)景更多是家庭。它除了播放音樂(lè)外，還要具備語(yǔ)音助理、智能家居中控等“技能”。隨著物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)和人工智能等技術(shù)的發(fā)展，智能音箱將成為能聽(tīng)會(huì)說(shuō)的家庭小助手，完全有潛力成為智能家居的入口，即物聯(lián)網(wǎng)關(guān)。

早在2014年11月，亞馬遜發(fā)布首款Echo智能音箱，內(nèi)部搭載了亞馬遜的語(yǔ)音助手Al?exa。和Siri、Google Now、Cortana這類手機(jī)上的智能助手不同，用戶無(wú)須操作某個(gè)按鈕，只通過(guò)簡(jiǎn)單的語(yǔ)音指令，就可以通過(guò)音箱播放音樂(lè)、查詢新聞和天氣信息、控制智能家居設(shè)備。

谷歌緊隨其后，于2016年5月在當(dāng)年的I/O大會(huì)上宣布推出Google Home智能音箱和升級(jí)版的語(yǔ)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(jī)和電視建立起了一個(gè)生態(tài)。

2017年6月5日，蘋果公司在年度開(kāi)發(fā)者大會(huì)上推出了一款內(nèi)置語(yǔ)音數(shù)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(lè)播放器、蘋果智能手機(jī)、蘋果音樂(lè)服務(wù)無(wú)線連接。借助蘋果語(yǔ)音數(shù)字助理Siri，HomePod可以接收和識(shí)別用戶的語(yǔ)音指令，執(zhí)行相應(yīng)任務(wù)，比如設(shè)置鬧鈴、開(kāi)關(guān)房間照明燈、查詢天氣情況、播放音樂(lè)等，智能音箱外形如圖2?1所示。

在2017中國(guó)智慧家庭博覽會(huì)上（5月18日～5月20日），深圳市彩易生活科技有限公司（大魚(yú)管家）推出首款物聯(lián)網(wǎng)語(yǔ)音音箱，該物聯(lián)網(wǎng)語(yǔ)音音箱通過(guò)語(yǔ)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(shè)備，包括大小家用電器、影音系統(tǒng)、燈光、溫濕度傳感器、空氣凈化器和路由器等。在基礎(chǔ)智能的設(shè)置上，物聯(lián)網(wǎng)語(yǔ)音音箱集成了海量音樂(lè)、兒童故事和語(yǔ)音交互百科等內(nèi)容，使其除了應(yīng)對(duì)成年人對(duì)家居設(shè)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(dòng)，既有實(shí)用的功能，有相當(dāng)有趣味性，物聯(lián)網(wǎng)語(yǔ)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(lián)網(wǎng)語(yǔ)音音箱外形

a）銀灰色 b）黑色

當(dāng)前無(wú)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(guó)內(nèi)從BAT到中小創(chuàng)業(yè)者，一條圍繞著智能音箱的產(chǎn)業(yè)鏈正在生成。智能交互系統(tǒng)、語(yǔ)音翻譯模塊、芯片廠家、第三方內(nèi)容開(kāi)發(fā)者以及生意冷清多年的傳統(tǒng)音箱制造商，正在把智能音箱看作進(jìn)軍智能家居的鑰匙，盼望早日進(jìn)入萬(wàn)物智能時(shí)代。

2.1.2 智能音箱的功能簡(jiǎn)介

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

圖2?3 （大魚(yú)管家）物聯(lián)網(wǎng)語(yǔ)音音箱的主要功能示意圖

1.海量音樂(lè)任點(diǎn)播

物聯(lián)網(wǎng)語(yǔ)音音箱首先具有音箱功能，它內(nèi)置雙40mm釹鐵硼強(qiáng)磁發(fā)聲單元，釋放透徹音質(zhì)，配合耐用高功率的CONEX彈波，能充分調(diào)動(dòng)揚(yáng)聲器能量，外加強(qiáng)音源驅(qū)動(dòng)力音圈，有效擴(kuò)大低音響應(yīng)，減少雜音。它還與喜馬拉雅、蝦米音樂(lè)等第三方音樂(lè)源合作，共享他們的千萬(wàn)曲庫(kù)，讓每一位喜愛(ài)智能音箱的朋友都可以收聽(tīng)這些平臺(tái)的音頻資源。只要你對(duì)智能音箱說(shuō)：“你好，小樂(lè)”進(jìn)行喚醒后，便可隨意點(diǎn)播自己想聽(tīng)的歌曲，海量音樂(lè)任點(diǎn)播示意圖如圖2?4所示。

圖2?4 海量音樂(lè)任點(diǎn)播示意圖

2.兒童故事任你挑

物聯(lián)網(wǎng)語(yǔ)音音箱采用思必馳做語(yǔ)音解析，并可做部分語(yǔ)義分析，解析后的命令字分為15個(gè)領(lǐng)域，其中有睡前故事、兒童早教、國(guó)學(xué)古詩(shī)等，只要你對(duì)物聯(lián)網(wǎng)語(yǔ)音音箱說(shuō)“你好，小樂(lè)，播放兒童故事小王子”后，它就會(huì)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(diào)、電視、插座、窗簾、加濕器和燈具等上千種。早上起床的時(shí)候，只要對(duì)著音箱說(shuō)一聲：“你好，小樂(lè)，請(qǐng)打開(kāi)窗簾”，窗簾就會(huì)緩慢拉開(kāi)；坐在沙發(fā)上只要對(duì)著音箱說(shuō)一聲：“你好，小樂(lè)，將空調(diào)溫度調(diào)到26℃”，空調(diào)就會(huì)自動(dòng)將溫度調(diào)到26℃；只要對(duì)著音箱說(shuō)一聲：“你好，小樂(lè)，我要看湖南衛(wèi)視×××節(jié)目”，電視機(jī)就會(huì)自動(dòng)換臺(tái)，呈現(xiàn)所要看的湖南衛(wèi)視×××電視節(jié)目……總而言之，智能音箱將成為智能家居的中控主機(jī)。

4.信息查詢真方便，股票信息隨時(shí)問(wèn)

該語(yǔ)音音箱除了播放音樂(lè)、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(guān)鍵信息，當(dāng)你問(wèn)語(yǔ)音音箱：“你好，小樂(lè)，××現(xiàn)在的股票是多少？”

“××的股票當(dāng)前價(jià)格為××元，下跌××元，跌幅××%”。物聯(lián)網(wǎng)語(yǔ)音音箱馬上回答。

如果對(duì)著音箱說(shuō)一聲：“你好，小樂(lè)，今天天氣怎樣？”，智能音箱馬上會(huì)告訴你當(dāng)天的天氣，天氣預(yù)報(bào)示意圖如圖2?5所示。

圖2?5 天氣預(yù)報(bào)示意圖

2.1.3 智能音箱的系統(tǒng)組成

深圳市彩易生活科技有限公司（大魚(yú)管家）物聯(lián)網(wǎng)語(yǔ)音音箱系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖2?6所示。由圖2?6可知，物聯(lián)網(wǎng)語(yǔ)音音箱系統(tǒng)由4大部分組成，即思必馳云、彩易云—聲控模塊、蝦米音樂(lè)和喜馬拉雅FM。

圖2?6 物聯(lián)網(wǎng)語(yǔ)音音箱系統(tǒng)架構(gòu)圖

思必馳是一家語(yǔ)音識(shí)別方案公司，擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的人機(jī)對(duì)話、語(yǔ)音識(shí)別、語(yǔ)義理解、語(yǔ)音合成和聲紋識(shí)別等綜合語(yǔ)音技術(shù)。由于思必馳的云沒(méi)有設(shè)備控制功能，所以，大部分解析回來(lái)的語(yǔ)句，由音箱發(fā)向彩易云，歸彩易云聲控模塊進(jìn)行分析、處理，并返回音箱處理結(jié)果。彩易云是深圳市彩易生活科技有限公司的云。蝦米音樂(lè)和喜馬拉雅FM是第三方音樂(lè)平臺(tái)。

語(yǔ)音控制流程如下：

1）用戶使用“你好，小樂(lè)”喚醒詞進(jìn)行喚醒。

2）音箱響一下，表示接受喚醒，進(jìn)行監(jiān)聽(tīng)狀態(tài)。

3）用戶開(kāi)始說(shuō)話。

4）音箱開(kāi)始錄音；7s結(jié)束。

5）音箱向思必馳上報(bào)語(yǔ)音數(shù)據(jù)包。

6）思必馳進(jìn)行分析，返回文本內(nèi)容和語(yǔ)義分析。

7）音箱根據(jù)語(yǔ)義分析，確定哪些需要處理，哪些不需要處理；哪些需要上報(bào)彩易云。

8）不需要處理的，音箱直接返回結(jié)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(zhuǎn)發(fā)。

11）彩易云—聲控模塊接受處理結(jié)果。

12）返回彩易云—聲控模塊的處理結(jié)果。

13）語(yǔ)音控制音箱處理結(jié)果，播放結(jié)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(yú)管家）物聯(lián)網(wǎng)語(yǔ)音音箱硬件組成框圖如圖2?7所示。由圖2?7可知，物聯(lián)網(wǎng)語(yǔ)音音箱硬件主要有功能按鍵、電源模塊、思必馳語(yǔ)音識(shí)別模塊、彩易云智能家居模塊、顯示屏、WiFi模塊、數(shù)字功率放大器與高保真揚(yáng)聲器。

圖2?7 物聯(lián)網(wǎng)語(yǔ)音音箱硬件組成框圖

語(yǔ)音識(shí)別是智能家居和物聯(lián)網(wǎng)的一個(gè)重要突破點(diǎn)，主要涉及語(yǔ)音合成、語(yǔ)音識(shí)別、多語(yǔ)種語(yǔ)音處理、遠(yuǎn)場(chǎng)喚醒和識(shí)別降噪等技術(shù)。語(yǔ)音交互是用戶與設(shè)備“交流”的理想模式，在人工智能、大數(shù)據(jù)時(shí)代，語(yǔ)音交互的效果也越來(lái)越實(shí)用。

語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)（Auto Speech Recognize，ASR）所要解決的問(wèn)題是讓計(jì)算機(jī)能夠“聽(tīng)懂”人類的語(yǔ)音，將語(yǔ)音中包含的文字信息“提取”出來(lái)。ASR技術(shù)在“能聽(tīng)會(huì)說(shuō)”的智能音箱中扮演著重要角色，相當(dāng)于給智能音箱安裝上“耳朵”，使其具備“能聽(tīng)”的功能，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)人機(jī)通信和交互。在國(guó)內(nèi)從事智能語(yǔ)音及語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)研究，軟件及芯片產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的企業(yè)主要有科大訊飛、思必馳等。

語(yǔ)音識(shí)別模塊是在一種基于嵌入式的語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)的模塊，主要包括語(yǔ)音識(shí)別芯片和一些其他的附屬電路，能夠方便的與主控芯片進(jìn)行通信，開(kāi)發(fā)者可以方便地將該模塊嵌入到自己的產(chǎn)品中使用，實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音交互的目的。語(yǔ)音識(shí)別模塊組成框圖如圖2?8所示。

圖2?8 語(yǔ)音識(shí)別模塊組成框圖

圖2?9 LD3320A芯片實(shí)物

例如科大訊飛研發(fā)的語(yǔ)音識(shí)別芯片LD3320A，它是一顆基于非特定人語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)的語(yǔ)音識(shí)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(shí)現(xiàn)語(yǔ)音識(shí)別/聲控/人機(jī)對(duì)話功能。LD3320A芯片實(shí)物如圖2?9所示。

它的主要特色功能有以下幾點(diǎn)：

1）非特定人語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)，不需要用戶進(jìn)行錄音訓(xùn)練。

2）可動(dòng)態(tài)編輯的識(shí)別關(guān)鍵詞語(yǔ)列表，只需要把識(shí)別的關(guān)鍵詞語(yǔ)以字符串的形式傳送進(jìn)芯片，即可以在下次識(shí)別中立即生效。比如，用戶在51等MCU的編程中，簡(jiǎn)單地通過(guò)設(shè)置芯片的寄存器，把諸如“你好”這樣的識(shí)別關(guān)鍵詞的內(nèi)容動(dòng)態(tài)地傳入芯片中，芯片就可以識(shí)別這樣設(shè)定的關(guān)鍵詞語(yǔ)了。

3）支持用戶自由編輯50條關(guān)鍵詞語(yǔ)條，在同一時(shí)刻，最多在50條關(guān)鍵詞語(yǔ)中進(jìn)行識(shí)別，終端用戶可以根據(jù)場(chǎng)景需要，隨時(shí)編輯和更新這50條關(guān)鍵詞語(yǔ)的內(nèi)容。

4）內(nèi)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(nèi)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(tǒng)成本。

主要技術(shù)參數(shù)如下。

●內(nèi)置單聲道16bit A-D模數(shù)轉(zhuǎn)換。

●內(nèi)置雙聲道16bit D-A數(shù)模轉(zhuǎn)換。

●內(nèi)置20mW雙聲道耳機(jī)放大器輸出。

●內(nèi)置550mW單聲道揚(yáng)聲器放大器輸出。

●支持并行接口或者SPI接口。

●內(nèi)置鎖相電路PLL，輸入主控時(shí)鐘頻率為2～34MHz。

●工作電壓：（VDD）3.3V。

●48pin的QFN7×7標(biāo)準(zhǔn)封裝。

●省電模式耗電：1μA。

LD3320芯片內(nèi)部的語(yǔ)音識(shí)別原理框圖如圖2?10中的虛線框所示。

圖2?10 LD3320芯片內(nèi)部的語(yǔ)音識(shí)別原理框圖

首先，把通過(guò)傳聲器輸入的聲音進(jìn)行頻譜分析；其次，提取語(yǔ)音特征，通過(guò)以上兩步后將得到語(yǔ)音（即關(guān)鍵詞）的特征信息；再次，將關(guān)鍵詞語(yǔ)列表（即訓(xùn)練模板）中的數(shù)據(jù)與特征信息進(jìn)行對(duì)比匹配；最后，找出得分最高的關(guān)鍵詞語(yǔ)作為識(shí)別結(jié)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(tǒng)貓眼的家居安防產(chǎn)品，是安裝在防盜門上可以24小時(shí)自動(dòng)拍照、感應(yīng)監(jiān)控的智能可視貓眼。通過(guò)攝像頭和液晶屏顯示，無(wú)論老人或者小孩都可以看清門外的情況，同時(shí)還可以對(duì)來(lái)訪者進(jìn)行自動(dòng)拍照留檔，以便業(yè)主外出歸來(lái)時(shí)查看來(lái)訪記錄。當(dāng)有訪客到來(lái)時(shí)，如果家里有人，可直接通過(guò)室內(nèi)顯示屏與訪客視頻對(duì)話；如果出門在外，訪客按響門鈴時(shí)，通過(guò)智能貓眼搭配的手機(jī)APP將自動(dòng)推送消息，打開(kāi)APP即可與訪客實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)視頻對(duì)話。

智能貓眼與可視門鈴最本質(zhì)的區(qū)別就是：設(shè)備是否通過(guò)聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)掌控，不論身在何方，都能通過(guò)手機(jī)隨時(shí)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(dòng)偵測(cè)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(jiǎn)介

移康智能叮咚3安裝180°魚(yú)眼超視角鏡頭、300萬(wàn)高清攝像頭、像素高達(dá)720p高清、WiFi無(wú)線監(jiān)控模塊，主要有以下幾點(diǎn)功能。

1.角度增加，廣角更廣

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

2.消除色差，色彩失真修復(fù)

移康智能叮咚3新添獨(dú)特功能，自動(dòng)進(jìn)行色彩失真修復(fù)，讓貓眼拍攝的畫(huà)質(zhì)更加真實(shí)。拍攝像素更是增加到300萬(wàn)，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(shí)的情況，捕捉所有細(xì)節(jié)，讓所有威脅無(wú)所遁形。

3.紅外夜視，自動(dòng)抓拍

移康智能叮咚3采用的PIR（人體智能偵測(cè)）和紅外夜視傳感器，幫助每個(gè)用戶日夜監(jiān)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(dòng)拍照或者拍視頻（停留時(shí)間可以設(shè)置）。

4.監(jiān)督小孩，保護(hù)老人

移康智能叮咚3可根據(jù)小孩的進(jìn)門記錄，隨時(shí)隨地掌握小孩放學(xué)是否按時(shí)回家；同時(shí)根據(jù)老人開(kāi)關(guān)門記錄，掌握家里老人的活動(dòng)是否正常，降低老人出危險(xiǎn)事件的概率。

5.遠(yuǎn)程對(duì)講，可視通話

通過(guò)專門設(shè)計(jì)的手機(jī)APP，可以實(shí)現(xiàn)手機(jī)與智能貓眼之間的通話。如當(dāng)快遞小哥上門送快遞或重要客人來(lái)訪時(shí)，而用戶卻不在家。此時(shí)此刻快遞小哥便可以通過(guò)單擊智能貓眼上的按鈕實(shí)現(xiàn)與用戶的通話。還可以綁定手機(jī)查看，即使身在千里之外，掏出手機(jī)打開(kāi)APP就能隨時(shí)隨地遠(yuǎn)程查看門外情況。

手機(jī)APP的操作步驟如圖2?12所示。

2.2.3 智能貓眼的主要參數(shù)

移康智能叮咚3的主要參數(shù)見(jiàn)表2?1。

圖2?12 手機(jī)APP的操作步驟

表2?1 移康智能叮咚3的主要參數(shù)

2.2.4 智能貓眼的系統(tǒng)組成

智能貓眼主要分為門內(nèi)主機(jī)、門外子機(jī)兩大部分，包裝盒內(nèi)還附贈(zèng)了說(shuō)明書(shū)、充電器、安裝配件，移康智能叮咚3（R26F）系統(tǒng)如圖2?13所示。

門鈴主機(jī)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(nèi)，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(jī)內(nèi)置180°魚(yú)眼攝像頭，采用720p安防專用的攝像頭，并且獨(dú)有彩色失真修復(fù)技術(shù)，這一技術(shù)，使得移康智能叮咚3WiFi遠(yuǎn)程可視門鈴避免了市面上其他智能貓眼在白天時(shí)的偏色問(wèn)題。叮咚3可視門鈴?fù)ㄟ^(guò)計(jì)算感光芯片吸收到自然界的各種光線，再調(diào)整攝像頭使得圖像達(dá)到一個(gè)佳值。

圖2?13 移康智能叮咚3（R26F）系統(tǒng)

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(chǔ)上，加入物聯(lián)網(wǎng)功能，實(shí)現(xiàn)APP操控。它集合了互聯(lián)科技、人工智能、生物智能等高新技術(shù)，可以說(shuō)是中國(guó)智能家居領(lǐng)域最具備科技含量的產(chǎn)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(tǒng)的核心組成部分。通過(guò)云端安全技術(shù)，實(shí)時(shí)反饋門鎖狀態(tài)和家庭安全狀況，實(shí)現(xiàn)雙向通信，并可實(shí)現(xiàn)門鎖和智能家居設(shè)備的聯(lián)動(dòng)，門鎖和社區(qū)O2O服務(wù)的對(duì)接，云端遠(yuǎn)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(jī)械鑰匙和手機(jī)遙控4種開(kāi)門方式。

指紋鎖是一種以人體手指部位的指紋為識(shí)別載體和手段的智能鎖具，它是計(jì)算機(jī)信息技術(shù)、電子技術(shù)、機(jī)械技術(shù)和現(xiàn)代五金工藝的完美結(jié)晶。指紋鎖一般由電子識(shí)別與控制、機(jī)械聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)兩部分組成。指紋的唯一性和不可復(fù)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(shí)別外，根據(jù)國(guó)家規(guī)定，應(yīng)當(dāng)加配應(yīng)急機(jī)械鑰匙。產(chǎn)品質(zhì)量規(guī)范以《中華人民共和國(guó)公共安全行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（GA701—2007）》為主要依據(jù)。

指紋鎖通過(guò)指紋識(shí)別傳感器錄入使用者的指紋信息，通過(guò)指紋算法，把指紋信息轉(zhuǎn)換成數(shù)字信息。當(dāng)已注冊(cè)用戶把指紋放到指紋傳感器上時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)分析比對(duì)指紋信息。對(duì)比成功后，輸出信號(hào)給離合器電機(jī)或磁鐵實(shí)現(xiàn)開(kāi)啟或閉合，從而實(shí)現(xiàn)開(kāi)鎖或關(guān)鎖。

指紋識(shí)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(shí)別傳感器根據(jù)采集原理的不同，一般分為光學(xué)指紋識(shí)別傳感器與半導(dǎo)體指紋識(shí)別傳感器兩種，其中半導(dǎo)體指紋識(shí)別傳感器又分為電容半導(dǎo)體指紋識(shí)別傳感器和射頻式半導(dǎo)體指紋識(shí)別傳感器，電容半導(dǎo)體指紋識(shí)別傳感器是瑞典FPC公司的一種叫法，而射頻式半導(dǎo)體指紋識(shí)別傳感器則是美國(guó)UPEK公司的說(shuō)法。

光學(xué)指紋識(shí)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(jīng)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(huì)不一樣。CMOS或者CCD的光學(xué)器件就會(huì)收集到不同明暗程度的圖片信息，就完成指紋的采集。

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

生物射頻式指紋識(shí)別傳感器是在電容式傳感器的基礎(chǔ)上擴(kuò)展的，通過(guò)傳感器本身發(fā)射出微量射頻信號(hào)，穿透手指的表皮層獲取里層的紋路，來(lái)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(qiáng)，射頻識(shí)別原理只對(duì)人的真皮皮膚有反應(yīng)，從根本上杜絕了人造指紋的問(wèn)題。

指紋識(shí)別傳感器根據(jù)信號(hào)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(dòng)式或刮擦式）指紋識(shí)別傳感器將手指從傳感器上劃過(guò)，系統(tǒng)就能獲得整個(gè)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(shí)，無(wú)法一次性采集到完整圖像。在采集時(shí)需要手指劃過(guò)采集表面，對(duì)手指劃過(guò)時(shí)采集到的每一塊指紋圖像進(jìn)行快照，這些快照再進(jìn)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(shí)別傳感器，手指平放在設(shè)備上以便獲取指紋圖像，一般為了獲得整個(gè)手指的指紋，必須使用比手指更大的傳感器，整個(gè)手指同時(shí)按壓在傳感器之上。

2014年8月13日，中國(guó)臺(tái)灣J-Metrics（茂丞科技）推出新一代基于主動(dòng)式垂直射頻技術(shù)的指紋識(shí)別傳感器，該指紋傳感器是利用半導(dǎo)體感面積型測(cè)接收器，接收微小的人體手指發(fā)出指紋影像訊號(hào)，使能偵測(cè)手指3D影像，以辨識(shí)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(shí)別已經(jīng)成為標(biāo)配。這其中，由于價(jià)格的原因，光學(xué)式識(shí)別方案應(yīng)用得更為普遍，能占到70%以上。對(duì)于光學(xué)指紋識(shí)別方案，容易被假指模欺騙的安全性問(wèn)題，可以說(shuō)是這種方案的硬傷。

業(yè)界普遍在追尋更為安全的生物識(shí)別方案，如人臉、虹膜等，但由于技術(shù)方案的成熟度和價(jià)格原因，很難在智能門鎖上大規(guī)模應(yīng)用。倒是有一種與指紋識(shí)別有點(diǎn)類似的技術(shù)方案，有望成為指紋識(shí)別的升級(jí)替代，那就是指靜脈識(shí)別。

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

智能門鎖可以說(shuō)是指靜脈識(shí)別最佳的應(yīng)用場(chǎng)景，尤其與光學(xué)式指紋識(shí)別在原理和結(jié)構(gòu)上的相似性，使得指靜脈識(shí)別方案可以很平滑的替換掉光學(xué)指紋識(shí)別方案，指靜脈技術(shù)對(duì)于智能門鎖最重要的安全性會(huì)有顯著的提升。

2.3.2 智能指紋鎖的功能簡(jiǎn)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(kāi)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(yùn)涵大量的信息，這些紋路在圖案、斷點(diǎn)和交點(diǎn)上是各不相同的，在信息處理中將它們稱作“特征”，醫(yī)學(xué)上已經(jīng)證明這些特征對(duì)于每個(gè)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(fù)制性。每個(gè)人的指紋還具有易攜帶、不忘記和不丟失的特點(diǎn)。智能指紋鎖在鎖內(nèi)模塊的Flash中開(kāi)辟了一段存儲(chǔ)區(qū)域作為用戶指紋模板存放區(qū)即指紋庫(kù)。指紋庫(kù)數(shù)據(jù)是斷電保護(hù)的。當(dāng)用戶將指紋放到指紋傳感器上時(shí)，系統(tǒng)就會(huì)比較他的指紋特征和預(yù)先保存在指紋庫(kù)的指紋特征，以驗(yàn)證用戶的真實(shí)身份。身份符合的便可開(kāi)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(shí)別，指紋容量100條，指紋開(kāi)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(kāi)鎖，謹(jǐn)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(shí)密碼前后，隨意添加任意隨機(jī)數(shù)字開(kāi)門，讓用戶在有客人的場(chǎng)合都不必遮遮掩掩，防止密碼無(wú)意中泄露，也可以大大方方的解鎖開(kāi)門。這個(gè)密碼技術(shù)不同于其他密碼技術(shù)，用戶在開(kāi)門時(shí)，可在真實(shí)密碼前后隨意增加亂碼，起到保護(hù)密碼的作用，虛位密碼開(kāi)鎖如圖2?16所示。

圖2?15 指紋開(kāi)鎖

圖2?16 虛位密碼開(kāi)鎖

3.手機(jī)聯(lián)動(dòng)，遠(yuǎn)程開(kāi)鎖

移康YK6088E型智能指紋鎖內(nèi)部加裝了無(wú)線通信簿塊，用戶可以通過(guò)手機(jī)APP就可輸入密碼實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程開(kāi)鎖，手機(jī)遠(yuǎn)程開(kāi)鎖如圖2?17所示。這樣智能指紋鎖有指紋開(kāi)鎖、密碼開(kāi)鎖和手機(jī)開(kāi)鎖3種方式，可供用戶任意選擇。

4.應(yīng)急鑰匙開(kāi)鎖

移康YK6088E型智能指紋鎖根據(jù)國(guó)家規(guī)定，加配了應(yīng)急機(jī)械鑰匙插孔，出現(xiàn)密碼忘記、電量耗盡或系統(tǒng)無(wú)法運(yùn)作等緊急情況，可使用備用機(jī)械鑰匙開(kāi)鎖。其位置在室外門鎖面板最下方，機(jī)械鑰匙插孔如圖2?18所示。

圖2?17 手機(jī)遠(yuǎn)程開(kāi)鎖

圖2?18 機(jī)械鑰匙插孔

5.內(nèi)部反鎖與安全模式

移康YK6088E型智能指紋鎖還支持內(nèi)部反鎖功能，旋轉(zhuǎn)反鎖旋鈕后室外無(wú)法正常開(kāi)啟，晚上睡覺(jué)前可啟用該模式。若長(zhǎng)時(shí)間出差可啟用“安全模式”，即進(jìn)門時(shí)需要密碼+指紋的雙重驗(yàn)證。

6.其他功能

移康YK6088E型智能指紋鎖除上述開(kāi)鎖的基本功能外，還具有以下幾點(diǎn)功能。

1）電量查詢。查詢智能指紋鎖當(dāng)前電量，手機(jī)APP會(huì)顯示當(dāng)前門鎖電池的電量。

2）開(kāi)鎖記錄。用戶開(kāi)門后鎖內(nèi)控制器需上報(bào)開(kāi)門時(shí)間、上報(bào)開(kāi)門方式給中控設(shè)備，并傳給云端，存儲(chǔ)開(kāi)門記錄，手機(jī)APP會(huì)顯示用戶開(kāi)門記錄。

3）安防告警。在輸入密碼時(shí)，如果連續(xù)3次出錯(cuò)，智能指紋鎖會(huì)發(fā)出密碼驗(yàn)證錯(cuò)誤報(bào)警；如果連續(xù)3次出現(xiàn)指紋輸入錯(cuò)誤，會(huì)發(fā)出指紋驗(yàn)證錯(cuò)誤報(bào)警；如果門鎖被撬開(kāi)時(shí)，會(huì)發(fā)出防撬報(bào)警；如果門鎖超時(shí)未鎖時(shí)，也會(huì)發(fā)出告警。上述告警信息由鎖內(nèi)的控制器上報(bào)給中控設(shè)備，并傳給云端，手機(jī)APP通知用戶安防告警消息，提醒用戶及時(shí)處理異常情況。

4）低電告警。當(dāng)指紋鎖電量過(guò)低時(shí)，指紋鎖上報(bào)低電告警，手機(jī)APP顯示低電量圖標(biāo)。

5）采用三防鎖體，防盜更安心。鎖芯是采用了超B級(jí)鎖芯，具有防撞、防撬、防鋸的三防功能。職業(yè)小偷采用技術(shù)開(kāi)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(nèi)安裝了無(wú)線通信模塊，不僅支持手機(jī)遠(yuǎn)程開(kāi)鎖，還能與智能貓眼形成聯(lián)動(dòng)，組成智能門系統(tǒng)。如將叮咚R23E智能貓眼與YK6088E智能指紋鎖進(jìn)行聯(lián)動(dòng)后，便形成的一套更加智能化的家庭安防系統(tǒng)。通過(guò)在指紋鎖內(nèi)安裝無(wú)線通信模塊，實(shí)現(xiàn)了智能貓眼和鎖的聯(lián)通，此外智能門系統(tǒng)還兼顧了遠(yuǎn)程可視對(duì)講、防盜預(yù)警推送和遠(yuǎn)程聯(lián)動(dòng)開(kāi)鎖三項(xiàng)核心功能。不僅如此，智能門系統(tǒng)還能時(shí)刻記錄家門出入人流的信息，防止一切可能出現(xiàn)的威脅。

7）低耗節(jié)能，持久耐用。鎖內(nèi)裝有標(biāo)準(zhǔn)4節(jié)5號(hào)電池，可持續(xù)使用半年以上，如圖2?19所示。

8）鎖上顯示屏自動(dòng)顯示日期、時(shí)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(shí)間是13點(diǎn)59分51秒，“請(qǐng)輸入密碼”提示。

圖2?19 鎖內(nèi)裝有標(biāo)準(zhǔn)4節(jié)5號(hào)電池

圖2?20 鎖上顯示屏

2.3.3 智能指紋鎖的主要參數(shù)

移康YK6088E型智能指紋鎖的主要參數(shù)見(jiàn)表2?2。

表2?2 移康YK6088E型智能指紋鎖的主要參數(shù)

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(jī)械部分和電子部分，機(jī)械部分有前后面板、鎖體、把手、電機(jī)和應(yīng)急鑰匙；電子部分有指紋識(shí)別傳感器（指紋采集器）、指紋算法芯片、數(shù)字鍵盤、微控制器（MCU）、液晶顯示屏、網(wǎng)絡(luò)模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(dú)創(chuàng)的反射式測(cè)量法，就像回聲原理一樣，發(fā)出的聲音越大，回聲就越大，這就實(shí)現(xiàn)了增強(qiáng)探測(cè)信號(hào)。保證取得穩(wěn)定、清晰的指紋圖像，由于探測(cè)信號(hào)增強(qiáng)就帶來(lái)了另一個(gè)好處，芯片表面的保護(hù)膜可以做得更厚（比同類厚10～25倍），擁有更厚的保護(hù)層就意味著更強(qiáng)，耐磨性（>100萬(wàn)次）和抗靜電（大于15kV）甚至可達(dá)20kV，反之，因?yàn)橹苯訙y(cè)量法探測(cè)到的信號(hào)本來(lái)就微弱，所以芯片表面的保護(hù)膜就無(wú)法做得很厚，抗靜電性和耐磨性就無(wú)法達(dá)到實(shí)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(diǎn)。

●抗靜電：大于15kV，達(dá)到國(guó)際4IEC6100042標(biāo)準(zhǔn)。

●耐磨性：超過(guò)100萬(wàn)次。

●采集圖像清晰：初次采集圖像，到100萬(wàn)次后采集圖像依然清晰。

●識(shí)別指紋時(shí)間短。

●高速的SPI接口。

●環(huán)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(guó)際標(biāo)準(zhǔn)高品質(zhì)FR4材質(zhì)。

●內(nèi)置A-D轉(zhuǎn)換，從而輸出高質(zhì)量的數(shù)字指紋圖像。

●活體指紋識(shí)別，探測(cè)真皮層，對(duì)干濕手指具有良好適應(yīng)性。

●8位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，可以方便與低成本接頭接入系統(tǒng)中。

●耐高低溫：通常適用溫度-20～+85℃，儲(chǔ)存溫度-40～+85℃。

新一代升級(jí)指紋傳感器FPC1011F的技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表2?3。

表2?3 新一代升級(jí)指紋傳感器FPC1011F的技術(shù)參數(shù)

廣東佛山耐特鎖業(yè)有限公司生產(chǎn)指紋鎖采用指昂科技研發(fā)的光學(xué)指紋識(shí)別模塊，該模塊以高速DSP處理器為核心，結(jié)合具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的光學(xué)指紋傳感器，具有指紋錄入、圖像處理、指紋比對(duì)、搜索和模板儲(chǔ)存等功能，ZAZ-050指紋識(shí)別模塊外形如圖2?23所示。

圖2?23 ZAZ-050指紋識(shí)別模塊外形

ZAZ-050指紋識(shí)別模塊的技術(shù)參數(shù)如下。

（1）電氣參數(shù)

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(shí)間<0.5s。

工作溫度：-30～+70℃。

存儲(chǔ)溫度：-40～+80℃。

工作濕度：20%～90%。

存儲(chǔ)濕度：16%～95%。

（2）性能參數(shù)

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(duì)方式（1∶1）搜索方式（1∶N）。

指紋特征：384B。

指紋模板：1536B。

存儲(chǔ)容量：100枚。

安全等級(jí)：五級(jí)（從低到高：1、2、3、4、5）。

認(rèn)假率（FAR）：<0.001%（安全等級(jí)為3時(shí)）。

拒真率（FRR）：<0.005%（安全等級(jí)為3時(shí)）。

搜索時(shí)間：<1.0s（1∶1000時(shí)，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(rèn)出廠N=6，即57600bit/s）。

2.指紋算法芯片

指紋識(shí)別算法是指在指紋識(shí)別過(guò)程中，對(duì)采集的指紋圖像預(yù)處理、數(shù)據(jù)特征提取、特征匹配等。其中圖像預(yù)處理的主要步驟包括：圖像分割、圖像增強(qiáng)、二值化處理、二值去噪、細(xì)化等。預(yù)處理的目的是改善輸入指紋圖像的質(zhì)量，以提高特征提取的準(zhǔn)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(wèn)題，需要進(jìn)行圖像增強(qiáng)（使用濾波技術(shù)）以改善質(zhì)量。由于指紋特征僅包含在脊線的形狀結(jié)構(gòu)中，所以，通過(guò)二值化和細(xì)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(xì)脊線，以便于特征提取。指紋識(shí)別算法流程框圖如圖2?24所示。

圖2?24 指紋識(shí)別算法流程框圖

（1）圖像預(yù)處理

1）圖像分割。因?yàn)楂@得的指紋圖像跟其背景區(qū)域相混合，所以需要對(duì)原始指紋圖像進(jìn)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(qū)域，所以首先對(duì)指紋圖像進(jìn)行初步處理，消除最外面的邊框。然后對(duì)指紋圖像進(jìn)行進(jìn)一步的處理，消除剩下的背景區(qū)域。

2）圖像增強(qiáng)（中值濾波）。由于分割后的圖像質(zhì)量仍然不是很好，所以需要對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步的增強(qiáng)處理。這是指紋圖像預(yù)處理過(guò)程中最核心的一步，主要是通過(guò)對(duì)受噪聲影響的指紋圖像去噪，同時(shí)對(duì)圖像進(jìn)行修復(fù)和整理，增強(qiáng)脊線谷線結(jié)構(gòu)對(duì)比度，進(jìn)一步獲取更加清晰的圖像。

3）二值化處理。經(jīng)過(guò)中值濾波后的指紋圖像首先要進(jìn)行二值化處理，變成二值圖像。即將灰度圖像（灰度有255階）轉(zhuǎn)化為只包含黑、白兩個(gè)灰度的二值圖像，即0和1兩個(gè)值。

由于采集到的指紋圖像不同區(qū)域深淺不一，如對(duì)整幅圖像使用同一閾值進(jìn)行二值分割，會(huì)造成大量有用信息的丟失。使用自適應(yīng)局部閾值二值化處理是對(duì)每小塊指紋圖像，選取的閾值應(yīng)盡量使該塊圖像內(nèi)大于該閾值的像素點(diǎn)數(shù)等于小于該閾值的像素點(diǎn)數(shù)。這樣使脊的灰度值趨于一致，對(duì)圖像信息進(jìn)行壓縮，節(jié)約了存儲(chǔ)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(shí)。

5）指紋圖像的細(xì)化。細(xì)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(chǔ)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(chǔ)上進(jìn)行細(xì)化紋線的修復(fù)，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(xì)節(jié)特征提取、基于曲線的特征提取、基于奇異點(diǎn)的特征提取、基于脊線頻率的特征提取等。對(duì)指紋圖像的特征點(diǎn)進(jìn)行提取，能有效地減少偽特征點(diǎn)，提取準(zhǔn)確的特征點(diǎn)，提高匹配速度和指紋識(shí)別性能，降低識(shí)別系統(tǒng)的誤識(shí)率和拒真率。

有一種是基于非徹底細(xì)化圖像的指紋細(xì)節(jié)提取算法，它在不對(duì)紋線做任何修復(fù)處理的情況下，在細(xì)化指紋圖像上直接提取原始細(xì)節(jié)特征點(diǎn)集，得到初步的特征提取結(jié)果；然后分析圖像中存在的各類噪聲及其特點(diǎn)，結(jié)合指紋細(xì)節(jié)特征點(diǎn)固有的分布規(guī)律和局部紋線方向信息，針對(duì)不同的噪聲采用針對(duì)性算法，并利用偽特征點(diǎn)在數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)上的分布規(guī)律，將各類噪聲引起的偽特征點(diǎn)分別予以刪除，而將最終保留的特征點(diǎn)集作為真正特征點(diǎn)的集合。指紋圖像特征點(diǎn)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(diǎn)、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(duì)兩個(gè)輸入指紋的特征集合（模板指紋集和輸入指紋集）進(jìn)行判斷，看是否屬于同一指紋。在極坐標(biāo)下進(jìn)行指紋圖像的特征點(diǎn)匹配，具體的極坐標(biāo)細(xì)節(jié)匹配算法步驟如圖2?26所示。指紋特征匹配主要是基于細(xì)節(jié)特征值的匹配，通過(guò)對(duì)輸入指紋細(xì)節(jié)特征值與存儲(chǔ)的指紋細(xì)節(jié)特征值相比較，實(shí)現(xiàn)指紋識(shí)別，兩者相比較時(shí)需要設(shè)立一個(gè)臨界值，匹配時(shí)大于這個(gè)閾值，則指紋匹配；當(dāng)匹配時(shí)小于閾值，則指紋不匹配。特征匹配是識(shí)別系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，匹配算法的好壞直接影響識(shí)別的性能、速度和效率。

圖2?25 圖像特征點(diǎn)提取具體算法流程

圖2?26 具體的極坐標(biāo)細(xì)節(jié)匹配算法步驟

指紋識(shí)別算法隨著科技的進(jìn)步，也在不斷發(fā)展。一些企業(yè)將指紋識(shí)別算法嵌入在芯片中，能夠片上實(shí)現(xiàn)指紋的圖像采集、特征提取、特征比對(duì)。這使得開(kāi)發(fā)過(guò)程變得簡(jiǎn)單，開(kāi)發(fā)者可以方便地實(shí)現(xiàn)指紋識(shí)別的功能。

如北京艾迪沃德科技發(fā)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(guó)際領(lǐng)先的IDworld5.0自學(xué)習(xí)指紋識(shí)別算法。基于ARM Cortex^TM-M3指令的內(nèi)核，具備最佳處理性能、低功耗和外設(shè)可配的能力，帶有一個(gè)緊密耦合的嵌套向量中斷控制器、系統(tǒng)時(shí)鐘和先進(jìn)的調(diào)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(nèi)閃存（Flash）最大為128KB，RAM最大為20KB，供電電壓范圍為2.6～3.6V，內(nèi)核的供電電壓為1.2V，I/O口可承受5V電平，內(nèi)嵌實(shí)時(shí)時(shí)鐘（RTC）和2個(gè)看門狗（WDG），具有掉電復(fù)位（PDR）、上電復(fù)位（POR）及電壓監(jiān)測(cè)（LVD）功能。支持三相PWM互補(bǔ)輸出和積分器的高級(jí)控制定時(shí)器可用于矢量控制，還擁有3個(gè)通用16位定時(shí)器。提供多達(dá)43個(gè)外部中斷并可嵌套16個(gè)可編程優(yōu)先級(jí)。還集成了豐富的外設(shè)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(chǔ)器，還配備有兩個(gè)采樣率為1MSPS多達(dá)16通道的12位高速ADC、3個(gè)USART、2個(gè)SPI、2個(gè)I²C、多達(dá)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(yīng)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(dǎo)體指紋傳感器、滑動(dòng)式指紋傳感器、光學(xué)指紋傳感器以及熱敏式指紋傳感器等。同時(shí)，它支持多種開(kāi)發(fā)環(huán)境：Android、Windows、Linux，也可用于其他嵌入式環(huán)境等。所以QS808可以運(yùn)用于智能家居、物聯(lián)網(wǎng)、安防市場(chǎng)和車聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域。

圖2?28 AS602芯片外形

又如杭州晟元芯片技術(shù)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(jié)構(gòu)32位RISC處理器內(nèi)核，內(nèi)置專用DSP指令集和加速器。其主要特點(diǎn)是具有SEA/RSA加速引擎、內(nèi)置存儲(chǔ)器（Flash/OTP）、指紋處理加速器和專用算法軟件。AS602芯片主頻高達(dá)128MHz，內(nèi)置128KB高速靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器（SRAM），嵌入了1MB大容量FLASH，64KBROM和4KBOTPROM，并具備豐富的對(duì)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(shí)時(shí)鐘、對(duì)稱算法引擎（SEA）加速器、RSA加解密引擎、真隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生器（TRNG），以及多達(dá)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(jī)等數(shù)碼產(chǎn)品。

2.4 智能背景音樂(lè)主機(jī)

深圳億佳音科技有限公司生產(chǎn)的億佳音JY188A型背景音樂(lè)主機(jī)采用的是7寸高清數(shù)字顯示屏（1024×600IPS高清分辨率顯示屏），多點(diǎn)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(tǒng)。本機(jī)運(yùn)行存儲(chǔ)為1GB，機(jī)身存儲(chǔ)為8GB。支持DLNA、Airplay、Qplay等協(xié)議。

2.4.1 智能背景音樂(lè)主機(jī)的功能介紹

1.手機(jī)同屏操作

用智能手機(jī)等移動(dòng)終端設(shè)備安裝本公司的APP可以實(shí)現(xiàn)局域網(wǎng)內(nèi)對(duì)本主機(jī)進(jìn)行各種不同操控，如可以將主機(jī)的操作畫(huà)面實(shí)時(shí)投射到移動(dòng)終端設(shè)備，通過(guò)移動(dòng)終端設(shè)備進(jìn)行操作主機(jī)的各項(xiàng)功能。JY188A型主機(jī)的功能界面（一）如圖2?29所示，在智能手機(jī)上同樣可有這種功能界面，這樣可在手機(jī)上隨時(shí)隨地控制主機(jī)。

圖2?29 JY188A型主機(jī)的功能界面（一）

2.實(shí)時(shí)顯示日期、時(shí)間、天氣、地址

億佳音JY188A型智能背景音樂(lè)主機(jī)能實(shí)時(shí)顯示日期、時(shí)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(nóng)歷）四月二十四、時(shí)間是13：32、地址是深圳市寶安區(qū)、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(lè)主機(jī)支持利用無(wú)線傳聲器進(jìn)行家庭卡拉OK演唱娛樂(lè)，只要輕輕一點(diǎn)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(shí)，想唱就唱。

4.局域網(wǎng)對(duì)講

億佳音JY188A型智能背景音樂(lè)主機(jī)支持局域網(wǎng)語(yǔ)音實(shí)時(shí)對(duì)講，只要輕輕一點(diǎn)圖2?29功能界面（一）左下方的對(duì)講機(jī)圖案，就可與其他房間的主機(jī)進(jìn)行對(duì)講，對(duì)方能及時(shí)聽(tīng)到呼叫聲音。

5.多檔定時(shí)開(kāi)關(guān)機(jī)

億佳音JY188A型智能背景音樂(lè)主機(jī)可任意設(shè)定時(shí)間，支持多檔定時(shí)開(kāi)關(guān)機(jī)。定時(shí)開(kāi)機(jī)后可選取指定歌曲進(jìn)行播放。設(shè)置定時(shí)開(kāi)關(guān)機(jī)時(shí)要將功能界面用手往右滑動(dòng)，見(jiàn)到下方第三只指示燈亮，出現(xiàn)圖2?30所示設(shè)置定時(shí)開(kāi)關(guān)機(jī)界面，然后單擊圖2?30上方中間的定時(shí)開(kāi)關(guān)機(jī)圖案，便可任意設(shè)定時(shí)間。

圖2?30 設(shè)置定時(shí)開(kāi)關(guān)機(jī)界面

6.多種音樂(lè)播放

億佳音JY188A型智能背景音樂(lè)主機(jī)支持多種音樂(lè)播放，圖2?29功能界面（一）左上方有本地音樂(lè)，下面中間有百度音樂(lè)和聽(tīng)喜馬拉雅FM（調(diào)頻）廣播，圖2?30中左上方有網(wǎng)絡(luò)音樂(lè)。不同音樂(lè)由藍(lán)牙信號(hào)自動(dòng)切換或用手機(jī)切換。

7.高清視頻輸出

億佳音JY188A型智能背景音樂(lè)主機(jī)具有高清視頻解碼功能，支持網(wǎng)絡(luò)視頻、網(wǎng)絡(luò)電影、電視節(jié)目隨意看，配合HDMI輸出至電視機(jī)，背景音樂(lè)主機(jī)變成網(wǎng)絡(luò)電視機(jī)頂盒。

8.語(yǔ)音點(diǎn)播歌曲

億佳音JY188A型智能背景音樂(lè)主機(jī)內(nèi)置語(yǔ)音識(shí)別電路，只要說(shuō)出想聽(tīng)的歌曲，主機(jī)就會(huì)輸出優(yōu)美動(dòng)聽(tīng)的音樂(lè)。

9.兩功率放大器輸出

億佳音JY188A型智能背景音樂(lè)主機(jī)內(nèi)置YAMAHA（雅馬哈）YDA138-E數(shù)字，四聲道揚(yáng)聲器輸出，支持2區(qū)分音量調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)音調(diào)時(shí)要將功能界面用手往右滑動(dòng)，見(jiàn)到下方第二只指示燈亮，出現(xiàn)圖2?31所示界面，然后單擊圖2?31上方調(diào)節(jié)圖案，便可進(jìn)行操作，音量調(diào)節(jié)界面如圖2?31所示。

10.對(duì)接可視門鈴

億佳音JY188A型智能背景音樂(lè)主機(jī)支持可視門鈴，可與本公司生產(chǎn)的WIFI601/602型可視門鈴對(duì)接，進(jìn)行實(shí)時(shí)雙向可視通話，達(dá)到圖像、語(yǔ)音雙重識(shí)別，從而增加了安全可靠性。

圖2?31 音量調(diào)節(jié)界面

2.4.2 智能背景音樂(lè)主機(jī)的主要參數(shù)

億佳音JY188A型智能背景音樂(lè)主機(jī)的主要參數(shù)見(jiàn)表2?4。

表2?4 主要參數(shù)

2.4.3 智能背景音樂(lè)主機(jī)的電路組成和主要器件

1.內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖

億佳音JY188A型智能背景音樂(lè)主機(jī)主要由Cortex-A9四核處理器、YAMAHA（雅馬哈）YD138-E數(shù)字功率放大器、咪頭（傳聲器）、觸摸屏、顯示屏、藍(lán)牙模塊、WiFi模塊、電源模塊等電路組成，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)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(shù)兼容，因此能夠很好延用包括操作系統(tǒng)/實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（OS/RTOS）、中間件及應(yīng)用在內(nèi)的豐富生態(tài)系統(tǒng)，從而減少采用全新處理器所需的成本。Cortex-A9四核處理器內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖2?33所示。

由圖2?33可知，Cortex-A9內(nèi)的主要子模塊包括中央處理單元CPU、指令高速緩存和數(shù)據(jù)高速緩存器、浮點(diǎn)運(yùn)算單元、偵測(cè)控制單元和內(nèi)核接口等。

圖2?32 內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖

圖2?33 Cortex-A9四核處理器內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖

Cortex-A9 CPU的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2?34所示。每個(gè)Cortex-A9的CPU能在一個(gè)周期給出兩個(gè)指令，并且以無(wú)序的方式執(zhí)行。CPU實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)地分支預(yù)測(cè)和可變長(zhǎng)度的流水線，性能達(dá)到2.5DMIPs/MHz。Cortex-A9處理器實(shí)現(xiàn)ARMv7A的結(jié)構(gòu)、支持充分的虛擬存儲(chǔ)器、能執(zhí)行32位的ARM指令、16位及32位的Thumb指令和在Jazelle狀態(tài)下的一個(gè)8位Java字節(jié)碼。

指令高速緩存負(fù)責(zé)給Cortex-A9處理器提供一個(gè)指令流。指令緩存有直接和預(yù)取單元接口，預(yù)取單元包含一個(gè)兩級(jí)預(yù)測(cè)機(jī)制。指令緩存為虛擬索引和物理標(biāo)記。

數(shù)據(jù)高速緩存負(fù)責(zé)保留Cortex-A9處理器所使用的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)緩存的關(guān)鍵特性包括：數(shù)據(jù)緩存為物理索引和物理標(biāo)記；數(shù)據(jù)緩存是非阻塞的，因此加載/保存指令能連續(xù)地命中緩存，同時(shí)執(zhí)行由于先前讀/寫缺失所產(chǎn)生的來(lái)自外部存儲(chǔ)器的分配，數(shù)據(jù)緩存支持4個(gè)超前地讀和4個(gè)超前地寫；CPU能支持最多4個(gè)超前的預(yù)加載指令，然而明確的加載/保存指令有較高的優(yōu)先級(jí)；Cortex-A9加載/保存單元支持預(yù)測(cè)的數(shù)據(jù)預(yù)加載，用于監(jiān)視程序順序的訪問(wèn)，在請(qǐng)求開(kāi)始前開(kāi)始加載下一個(gè)期望的行，使用cp15輔助控制寄存器（DP位），使能這個(gè)特性，在分配前可以不使用這個(gè)預(yù)取行，預(yù)加載指令有較高的優(yōu)先級(jí)；數(shù)據(jù)緩存支持兩個(gè)32B行填充的緩沖區(qū)和一個(gè)32B的替換（淘汰）緩沖區(qū)；Cortex-A9 CPU有一個(gè)帶64位槽和數(shù)據(jù)合并能力的保存緩沖區(qū)；所有數(shù)據(jù)讀缺失和寫缺失是非阻塞的，支持最多4個(gè)超前數(shù)據(jù)讀缺失和4個(gè)超前數(shù)據(jù)寫缺失；APU數(shù)據(jù)緩存使用MESI算法，完整地偵聽(tīng)一致性控制；Cortex-A9內(nèi)的數(shù)據(jù)緩存包含本地保存/加載互斥監(jiān)視程序，用于LDREX/STREX同步，這些指令用于實(shí)現(xiàn)信號(hào)量，互斥監(jiān)控程序只管理帶有8個(gè)字或者一個(gè)緩存行顆粒度的一個(gè)地址，因此避免交錯(cuò)的LDREX/STREX序列，并且總是執(zhí)行一個(gè)CLREX指令，作為任何上下文切換的一部分；數(shù)據(jù)緩存只支持寫回/寫分配策略，不實(shí)現(xiàn)寫通過(guò)和寫回/非寫分配策略。

圖2?34 Cortex-A9 CPU的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

偵測(cè)控制單元（SCU）將兩個(gè)Cortex-A9處理器連接到存儲(chǔ)器子系統(tǒng)，并且管理兩個(gè)處理器和2級(jí)緩存之間的緩存一致性。這個(gè)單元負(fù)責(zé)管理互聯(lián)仲裁、通信、緩存和系統(tǒng)存儲(chǔ)器傳輸，以及Cortex-A9處理器的緩存一致性。APU也將SCU的能力開(kāi)放給通過(guò)ACP接口所連接的、PL內(nèi)所實(shí)現(xiàn)的加速器。這個(gè)接口允許PL主設(shè)備共享和訪問(wèn)處理器的緩存“層次”（不同的緩存結(jié)構(gòu)）。所提供的系統(tǒng)一致性不但改善了性能，也減少了軟件的復(fù)雜度（否則需要在每個(gè)操作系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)程序中負(fù)責(zé)維護(hù)軟件的一致性）。

3.雅馬哈數(shù)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(shù)、串?dāng)_特性等指標(biāo)較優(yōu)異，使它可以獲得更好的聲音。非耦合輸出和無(wú)低通濾波電路，使它可以直接驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器，降低整個(gè)功率放大器和PCB空間成本。它是一種理想的便攜式設(shè)備（如筆記本式計(jì)算機(jī)）音頻功率放大器。YDA138-E有一個(gè)“純脈沖直接揚(yáng)聲器驅(qū)動(dòng)電路”，它直接驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器，同時(shí)降低失真脈沖輸出信號(hào)，并減少信號(hào)噪聲，實(shí)現(xiàn)了最高標(biāo)準(zhǔn)的低失真率的特點(diǎn)和低噪聲特性。

YDA138-E具有過(guò)電流保護(hù)功能和時(shí)鐘停止保護(hù)功能的數(shù)字放大器。此外，它具有輸出電流限制功能的耳機(jī)放大器。此外，還具有熱保護(hù)功能、低電壓故障預(yù)防功能、電源電壓動(dòng)態(tài)保護(hù)功能。YDA138-E芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)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(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖

圖2?36 YDA138-E芯片引腳定義

2.5 實(shí)訓(xùn)2 剖析智慧家庭中一種智能產(chǎn)品

1.實(shí)訓(xùn)目的

1）了解這種智能產(chǎn)品主要功能。

2）熟悉這種智能產(chǎn)品的組成與主要器件。

3）分析這種智能產(chǎn)品與其他同類產(chǎn)品優(yōu)缺點(diǎn)。

2.實(shí)訓(xùn)場(chǎng)地

到學(xué)校附近的智慧家庭體驗(yàn)店了解一種智能產(chǎn)品，然后買到這種產(chǎn)品。

3.實(shí)訓(xùn)步驟與內(nèi)容

1）在網(wǎng)上收集這種產(chǎn)品的資料。

2）分小組對(duì)這種產(chǎn)品進(jìn)行剖析。

3）畫(huà)出這種產(chǎn)品組成的硬件框圖。

4.實(shí)訓(xùn)報(bào)告

寫出實(shí)訓(xùn)報(bào)告，包括這種智能產(chǎn)品與其他同類產(chǎn)品優(yōu)缺點(diǎn)。

2.6 思考題

1.智能音箱有哪些主要功能？畫(huà)出智能音箱的硬件組成框圖。

2.什么是語(yǔ)音識(shí)別模塊？畫(huà)出語(yǔ)音識(shí)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(lè)控制器有哪些主要功能？畫(huà)出其硬件組成框圖。