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電子元件

智慧家庭系列文章 | 控制權大作戰:誰才是智能家居系統的控制中心?

Mike Gilbert,德州儀器個人電子產品系統終端設備負責人

  2019年09月04日  

  隨著智能家居的普及,現在我們有越來越多的房間都安裝了配備有人工智能功能的智能音箱,它們的功能也基本上大同小異。但什么才能算是智能家居真正的控制中心?

  最近出現的數字助手產品使得消費者要求Alexa或Google執行各種任務并提供家中每間房間的相關信息。2014年底推出的首款產品,即智能音箱(也稱為人工智能音箱),至今仍然在新生市場占據主導地位。智能音箱將無線揚聲器系統與AI平臺相結合;起初,它們的主要功能是流媒體播放云音樂。但過去兩年中,智能音箱增添了顯示屏、攝像頭、流媒體視頻和家居自動控制燈光、氣候和防盜系統。

  該智能家居生態系統(圖1)的出現使得家中大量智能設備成為多余擺設。而顯示屏和家居自動控制等最近附加的功能導致智能設備外形也發生了改變,盡管尚未針對各個房間的需求進行優化,但它們似乎正在變得更適用于家中特定的房間。智能家居的市場正在逼近臨界點,而其中智能音箱需要能夠適應特定的房間,并與其他室內優化的揚聲器相共存。

  圖1:智能家居控制中心生態系統

智能音箱基本知識

  所有智能音箱均包含相同的基本組件(圖2):

  圖2:TI的典型帶屏智能音箱的系統框圖顯示了智能音箱的基本組件以及一些最新的添加件

  · 輸入。智能音箱使用微型機電系統(MEMS)麥克風捕獲語音,同時數字信號處理器(DSP)運行聲波束形成、噪音和回聲消除等算法。初始解決方案使用數字MEMS麥克風來將數字轉換的比特流輸出給DSP,但這種方案會犧牲一定精確度和動態范圍。更高性能的解決方案采用模擬MEMS麥克風和獨立的高度集成音頻模數轉換器(ADC)。這些ADC可大幅提高動態范圍,并減少所需的麥克風數量。

  · 輸出。同一個DSP還可以處理數字音頻流解碼,實現均衡器功能并將音頻輸出到揚聲器放大器。更新款的揚聲器采用集成DSP的數字功放來實現對特定電氣參數的均衡和修調。此外,這些小型DSP可為揚聲器提供不同等級的保護,以實現在例如過溫和功率輸出級電壓不足等不利條件下保持音質。由于數字音頻內容是在芯片上處理的,因此這些放大器可以通過改變調制模式和控制功率級(基于音頻內容)到輸出級的路徑來降低功耗。

  · 連通性。所有智能音箱所需的主要連通形式是Wi-Fi?。盡管音頻流不需要802.11ac帶寬,但它已成為事實上的標準,因為眾多相同的片上系統(SoC)供應商均提供視頻流SoC。Wi-Fi 射頻集成電路(IC)通常也集成Bluetooth?:既能保證智能手機等設備音頻流用的基礎速率(經典藍牙),也涵蓋配對設備之間控制和通信用的低能耗藍牙技術(BLE)。隨著藍牙5.0技術的問世,預計會出現支持音頻流的新壓縮配置文件,可避免采用經典藍牙技術。但是,為保持傳統兼容性,可能在一段時間內需要同時采用這兩種技術。藍牙5.0技術還支持網狀網絡,這為音頻流在不同設備之間的遷移開辟了光明前景——未來的智能家居只需一臺設備充當音頻中心即可。

添加新元素

  為使消費者獲得獨特的用戶體驗,設計人員會在智能音箱上添加不同的功能。例如,使用電容式觸摸屏來代替按鈕,可實現更直觀的控制,降低成本,并提高可靠性。在一些情況下,觸覺反饋可讓消費者保持熟悉的觸覺體驗。由于智能音箱會有不同的模式,包括響應指令,彩色LED照明模式可提供視覺反饋,并為產品增加一些亮點。此外,設計人員還可添加環境燈光傳感器來調節輸出亮度,由白天的強光模式調整為夜晚的暗光模式,進一步增強用戶體驗。

  接下來,讓我們來根據房間固有功能和消費者的迫切需求,審視一些特定房間的智能音箱的功能。

臥室

  如前所述,附加功能會導致智能音箱的外形發生改變,以適應家中特定房間。例如,配備LED顯示屏的揚聲器看起來像鬧鐘,這是為了適用于臥室環境。此時,顯示屏大小和分辨率并非是重要因素,因為顯示屏只是外表看起來像鬧鐘。但是根據白天和夜晚使用時間來調整LED亮度卻十分重要,這就需要添加環境光線傳感器。

  音箱尺寸和放大器功率與較小的房間之間存在著對應比例。由于這些房間通常很安靜,音箱和消費者之間的距離可能介于1到4米之間,設計人員可以相應地減少麥克風的數量和語音識別算法的復雜程度。如果音箱所在房間更加注重隱私性(如臥室),那設計人員可能就不需要為其配備視頻通話攝像頭了。

  由于這些音箱通常放置在床頭柜或書桌上,交流電源可輕松獲得,因此電池電源并非是必不可少的。但是,考慮到這些音箱的位置,增加電池充電功能則具有重要意義,可以通過USB或無線方式為智能手機和智能手表充電。最后,消費者需要可以在這些位置連接并控制燈光、恒溫器和安防系統。

  圖3:典型的臥室鬧鐘式智能音箱為舊式應用添加新元素

廚房和辦公室

  配備平板大小的LED顯示器或短距離投影顯示器的大型音箱(圖4)就是比較適合廚房或辦公室的一個選擇。此處顯示屏分辨率十分重要,但空間也是機械設計中的優先考慮事項。消費者可以將配備采用TI DLP?技術的短距離投影顯示器的音箱,靠著墻上或柜臺下方放置,這樣在墻壁或工作臺面投影時,可在較小的封閉區域獲得更大成像。但設計人員也需要考慮將這些音箱放置在強環境光線(如窗戶)旁邊的可能性,因此放置在廚房島臺或辦公桌上的音箱需要配備背光LED顯示器。

  圖4:廚房或辦公室配有投影顯示器的智能音箱增加了視頻功能,有助于為用戶營造更加身臨其境的體驗

  如果安裝在上述位置,消費者就可以用高分辨率的視頻流來觀看菜譜視頻或電視節目,瀏覽新聞或看看誰在前門。這些智能音箱需要安裝視頻聊天用的攝像頭,并能夠控制光線和恒溫器。

  雖然廚房或辦公室可能不會比臥室大,但是可能會在此來回走動或進行各種活動,或需要高保真聲音,這就對音量更大的揚聲器和更強勁的音頻放大器提出了需求。在設計上,可能需要在麥克風數量和語音識別算法的復雜程度、縮短麥克風間的距離和更高的環境噪音量之間進行權衡利弊。

  視頻流和顯示屏或投影的功耗使得電池工作不切實際,但是顯示器較大的機身尺寸應該可以一定程度緩解散熱問題。

客廳

  近一個世紀以來,客廳一直是瀏覽多媒體新聞和進行家庭娛樂的中心。如今,客廳包括大量可與我們互動的有線和無線設備。

  現在的有線或衛星機頂盒(或新興的互聯網協議電視和機頂盒)、電視、條形音箱甚至遙控器,所有這些設備都以某種方式(包括無線連接)交互。每個設備在客廳中都有特定作用,并且相互之間和諧共存。

  但是,客廳里的智能音箱和添加了人工智能后的娛樂設備則改變了這一切。傳統客廳設備的設計人員不得不爭相添加人工智能功能和(以相對較慢的速度)家居自動化。這會造成設備的功能相互“踩踏”,給消費者帶來了困惑和潛在的挫敗感,這種情況在產品不共享相同的人工智能平臺時格外明顯。

  這場圍繞人工智能控制中心的爭奪戰掀起了音頻和視頻SoC、Wi-Fi 和藍牙連接集成電路、音頻集成電路、MEMS麥克風和揚聲器制造商之間的競爭熱潮。但是,對消費者而言,如此多的設備之間如何共存是一件難以想象的事,他們也很難知道哪臺設備將處理哪條指令以及哪臺設備將提供音頻反饋。

  長期來看,如果房間較大,放置多個帶麥克風的設備并非壞事。如果布置妥當,只要設備之間能夠相互通信,就可大幅提高整體波束形成和語音識別的準確性。每臺設備需要協同工作,分配(并允許)單臺設備與云通信,然后決定哪臺設備將輸出音頻結果。這與其說是硬件挑戰,還不如說是連通性和AI平臺方面的重大挑戰。這種情況需要網狀網絡,每臺設備在網絡中注冊,向AI平臺增添協議以決定輸出音頻響應和執行設計功能的設備。隨著藍牙、Wi-Fi和Zigbee協議都在發揮作用,你可以預見這是一項多么艱難的挑戰。添加5G技術可能會增加混亂——但它也可能指明答案,這一點尚有待商榷。

誰將成為贏家?

  電視制造商會認為,電視顯然是家居控制中心的主要選擇,但是電視的音頻質量和揚聲器數量都不如3D聲音技術,無法達到消費者的期望。機頂盒同樣面臨相同的音頻挑戰。獨立式智能音箱不與電視機相連接,因此它們也并不是最佳選項。而客廳里唯一能播放所有媒體的剩余設備就是條形音箱(soundbar)。

  現如今出現了包括Wi-Fi機頂盒(IPTV)在內的條形音箱。消費者可在零售商店購買這些條形音箱,零售商店可為任何購買訂閱服務的用戶提供OTT流媒體點播視頻。其他條形音箱則可以從提供電視實況轉播的多系統運營商處購買。無論是何種類型的條形音箱,它們均可以集成AI語音識別系統,高保真3D音頻和流媒體電視。不久,它們就可以集成家居自動化無線電和協議,例如調整暗光的Zigbee協議,以及傳輸安防系統或視頻聊天的實時信息的攝像頭。

  盡管如今該自動化智能家居控制中心生態系統并非完全以這種形式存在,但它會很快來到我們的身邊。這些系統的設計人員有責任始終圍繞消費者的體驗,開發硬件和軟件來優化待放置房間的設備,并通過房間之間的無縫網狀網絡與其他設備之間協作。具備該功能的系統將在市場取得立足之地,并有助于市場以目前的速度增長(從2015年的100萬臺增加到2024年的1.65億臺,CAGR超過11%)1。而那些不具備該功能的系統將緊隨3D眼鏡以舊貨形式來甩賣。

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