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    物聯網發展促進人工智能進入情境感知的智能家居

    2019年02月19日     電子工程專輯

    [導讀]情境感知的應用需要更高的處理能力和更多內存,以便能夠在邊緣快速處理決策及復雜的應用,在一秒鐘內完成安全融合,且無需協處理器。

    無論是市場上的設備數量還是安裝設備的家庭數量,智能家居在過去十年中一直保持著持續增長。Futuresource Consulting最近的統計數據顯示,今年智能家居設備的全球零售營業收入將達到60億美元,預計到2021年營業收入將有望增至三倍。

    這種快速增長與Amazon Alexa、Apple Siri和Google Home等語音助手的普及直接相關。由于這些語音助手采用了簡單直觀的控制設備方式,因此它們正在提高消費者對智能家居的興趣。然而它們具有有限的內置智能能力。

    隨著智能家居產品開發的發展,工程師需要構建更加適合消費者及其生活環境的產品。為了抓住智能家居設備的新機遇,制造商既要克服復雜的技術挑戰,又要同時考慮產品成本和上市時間。

    當前,我們比以往任何時候都更接近一個情境感知智能家居,其應用能夠通過傳感技術檢測用戶接近度或環境因素,然后自動響應并適應家庭和環境變化。情境感知應用依賴于無線連接到系統中的傳感器,來收集有關家庭、居住者和其他條件的數據,然后在算法和人工智能AI)中使用這些數據以提高用戶與設備交互的質量。這種智能數據的使用水平可以創建智能家居環境,允許用戶使用最少的語音命令控制周圍區域,并使得智能家居能夠更自動的調整它的設備。

    新技術使用居住者出席、位置和其他環境信息(例如溫度或濕度)來提供情境豐富的應用和服務,預測用戶需求并基于狀態感知去激活照明、恒溫器和其他智能家居設備。這些由人工智能和智能傳感器設備驅動的情境感知的智能家居應用只有在芯片級技術增強的情況下才有可能實現,這些技術增強能夠實現更長的電池壽命、更遠的通信距離、更強的智能邊緣計算、以及更高的安全等級。

    新型傳感器

    智能家居中的情境數據來自家庭中的設備,例如物體感應傳感器、可穿戴設備、溫度和安全傳感器、以及收集室外數據的環境傳感器。

    今天的智能家居專注于控制和管理,允許用戶和房主去執行命令來打開燈、調節溫度、看看誰在家。這些功能基于連接智能家居設備的各種無線協議,包括Wi-Fi、Bluetooth、Thread和Z-Wave。這些通信協議中的每一種都提供一組功能,而且設備制造商選擇的協議能夠影響設備在智能家居環境中的操作方式,以及智能操作的能力。

    這些無線技術中的每一種都有利有弊。以下是一些潛在的限制:大多無線設備采用電池供電;通信距離短,需要擴展器;較低的處理能力以減少電池消耗。這些限制可能會阻止智能家居真正智能化。室內外的遠程設備可能無法到達,電池供電設備(例如無線傳感器)可能需要經常更換。

    現在想象一下一個采用紐扣電池供電可運行10年的無線傳感器,它可以被安裝到家中的新位置,并為機器學習引擎提供傳感器數據,通過結合有關天氣、設備和時間等數據來編程和實現智能應用,該機器學習引擎能夠理解周圍環境,從而將自適應的自動化帶入家庭。這些進步能夠使房主獲得保險折扣、降低能源費用、并提高家人的安全。

    例如,下一代Z-Wave 700系列芯片組將實現更多新功能:更長距離、更低的功耗以支持紐扣電池供電情況下使用壽命達十年、提升的處理能力使更快更節能的邊緣計算更加智能。

    這些功能能夠為尚未實現的新型傳感器提供機會。700系列Z-Wave平臺的節能遠程無線通信將使得智能家居傳感器跳出當前的限制,使得智能家居能夠延伸到庭院和車道盡頭,并無縫覆蓋家庭中的多層建筑。該平臺極低的功耗將使得新型的小尺寸Z-Wave傳感器能夠安裝到諸如家具內等新位置。

    情境感知的應用需要更高的處理能力和更多內存,以便能夠在邊緣快速處理決策及復雜的應用,在一秒鐘內完成安全融合,且無需協處理器。

    在小型電池供電情況下設備能夠使用更長時間對于智能化智能家居尤為重要,這是因為智能家居的傳感器要能夠被安裝到家庭的干砌墻內,不容易遭受浸水或滲漏的地方,甚至郵箱內。來自這些傳感器的信息可以傳送到虛擬助手,使其有能力了解家居環境。這種方法有雙重好處,即擁有更精準且數據驅動的能力以預測安全風險,以及支持新的智能家居使用場景。

    通過郵箱中的傳感器,未來的智能家居可以在郵件或者包裹達到后閃燈或發送推送通知。室內環境條件發生異常也可被跟蹤以防止危害發生,例如地下室中的傳感器可以追蹤濕度隨時間的變化,這可能指示漏水或霉變。

    基礎互操作性

    情境感知的智能家居依賴于多個設備收集數據,將其無線傳輸到另一個設備,然后在接收到該數據后執行操作。例如,Wi-Fi的推出是為了提供連續的數據流,這些數據可以穿過墻壁并將計算機連接到寬帶而無需線纜。Bluetooth是為短距離數據傳輸而創建的,例如在耳機和移動電話之間通信。在物聯網之前,兩種技術都存在不被重視的因素。例如,傳統的Wi-Fi技術消耗較多的能量而不適用于電池供電設備,藍牙設計用于靠近的兩個物體之間的點對點連接,而不是整幢樓中的無線設備。

    使用2.4 GHz頻段的后續演變技術,例如Zigbee,也推出了智能產品,這些產品專為各種無線應用而優化設計,例如照明、智能家居和智能能源等。其他技術,如Z-Wave,選擇創建生態系統,強調跨品牌互操作性是主要目標。使用不那么擁擠的900MHz頻段的Z-Wave采用一組開放的描述符和規則,允許來自任何制造商的不同類型的多個對象之間通過通用語言交互。憑借其強制要求互操作性和安全性的決策,Z-Wave迄今已經能夠開發出最大的智能家居產品生態系統。

    在購買智能家居產品時,設備連接可能不是消費者的首要考慮因素,他們更專注于每個設備的功能。我們正處于智能家居采用曲線的初期;隨著DIY向前發展和房主增加更多設備來創建智能家居生態系統而不是少數單一設備,互操作性將變得至關重要。燈泡、智能鎖和恒溫器現在可能不會相互通信,并且可能有不同的應用程序,但如果設備間不能通信智能家居無法增長。實現智能交互的唯一方式是在各設備間采用強制安全和通用通信語言。

    情境感知的智能家居安全

    對于可連接設備、其平臺和操作系統、其通信甚至是它們所連接的系統來說,物聯網帶來了眾多新的安全風險和挑戰。當關系到了解居住者和家庭成員位置的傳感器時,這將變得更加個性化并且越來越受到消費者的關注。鑒于新型智能家居設備功能的覆蓋范圍,網絡安全在物聯網中變得越來越重要,許多行業的公司正在急于滿足提高安全性的需求。

    在各種智能家居協議中,Z-Wave建立較早;因此它最注重網絡保護,并已經推出了名為Z-Wave Security 2(S2)的安全框架。在S2之前,Z-Wave安全建立在應用層之上。那時它由制造商來落實安全性,然而并非所有制造商都具有相同水平的專業知識,也不都認可安全的重要性。現在使用S2,由于黑客無法繞過安全應用層,因此所有傳輸都是安全的。大幅提升的安全性直接建立在協議中,制造商可以專注于開發更加智能、交互更強的智能家居產品。

    新興的物聯網技術正在推動無線連接和邊緣智能的融合。電池壽命為十年或更長時間的無線傳感器現在可以安裝在智能家居中難以觸及的位置,這使得物聯網系統能夠自動響應不斷變化的環境條件和用戶偏好。

    今天,美國家庭平均已經擁有6到10臺智能設備。 Z-Wave平臺的進步將在整個智能家居中實現無處不在且經濟的感測,這使得每個家庭部署數十甚至數百個Z-Wave設備成為可能且可行,并且可以同時與當前安裝的數百萬的Z-Wave設備和網關保持互操作性。

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