智能家居系統(tǒng)控制中心爭奪戰(zhàn) 誰是最后勝者

Mike Gilbert，德州儀器個(gè)人電子產(chǎn)品系統(tǒng)終端設(shè)備負(fù)責(zé)人。

隨著智能家居的普及，現(xiàn)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(xiàn)的數(shù)字助手產(chǎn)品使得消費(fèi)者要求Alexa或Google執(zhí)行各種任務(wù)并提供家中每間房間的相關(guān)信息。2014年底推出的首款產(chǎn)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(jù)主導(dǎo)地位。智能音箱將無線揚(yáng)聲器系統(tǒng)與AI平臺相結(jié)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(tǒng)。

該智能家居生態(tài)系統(tǒng)（圖1）的出現(xiàn)使得家中大量智能設(shè)備成為多余擺設(shè)。而顯示屏和家居自動控制等最近附加的功能導(dǎo)致智能設(shè)備外形也發(fā)生了改變，盡管尚未針對各個(gè)房間的需求進(jìn)行優(yōu)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(diǎn)，而其中智能音箱需要能夠適應(yīng)特定的房間，并與其他室內(nèi)優(yōu)化的揚(yáng)聲器相共存。

圖1：智能家居控制中心生態(tài)系統(tǒng)

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(tǒng)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(jī)電系統(tǒng)（MEMS）麥克風(fēng)捕獲語音，同時(shí)數(shù)字信號處理器（DSP）運(yùn)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(shù)字MEMS麥克風(fēng)來將數(shù)字轉(zhuǎn)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(tài)范圍。更高性能的解決方案采用模擬MEMS麥克風(fēng)和獨(dú)立的高度集成音頻模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）。這些ADC可大幅提高動態(tài)范圍，并減少所需的麥克風(fēng)數(shù)量。

·輸出。同一個(gè)DSP還可以處理數(shù)字音頻流解碼，實(shí)現(xiàn)均衡器功能并將音頻輸出到揚(yáng)聲器放大器。更新款的揚(yáng)聲器采用集成DSP的數(shù)字功放來實(shí)現(xiàn)對特定電氣參數(shù)的均衡和修調(diào)。此外，這些小型DSP可為揚(yáng)聲器提供不同等級的保護(hù)，以實(shí)現(xiàn)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(zhì)。由于數(shù)字音頻內(nèi)容是在芯片上處理的，因此這些放大器可以通過改變調(diào)制模式和控制功率級（基于音頻內(nèi)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(shí)上的標(biāo)準(zhǔn)，因?yàn)楸姸嘞嗤钠舷到y(tǒng)（SoC）供應(yīng)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(jī)等設(shè)備音頻流用的基礎(chǔ)速率（經(jīng)典藍(lán)牙），也涵蓋配對設(shè)備之間控制和通信用的低能耗藍(lán)牙技術(shù)（BLE）。隨著藍(lán)牙5.0技術(shù)的問世，預(yù)計(jì)會出現(xiàn)支持音頻流的新壓縮配置文件，可避免采用經(jīng)典藍(lán)牙技術(shù)。但是，為保持傳統(tǒng)兼容性，可能在一段時(shí)間內(nèi)需要同時(shí)采用這兩種技術(shù)。藍(lán)牙5.0技術(shù)還支持網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，這為音頻流在不同設(shè)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(shè)備充當(dāng)音頻中心即可。

為使消費(fèi)者獲得獨(dú)特的用戶體驗(yàn)，設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)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(fèi)者保持熟悉的觸覺體驗(yàn)。由于智能音箱會有不同的模式，包括響應(yīng)指令，彩色LED照明模式可提供視覺反饋，并為產(chǎn)品增加一些亮點(diǎn)。此外，設(shè)計(jì)人員還可添加環(huán)境燈光傳感器來調(diào)節(jié)輸出亮度，由白天的強(qiáng)光模式調(diào)整為夜晚的暗光模式，進(jìn)一步增強(qiáng)用戶體驗(yàn)。

接下來，讓我們來根據(jù)房間固有功能和消費(fèi)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(dǎo)致智能音箱的外形發(fā)生改變，以適應(yīng)家中特定房間。例如，配備LED顯示屏的揚(yáng)聲器看起來像鬧鐘，這是為了適用于臥室環(huán)境。此時(shí)，顯示屏大小和分辨率并非是重要因素，因?yàn)轱@示屏只是外表看起來像鬧鐘。但是根據(jù)白天和夜晚使用時(shí)間來調(diào)整LED亮度卻十分重要，這就需要添加環(huán)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(yīng)比例。由于這些房間通常很安靜，音箱和消費(fèi)者之間的距離可能介于1到4米之間，設(shè)計(jì)人員可以相應(yīng)地減少麥克風(fēng)的數(shù)量和語音識別算法的復(fù)雜程度。如果音箱所在房間更加注重隱私性（如臥室），那設(shè)計(jì)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(jī)和智能手表充電。最后，消費(fèi)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(tǒng)。

圖3：典型的臥室鬧鐘式智能音箱為舊式應(yīng)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(gè)選擇。此處顯示屏分辨率十分重要，但空間也是機(jī)械設(shè)計(jì)中的優(yōu)先考慮事項(xiàng)。消費(fèi)者可以將配備采用TI DLP?技術(shù)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(shí)，可在較小的封閉區(qū)域獲得更大成像。但設(shè)計(jì)人員也需要考慮將這些音箱放置在強(qiáng)環(huán)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(yàn)

如果安裝在上述位置，消費(fèi)者就可以用高分辨率的視頻流來觀看菜譜視頻或電視節(jié)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(jìn)行各種活動，或需要高保真聲音，這就對音量更大的揚(yáng)聲器和更強(qiáng)勁的音頻放大器提出了需求。在設(shè)計(jì)上，可能需要在麥克風(fēng)數(shù)量和語音識別算法的復(fù)雜程度、縮短麥克風(fēng)間的距離和更高的環(huán)境噪音量之間進(jìn)行權(quán)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(shí)際，但是顯示器較大的機(jī)身尺寸應(yīng)該可以一定程度緩解散熱問題。

客廳

近一個(gè)世紀(jì)以來，客廳一直是瀏覽多媒體新聞和進(jìn)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(shè)備。

現(xiàn)在的有線或衛(wèi)星機(jī)頂盒（或新興的互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議電視和機(jī)頂盒）、電視、條形音箱甚至遙控器，所有這些設(shè)備都以某種方式（包括無線連接）交互。每個(gè)設(shè)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(shè)備則改變了這一切。傳統(tǒng)客廳設(shè)備的設(shè)計(jì)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(shè)備的功能相互“踩踏”，給消費(fèi)者帶來了困惑和潛在的挫敗感，這種情況在產(chǎn)品不共享相同的人工智能平臺時(shí)格外明顯。

這場圍繞人工智能控制中心的爭奪戰(zhàn)掀起了音頻和視頻SoC、Wi-Fi 和藍(lán)牙連接集成電路、音頻集成電路、MEMS麥克風(fēng)和揚(yáng)聲器制造商之間的競爭熱潮。但是，對消費(fèi)者而言，如此多的設(shè)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(shè)備將處理哪條指令以及哪臺設(shè)備將提供音頻反饋。

長期來看，如果房間較大，放置多個(gè)帶麥克風(fēng)的設(shè)備并非壞事。如果布置妥當(dāng)，只要設(shè)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(zhǔn)確性。每臺設(shè)備需要協(xié)同工作，分配（并允許）單臺設(shè)備與云通信，然后決定哪臺設(shè)備將輸出音頻結(jié)果。這與其說是硬件挑戰(zhàn)，還不如說是連通性和AI平臺方面的重大挑戰(zhàn)。這種情況需要網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，每臺設(shè)備在網(wǎng)絡(luò)中注冊，向AI平臺增添協(xié)議以決定輸出音頻響應(yīng)和執(zhí)行設(shè)計(jì)功能的設(shè)備。隨著藍(lán)牙、Wi-Fi和Zigbee協(xié)議都在發(fā)揮作用，你可以預(yù)見這是一項(xiàng)多么艱難的挑戰(zhàn)。添加5G技術(shù)可能會增加混亂——但它也可能指明答案，這一點(diǎn)尚有待商榷。

電視制造商會認(rèn)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(zhì)量和揚(yáng)聲器數(shù)量都不如3D聲音技術(shù)，無法達(dá)到消費(fèi)者的期望。機(jī)頂盒同樣面臨相同的音頻挑戰(zhàn)。獨(dú)立式智能音箱不與電視機(jī)相連接，因此它們也并不是最佳選項(xiàng)。而客廳里唯一能播放所有媒體的剩余設(shè)備就是條形音箱（soundbar）。

現(xiàn)如今出現(xiàn)了包括Wi-Fi機(jī)頂盒（IPTV）在內(nèi)的條形音箱。消費(fèi)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(wù)的用戶提供OTT流媒體點(diǎn)播視頻。其他條形音箱則可以從提供電視實(shí)況轉(zhuǎn)播的多系統(tǒng)運(yùn)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(tǒng)，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(xié)議，例如調(diào)整暗光的Zigbee協(xié)議，以及傳輸安防系統(tǒng)或視頻聊天的實(shí)時(shí)信息的攝像頭。

盡管如今該自動化智能家居控制中心生態(tài)系統(tǒng)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(tǒng)的設(shè)計(jì)人員有責(zé)任始終圍繞消費(fèi)者的體驗(yàn)，開發(fā)硬件和軟件來優(yōu)化待放置房間的設(shè)備，并通過房間之間的無縫網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)與其他設(shè)備之間協(xié)作。具備該功能的系統(tǒng)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(tǒng)將緊隨3D眼鏡以舊貨形式來甩賣。

參考文獻(xiàn)：

1.2019 SAR Insight & ConsulTIng， SensiAn Research Limited

2.Lo， Wenchau Albert， and Gilbert， Mike.“智能音箱基本知識：權(quán)衡諸多設(shè)計(jì)因素?！盩I.com 白皮書

http://www.TI.com/lit/pdf/slay053？HQS=sys-pe-tv-smartspeaker-contrib-whip-electronicdesign-wwe

關(guān)于作者：

Mike Gilbert，德州儀器個(gè)人電子產(chǎn)品系統(tǒng)終端設(shè)備負(fù)責(zé)人。Mike擁有超過35年的半導(dǎo)體從業(yè)經(jīng)驗(yàn)，主要涉及應(yīng)用、產(chǎn)品定義和市場營銷。過去七年，他任職于德州儀器（TI）的系統(tǒng)工程和市場營銷部門，該部門負(fù)責(zé)研究系統(tǒng)級的集成電路解決方案，涵蓋從電源管理、信號鏈、接口和無線連接到嵌入式處理等方面。他還擁有工業(yè)電機(jī)驅(qū)動、醫(yī)療系統(tǒng)以及個(gè)人電子產(chǎn)品方面的系統(tǒng)專業(yè)知識。