【導(dǎo)讀】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?
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,盡管尚未針對各個房間的需求進行優(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,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)化的揚聲器相共存。
圖1:智能家居控制中心生態(tài)系統(tǒng)
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(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電系統(tǒng)(MEMS)麥克風(fēng)捕獲語音,同時數(shù)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(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DSP還可以處理數(shù)字音頻流解碼,實現(xiàn)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(shù)字功放來實現(xiàn)對特定電氣參數(shù)的均衡和修調(diào)。此外,這些小型DSP可為揚聲器提供不同等級的保護,以實現(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,但它已成為事實上的標(biāo)準(zhǔn),因為眾多相同的片上系統(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,可能在一段時間內(nèi)需要同時采用這兩種技術(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。
添加新元素
為使消費者獲得獨特的用戶體驗,設(shè)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(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(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。此外,設(shè)計人員還可添加環(huán)境燈光傳感器來調(diào)節(jié)輸出亮度,由白天的強光模式調(diào)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(jù)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(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顯示屏的揚聲器看起來像鬧鐘,這是為了適用于臥室環(huán)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(jù)白天和夜晚使用時間來調(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,音箱和消費者之間的距離可能介于1到4米之間,設(shè)計人員可以相應(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(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選擇。此處顯示屏分辨率十分重要,但空間也是機械設(shè)計中的優(yōu)先考慮事項。消費者可以將配備采用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,可在較小的封閉區(qū)域獲得更大成像。但設(shè)計人員也需要考慮將這些音箱放置在強環(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
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(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(shè)計上,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際,但是顯示器較大的機身尺寸應(yīng)該可以一定程度緩解散熱問題。
客廳
近一個世紀(jì)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(shè)備。
現(xiàn)在的有線或衛(wèi)星機頂盒(或新興的互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議電視和機頂盒)、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(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,這一點尚有待商榷。
誰將成為贏家?
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)量和揚聲器數(shù)量都不如3D聲音技術(shù),無法達到消費者的期望。機頂盒同樣面臨相同的音頻挑戰(zhàn)。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(shè)備就是條形音箱(soundbar)。
現(xiàn)如今出現(xiàn)了包括Wi-Fi機頂盒(IPTV)在內(nèi)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(wù)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(zhuǎn)播的多系統(tǒng)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(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(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)計人員有責(zé)任始終圍繞消費者的體驗,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:
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)計因素。”TI.com 白皮書
http://www.ti.com/lit/pdf/slay053?HQS=sys-pe-tv-smartspeaker-contrib-whip-electronicdesign-wwe