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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)了越來越多的數(shù)字助手產(chǎn)品，如Alexa、Google，消費者也開始要求它們執(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)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。
輸入。智能音箱使用微型機電系統(tǒng)（MEMS）麥克風捕獲語音，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準，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)典藍牙），也涵蓋配對設(shè)備之間控制和通信用的低能耗藍牙技術(shù)（BLE）。隨著藍牙5.0技術(shù)的問世，預計會出現(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1-4米之間，設(shè)計人員可以相應(yīng)地減少麥克風的數(shù)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(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)。
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德州儀器 （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。
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，可能需要在麥克風數(shù)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(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(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，放置多個帶麥克風的設(shè)備并非壞事。如果布置妥當，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。隨著藍牙、Wi-Fi和Zigbee協(xié)議都在發(fā)揮作用，你可以預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身邊。這些系統(tǒng)的設(shè)計人員有責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%）。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。
查詢進一步信息，請訪問官方網(wǎng)站 http://news.ti.com.cn/zh-cn/news-releases/content-id-125846。
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
關(guān)于作者：
Mike Gilbert，德州儀器個人電子產(chǎn)品系統(tǒng)終端設(shè)備負責人。Mike 擁有超過35年的半導體從業(yè)經(jīng)驗，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，該部門負責研究系統(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)電機驅(qū)動、醫(yī)療系統(tǒng)以及個人電子產(chǎn)品方面的系統(tǒng)專業(yè)知識。
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