在開發智慧家庭產品時,實現互連互通和安全性是開發人員面臨的兩大挑戰。首先,沒有統一的產業協定標準,不同產品之間(尤其是不同生態之間)就難以實現互連互通。其次,在家用網路和網際網路之間進行通訊,可能會遭受駭客的攻擊。此外,對於智慧家庭中熱門的智慧語音技術,則需克服語音辨識、語義理解及人工智慧平台與演算法不成熟等技術問題。

對此,本刊採訪了業界領先的幾大半導體廠商——Silicon Labs、Infineon、Qorvo和Synaptics,請他們談談智慧家庭領域最新的技術發展趨勢,以及針對上述挑戰,又有哪些新的解決方案予以因應。

市場趨勢:便利、節能、互連、智慧

Silicon Labs Z-Wave/IoT產品行銷經理Johan Pederson表示,在智慧家庭領域,隨著消費者越來越多地認識到這類設備可能為他們生活帶來的好處,以及感測器、燈泡和門鎖等產品功能和佈署的進展,這個產業正在向前發展。有幾個智慧家庭細分領域的採用率正在成長,包括客製化安裝、專業安裝保全(安防)系統、零售和新零售,以及電信,每個領域在設備普及和佈署方面都有自己的趨勢。在中國和亞洲其他國家,多住宅單元樓(MDU)、公寓和住宅的新建為開發商帶來機會,他們可以在新建建築物的同時將智慧家庭技術添加到其中。此外,在亞洲還出現了一個新趨勢,即服務供應商和電信公司在開始提供智慧家庭技術。

總體來說,人們希望為家庭管理添加保全功能和智慧照明,已成為市場跨界的關鍵驅動因素,而無線物聯網技術的進步則會為各類感測器的普及作出貢獻,正是它們在為智慧家庭提供更多資訊。

英飛凌科技(Infineon)副總裁兼數位化安全解決方案事業部大中華區負責人程佳鈺則指出,社會老齡化趨勢、對可持續能源供應的需求,以及人們環保意識的增強和對家居便利性的追求,都推動著智慧家庭從一個未來概念變為走進千家萬戶的現實,作為物聯網與人們日常生活最密切相關的一個切入點,在持續推動物聯網的發展。

智慧家庭的市場規模也一直在持續成長,根據「ABI市場資料,2018年第一季」研究,智慧家庭市場正在不斷成長,預計未來幾年智慧家庭總收入的年均年成長率將為25.0%。新的智慧家庭安裝數量將從2016年的1,711萬套激增至2022年的7,720萬套。對於市場而言,這意味著未來幾年內將會有很多創新的智慧家庭元素需求旺盛。

智慧家庭會配備各種能使生活更加便捷和節能的技術,包括智慧家電、行動設備和家庭自動化系統等等,且它們之間還能實現互連。而要做到「智慧」,就需要配備合適的半導體解決方案的設備和系統。

Qorvo低功耗無線事業部總經理Cees Link指出,智慧家庭市場正在出現各種應用,如安全、環境控制(恆溫器)、照明等,非常分散。手機上每推出一個新應用,通常都不會和其他應用協同工作,這就形成了一個可供開發的市場。目前智慧家庭市場處於較新的階段,尚未真正整合。因此,從根本上來說,需要進行大量學習:消費者需要學習如何使用產品,生產者需要瞭解存在哪些酷炫產品,晶片供應商則需要找出市場真正需要的技術。

Synaptics物聯網部門產品行銷總監Ted Kao表示,Synaptics作為一家人機介面技術提供商,一直致力於改善家電在人類生活中的作用。多年來,該公司也不斷和業界合作夥伴一起講解技術方案,將其服務佈署進終端產品中。該公司認為,目前這一領域將會持續成長,並隨著人機介面技術和互連技術的發展不斷加速。

此外,語音助理由於先天具備自然語言互動的優勢,已經開始在各種家電設備中佈署。他談道:「在今年我們所支援的客戶專案中,電視、機上盒比例大幅提高,空調、家庭閘道器和其他設備也已經逐步有序的展開。」

智慧家庭需要哪些技術

Silicon Labs則在多協議技術方面擁有非常豐富的專業知識;Pederson認為,將網狀網路與物聯網技術相結合,可大幅推進產品的互通性,並使開發人員、服務提供者、整合商以及最終消費者能夠接入各種大型多樣化的生態系統和多種終端設備,從而獲得最佳的智慧家庭體驗。

他指出,Silicon Labs最近收購了Z-Wave技術,從而補充了針對智慧家庭全面的無線軟硬體產品組合。該產品組合現已包括Wi-Fi、ZigBee、Thread、藍牙、專有協定,以及Z-Wave,使客戶能夠針對各種應用領域開發智慧家庭產品,包括照明、保全和舒適性,以及集線器和閘道器、智慧燈泡、感測器、門鎖、恆溫器、警報器、牆插、安全面板等產品。從僅僅少數設備到整個智慧家庭控制,這些設備可在所有家庭的智慧家庭系統中協同工作。目前亞洲市場有一個趨勢是保全領域在成長。Z-Wave在保全領域中使用非常廣泛;透過與90%的保全業者合作,並與中國的營運商和服務提供者合作提供教育和資訊,該公司預計保全產品將會成長。

程佳鈺指出,成英飛凌致力於為客戶提供「從產品思維到系統理解」(P2S)的完整解決方案, 能夠提供從設備到雲端所需的所有產品和解決方案。透過這種易於整合的解決方案、高可靠的產品和全球支援團隊,能幫助客戶快速建立創新的智慧家庭應用,縮短產品的上市時間。

Qorvo針對中國市場,以及全球其他市場,採取垂直行銷戰略;Link表示:「我們非常關注遠端控制應用,也非常關注照明和安全應用。真正理解這些垂直應用的需求,確定能夠滿足這些需求的最佳產品,持續降低成本,為我們的客戶帶來競爭優勢。」

Synaptics的Kao表示,該公司一直致力於革新人機對話模式,透過收購Conexant和Marvell多媒體部門,Synaptics擁有生物識別與控制、語音介面、電腦視覺、多媒體和邊緣運算處理器,以及介面產品線。

在IoT部門中,智慧語音產品線覆蓋了語音前端的各個環節,為賦能家居產品提供技術方案。到目前,該公司已經在電視、機上盒、條形音箱、智慧家庭控制中心、家庭閘道器、溫控器、空調、冰箱等家電實現了遠場語音互動功能:「能做到這麼多產品的落地是非常不易的,我們需要配合各大AI平台,理解各種產品特性,配合和支援各類專業領域的系統整合商、ODM和品牌商。」

在國際上,Synaptics基於Amazon和Google生態體系,服務終端廠商。為了提供最好的用戶體驗,在中國市場,該公司則配合自動語音辨識(ASR)廠商、AI平台廠商、品牌商,主要聚焦於電視、機上盒、車載設備和其他智慧家電領域。

安全、互連互通、低功耗、小尺寸是智慧家庭設計的重點

安全、互連互通的客戶體驗,是設計、佈署和管理智慧家庭產品的核心;Silicon Labs的Pederson認為,要實現這一點,就需要有包含不止一種協定的解決方案,來實現無縫的使用者介面。

根據市場研究機構Parks Associates關於消費類智慧家庭支出的報告《75% of smart home device purchasers value interoperability(75%的智慧家庭設備購買者重視互連互通性)》,隨著每個家庭中設備數量的增加,互連互通對消費者的重要性也在增加。智慧家庭市場實現互連互通,才能使所有的公司(或大或小)都能參與進來打造產品,並將其連接到不斷發展的生態系統。

他指出,Z-Wave是一種可實現智慧家庭設備互連互通的通訊協議,並支援使用者透過同一個智慧手機應用程式來操控整個生態系統。目前市場上已有來自700多家製造商的2,400多種設備通過了Z-Wave認證,用戶和安裝人員可以在各種設備中進行選擇,創建自己智慧家庭,並根據自己的需求和所需功能進行客製化。

透過使用Z-Wave,公司可以為產品生態系統作出貢獻,並藉由它提供的互通性將設備添加到現有的智慧家庭系統中。而且,Z-Wave技術在不斷發展演進,開發時間更快,SmartStart功能可以支撐更簡易的安裝,並且未來的晶片組能夠帶來新的功能而增強設備的能力,包括:單個紐扣電池續航時間可以長達10年、處理能力更強和距離更遠等。

英飛凌領先的半導體解決方案組合能夠助力客戶創建創新的智慧家庭應用,滿足當前和未來的需求;程佳鈺表示:「我們的產品可以幫助客戶實現智慧、安全和節能目標。我們能夠一站式地滿足客戶專案所需的所有產品和解決方案。此外,我們的產品能輕易地整合於客戶的設計中;她表示:「在客戶開拓智慧家庭領域未開發的新領域時,我們在產品方面及其在智慧家庭和家庭自動化系統中的深入專業技術知識,將確保我們能夠為其提供全面的支援。我們處於關鍵智慧家庭技術的最前沿,能夠在客戶探索新的機遇和商業模式時,引導他們瞭解這個新市場。剛踏入智慧家庭市場的人士會尤其受益於我們簡單易用的演示和解決方案。」

Link則表示,從Qorvo收購GreenPeak的第一天起,該公司就一直致力於以最低的功耗實現最穩定的覆蓋,即實現最長的電池壽命:「人們希望自己的產品無需過分關注便能始終正常工作,保持互連。所以,盡可能延長使用壽命,這就是我們關注的重點。」

Kao介紹,Synaptics的技術主要聚焦在人機介面與互動技術,包含聲音與影像處理、生物識別,以及多媒體處理。體現在晶片產品上,從ADC、DSP、感測器到主處理器和神經網路(NN)核心,以及整合其內的各種軟體演算法和SDK。

他談道:「以智慧語音處理解決方案為例,Synaptics獨特的智慧音源拾取技術,僅僅用2顆麥克風就在多方面超越了其他友商多麥克陣列的性能,再結合低功耗和小尺寸的喚醒詞模型,可以將前端處理方案,整體封裝在一個尺寸非常小的低功耗模組上,方便客戶快速量產各種智慧家庭產品。同時,在一些多功能家庭終端產品中,Synaptics具備邊緣運算能力的處理器能顯著增加本地智慧,為客戶提供更為豐富的產品規格。」

不同國家智慧家庭市場的差異

智慧家庭的應用在全球範圍內相同,但在各個地區設備受歡迎的程度以及採用原因卻有所不同。例如,在亞洲,保全是最大的推動因素,然後是門鎖、感測器等;在美國,智慧照明很受歡迎;而在歐洲,能源管理則是用戶的主要考慮因素。Pederson指出,對於重點關注保全或家庭管理的情況,使用者可以透過添加其他可互動操作設備,將其他功能添加到Z-Wave智慧家庭中。

Silicon Labs最近在中國開設了一個新的Z-Wave認證測試機構,可以製造商提供更大的認證測試能力。Z-Wave認證對確保智慧家庭設備生態系統的互連互通至關重要,這個過程是由Z-Wave聯盟進行管理。

Link認為,在不同國家,智慧家庭存在很多差異,但沒有根本上的差異;「銷售模式不同,分銷模式不同,人們決定購買的方式不同,安裝的方式也不同,但歸根結底,最終用於滿足全球人民基本需求的技術卻沒什麼不同。」他指出:「拿汽車舉例來說,無論是在中國、美國還是在歐洲買車,大家都喜歡中控鎖:只要按一下按鈕,就可以鎖閉所有車門。安全、保險,沒有差異。無論在中國、美國還是歐洲,人們都希望自己和孩子過上安全、舒適又快樂的生活,同樣沒有差異。」

Kao則介紹,今年在社會學學術界有一個名詞,叫做中國的「超大規模性」,這是研究中外差別的一個獨特的視角,這在智慧家庭市場也是存在的。首先,中國人口眾多,潛在市場大。也正是由於中國的超大規模性,造成不同地域的產品需求不同,也存在著多套生態體系的並立。以智慧語音為例:百度的「度秘」、騰訊的「雲小微」和「叮噹」、阿里的「AILabs」、思必馳、科大訊飛,包括各家品牌廠商,也在自己獨立搭建。這和國外是非常不同的,整個西方世界也基本上是Google、Amazon和Apple為主。

Synaptics的智慧語音技術在智慧家庭領域可以和各種平台進行搭配,滿足設備商、平台商產品設計和商務合作的靈活度。同時也為各生態系統多種產品應用需求提供回應的解決方案。

如何因應互連互通和安全性等挑戰

在開發智慧家庭產品時,實現互連互通和安全性是開發人員面臨的挑戰;對此Pederson指出,採用開放標準是實現智慧家庭互連互通以及設備生態系統的一個關鍵因素。Z-Wave規範向公眾開放,因此雲服務開發人員、閘道製造商等可以免費、輕鬆地訪問Z-Wave交互運作層,並為Z-Wave技術創建外掛程式,而將範圍深入到Z-Wave生態系統,並且開發人員能夠直接對其他已認證設備和閘道器進行操作。

20181105NT31P1 智慧家庭展示圖 (圖片來源:Qorvo)

要想在家用網路和網際網路之間實現安全通訊,產品開發面臨多種挑戰。智慧手機上有很多可遠端存取家庭自動化設備的應用,這進一步加劇了這些挑戰,尤其是吸引了駭客的注意力。駭客們一直以來對物聯網領域很感興趣,因此消費類產品的安全性顯得非常重要。我們每隔不到一個星期,就可以看到有新聞報導說,某個重要公司或政府機構遇到了又一個安全性漏洞。

Z-Wave在協議中內置了Security 2 (S2)框架,因此製造商能夠輕鬆確保其設備具有最高等級的安全性,並確保它能與相同安全的生態系統互連互通。

另一個挑戰在於服務提供者和電信營運商:他們煞費苦心,要如何提供智慧家庭技術,捆綁哪些產品,如何向客戶行銷並教育他們,以及如何提高閘道器接入率。

程佳鈺也認為,智慧家庭面臨的最主要的挑戰就是安全問題,未受保護的智慧家庭設備對於攻擊者來說非常有吸引力,他們可能會侵入家用網路,竊取和濫用敏感的個人資料,甚至非法闖入住宅。此外,連網智慧家庭設備可能會被濫用於更大規模的攻擊,如DDOS攻擊,可能會摧毀整個伺服器網路。

在安全威脅日益嚴重的時代,安全解決方案可以保護所有活動和系統免受侵害。例如,智慧家庭需配備智慧報警系統,以確保安全。生物特徵壓力感測器可自動從一個打開的視窗檢測氣壓變化的,觸發警報系統,嚇跑入侵者。此外,智慧家庭透過視訊、感測器、攝影機和麥克風收集大量資料,相應的資料安全和隱私措施可防止資料落入壞人之手。

能否幫助廠商和消費者瞭解面臨的威脅並提供足夠安全保護機制,將是智慧家庭能否取得成功的關鍵。英飛凌的OPTIGA Trust和OPTIGA TPM等硬體安全解決方案可以幫助客戶解決智慧家庭中的身份驗證、安全通訊、安全資料儲存、資料完整性,以及韌體升級等安全問題。

對於智慧家庭設計中存在的挑戰,Link表示,我們都在尋找正確答案;「以我的經驗來看,我們發明了Wi-Fi並於1991年推出了首款產品,當時它非常難賣。我們必須真正地向人們展示Wi-Fi的價值,需要找到正確的使用模型、合理的成本/價格定位、正確的應用,以及正確的套件/整合,一直到 1999 年,Wi-Fi才開始真正發展。自此之後Wi-Fi飛速發展,並且簡單易用,現在,如果您想找到一部沒有配備Wi-Fi的手機、平板電腦或筆記型電腦,那根本不可能!」

他表示:「對於智慧家庭,或物聯網,我們正在經歷相同的歷程:什麼才是正確的模型、合理的成本/價格定位、正確的應用,以及正確的套件/整合等,我們試圖從根本上來引導思想:如何將其整合到服務模型中以發揮價值,如何讓其易於安裝。與此同時,許多人在不斷開拓創新,我們都在共同學習和探索智慧家庭如何真正提供價值。」

Kao指出,首先,沒有統一的產業協議標準,這就會造成不同產品間,尤其是不同生態之間,難以互連互通。對於語音智慧家庭來講,由於智慧平台(尤其是ASR)的封閉性,許多方案會將喚醒詞、前端處理、模組和ASR打包一起使用,這對客戶最優化產品方案和供應鏈安全來講都不太理想。

其次,在智慧語音領域,中國地域廣大、口音眾多、文化多元,在喚醒詞的開發和語音辨識和語義理解的技術領域,挑戰較大。還有,家居企業對物聯與感測技術,以及人工智慧平台與演算法的採用尚在起步階段,因此會有一個探索的過程。

Synaptics作為產業領先的人機介面方案技術提供商,致力於在智慧家庭中發揮「橋樑」的作用。比如,透過提供獨立的遠場語音解決方案來匹配不同的ASR引擎,提供「交鑰匙」產品方案實現單一語音產品對多種家電產品的統一控制。透過提供SoC、DSP、音訊編解碼器和針對不同類型智慧家庭產品應用需求的演算法,來為不同需求和具備不同技術優勢的合作夥伴提供整體解決方案。

20181105NT31P2 智慧音箱技術展示。(圖片來源:Synaptics)

細數智慧家庭市場成功案例

目前,Silicon Labs在多個層面上在與智慧家庭社群成員合作;Pederson表示,在中國,該公司正在與新建築開發商和新住宅建築商合作,在施工過程中安裝智慧家庭產品。

程佳鈺介紹,2018年5月,英飛凌攜手美的推出新一代智慧門鎖解決方案,充分發揮了英飛凌在高性能安全晶片領域的技術優勢,並深度結合了美的在家電產業的系統設計經驗。作為首款由銀行卡檢測中心(BCTC)實施技術檢測並參與完善風險防範機制的智慧鎖解決方案,安全性能得到全面提升,使消費者更安心;英飛凌的高性能安全晶片更是通過了國際權威的CC EAL5+金融級安全認證,為美的的智慧門鎖提供硬體等級的安全保證,並推動中國智慧家庭產業的進一步發展。

英飛凌一直致力於中國智慧家庭的合作與發展,在2016年11月,英飛凌與合作夥伴在北京聯合發起成立「智慧家庭互連安全開放實驗室」,旨在針對物聯網在家居領域的應用開展技術交流。開放實驗室的合作夥伴整合基於英飛凌硬體的安全解決方案,以滿足智慧家電和家居自動化的通訊需求。

Link認為,Qorvo的成功應用案例有很多,但最有趣的要數輔助生活;「這項應用能夠幫助老年人延長自己獨自在家生活的時間,而在出現某些問題時,又能給他們的家人/朋友發送提醒。簡單版本就是隨身佩戴一種按鈕,出現問題時只需按下按鈕就可以。但事實是,人們可能不想佩戴這種按鈕,或者在事情發生時(例如洗澡時),他們正好沒有佩戴這種按鈕。所以,智慧家庭其實是一套家庭感測器(沒有攝影機),它能夠逐漸瞭解人員的行為習慣:這個人什麼時候起床,什麼時候完成日常活動,外出購物一般花費多長時間,等等。如果出現異常,它就會給監護人(例如家人、朋友、看護等)發送消息。這個系統採用了AI引擎,可以自動瞭解人員的行為習慣,也可以隨時間變化來適應緩慢變化。這聽起來很簡單,實際上非常複雜,但這是一個非常典型的智慧家庭示例。」

Synaptics則從2014年即開始協助客戶開發智慧語音產品,也創造了多個第一;Kao指出,例如:和三星(Samsung)一起開發出全球第一台遠場智慧語音電視;和LG U+一起開發出全球第一台遠場語音機上盒;和樂視一起開發出中國市場第一台遠場語音電視;和騰訊雲小微,以及海美迪推出中國市場第一家遠場語音OTT Box;和合作夥伴開發出中國市場第一批遠場語音空調、熱水器、檯燈等家電產品;Amazon Alexa第一獲得認證和宣佈的遠場語音解決方案等等。

正在研究哪些新技術?

隨著智慧家庭產品的開發向前進步,工程師需要設計更加適應消費者以及使用環境的設備。Pederson指出,為了抓住智慧家庭設備的新機遇,製造商必須克服複雜的技術挑戰,並且兼顧設備成本以及上市時間。

Silicon Labs今年早些時候收購了Z-Wave業務,Z-Wave技術隨之繼續發展。Silicon Labs將在下一代Z-Wave平台上提供新功能來支援這項創新。未來的改進會包括覆蓋範圍更廣、單個鈕扣電池的電池壽命更長,以及處理能力更強等等。這些進步將推動無線連接和邊緣智慧的融合。電池壽命長達十年以上的無線感測器很快就會問世,這樣我們就能將其嵌入到智慧家庭中難以觸及的角落,而使物聯網系統能夠自動回應不斷變化的環境條件和用戶偏好。隨著Z-Wave平台的進步,智慧家庭中可望實現無處不在、經濟實惠的感測,而使每個家庭佈署數十甚至數百個Z-Wave設備成為可能,它們同時還能與目前已安裝的數百萬Z-Wave設備和閘道器保持互連互通。

Link認為,智慧家庭相關技術就在我們周圍,對於物聯網和智慧家庭,我們面臨的真正挑戰在於如何一致且便捷地推出這些技術。例如:「我家有一套照明系統,它配有運動感測器,一旦有人進入房間,它就會將燈打開。同樣,在這個房間裡,我們還配備了能夠觸發警報的運動感測器,以防竊賊闖入家中。我的太太一直問我:我們為什麼要裝兩個運動感測器?我非常贊同她的觀點,裝兩個確實非常瘋狂!我們還有很多的工作要做!」

Kao透露,在硬體領域,Synaptics正在研究整合了處理器、超低功耗DSP、神經網路加速和支援邊緣運算的新一代晶片;在軟體領域,正在開發下一代降噪解決方案——它基於神經網路演算法,能對雜訊抑制有更好的效果。他指出:「新型自我調整回聲消除(AEC)演算法在收斂時間上更快,具有擬合度更高、功耗更低的喚醒詞模型,並能實現個性化體驗更好的聲音識別。同時,在SDK中逐步整合邊緣運算,能讓人工智慧技術落地更加容易、成本更低,從而造福人類社會。」

他總結,中國多年來都在強調品牌戰略,然而,隨著智慧產業的興起,尤其是類似Alexa、Google生態系統的打造,品牌都需要緊跟平台的策略。說到底,誰最終接觸消費者,誰具備資訊交互咽喉的要道,誰就會是控局的一方。因此,相信各大家電品牌商、智慧生態廠商和平台商都會積極地進行佈局、收購、投資與新建團隊,甚至對組織架構進行大的調整,這將會是產業的一個顯著特徵。所有的這些努力,都會促進產業有序、健康的發展。相信智慧家庭市場會是消費轉型的一個原動力。