智能家居发展势在必行，但需要尽快解决三大难题
作者:单祥茹 主编 来源:中国电子商情
发布时间:2020-07-07
随着5G、AI、云计算等技术的发展，智能化产品已经渗透到我们生活的方方面面。根据权威机构预测，中国智能家居市场容量巨大，国内市场规模预计在2021年将突破4000亿元。面对颇具潜力的海量市场，进入该领域的企业非常多。本刊记者在采访了赛普拉斯（Cypress）、恩智浦（NXP）、艾迈斯半导体（ams）等智能家居行业的领军企业之后，有一个突出的感受，那就是，智能家居产品的市场化进程不断加快，企业非常看好智能家居的前景，并推出了相应的解决方案。然而，该行业普遍存在于标准、安全、用户体验等三个方面的挑战却迟迟不能得到解决，因此严重制约了智能家居市场的发展。
智能家居行业的发展现状
智能家居是以住宅为平台，基于物联网技术、软件系统、云计算平台构成的家居生态圈，通过数据收集，分析用户行为数据，从而为用户提供个性化的服务。在所有智能家居中，以家电智能化居多。可以说，现在我们的生活中已经出现了很多智能家电的身影，比如，我们可以远程通过智能手机、智能音箱指挥扫地机器人、电视机等家电的工作。
目前，传统家电行业的发展逐步放缓，多数传统品类呈现了下滑趋势。公开的资料显示，2019年全球智慧家庭的市场空间达到1030亿美元，预计2023年将增长到1570亿美元。从智能家居的细分领域来看，除了智能家电，智能安防、智能照明、智能音响等市场也在不断扩大。
对此，艾迈斯半导体（ams）认为，智能安防在家庭中将逐渐扮演重要的角色，像智能门锁、智能摄像、智能安防传感器等或将成为下一个爆发点，尤其是在一些有老人和孩子的家庭，他们对于智能安防类产品的需求会更大。
智能家居可以细分为智能家电、智能影音、智能照明、家庭安防、智能连接与控制等多个方面。随着人工智能技术的不断完善，智能家居产品种类日益增多。恩智浦大中华区高级业务拓展经理吴建斌在接受本刊记者采访时提出，从产品形态看，智能家居还可以分为单品智能化、单品之间联动、系统实现智能化三个阶段。在AI和IoT技术的发展带领下，国内智能家居热度不减，行业蓬勃兴起，互联网巨头及新兴创业公司从硬件、技术、系统解决方案等不同角度进行布局，智能家居系统初显。就目前市场而言，整个行业正处于单品联动到系统智能化的过渡阶段，并且趋势明显。
赛普拉斯物联网微控制器及无线事业部高级市场总监陈丽华（Amy Chen）认为目前智能家居依然处于刚刚起步的阶段。她表示，判断智能家居是否成熟的关键在于这些智能家居产品究竟能给我们的日常生活带来哪些便利，最终的使用者是不是真正认同智能家居产品的价值，并且愿意为此买单。在目前这个阶段，大家基本停留在构建智能家居应用场景的初级阶段，虽然在很多点上取得了不小的进展，比如说厨电联动、智能音箱、mesh LED、电子门锁、楼宇监控和门禁系统等，但基本上没有形成一个完整的体系。另外，目前大多数智能家居行业的参与者还是把精力放在已经有一定市场规模的IoT硬件产品的成本上，而在如何构建和拓展有意义的应用场景上的投入相对较小。不过，令人欣喜的是，很多家电以及互联网龙头企业正在建立专门的IoT部门，在各个互联网技术联盟的框架下积极推动标准的建立。
哪些因素影响了智能家居的快速推广和应用？
智能家居一直是近几年的市场热门话题，真实的情况却是“雷声大，雨点小”。要想快速推广和应用智能家居，恩智浦公司的吴建斌提出需要在三个方面入手：一是尽快建立统一的标准。智能家居核心玩家众多，且横跨众多细分领域，覆盖传统家电厂商、手机厂商与互联网等巨头。他们各自搭建生态，在一定程度上影响了终端用户的体验。就目前而言，欧美市场的智能家居行业标准化相对成熟。亚马逊、谷歌和苹果公司已达成一项合作，称为“基于IP的互联家庭项目”（Project Connected Home over IP），致力于为智能家居创建一个新的标准，让不同物联网连接规范能彼此互通。而智能家居产品的包装盒上将来也会印有一个认证Logo，以便让消费者知道它是否由该项目构建和支持。这样，人们在购买产品时就能知道是否可以与家里的智能系统相兼容，并且确保这些产品是安全的。除了苹果、谷歌和亚马逊，ZigBee联盟的多家成员公司也将加入这一合作项目，当然也包括恩智浦半导体。二是确保智能家居设备的信息安全。智能家居设备虽然能带来便捷舒适的生活体验，但大多数产品存在安全隐患。智能家居存在的安全问题是全方位的，除了个人信息泄露，还可能因为智能家居设备丧失功能或者功能紊乱，造成家庭财产损失。更有不法分子利用被恶意控制的智能家居设备，进行人身攻击和网络攻击。因此，智能设备所感知的数据以及根据数据做出的决策都必须可靠，且在设备的整个使用期限内都必须确保这一点。三是要进一步提升人机交互体验。当前智能家居产品的用户使用粘性偏低，用户反馈的问题集中体现在“产品不稳定”、“易损坏”、“部分功能无价值”等方面。现有的智能化产品，基本停留在远程或手机控制这一初级层面。真正的智能化产品，它应该具备感应能力、自适应能力及自学习能力。
在这个话题上，ams的观点与恩智浦公司吴建斌的观点相一致，ams认为，智能家居概念提出来已经有很多年，但市场爆发期一直没有出现。影响智能家居快速普及的因素有很多，归结起来，缺乏统一的通信协议标准、存在安全隐患，这些问题已是大多数厂商的共识。
急需整合并推出统一的通信协议标准：ams认为目前智能家居还没有快速推广和应用的原因之一就是行业内缺乏统一的通信协议标准。智能家居的理想形态一定是多场景联动的全屋智能。虽然目前智能家居众多单品放量，但由于品牌众多、通信协议复杂，智能家居生态处于割裂状态，设备之间相互独立，用户体验相对单一。而打破这个壁垒的关键在于互联互通，即融合各个品牌云、打造一个业内统一的通信协议标准。
安全问题必须引起足够重视：由于智能家居应用场景的特殊性与私密性，安全性便成了摆在行业面前的一大难题。ams认为安全问题主要体现在三个方面，即平台安全、设备安全和通信安全。平台安全主要指智能家居平台存在的各类安全问题，包括用户身份认证、设备访问控制、设备联动安全等方面；设备安全主要集中在设备固件漏洞挖掘和设备侧信道分析等；通信协议安全主要用于保护用户敏感信息在传输过程中不被泄露或窃取，具体集中在协议漏洞挖掘和网络流量分析。
良好的用户体验非常重要：智能家居要想快速推广和应用还有一个重要因素，那就是你的产品要得到用户的认可。厂商在设计产品时应该从用户的角度出发，实际上，现在的一些智能家居产品只专注于自身技术和功能的实现，对用户体验重视不够。因此，用户就会对产品有一种“高大空”的感觉。真正的智能家居要围绕用户需求，以对家庭的关爱为主导，并可以通过云端的计算了解用户行为并反馈，形成双向的人机交互。
针对这些问题，ams表示，他们接下来会尝试创新一些适用于智能家电的传感方案，并大力推进与方案厂商、家电的厂商合作，协助客户研发各类新型的产品。
来自赛普拉斯的陈丽华则提出，互联互通、IoT系统的复杂度和终端产品成本要求的平衡是影响智能家居快速推广的2个最主要因素。
不同标准会长期共存。陈丽华表示，所谓的互联互通，主要是指各种标准和协议之间的互联互通以及不同公司产品之间的互联互通。目前在智能家具领域被广泛认同的标准包括WiFi、BLE、Zigbee和Thread，不同智能家居厂商对这些标准各有喜好，不同的行业联盟正在试图强化和完善某个特定标准或者将不同的标准进行融合。但可以预见的是，这些标准必定会在一定时间内长期共存。要解决智能家居的互联互通，标准的融合是基础。各家厂商产品间的互联互通也是存在于智能家居行业的另一个难题。即使大家选用的是同一个通信标准，目前来看这些产品间大概率是无法沟通的。比如，你买了厂商A的智能音箱，厂商B的智能灯泡，若想通过语音控制智能音箱A去开智能灯泡B，目前基本是不可能做到的。再就是每个厂商都有自己自成一体的软件和云服务系统，且是不开放的。这种状况的出现就强迫使用者在家中必须构建同一品牌的智能家居系统，然而每个品牌在不同产品上都有优劣。这种互联互通的障碍严重影响了智能家居的用户体验。
IoT系统的复杂度以及终端产品成本之间的平衡是影响智能家居快速推广另一个重要因素。陈丽华认为，在这个问题上要重点关注3个关键词，即复杂度、成本、平衡。智能家居应用场景的不同对IoT产品提出了不同的要求，要让使用者有好的体验，对于系统设计、硬件选择和软件集成都有很高的要求。再加上考虑多协议共存和不同产品间的互通和兼容性，对开发者而言是巨大挑战，IoT产品的成本控制也非常关键。由于IoT产品的最终消费者是普通大众，再好的东西，如果大家都买不起，也无法普及，智能家居也就只能停留在概念阶段。当然，一味追求成本而无法提供良好用户体验的产品也一样会被消费者摒弃。如何在满足智能家居体验的同时兼顾成本，达到一个平衡，是决定智能家居能否快速推广的重要因素。
智能家居将在哪些领域取得突破？
恩智浦公司吴建斌表示，智能家居行业的进步与物联网的进步密切相关。经过多年的发展，物联网让“物物”相连不再困难。5G、AI以及云计算、边缘计算的推进加快了物联网的发展速度。随着越来越多的应用和相关决策可以在边缘实现，将催生智能家居更多的应用场景。恩智浦的重点是发力安全的边缘计算这一领域，并且配合云端的架构，以推动行业发展。
同时，吴建斌还提到，AI和边缘计算是支撑下一代智能家居设备突破的主要技术，可以驱动真正智能的“场景感知”智能家居。在这次新型冠状病毒肺炎感染疫情下，利用智能语音和人脸识别技术就可以在智能家居的相关场景中发挥重要作用。比如入户门可安装人脸识别系统，避免刷卡、钥匙、把手接触式开门，减少病毒传染的风险。室内可安装声控系统，进门后无需先洗手消毒即可声控开灯，控制窗帘等，免去给开关消毒等步骤。
赛普拉斯公司陈丽华则认为，智能家居将首先在家居安全、智能音箱以及智能手表等方面取得突破。这个要从智能家居的动因出发。顾名思义，智能家居的目的就是让大家的居家生活变得更智能、更便利。大家在家居方面最关注的是什么呢？陈丽华表示，安全是第一位的，居家安全是头等大事。因此，与安全相关的产品一定是大家构建智能家居的首选，比如视频监控系统、安防系统、电子门锁等。网络云服务让我们随时随地都能方便地了解家里的情况，并对突发事件做出及时应对，保证自己和家人的安全。其次是那些可以为家居生活带来便利的用户体验。让整个智能家居互联互通成为一个整体，是提升用户体验的关键环节，所以我们需要一个好的控制中心和一个贴心的随身秘书，智能音箱无疑是一个最好的控制中心。音箱非常小巧，无需专业安装，随处可放，即买即用。基于云服务，我们可以很方便地实现在线语音识别，实现有效的语音控制，这个也非常符合大家对使用便利性的要求。通常，音箱是固定放在一个位置，要实现随时随地有效的控制，就需要智能手表了。智能手表好比一个随身秘书，可随时带在身边，人们通过语音就能方便地控制电视、空调。
理想的智能家居方案需要多项技术支持，边缘计算、无线连接、云服务和安全是最重要的4个方面。如前所述，用户体验是智能家居的核心，要提供良好的用户体验就要关注如何把现实世界中的人类感官体会的东西以人类舒适的方式数字化，如何对环境的感知做出迅速的处理和反馈。赛普拉斯公司陈丽华表示，足够的边缘计算能力是必不可少的。同时，每个个体的用户体验也各不相同，智能家居产品就需要有ML(Machine Learning)的能力，这同样需要强大的边缘计算能力来支撑。无线连接让我们可以在自由移动的同时享受智能家居的便利，其中WiFi和BLE mesh对智能家居的发展有着举足轻重的作用。WiFi 6的出现更是为智能家居奠定了多节点稳定通信的基础。BLE mesh协议1.1针对IoT相关细分领域给出了针对不同应用场景的功能节点规范，为智能家居内部组网提供了有力的支撑。安全是基本，它保证个人信息不受到非法入侵，保护数据在传输过程中不会泄露。
在ams看来，智能家电很可能率先成为智能家居的突破口。随着生活水平的提高，消费者对智能化的需求越来越高，一些系统稳定、体验感强的智能家电将越来越被认可。在全部的智能家居应用中，智能影音和娱乐类产品市场份额约占40%。智能电视、智能投影、智能音响类产品市场增长迅速。2019年8月，华为发布了荣耀电视“智慧屏”，更是将智能电视市场推向新高度。智能马桶、智能冰箱、智能洗碗机等家电把人们从繁琐的家务劳动中解救出来。
家电的智能化可根据周围环境的不同自动做出响应，这种自动感知离不开传感器的参与。因此，先进的传感技术是支持智能家居发展的重要因素。目前应用在智能家电上的传感器主要有四大类，即红外对管、接近传感器、1D飞行时间传感器和三角距离传感器。其中，红外对管和接近传感器有成本小、功耗低的优势，但容易受到外界因素影响，比较适用于自动翻盖和自动掀马桶圈的卫浴、自动水龙头等对精度要求不高的场景。1D飞行时间传感器的价格偏贵，但性能较高，适用于扫地机器人的障碍物识别和楼梯检测，以及智能电视的人体靠近检测、智能灯的靠近点亮、投影仪的人眼保护以及自动对焦功能、3D智能门锁等应用场景。
除了传感技术，ams认为，人工智能、5G、大数据等技术都是推动智能家居发展的关键。因为智能家居不仅提供了传统家居的居住功能，同时还兼备了设备网络化、设备信息化以及设备自动化，具备全方位交互信息的功能。比如，人工智能中的语音识别、图像识别等基础技术，是智能家居的标准配置。5G速度快、频段多、功耗低和低时延的特点，使智能设备之间的“感知”更精确更迅速，这有利于提高整个智能家居控制系统的智慧化程度。
智能家居解决方案和产品越来越丰富
IoT市场一直是赛普拉斯半导体的重中之重，而智能家居则是其IoT市场战略的重点。陈丽华表示，在并入英飞凌之后，公司将会在更广阔的平台上继续加强MCU、WiFi以及BT、BLE相关产品的研发，今年5月份推出的IoT-AdvantEdge物联网一站式解决方案平台（图2），简化了安全、高性价比物联网边缘设备的开发，助力客户更快将产品推向市场。该平台包括经预先认证的各种方案，整合了包括无线连接、云安全、设备管理和维护、中间件和低功耗芯片等IoT基本构建模块。
图1 赛普拉斯IoT-AdvantEdge平台能帮助客户更快将产品推向市场
陈丽华认为图2的智能家居场景图可以很好地展现赛普拉斯在智能家居中的布局。
图2 赛普拉斯的智能家居产品集锦
值得一提的是，赛普拉斯的PSoC 6产品线为门锁提供了单芯片门前控制方案，把上一代产品需要3～4颗芯片完成的工作用一个高集成度的PSoC 6实现，其中包含集成国内顶尖的指纹识别算法、访问控制单元、触摸控制和BLE连接。同时在保持触摸唤醒和BLE广播的条件下达到35uA的深度睡眠功耗。现在，PSoC 6系列已被各大国内外厂商应用在智能手环和手表上。
智能家居市场潜力巨大，汇聚了众多的方案提供商。恩智浦属于进入智能家居市场较早的企业，现在拥有“一站式”智能家居解决方案。其芯片级解决方案包括广泛的无线连接、微控制及处理，以及安全等可扩展的产品组合。另外，恩智浦还提供了赋能AI技术与云端管理的软件工具与框架。
在无线连接方面，恩智浦具有涵盖WiFi、BLE、Zigbee、Thread、NFC等广泛的无线协议产品组合。公司最近推出的超低功耗、多协议无线微控制器（MCU）系列K32W061/41，以及引脚兼容JN5189/88（Thread/Zigbee）和QN9090/30（Bluetooth LE）等相关芯片，为互联应用提供超低功耗性能，支持现有和新兴的智能家居。吴建斌表示，智能家居的应用除了依赖BLE、Zigbee的通信外，还特别依赖WiFi网络的连接。恩智浦WiFi 6解决方案所特有的分布式WiFi架构，能够访问所有的房间设备和网络，使智能家居系统获得更高的传输速率。此外，WiFi 6设备的低能耗特点，能有效延长设备的电池寿命。众所周知，恩智浦是NFC技术的共同发明者，现在这一技术已经成为市场上的热门连接技术。借助NFC，用户只需轻轻一触即可将家电和联网设备添加到家庭网络。通过安装正确的应用程序，还能用智能手机或平板电脑进行设置。
安全和隐私是智能家居解决方案的重中之重，我们可以通过本地可信执行环境，利用边缘计算技术，将敏感数据在本地进行“消化”，并且在通信层面加密。据吴建斌介绍，恩智浦有着广泛的应用经验，可以帮助用户实现隐私保护。EdgeLock SE050是恩智浦新一代的产品系列，它增强了基于CC EAL 6+的安全性，可针对最新攻击提供强有力的保护，满足了对易于设计和可扩展的物联网安全性日益增长的需求。
随着整个行业向边缘计算迁移，设备端人工智能（on-device AI）能够实现实时决策将变得更加重要。在数据处理方面，从简单低功耗的MCU到复杂高性能的MPU，恩智浦可提供从覆盖智能单品到智能网关等全系列的产品。吴建斌表示，接下来，40纳米i.MX RT1010、1GHz i.MX RT系列MCU、超低功耗i.MX 7ULP、多媒体处理器系列i.MX 8M，以及数字信号控制器（DSC）等产品也将逐步进入市场。在家庭娱乐领域，从多声道家庭影院环绕声系统到每天使用的手机，恩智浦的音频解决方案几乎覆盖了家中的所有系统。面向家庭娱乐市场的Immersiv3D音频解决方案，将软件与i.MX 8M Mini应用相结合，支持DolbyAtmos和DTS环绕音效。借助恩智浦MCU级别的人脸识别解决方案，开发者可轻松地将人脸识别功能添加到他们基于MCU的IoT产品中，缩短了产品上市时间。此外，吴建斌还特别提到恩智浦赋能AI技术与云端管理的软件工具与框架。比如eIQ开发环境、EdgeScale软件架构和EdgeVerse安全边缘计算平台，这也是恩智浦在可扩展安全边缘计算方面做出的全新尝试。这种完整的“一站式服务”，非常有利于智能家居实现从云到端的安全设备管理，以及更有效的机器学习运算能力。
图3 恩智浦i.MX RT106F人脸识别硬件方案
针对智能家居市场，ams推出了包括0.1℃的高精度温度传感器AS6200，可以做温度控制；应用于智能照明方案的AS7221，能自动调整室内的灯光亮度和色温。其他一系列方案还包括：可用于智能扫地机器人避障的1D TOF测距方案TMF8801/TMF8701、可用于智能门锁的3D方案、可用于智能洗衣机中的光谱方案等。
ams非常看好1D飞行时间传感器在智能家居中的应用，以TMF8801为例，其内置算法可以根据测量的结果，自动切换近距和远距离模式，使近距和远距的距离计算更加精准。将其用于人体接近检测，检测距离可以达到2cm～2.5m。此外，1D飞行时间传感器还可以搭配智能电视的摄像头实现自动对焦功能。
“以传感器解决方案打造完美世界”一直是ams的使命，而智能家居是打造世界的第一环。随着智能家居的不断发展，传感器也将迎来更广阔的发展前景。
新冠肺炎疫情的爆发让消费者对于智能家居有了更进一步的认识，对智能设备的需求也更加强烈。在特殊时期，人们普遍希望能用智能设备代替部分危险的人工操作，从而更好地保护人的安全。归根结底，任何一种智能家居方案和产品都应坚持一个基本点，那就是围绕用户的需求去做产品，让智能家居的场景真正懂人性。企业之所以在智能家居面临的市场挑战上达成共识，也是他们在市场上摸爬滚打多年总结出来的经验教训。只有真正从用户体验出发，你的产品才会有市场，智能家居行业才能走得更长远。
