一種超高清電視+5G+AI智慧家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案*

*科研項(xiàng)目：工信部公共服務(wù)平臺(tái)項(xiàng)目——面向“超高清視頻+5G+AI”融合創(chuàng)新應(yīng)用領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)公共服務(wù)平臺(tái)建設(shè)（項(xiàng)目編號(hào)：2020-0102-1-2）

0   引言

智能家居最初是將家庭中各種與信息相關(guān)的通信設(shè)備、家用電器和家庭安防裝置，通過(guò)家庭總線技術(shù)連接到一個(gè)家庭智能系統(tǒng)上集中管理^[1]；智能家居以家庭居住為背景，融合了互聯(lián)網(wǎng)、自動(dòng)化等技術(shù)，對(duì)居家生活的家電、家居、環(huán)境等智能管理，為人們生活提供舒適方便的居家環(huán)境^[2]。目前的智能家居強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)的自動(dòng)運(yùn)行和控制，不具備用戶習(xí)慣學(xué)習(xí)功能、不能了解用戶習(xí)慣，不能根據(jù)家庭環(huán)境中人和物的狀態(tài)來(lái)作出動(dòng)態(tài)改變和響應(yīng)，還不具備“智慧”能力。

近些年做為客廳中心的電視朝著超高清方向發(fā)展過(guò)程中，以人為中心的姿態(tài)、動(dòng)作、語(yǔ)音等識(shí)別技術(shù)的自然人機(jī)交互技術(shù)已開(kāi)始應(yīng)用于智能電視^[3]，人工智能（artificial intelligence, AI）技術(shù)與智能家居開(kāi)始融合，智能家居朝著智慧家居的方向發(fā)展，智慧家居成為趨勢(shì)。在AI 技術(shù)賦能下，語(yǔ)音和圖像技術(shù)成為最重要的交互手段在智慧家居中不可或缺，AI+ 物聯(lián)網(wǎng)（internet of things，IoT）成為必然。而超高清電視作為智慧家居客廳的主導(dǎo)，融合AI 語(yǔ)音和AI 圖像技術(shù)后將實(shí)現(xiàn)良好的人機(jī)交互；以超高清電視為家居IoT 控制中心和入口，與空調(diào)、冰箱、洗衣機(jī)、廚具等設(shè)備可進(jìn)行可視化交互；超高清電視終端+AI+IoT 成為智慧家居新應(yīng)用形態(tài)，能夠給人們帶來(lái)了高品質(zhì)智慧生活。

隨著超高清電視+AI+IoT 互聯(lián)設(shè)備和應(yīng)用場(chǎng)景的不斷豐富，家居IoT 設(shè)備數(shù)量將爆發(fā)式增長(zhǎng)，勢(shì)必要求超高清電視終端具有更強(qiáng)大的智能交互和設(shè)備互聯(lián)互通能力。5G 網(wǎng)絡(luò)具有高速率、低延時(shí)、海量設(shè)備互聯(lián)等特征，將滿足低延時(shí)AI 交互、數(shù)量眾多IoT 設(shè)備快捷互聯(lián)的需求，以5G 來(lái)構(gòu)架智慧家居生態(tài)非常必要，超高清+5G+AI 成為智慧家居發(fā)展的方向，將推動(dòng)智慧家居多個(gè)應(yīng)用場(chǎng)景落地。

本文提出一種超高清電視+5G+AI 智慧家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，詳細(xì)闡述了系統(tǒng)原理，介紹了超高清電視終端+AI 遠(yuǎn)場(chǎng)語(yǔ)音交互、超高清電視終端+AI 圖像交互、超高清電視終端+AI+IoT 互聯(lián)及交互、5G 模塊及集成應(yīng)用等關(guān)鍵技術(shù)。系統(tǒng)以超高清電視為中心和入口將家庭中其他的家居IoT 設(shè)備通過(guò)家庭網(wǎng)絡(luò)連接在一起，采用AI 語(yǔ)音和AI 圖像交互方式、通過(guò)5G網(wǎng)絡(luò)獲取后臺(tái)服務(wù)，實(shí)現(xiàn)AI 人機(jī)交互、超高清視頻呈現(xiàn)和IoT 設(shè)備的交互等，帶來(lái)一種新的智慧家居應(yīng)用形態(tài)。該方案已得到應(yīng)用，給用戶帶來(lái)了良好的交互體驗(yàn)和高品質(zhì)智慧生活。

1 系統(tǒng)原理

超高清電視+5G+AI 智慧家居系統(tǒng)構(gòu)成如圖1 所示，由人機(jī)交互& 設(shè)備互聯(lián)、5G 接入、服務(wù)平臺(tái)3 個(gè)部分組成。

圖1 系統(tǒng)構(gòu)成圖

人機(jī)交互& 設(shè)備互聯(lián)部分包括超高清電視和各種家居IoT 設(shè)備。超高清電視是智慧家居的中心和交互入口，將其他的家居IoT 設(shè)備通過(guò)家庭網(wǎng)絡(luò)連接在一起，采用AI語(yǔ)音和AI 圖像交互方式、通過(guò)5G 網(wǎng)絡(luò)獲取后臺(tái)服務(wù)，實(shí)現(xiàn)AI人機(jī)交互、超高清視頻呈現(xiàn)和IoT設(shè)備的交互、管理、控制、監(jiān)測(cè)等。家居IoT 設(shè)備包括智能電視、智能冰箱、智能空調(diào)等智能IoT 設(shè)備、以及通過(guò)ZigBee網(wǎng)關(guān)鏈接的加濕器、照明燈非智能IoT設(shè)備。

5G接入部分主要是5G CPE和5G基站。5G CPE提供WiFi網(wǎng)絡(luò)來(lái)組成家庭網(wǎng)絡(luò)，5G CPE可以接收/ 發(fā)送5G移動(dòng)信號(hào)、實(shí)現(xiàn)5G信號(hào)與家庭網(wǎng)絡(luò)WiFi信號(hào)之間的轉(zhuǎn)換；同時(shí)5G CPE 通過(guò)5G 基站連接服務(wù)平臺(tái)或通過(guò)5G 基站接入互聯(lián)網(wǎng)后再連接服務(wù)平臺(tái)，從而為智慧家庭提供移動(dòng)寬帶接入、滿足家庭組網(wǎng)需求。服務(wù)平臺(tái)包括超高清視頻云服務(wù)器、AI 處理服務(wù)器、酷開(kāi)后臺(tái)音視頻系統(tǒng)等，通過(guò)5G 移動(dòng)網(wǎng)為智慧家居提高超高清視頻服務(wù)、AI 語(yǔ)音和AI 圖像交互、IoT 交互等服務(wù)。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 超高清電視終端+AI遠(yuǎn)場(chǎng)語(yǔ)音交互技術(shù)

超高清電視終端+AI 遠(yuǎn)場(chǎng)語(yǔ)音交互技術(shù)構(gòu)成如圖2，包括超高清電視終端、5G 網(wǎng)絡(luò)、AI 語(yǔ)音服務(wù)平臺(tái)及用戶。超高清電視終端內(nèi)置MIC 采集用戶聲音，轉(zhuǎn)換成語(yǔ)音后，通過(guò)5G 網(wǎng)絡(luò)傳輸給AI 語(yǔ)音服務(wù)平臺(tái)；AI 語(yǔ)音服務(wù)平臺(tái)進(jìn)行語(yǔ)音識(shí)別處理，轉(zhuǎn)換成指令給到超高清電視端，超高清電視端執(zhí)行指令。用戶通過(guò)遠(yuǎn)場(chǎng)語(yǔ)音實(shí)現(xiàn)與超高清電視的交互，可以控制超高清電視終端，獲取超高清視頻播放顯示、獲取天氣資訊等。

圖2 超高清電視終端+AI遠(yuǎn)場(chǎng)語(yǔ)音交互技術(shù)構(gòu)成示意圖

用戶采用遠(yuǎn)場(chǎng)語(yǔ)音交互，比采用傳統(tǒng)遙控器或手機(jī)等第三方終端來(lái)進(jìn)行交互的方式更方便，通過(guò)5G 網(wǎng)絡(luò)傳輸語(yǔ)音及指令的時(shí)延短，交互響應(yīng)迅速快捷，語(yǔ)音交互距離可超過(guò)10 m、響應(yīng)可達(dá)0.55 s，使得超高清電視終端帶來(lái)的不僅是好的視覺(jué)體驗(yàn)、還有良好的語(yǔ)音交互體驗(yàn)。

2.2 超高清電視終端+AI圖像交互技術(shù)

超高清電視終端+AI 圖像交互技術(shù)構(gòu)成如圖3，包括超高清電視終端、5G 網(wǎng)絡(luò)、AI 圖像服務(wù)平臺(tái)及用戶。超高清電視終端內(nèi)置攝像頭采集場(chǎng)景，轉(zhuǎn)換成圖像后通過(guò)5G 網(wǎng)絡(luò)傳輸給AI 圖像服務(wù)平臺(tái)，AI 圖像服務(wù)平臺(tái)進(jìn)行圖像識(shí)別處理、轉(zhuǎn)換成指令給到超高清電視終端，超高清電視終端執(zhí)行指令。用戶通過(guò)AI 圖像處理實(shí)現(xiàn)與超高清電視的交互，可以控制超高清電視，采集家庭場(chǎng)景圖像、進(jìn)行視頻通話和體驗(yàn)游戲等。

基于超高清電視終端采用AI 圖像交互，可以實(shí)現(xiàn)AI健身運(yùn)動(dòng)、AI拍照等，如圖4 所示。在AI圖像交互過(guò)程中，通過(guò)5G網(wǎng)絡(luò)傳輸圖像，傳輸速率高、延時(shí)小，圖像交互體驗(yàn)好。

圖3 超高清電視終端+AI圖像交互技術(shù)構(gòu)成示意圖

圖4 基于超高清電視終端的AI健身運(yùn)動(dòng)和AI拍照示意圖

2.3 超高清電視終端+AI+IoT互聯(lián)及交互技術(shù)

超高清電視終端+AI+IoT 互聯(lián)及交互技術(shù)構(gòu)成如圖5，包括超高清電視終端、各種家居IoT 設(shè)備、5G 網(wǎng)絡(luò)、AI+物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)及用戶，即構(gòu)成智慧家居系統(tǒng)。超高清電視終端和各種家居IoT 設(shè)備在同一個(gè)WiFi 局域網(wǎng)內(nèi)、通過(guò)5G CPE與5G網(wǎng)絡(luò)聯(lián)通；超高清電視終端是家居IoT設(shè)備的控制中心和交互入口，超高清電視終端接收用戶的語(yǔ)音或場(chǎng)景圖像等交互信息，通過(guò)5G網(wǎng)絡(luò)將交互信息傳輸給AI及物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)；AI及物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)處理交互信息后、通過(guò)5G網(wǎng)絡(luò)返回控制信息給超高清電視終端，超高清電視終端根據(jù)返回的控制信息來(lái)控制家用設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對(duì)家居IoT 設(shè)備的控制等操作。

圖5 超高清電視終端+AI+IoT互聯(lián)及交互技術(shù)構(gòu)成示意圖

在智慧家居系統(tǒng)中，用戶可以通過(guò)超高清電視終端來(lái)進(jìn)行家居IoT 設(shè)備的命名、添加、移除等可視化智能管理，如圖6 所示；通過(guò)超高清電視終端可以實(shí)時(shí)控制、監(jiān)測(cè)家居IoT 設(shè)備，通過(guò)AI 來(lái)進(jìn)行良好的IoT 人機(jī)交互。在AI+IoT 互聯(lián)及交互過(guò)程中，通過(guò)5G 網(wǎng)絡(luò)傳輸速率高、延時(shí)小，并可滿足數(shù)量眾多的家居IoT 設(shè)備需求，IoT交互體驗(yàn)好。

圖6 超高清電視終端可視化管理家居IoT設(shè)備示意圖

2.4 5G模塊及集成應(yīng)用技術(shù)

智慧家居系統(tǒng)采用5G CPE設(shè)備來(lái)接入5G網(wǎng)絡(luò)，5G CPE內(nèi)置5G模塊和WiFi6模塊，實(shí)現(xiàn)5G信號(hào)和WiFi6信號(hào)的相互轉(zhuǎn)換，以5G CPE為AP熱點(diǎn)來(lái)組建家庭無(wú)線WiFi網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)音視頻信號(hào)的無(wú)線傳輸應(yīng)用、AI+IoT互聯(lián)及交互等。開(kāi)發(fā)的5G CPE、5G 模塊和WiFi6模塊如圖7。

圖7 5G CPE及5G模塊、WiFi6模塊實(shí)物圖

5G CPE 通過(guò)5G NR 載波聚合、可擴(kuò)展OFDM 子載波間隔、MIMO 超多天線布局、抗干擾等技術(shù)，保障傳輸速率、合理時(shí)延和降低功耗等，實(shí)現(xiàn)下行傳輸速率達(dá)1 Gbit/s、上行傳輸速率大于500 Mbit/s。

3 系統(tǒng)應(yīng)用

超高清電視+5G+AI 智慧家居系統(tǒng)方案應(yīng)用案例如圖7 所示，采用5GCPE 建立外部5G 移動(dòng)網(wǎng)與家庭場(chǎng)景內(nèi)部WiFi 局域網(wǎng)間的鏈接，家庭內(nèi)各種IoT 設(shè)備通過(guò)WiFi 局域連接在一起，以創(chuàng)維Q80 超高清電視產(chǎn)品為交互控制中心和入口，通過(guò)AI 語(yǔ)音等方式來(lái)控制智能冰洗、智能空調(diào)、智能照明等IoT 設(shè)備及進(jìn)行交互。

圖7 超高清電視+5G+AI智慧家居系統(tǒng)方案應(yīng)用案例圖

5 結(jié)束語(yǔ)

文章提出一種超高清電視+5G+AI 智慧家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，闡述了系統(tǒng)的構(gòu)成、工作原理及關(guān)鍵技術(shù)；系統(tǒng)采用5G CPE 建立外部5G 移動(dòng)網(wǎng)與家庭內(nèi)部WiFi 局域網(wǎng)間的鏈接，超高清電視終端和各種家居IoT 設(shè)備在同一個(gè)內(nèi)部WiFi 局域網(wǎng)內(nèi)，以超高清電視終端為智慧家居的控制中心和入口，采用AI 語(yǔ)音交互和AI 圖像交互等方式實(shí)現(xiàn)各種應(yīng)用，及控制和監(jiān)測(cè)智能冰洗、智能空調(diào)、智能照明等IoT 設(shè)備。該方案帶來(lái)一種新的智慧家居應(yīng)用形態(tài)，已進(jìn)行應(yīng)用示范，產(chǎn)生了良好效益。

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（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2022年12月期）