隨著智慧家居的普及，現在我們有越來越多的房間都安裝了配備有人工智慧功能的智慧音箱，它們的功能也基本上大同小異。但什麼才能算是智慧家居真正的控制中心？
最近出現的數位助手產品使得消費者要求Alexa或Google執行各種任務並提供家中每間房間的相關資訊。2014年底推出的首款產品，即智慧音箱（也稱為人工智慧音箱），至今仍然在新生市場佔據主導地位。智能音箱將無線揚聲器系統與AI平臺相結合；起初，它們的主要功能是流媒體播放雲音樂。但過去兩年中，智慧音箱增添了顯示幕、攝像頭、流媒體視頻和家居自動控制燈光、氣候和防盜系統。
該智慧家居生態系統（圖1）的出現使得家中大量智慧設備成為多餘擺設。而顯示幕和家居自動控制等最近附加的功能導致智慧設備外形也發生了改變，儘管尚未針對各個房間的需求進行優化，但它們似乎正在變得更適用於家中特定的房間。智慧家居的市場正在逼近臨界點，而其中智慧音箱需要能夠適應特定的房間，並與其他室內優化的揚聲器相共存。
圖1：智慧家居控制中心生態系統
智慧音箱基本知識
所有智慧音箱均包含相同的基本組件（圖2）：
所有智慧音箱均包含相同的基本組件（圖2）：
圖2：TI的典型帶屏智慧音箱的系統框圖顯示了智慧音箱的基本元件以及一些最新的添加件
• 輸入。智慧音箱使用微型機電系統（MEMS）麥克風捕獲語音，同時數位訊號處理器（DSP）運行聲波束形成、噪音和回聲消除等演算法。初始解決方案使用數位MEMS麥克風來將數位轉換的位元流輸出給DSP，但這種方案會犧牲一定精確度和動態範圍。更高性能的解決方案採用類比MEMS麥克風和獨立的高度集成音訊模數轉換器（ADC）。這些ADC可大幅提高動態範圍，並減少所需的麥克風數量。
• 輸出。同一個DSP還可以處理數位音訊流解碼，實現等化器功能並將音訊輸出到揚聲器放大器。更新款的揚聲器採用集成DSP的數位功放來實現對特定電氣參數的均衡和修調。此外，這些小型DSP可為揚聲器提供不同等級的保護，以實現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。由於數位音訊內容是在晶片上處理的，因此這些放大器可以通過改變調製模式和控制功率級（基於音訊內容）到輸出級的路徑來降低功耗。
• 連通性。所有智慧音箱所需的主要連通形式是Wi-Fi®。儘管音訊流不需要802.11ac頻寬，但它已成為事實上的標準，因為眾多相同的片上系統（SoC）供應商均提供視頻流SoC。Wi-Fi 射頻積體電路（IC）通常也集成Bluetooth®：既能保證智慧手機等設備音訊流用的基礎速率（經典藍牙），也涵蓋配對設備之間控制和通信用的低能耗藍牙技術（BLE）。隨著藍牙5.0技術的問世，預計會出現支援音訊流的新壓縮設定檔，可避免採用經典藍牙技術。但是，為保持傳統相容性，可能在一段時間內需要同時採用這兩種技術。藍牙5.0技術還支援網狀網路，這為音訊流在不同設備之間的遷移開闢了光明前景——未來的智慧家居只需一台設備充當音訊中心即可。
添加新元素
為使消費者獲得獨特的用戶體驗，設計人員會在智慧音箱上添加不同的功能。例如，使用電容式觸控式螢幕來代替按鈕，可實現更直觀的控制，降低成本，並提高可靠性。在一些情況下，觸覺回饋可讓消費者保持熟悉的觸覺體驗。由於智慧音箱會有不同的模式，包括回應指令，彩色LED照明模式可提供視覺回饋，並為產品增加一些亮點。此外，設計人員還可添加環境燈光感測器來調節輸出亮度，由白天的強光模式調整為夜晚的暗光模式，進一步增強使用者體驗。
為使消費者獲得獨特的用戶體驗，設計人員會在智慧音箱上添加不同的功能。例如，使用電容式觸控式螢幕來代替按鈕，可實現更直觀的控制，降低成本，並提高可靠性。在一些情況下，觸覺回饋可讓消費者保持熟悉的觸覺體驗。由於智慧音箱會有不同的模式，包括回應指令，彩色LED照明模式可提供視覺回饋，並為產品增加一些亮點。此外，設計人員還可添加環境燈光感測器來調節輸出亮度，由白天的強光模式調整為夜晚的暗光模式，進一步增強使用者體驗。
接下來，讓我們來根據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慧音箱的功能。
臥室
如前所述，附加功能會導致智慧音箱的外形發生改變，以適應家中特定房間。例如，配備LED顯示幕的揚聲器看起來像鬧鐘，這是為了適用於臥室環境。此時，顯示幕大小和解析度並非是重要因素，因為顯示幕只是外表看起來像鬧鐘。但是根據白天和夜晚使用時間來調整LED亮度卻十分重要，這就需要添加環境光線感測器。
音箱尺寸和放大器功率與較小的房間之間存在著對應比例。由於這些房間通常很安靜，音箱和消費者之間的距離可能介於1到4米之間，設計人員可以相應地減少麥克風的數量和語音辨識演算法的複雜程度。如果音箱所在房間更加注重隱私性（如臥室），那設計人員可能就不需要為其配備視頻通話攝像頭了。
由於這些音箱通常放置在床頭櫃或書桌上，交流電源可輕鬆獲得，因此電池電源並非是必不可少的。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或無線方式為智慧手機和智慧手錶充電。最後，消費者需要可以在這些位置連接並控制燈光、恒溫器和安防系統。
圖3：典型的臥室鬧鐘式智慧音箱為舊式應用添加新元素
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。此處顯示幕解析度十分重要，但空間也是機械設計中的優先考慮事項。消費者可以將配備採用TI DLP®技術的短距離投影顯示器的音箱，靠著牆上或櫃檯下方放置，這樣在牆壁或工作臺面投影時，可在較小的封閉區域獲得更大成像。但設計人員也需要考慮將這些音箱放置在強環境光線（如窗戶）旁邊的可能性，因此放置在廚房島台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慧音箱增加了視頻功能，有助於為使用者營造更加身臨其境的體驗
如果安裝在上述位置，消費者就可以用高解析度的視頻流來觀看菜譜視頻或電視節目，流覽新聞或看看誰在前門。這些智慧音箱需要安裝視頻聊天用的攝像頭，並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訊放大器提出了需求。在設計上，可能需要在麥克風數量和語音辨識演算法的複雜程度、縮短麥克風間的距離和更高的環境噪音量之間進行權衡利弊。
視頻流和顯示幕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，客廳一直是流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備。
現在的有線或衛星機上盒（或新興的互聯網協定電視和機上盒）、電視、條形音箱甚至遙控器，所有這些設備都以某種方式（包括無線連接）交互。每個設備在客廳中都有特定作用，並且相互之間和諧共存。
但是，客廳裡的智慧音箱和添加了人工智慧後的娛樂設備則改變了這一切。傳統客廳設備的設計人員不得不爭相添加人工智慧功能和（以相對較慢的速度）家居自動化。這會造成設備的功能相互“踩踏”，給消費者帶來了困惑和潛在的挫敗感，這種情況在產品不共用相同的人工智慧平臺時格外明顯。
這場圍繞人工智慧控制中心的爭奪戰掀起了音訊和視頻SoC、Wi-Fi 和藍牙連接積體電路、音訊積體電路、MEMS麥克風和揚聲器製造商之間的競爭熱潮。但是，對消費者而言，如此多的設備之間如何共存是一件難以想像的事，他們也很難知道哪台設備將處理哪條指令以及哪台設備將提供音訊回饋。
長期來看，如果房間較大，放置多個帶麥克風的設備並非壞事。如果佈置妥當，只要設備之間能夠相互通信，就可大幅提高整體波束形成和語音辨識的準確性。每台設備需要協同工作，分配（並允許）單台設備與雲通信，然後決定哪台設備將輸出音訊結果。這與其說是硬體挑戰，還不如說是連通性和AI平臺方面的重大挑戰。這種情況需要網狀網路，每台設備在網路中註冊，向AI平臺增添協議以決定輸出音訊回應和執行設計功能的設備。隨著藍牙、Wi-Fi和Zigbee協議都在發揮作用，你可以預見這是一項多麼艱難的挑戰。添加5G技術可能會增加混亂——但它也可能指明答案，這一點尚有待商榷。
誰將成為贏家？
電視製造商會認為，電視顯然是家居控制中心的主要選擇，但是電視的音訊品質和揚聲器數量都不如3D聲音技術，無法達到消費者的期望。機上盒同樣面臨相同的音訊挑戰。獨立式智慧音箱不與電視機相連接，因此它們也並不是最佳選項。而客廳裡唯一能播放所有媒體的剩餘設備就是條形音箱（soundbar）。
現如今出現了包括Wi-Fi機上盒（IPTV）在內的條形音箱。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的使用者提供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播的多系統運營商處購買。無論是何種類型的條形音箱，它們均可以集成AI語音辨識系統，高保真3D音訊和流媒體電視。不久，它們就可以集成家居自動化無線電和協議，例如調整暗光的Zigbee協議，以及傳輸安防系統或視頻聊天的即時資訊的攝像頭。
儘管如今該自動化智慧家居控制中心生態系統並非完全以這種形式存在，但它會很快來到我們的身邊。這些系統的設計人員有責任始終圍繞消費者的體驗，開發硬體和軟體來優化待放置房間的設備，並通過房間之間的無縫網狀網路與其他設備之間協作。具備該功能的系統將在市場取得立足之地，並有助於市場以目前的速度增長（從2015年的100萬台增加到2024年的1.65億台，CAGR超過11%）1。而那些不具備該功能的系統將緊隨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.“智慧音箱基本知識：權衡諸多設計因素。”TI.com 白皮書
http://www.ti.com/lit/pdf/slay053?HQS=sys-pe-tv-smartspeaker-contrib-whip-electronicdesign-wwe
1. 2019 SAR Insight & Consulting, SensiAn Research Limited
2. Lo, Wenchau Albert, and Gilbert, Mike.“智慧音箱基本知識：權衡諸多設計因素。”TI.com 白皮書
http://www.ti.com/lit/pdf/slay053?HQS=sys-pe-tv-smartspeaker-contrib-whip-electronicdesign-wwe
關於作者：
Mike Gilbert，德州儀器個人電子產品系統終端設備負責人。Mike擁有超過35年的半導體從業經驗，主要涉及應用、產品定義和市場行銷。過去七年，他任職於德州儀器（TI）的系統工程和市場行銷部門，該部門負責研究系統級的積體電路解決方案，涵蓋從電源管理、信號鏈、介面和無線連接到嵌入式處理等方面。他還擁有工業電機驅動、醫療系統以及個人電子產品方面的系統專業知識。
Mike Gilbert，德州儀器個人電子產品系統終端設備負責人。Mike擁有超過35年的半導體從業經驗，主要涉及應用、產品定義和市場行銷。過去七年，他任職於德州儀器（TI）的系統工程和市場行銷部門，該部門負責研究系統級的積體電路解決方案，涵蓋從電源管理、信號鏈、介面和無線連接到嵌入式處理等方面。他還擁有工業電機驅動、醫療系統以及個人電子產品方面的系統專業知識。
