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2019/03/19

IoT加速建構智慧家居AI應用情境

作者:Johan Pedersen,Silicon Labs Z-Wave/IoT產品營銷經理

智慧家居產業的迅速成長,與語音助理的普及息息相關,例如Amazon Alexa、Apple Siri和Google Home等熱門產品。這些語音助理帶動消費者對智慧家居應用的興趣,儘管內建的功能有限,用戶卻能利用簡單且直覺的指令操作裝置。
 
隨著智慧家居應用趨勢不斷開發,打造貼近消費者居家需求和情境的應用裝置,也成為工程師們的首要課題。為了掌握智慧家居產品的市場商機,製造商還必須克服複雜的技術挑戰,同時降低成本並加速產品上市週期。

智慧家居日漸風行
智慧家居的應用無所不在,這些居家應用能夠自動偵測和因應環境變化,透過感測技術蒐集使用者情境和環境條件。這些情境式應用是透過傳感器與系統無線連接,蒐集住家、住戶和其他相關數據,將數據導入演算與人工智慧(AI)程序中,提升用戶與裝置的互動質量。運用這些情境感測數據打造出的智慧居家環境,使用者能夠以最簡易的語音指令控制周遭裝置,並自動化調整智慧家居的各種應用。
 
這種新興技術透過蒐集住戶實況、位置和其他環境訊息,例如溫度或濕度條件,觸發情境式的應用與服務,透過感測訊息預測用戶的需求並判斷場景,啟動照明、恆溫器和其他裝置。這些由人工智慧和傳感器驅動的情境式智慧家居應用裝置,只有在晶片級技術增強的情況下才能延長電池壽命、遠距離應用、邊緣智慧運算並提升安全性。

新一代傳感器
智慧家居應用的情境感測數據來自家中各種裝置,譬如在場傳感器(occupancy sensor)、穿戴式設備、溫度和監控設備,以及偵測住家外部環境的傳感器。
 
目前智慧家居應用側重控制和管理,讓使用者和屋主能夠執行開關燈、調整溫度的指令,並掌握居家動態。這些智慧家居應用以無線協議來連接各種設備,包括Wi-Fi、Bluetooth、Thread、Zigbee和Z-Wave等,這些通訊標準各有特色,無線協議的選用將直接影響裝置的功能定位和運作。
 
這些無線技術的應用各有利弊,譬如無線裝置耗電量大,需要短距離延伸器、降低處理能力以減少電池損耗等潛在缺點,限制了智慧家居裝置的應用範圍。從室內到庭院的遠距離傳輸或許會力有未逮,電池供電裝置必須頻繁更換電池,例如無線傳感器。
 
不如想像一下,無線傳感器依靠一顆鈕扣型電池至少能夠使用10年,若將它嵌入家中各個角落,便能向機器學習引擎提供感測數據,結合天氣、裝置,以及每日編程觸發訊息,智慧應用裝置便能夠判斷場景,進而將自動化適應帶入居家生活。這些進展能讓住戶獲得保險折扣、節省電源費用並加強居住安全。
 
舉例來說,新一代Z-Wave 700系列晶片組展現更佳的效能,例如延長傳輸距離、更低功耗,可在鈕扣電池上使用十年,並以快速、節能的運算,提升智慧邊緣的處理效能。
 
這些功能可能為一些開發中的新款傳感器提供新契機。 Z-Wave平台700系列的節能、遠距無線通訊特色,讓智慧家庭傳感器突破現有的框架,將應用裝置擴展到庭院和車道盡頭,並能縝密覆蓋住家的各個樓層。 Z-Wave傳感器基於低功耗特性,有效縮減外型尺寸,有利於被嵌入新裝置中,例如家具。
 
這些情境感測式應用需要強大的處理能力和更多內存為基礎,才能在瞬間實現邊緣運算的決策和復雜應用,而不需要加裝協同處理器。
 
當傳感器被嵌入家中牆壁,或是容易淹水、滲水卻難以觸及的位置,甚至是戶外的信箱時,電池的續航力對智慧家居應用裝置便顯得格外重要。這些傳感器訊息也能讓虛擬管家掌握居家情境,這種作法有雙重益處:以更精準、數據驅動效能,預測安全或潛在危險,並增加智慧家居應用案例。
 
把傳感器安裝在信箱裡,未來的智慧家居應用便能在郵件或包裹送達時,亮起燈號或推送通知。居家環境條件出現異常時,靠追踪便能及時預防危險;或是將傳感器安裝在地下室,便能根據長時間的濕度變化判斷是否漏水或發霉。

以互操作性為基礎
智慧家庭的情境感測是透過多具裝置蒐集數據,無線傳輸到另一端後,根據感測資料進行反應。例如Wi-Fi是為了讓連續的數據流能夠穿透牆壁,將計算機與寬帶無線連接;開發Bluetooth則是為了短距離的數據傳輸,例如將耳機連接到手機。在物聯網發明之前,這兩種技術的附加但書並非至關重要,例如傳統的Wi-Fi技術在電池裝置上的操作非常耗電,Bluetooth技術主要是為近距離裝置的提供點對點連接,而非為充滿無線設備的大樓所設計。
 
後續的技術發展如採用2.4 GHz頻段的Zigbee產品,便是透過專用無線「術語」優化各種應用,例如照明、智慧家居和智慧能源。以Z-Wave技術打造的生態系統,則強調跨品牌的互操作性,Z-Wave採用較不擁擠的900 MHz頻段,允許一套開放性的描述和規則,讓由不同製造商出產的各種裝置使用共通的語言。基於它們的互通操作性和安全性,迄今Z-Wave才能開發出最具規模的智慧家居應用系統。
 
在購買智慧家居產品時,裝置的聯機能力不見得是消費者的首要考慮,他們通常較為關注各個裝置的應用功能。我們都是智慧家庭技術的第一線用戶,透過DIY產品開發,住戶不再受限於單一裝置,而能夠為智慧家居的生態系統添加其他互聯設備。因此,裝置的互操作性未來將成為首要之務。燈光、智慧鎖與恆溫器目前或許缺乏共通性並且可能有不同的應用程序,但智慧家居的發展卻與跨裝置通訊息息相關,若要實現各種裝置之間的智慧互聯,並確保安全規範,唯一的辦法就是採用共同的通訊語言。
 
智慧家居情境感測應用的安全性
物聯網為裝置連接、平台與操作系統、通訊、甚至是聯機系統,帶來全新的安全風險與挑戰。當傳感器蒐集的數據涉及住戶與家庭成員位置時,這項應用顯得更加私密,使消費者的疑慮有增無減。隨著智慧家居應用功能更加廣泛。訊息安全無疑是物聯網的關鍵議題,許多企業也開始重視安全性的需求。
 
在各種智慧家庭協議中,Z-Wave沿用已久,也最重視網絡安全議題,其要求裝置必須遵循Z-Wave Security 2(S2)安全架構。在S2之前,Z-Wave建立在應用層之上。由製造商實施安全性,然而並非所有製造商都能具備專業的知識水平,或意識到網絡安全的重要性。目前透過S2安全架構使黑客無法輕易地繞過安全應用層,有效保障了訊息傳輸的安全性。通訊協議基礎大幅提升了傳輸安全,製造商便能更專注的開發高智慧、高互動的智慧家居應用產品。
 
新興的IoT技術加速無線連接和邊緣智慧功能整合。使用壽命至少十年以上的無線傳感器,已經能夠被嵌入過去智慧家庭中難以觸及的位置,使物聯網能自動化響應變動的環境條件與用戶偏好。
 
目前美國家庭平均每戶安裝6到10個智慧家庭設備。 Z-Wave平台的發展實現智慧家庭中,無所不在且經濟實惠的感測環境,使每戶家庭能夠安裝並運作數十個,甚至數百個Z-Wave裝置,同時維持上百萬俱裝置和網關的互操作性。
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