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应对智能家居设计中的互联互通和安全性挑战

时间:2018-11-14 作者:赵明灿 阅读:
在开发智能家居产品时,实现互联互通和安全性是开发人员面临的两大挑战。首先,没有统一的行业协议标准,不同产品之间(尤其是不同生态之间)就难以实现互联互通。其次,在家庭网络和互联网之间进行通信,可能会遭受黑客的攻击。此外,对于智能家居中热门的智能语音技术,则需克服语音识别、语义理解及人工智能平台与算法不成熟等技术问题。

在开发智能家居产品时,实现互联互通和安全性是开发人员面临的两大挑战。首先,没有统一的行业协议标准,不同产品之间(尤其是不同生态之间)就难以实现互联互通。其次,在家庭网络和互联网之间进行通信,可能会遭受黑客的攻击。此外,对于智能家居中热门的智能语音技术,则需克服语音识别、语义理解及人工智能平台与算法不成熟等技术问题。

对此,本刊采访了业界领先的几大半导体厂商——Silicon Labs、Infineon、Qorvo和Synaptics,请他们谈谈智能家居领域最新的技术发展趋势,以及针对上述挑战,又有哪些新的解决方案予以应对。

市场趋势:便利、节能、互联、智能

Silicon Labs公司Z-Wave/IoT产品营销经理Johan Pederson表示,在智能家居领域,随着消费者越来越多地认识到这类设备可能为他们生活带来的好处,以及传感器、灯泡和门锁等产品功能和部署的进展,这个行业正在向前发展。有几个智能家居细分领域的采用率正在增长,包括定制安装、专业安装安防系统、零售和新零售,以及电信,每个领域在设备普及和部署方面都有自己的趋势。在中国和亚洲其他国家,多住宅单元楼(MDU)、公寓和住宅的新建为开发商带来机会,他们可以在新建建筑物的同时将智能家居技术添加到其中。此外,在亚洲还出现了一个新趋势,即服务提供商和电信公司在开始提供智能家居技术。

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Silicon Labs公司Z-Wave/IoT产品营销经理Johan Pederson

总体来说,人们希望为家庭管理添加安防功能和智能照明,已成为市场跨界的关键驱动因素,而无线物联网技术的进步则会为传感器类别的新兴普及作出贡献,正是它们在为智能家居提供更多信息。

英飞凌科技副总裁兼数字化安全解决方案事业部大中华区负责人程佳钰则指出,社会老龄化趋势、对可持续能源供应的需求,以及人们环保意识的增强和对家居便利性的追求,都推动着智能家居从一个未来概念变为走进千家万户的现实,作为物联网与人们日常生活最密切相关的一个切入点,在持续推动物联网的发展。

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英飞凌科技副总裁兼数字化安全解决方案事业部大中华区负责人程佳钰

智能家居的市场规模也一直在持续增长,根据“ABI市场数据,2018年第一季度”研究,智能家居市场正在不断增长,预计未来几年智能家居总收入的年均年增长率将为25.0%。新的智能家居安装数量将从2016年的1711万套激增至2022年的7720万套。对于市场而言,这意味着未来几年内将会有很多创新的智能家居元素需求旺盛。

智能家居会配备各种能使生活更加便捷和节能的技术,包括智能家电、移动设备和家庭自动化系统等等,且它们之间还能实现互联。而要做到“智能”,就需要配备合适的半导体解决方案的设备和系统。

Qorvo低功耗无线事业部总经理Cees Link指出,智能家居市场正在出现各种应用,如安全、环境控制(恒温器)、照明等,非常分散。手机上每推出一个新应用,通常都不会和其他应用协同工作,这就形成了一个可供开发的市场。目前智能家居市场处于较新的阶段,尚未真正整合。因此,从根本上来说,需要进行大量学习:消费者需要学习如何使用产品,生产者需要了解存在哪些酷炫产品,芯片供应商则需要找出市场真正需要的技术。

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Qorvo低功耗无线事业部总经理Cees Link

Synaptics物联网部门产品营销总监Ted Kao表示,Synaptics作为一家人机交互技术提供商,一直致力于改善家电在人类生活中的作用。多年来,该公司也不断和业界合作伙伴一起讲解技术方案,将其服务部署进终端产品中。该公司认为,目前这一领域将会持续增长,并随着人机交互技术和互联技术的发展不断加速。

此外,语音助手由于先天具备自然语言交互的优势,已经开始在各种家电设备中部署。“在今年我们所支持的客户项目中,电视、机顶盒比例大幅提高,空调、家庭网关和其他设备也已经逐步有序的展开。”他谈道。

智能家居需要哪些技术

Silicon Labs则在多协议技术方面拥有非常丰富的专业知识。Johan Pederson认为,将网状网络与物联网技术相结合,可以极大地推进产品的互操作性,并使开发人员、服务提供商、集成商以及最终消费者能够接入各种大型多样化的生态系统和多种终端设备,从而获得最佳的智能家居体验。

他介绍说,Silicon Labs最近收购了Z-Wave技术,从而补充了我们面向智能家居全面的无线软硬件产品组合。该产品组合现已包括Wi-Fi、Zigbee、Thread、蓝牙、专有协议以及Z-Wave,使客户能够针对各种应用领域开发智能家居产品,包括照明、安防和舒适性,以及集线器和网关、智能灯泡、传感器、门锁、恒温器、警报器、墙插、安全面板等产品。从仅仅少数设备到整个智能家居控制,这些设备可在所有家庭的智能家居系统中协同工作。目前亚洲市场有一个趋势是安防领域在增长。Z-Wave在安防领域中使用非常广泛;通过与90%的安防服务提供商合作,并与中国的运营商和服务提供商合作提供教育和信息,该公司预计安防产品将会增长。

程佳钰指出,英飞凌在物联网安全、传感器、电源管理以及跨平台控制等方面具备核心优势,可以助力客户打造更智能、安全、和高能效的智能家居解决方案。

英飞凌致力于为客户提供“从产品思维到系统理解”(P2S)的完整解决方案, 能够提供从设备到云端所需的所有产品和解决方案。通过这种领先的易于集成的解决方案、高可靠的产品和强大的全球支持团队,能够帮助客户快速和高效的创建创新的智能家居应用,缩短产品的上市时间。

Qorvo针对中国市场以及全球其他市场,采取垂直营销战略。“我们非常关注远程控制应用,也非常关注照明和安全应用。真正理解这些垂直应用的需求,确定能够满足这些需求的最佳产品,持续降低成本,为我们的客户带来竞争优势。”Cees Link表示。

Ted Kao表示,Synaptics 一直在致力于革新人机交互方式,通过并购Conexant(科胜讯)和Marvell多媒体部门,Synaptics拥有生物识别与控制、语音交互、计算机视觉、多媒体和边缘计算处理器以及接口产品线。

在IoT部门中,智能语音产品线覆盖了语音前端的各个环节,为赋能家居产品提供技术方案。到目前,该公司已经在电视、机顶盒、条形音箱、智能家居控制中心、家庭网关、温控器、空调、冰箱等家电实现了远场语音交互功能。“能做到这么多产品的落地是非常不易的,我们需要配合各大AI平台,理解各种产品特性,配合和支持各类专业领域的系统集成商、ODM和品牌商。”他指出。

在国际上,Synaptics基于Amazon和Google生态体系,服务终端厂商。为了提供最好的用户体验,在中国市场,该公司则配合自动语音识别(ASR)厂商、AI平台厂商、品牌商,主要聚焦于电视、机顶盒、车载设备和其他智能家电领域。

安全、互联互通、低功耗、小尺寸是智能家居设计的重点

安全、互联互通的客户体验,是设计、部署和管理智能家居产品的核心。要实现这一点,就需要有包含不止一种协议的解决方案,来实现无缝的用户界面,Johan Pederson认为。

根据市场调研公司Parks Associates关于消费类智能家居支出的报告《75% of smart home device purchasers value interoperability(75%的智能家居设备购买者重视互联互通性)》,随着每个家庭中设备数量的增加,互联互通对消费者的重要性也在增加。智能家居市场实现互联互通,才能使所有的公司(或大或小)都能参与进来打造产品,并将其连接到不断发展的生态系统。

他指出,Z-Wave是一种可实现智能家居设备互联互通的通信协议,并支持用户通过同一个智能手机应用来操控整个生态系统。目前市场上已有来自700多家制造商的2,400多种设备通过了Z-Wave认证,用户和安装人员可以在各种设备中进行选择,创建自己智能家居,并根据自己的需求和所需功能进行定制。通过使用Z-Wave,公司可以为产品生态系统作出贡献,并通过它提供的互操作性将设备添加到现有的智能家居系统中。而且,Z-Wave技术在不断发展演进,开发时间更快,SmartStart功能可以支撑更简易的安装,并且未来的芯片组能够带来新的功能而增强设备的能力,包括:单个纽扣电池续航时间可以长达10年、处理能力更强和距离更远等。

英飞凌领先的半导体解决方案组合能够助力客户创建创新的智能家居应用,满足当前和未来的需求。“我们的产品可以帮助客户实现智能、安全和节能目标。我们能够一站式地满足客户项目所需的所有产品和解决方案。此外,我们的产品能轻易地集成于客户的设计中。”程佳钰表示,“在客户开拓智能家居领域未开发的新领域时,我们在产品方面及其在智能家居和家庭自动化系统中的深入专业技术知识,将确保我们能够为其提供全面的支持。我们处于关键智能家居技术的最前沿,能够在客户探索新的机遇和商业模式时,引导他们了解这一激动人心的新市场。刚踏入智能家居市场的人士会尤其受益于我们简单易用智能家居的演示和解决方案。”

Cees Link表示,从 Qorvo 收购GreenPeak的第一天起,该公司就一直致力于以最低的功耗实现最稳定的覆盖,即实现最长的电池寿命。“人们希望自己的产品无需过分关注便能始终正常工作,保持互联。所以,尽可能延长使用寿命,这就是我们关注的重点。”他强调。

Ted Kao介绍说,Synaptics的技术主要聚焦在人机交互与接口技术,包含声音与图像处理、生物识别,以及多媒体处理。体现在芯片产品上,从ADC、DSP、传感器到主处理器和NN核,以及集成其内的各种软件算法和SDK。“以智能语音处理解决方案为例,Synaptics独特的智能音源拾取技术,仅仅用2颗麦克风就在多方面超越了其他友商多麦克阵列的性能,再结合低功耗和小尺寸的唤醒词模型,可以将前端处理方案,整体封装在一个尺寸非常小的低功耗模组上,方便客户快速量产各种智能家居产品。同时,在一些多功能家庭终端产品中,Synaptics具备边缘计算能力的处理器能显著增加本地智能,为客户提供更为丰富的产品规格。”他谈道。

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智能音箱技术展示(Synaptics供图)

不同国家智能家居市场的差异

智能家居的应用在全球范围内相同,但在各个地区设备受欢迎的程度以及采用原因却有所不同。例如,在亚洲,安防是最大的推动因素,然后是门锁、传感器等;在美国,智能照明很受欢迎;而在欧洲,能源管理则是用户的主要考虑因素。对于重点关注安防或家庭管理的情况,用户可以通过添加其他可互操作设备,来将其他功能轻松添加到Z-Wave智能家居中,Johan Pederson指出。

Silicon Labs最近在中国开设了一个新的Z-Wave认证测试机构,它可以为中国的制造商提供更大的认证测试能力。Z-Wave认证对确保智能家居设备生态系统的互联互通至关重要,这个过程是由Z-Wave联盟进行管理。

Cees Link认为,在不同国家,智能家居存在很多差异,但没有根本上的差异。“销售模式不同,分销模式不同,人们决定购买的方式不同,安装的方式也不同,但归根结底,最终用于满足全球人民基本需求的技术却没什么不同。”他谈道,“拿汽车举例来说,无论是在中国、美国还是在欧洲买车,大家都喜欢中控锁:只要按一下按钮,就可以锁闭所有车门。安全、保险,没有差异。无论在中国、美国还是欧洲,人们都希望自己和孩子过上安全、舒适又快乐的生活,同样没有差异。”

Ted Kao则介绍,今年在社会学学术界有一个名词,叫做中国的“超大规模性”,这是研究中外差别的一个独特的视角,这在智能家居市场也是存在的。首先,中国人口众多,潜在市场大。也正是由于中国的超大规模性,造成不同地域的产品需求不同,也存在着多套生态体系的并立。以智能语音为例:百度的度秘、腾讯的云小微和叮当、阿里的AILabs、思必驰、科大讯飞,包括各家品牌厂商,也在自己独立搭建。这和国外是非常不同的,整个西方世界也基本上是Google、Amazon和苹果为主。

Synaptics的智能语音技术在智能家居领域,具备超然的独立性,可以和各种平台进行适配,满足设备商、平台商产品设计和商务合作的灵活度。同时也为各生态系统多种产品应用需求提供响应的解决方案。

如何应对互联互通和安全性等挑战

在开发智能家居产品时,实现互联互通和安全性是开发人员面临的挑战。Johan Pederson指出,采用开放标准是实现智能家居互联互通以及设备生态系统的一个关键因素。Z-Wave规范向公众开放,因此云服务开发人员、网关制造商等可以免费、轻松地访问Z-Wave互操作层,并为Z-Wave技术创建插件,而将范围深入到Z-Wave生态系统,并且开发人员能够直接对其他已认证设备和网关进行操作。

要想在家庭网络和互联网之间实现安全通信,产品开发面临多种挑战。智能手机上有很多可远程访问家庭自动化设备的应用,这进一步加剧了这些挑战,尤其是吸引了黑客的注意力。黑客们一直以来对物联网领域很感兴趣,因此消费类产品的安全性显得非常重要。我们每隔不到一个星期,就可以看到有新闻报道说,某个重要公司或政府机构遇到了又一个安全漏洞。

Z-Wave在协议中内置了Security 2(S2)框架,因此制造商能够轻松确保其设备具有最高级别的安全性,并确保它能与相同安全的生态系统互联互通。

另一个挑战在于服务提供商和电信运营商:他们煞费苦心,要如何提供智能家居技术,捆绑哪些产品,如何向客户营销并教育他们,以及如何提高网关接入率。

程佳钰也认为,智能家居面临的最主要的挑战就是安全问题,未受保护的智能家居设备对于攻击者来说非常有吸引力,他们可能会侵入家庭网络,窃取和滥用敏感的个人数据,甚至非法闯入住宅。此外,联网智能家居设备可能会被滥用于更大规模的攻击,如DDOS攻击,可能会摧毁整个服务器网络。

在安全威胁日益严重的时代,安全解决方案可以保护所有活动和系统免受侵害。例如,智能家居需配备智能报警系统,以确保安全。生物特征压力传感器可自动从一个打开的窗口检测气压变化的,触发警报系统,吓跑入侵者。此外,智能家居通过视频、传感器、摄像头和麦克风收集大量数据,相应的数据安全和隐私措施可防止数据落入坏人之手。

能否帮助厂商和消费者了解面临的威胁并提供足够安全保护机制,将是智能家居能否取得成功的关键。英飞凌的OPTIGA Trust和OPTIGA TPM等硬件安全解决方案可以帮助客户完美的解决智能家居中的身份验证、安全通信、安全数据存储、数据完整性,以及固件升级等安全问题,为智能家居保驾护航。

对于智能家居设计中存在的挑战,Cees Link表示,我们都在寻找正确答案。“以我的经验来看,我们发明了 WiFi 并于 1991 年推出了首款产品,当时它非常难卖。我们必须真正地向人们展示 WiFi 的价值,需要找到正确的使用模型、合理的成本/价格定位、正确的应用,以及正确的套件/集成,一直到 1999 年,WiFi 才开始真正发展。自此之后 WiFi 飞速发展,并且简单易用,现在,如果您想找到一部没有配备 WiFi 的手机、平板电脑或笔记本电脑,那根本不可能!”他表示,“对于智能家居,或物联网,我们正在经历相同的历程:什么才是正确的模型、合理的成本/价格定位、正确的应用,以及正确的套件/集成等,我们试图从根本上来引导思想:如何将其集成到服务模型中以发挥价值,如何让其易于安装。与此同时,许多人在不断开拓创新,我们都在共同学习和探索智能家居如何真正提供价值。”

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智能家居展示图(Qorvo供图)

Ted Kao指出,首先,没有统一的行业协议标准,这就会造成不同产品间,尤其是不同生态之间,难以互联互通。对于语音智能家居来讲,由于智能平台(尤其是ASR)的封闭性,许多方案会将唤醒词、前端处理、模组和ASR打包一起使用,这对客户最优化产品方案和供应链安全来讲都不太理想。

其次,在智能语音领域,中国地域广大,口音众多,文化多元,在唤醒词的开发和语音识别和语义理解的技术领域,挑战较大。还有,家居企业对物联与传感技术,以及人工智能平台与算法的采用尚在起步阶段,因此会有一个探索的过程。

Synaptics作为行业领先的人机交互方案技术提供商,致力于在智能家居中发挥“桥梁”的作用。比如,通过提供独立的远场语音解决方案来匹配不同的ASR引擎,提供交钥匙产品方案实现单一语音产品对多种家电产品的统一控制。通过提供SoC、DSP、音频编解码器和针对不同类型智能家居产品应用需求的算法,来为不同需求和具备不同技术优势的合作伙伴提供整体解决方案。

细数智能家居市场成功案例

目前,Silicon Labs在多个层面上在与智能家居社群成员合作。Johan Pederson表示,在中国,该公司正在与新建筑开发商和新住宅建筑商合作,在施工过程中安装智能家居产品。

程佳钰介绍说,2018年5月,英飞凌携手美的推出新一代智能门锁解决方案,充分发挥了英飞凌在高性能安全芯片领域的技术优势,并深度结合了美的在家电行业的系统设计经验。作为首款由银行卡检测中心(BCTC)实施技术检测并参与完善风险防范机制的智能锁解决方案,安全性能得到全面提升,使消费者更安心;英飞凌的高性能安全芯片更是通过了国际权威的CC EAL5+金融级安全认证,为美的的智能门锁提供硬件级别的安全保证,并推动中国智能家居行业的进一步发展。

英飞凌一直致力于中国智能家居的合作与发展,在2016年11月,英飞凌与合作伙伴在北京联合发起成立“智慧家居互联安全开放实验室”,旨在针对物联网在家居领域的应用开展技术交流。开放实验室的合作伙伴整合基于英飞凌硬件的安全解决方案,以满足智能家电和家居自动化的通信需求。

Cees Link认为,Qorvo的成功应用案例有很多,但最有趣的要数辅助生活。“这项应用能够帮助老年人延长自己独自在家生活的时间,而在出现某些问题时,又能给他们的家人/朋友发送提醒。简单版本就是随身佩戴一种按钮,出现问题时只需按下按钮就可以。但事实是,人们可能不想佩戴这种按钮,或者在事情发生时(例如洗澡时),他们正好没有佩戴这种按钮。所以,智能家居其实是一套家庭传感器(没有摄像头),它能够逐渐了解人员的行为习惯:这个人什么时候起床,什么时候完成日常活动,外出购物一般花费多长时间,等等。如果出现异常,它就会给监护人(例如家人、朋友、护工等)发送消息。这个系统采用了AI(人工智能)引擎,可以自动了解人员的行为习惯,也可以随时间变化来适应缓慢变化。这听起来很简单,实际上非常复杂,但这是一个非常典型的智能家居示例。”他谈道。

Synaptics则从2014年即开始协助客户开发智能语音产品,也创造了多个第一,例如:和三星一起开发出全球第一台远场智能语音电视;和LG U+一起开发出全球第一台远场语音机顶盒;和乐视一起开发出国内第一台远场语音电视;和腾讯云小微以及海美迪推出国内第一家远场语音OTT Box;和合作伙伴开发出国内第一批远场语音空调、热水器、台灯等家电产品;Amazon Alexa第一获得认证和宣布的远场语音解决方案,等等,Ted Kao介绍说。

正在研究哪些新技术?

随着智能家居产品的开发向前进步,工程师需要设计更加适应消费者以及使用环境的设备。为了抓住智能家居设备的新机遇,制造商必须克服复杂的技术挑战,并且兼顾设备成本以及上市时间,Johan Pederson指出。

Silicon Labs今年早些时候收购了Z-Wave业务,Z-Wave技术随之继续发展。Silicon Labs将在下一代Z-Wave平台上提供新功能来支持这项创新。未来的改进会包括覆盖范围更广、单个纽扣电池的电池寿命更长,以及处理能力更强等等。这些进步将推动无线连接和边缘智能的融合。电池寿命长达十年以上的无线传感器很快就会面世,这样我们就能将其嵌入到智能家居中难以触及的角落,而使物联网系统能够自动响应不断变化的环境条件和用户偏好。随着Z-Wave平台的进步,智能家居中有望实现无处不在、经济实惠的传感,而使每个家庭部署数十甚至数百个Z-Wave设备成为可能,它们同时还能与目前已安装的数百万Z-Wave设备和网关保持互联互通。

Cees Link认为,智能家居相关技术就在我们周围,对于物联网和智能家居,我们面临的真正挑战在于如何一致且便捷地推出这些技术。例如,“我家有一套照明系统,它配有运动传感器,一旦有人进入房间,它就会将灯打开。同样,在这个房间里,我们还配备了能够触发警报的运动传感器,以防窃贼闯入家中。我的太太一直问我:我们为什么要装两个运动传感器?我非常赞同她的观点,装两个确实非常疯狂!我们还有很多的工作要做!”

Ted Kao透露,在硬件领域,Synaptics正在研究集成了处理器、超低功耗DSP、神经网络加速和支持边缘计算的新一代芯片;在软件领域,正在开发下一代降噪解决方案——它基于神经网络算法,能对噪声抑制有更好的效果。

他总结说,中国多年来都在强调品牌战略,然而,随着智能产业的兴起,尤其是类似Alexa、Google生态系统的打造,品牌都需要紧跟平台的策略。说到底,谁最终接触消费者,谁具备信息交互咽喉的要道,谁就会是控局的一方。因此,相信各大家电品牌商、智能生态厂商和平台商都会积极地进行布局、收购、投资与新建团队,甚至对组织架构进行大的调整,这将会是行业的一个显著特征。所有的这些努力,都会促进行业有序、健康的发展。相信智能家居市场会是消费转型的一个源动力。

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赵明灿
赵明灿是EDN China的产业分析师/技术编辑。他在电子行业拥有10多年的从业经验。在加入ASPENCORE之前,他曾在电源和智能电表等领域担任过4年的工程师。
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