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2018年7月13日 星期五
‧ 2018\07\13\3S Market Daily 智慧產業新聞
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．智慧家庭無線協議的發展歷史及重要性
Smart Home Solution Presentation
來源：千家网
據Crimson Hexagon最近的一份報告發現：「從2014年到2017年，智慧家庭技術開始受到人們的廣泛關注，超過60％的消費者，對智慧家庭技術表現出了極大的興趣。」如果你從事物聯網行業工作，那麼你可能會對報告及數據比較熟悉，因為這預示著智慧聯網家庭的未來市場發展機會。
我們都知道，消費者在選購智慧家庭產品時，往往會受到很多因素的影響，如娛樂性、便利性、安全性，以及提升家庭能源利用效率，和減少能源支出等等。
但是，在這些背後，我們都知道，智慧家庭發展最大的阻礙因素之一就是智慧家庭設備的互操作性，和越來越多的無線協議。
類似Z-Wave和Wi-Fi這樣的無線協議，作為物聯網基礎設施的重要支柱； 在某些情況下，設備之間使用的這些語言，創建了支離破碎或封閉的生態系統，往往給終端用戶造成困惑及應用障礙。
隨著現代智慧家庭越來越受歡迎，相應的協議及其功能的數量，也越來越多。儘管工程師，開發人員以及製造商，都試圖創造他們認為最佳用戶體驗的產品，並引入了新的協議和技術，但大家都想統一標準，連接控制所有的產品。為了更好理解我們如何達到當前智慧家庭的協議狀態，我們來看一段簡短的歷史。
物聯網之前的物聯網
首先，智慧家庭中無線協議的功能是什麼？
簡而言之，協議是設備如何相互通信和理解的語言或功能。許多人認為現代智慧家庭協議的出現，可追溯到20世紀70年代X10（一種國際通用的智慧家庭電力載波協議）的創建，它是第一個用於電子設備的通用通信協議。
不久之後，又開發了各種其它協議，包括Z-Wave，以及UPB（通用電力線總線），WiFi和Insteon（一種複雜度低、功耗低、數據傳輸速率低、成本低的雙向混合通信技術，具有即時響應、易安裝、易使用、經濟可靠和與X10相容的特點）等以解決消費電子和家庭控制市場的各種問題。
UPB於1999年發佈，使用電力線接線進行信號和控制，透過家中現有的電線，提供高水平的可靠性和傳輸速率。這是一項技術性很強的技術，對於那些幾乎沒有相應技術知識的，DIY人群來說很難採用。
另外，在90年代早期引入WiFi來傳輸大量數據。今天，WiFi在智慧家庭中，允許設備連接，並讓用戶享受家庭設備的遠端控制。但是，WiFi確實存在和面臨諸如高干擾、高功耗等挑戰，這對於電池供電的產品來說，並不理想。
繼WiFi之後，Z-Wave和Insteon等新一代協議，透過提供高效、低功耗連接和利用網狀網路，來增強網路信號，主要為家庭控制而設計。
智慧家庭的早期技術
Insteon由Smartlabs Inc.設計，旨在解決基於電力線和無線協議之間連接。它們在當時是一種獨特的解決方案，但它們封閉的生態系統，使得消費者很難採用。
作為早期的網狀網路技術，Zigbee由Home RF聯盟開發，是一種無線專有協議，具有許多不同的「配置文件」，主要用於商業、能源和遠端控制市場。與Zigbee一樣，Z-Wave也是一種網狀網路協議，由丹麥公司Zensys於2001年推出，現在為Silicon Labs擁有。
Z-Wave是專門為智慧家庭打造的；家庭控制愛好者和開發人員都知道，要想獲得成功，標準不僅必須使用低功率電源，而且不會干擾其他家用電子產品，而且隨著設備的增加，而變得更強。
作為家庭控制的原始網路網技術之一，Z-Wave的傳統至今仍在繼續。Z-Wave由Z-Wave聯盟提供支持，Z-Wave聯盟是行業領導者的成員聯盟，致力於推廣標準，在撰寫本文時，擁有超過2400個經認證的Z- Wave設備和700多名成員。
智慧家庭協議新成員
在過去幾年中，隨著智慧家庭技術的發展，對低功耗網狀網路作為智慧家庭技術支柱需求，促使其它標準組織不斷探索自己的技術。
我們已經看到像Thread（由三星、Nest、ARM、Big Ass Fans、飛思卡爾和Silicon Labs公司聯合推出， 是一種基於IP的無線網路協議，用來連接家裡的智慧產品。）以及藍牙技術組織（SIG）和WiFi聯盟等現有標準組織，已經宣佈了自己的藍牙網狀網路和WiFi HaLow網狀網路協議版本。
Thread是由Google和其它對智慧家庭感興趣的大公司，在2014年發起。Thread天生支持IPv6，旨在與Google和Nest合作，但不解決產品級互操作性問題。藍牙網格由SIG於2017年正式推出，與目前已知的藍牙點對點通信相比，具有不同的功能。
而WiFi HaLow網狀網協議，目前來自主要晶片組供應商的工程師，對WiFi HaLow的功耗問題表示擔憂，擔心該協議會對電池供電的智慧家庭設備消耗太多能量。
此外，許多較新的協議，如WiFi HaLow可能需要很長時間，才能被製造商採用，並為消費者創造合理的產品，這對於他們的發展來說是一大障礙。
智慧家庭協議未來將如何發展？
智慧家庭市場還將繼續成長，到目前為止，我們還沒有看到足夠多的跡象顯示，某一種標準或技術未來會一統天下。但我們有責任幫助消費者瞭解，他們所帶回家的產品，以及每種技術在實際應用，所中發揮的作用。
例如，WiFi將成為所有智慧家庭產品連接的組成部分，特別是如果用戶希望能夠在家庭之外，遠端訪問他們的設備。而藍牙將在智慧鎖市場中，發揮了關鍵作用，讓消費者用智慧手機在走到前門時，可以輕鬆地開門。
Z-Wave在安全系統中，仍然是一項突出技術，連接燈、溫控器、門鎖、傳感器及其它外圍設備，使家庭真正智慧化。
現在比較常用的網路協議有 WiFi、藍牙、ZigBee、Z-Wave，不過都有不足，例如：
WiFi的功耗比較大，適合傳輸大量的數據；
藍牙功耗比較低，但現在還存在藍牙2.0與藍牙4.0並存的混亂局面，且不支持IPv6；
ZigBee技術比較複雜，研發成本高；
Z-Wave由丹麥公司Zensys主導，暫時還沒有ZigBee聯盟強大。
．能監測血糖的隱形眼鏡
Bizline _ Smart Contact Lenses for Diabetes Management
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來源:智能发现之旅
說起對血糖進行即時監控的手段時，糖尿病患者的選擇十分有限。
醫學研究人員一直在尋找，一種無創的替代方法，來進行隨時隨地的自我檢測，至少發明出可以皮下佩戴的全天候傳感器。現在有一支韓國研發團隊，找到了一個解決方案：用隱形眼鏡監視眼淚中的葡萄糖含量。
這不是第一次有人想到隱形眼鏡。早在2014年，谷歌便宣佈開發一種可以測血糖的隱形眼鏡，但至今尚未完成—如果它還在開發中的話。
韓國蔚山國立科學和技術研究院的材料科學家Jihun Park，及其同事已經在兔子身上進行了原型實驗和測試，並報告說它不會引起不良反應。
而且它柔軟又有彈性，只有極少數的剛性部件，盡可能舒適地滿足佩戴者。它既不含易碎和厚重的成分，不會阻擋視力或傷害眼睛。
隱形眼鏡內的組件圍繞邊緣排列，遠離瞳孔。它們由一個葡萄糖傳感器，一個朝外的小型綠色LED，一個天線和一個整流器組成，全部由超細柔性電線連接。
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| Park et al， Science Advances |
天線和整流器接收來自發射器的射頻信號，並將其轉換成電能，滿足葡萄糖監測器和LED微弱的電力需求。
當葡萄糖水平飆升到高點時，朝向外的LED會被關閉，因此不會干擾到正常視物。
這也意味著佩戴者，不得不透過鏡子來查看，自己的血糖的含量，但它確實有效，即使眼淚中的葡萄糖濃度，比血糖濃度低5－10倍。
聽起來好像很笨重，但鏡片內部的部件——即使是剛性部件，如葡萄糖監測器中的矽墊片，也只是鏡片本身厚度的百分之一。
該團隊尚未進行人體測試，但他們已經在兔子身上進行了測試。報告說，兔子對鏡片沒有任何不良反應。
這一點尤為重要，因為葡萄糖監測儀，使用葡萄糖氧化酶與糖結合 ——此過程的副產品是過氧化氫，可能會損傷或刺激眼球。
它不僅安全性良好，而且研究團隊發現鏡片準確地追蹤了兔子的血糖水準。
在人類可以使用之前，或許還有一段路要走，但現在至少表明這條路是可行的，未來只是一個時間問題。
「使用活體兔子進行的體內測試……為應用於人眼和眼淚的未來智慧隱形眼鏡，進行非侵入性衛生監測，實驗提供了實質性的安全承諾。」他們在報告中寫道。
該研究已發表在《科學前沿》Science Advances上。
．智慧語音技術中麥克風陣列的原理
Speech Recognition - Smart Microphone - NVIDIA Jetson
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來源：爱电子
麥克風陣列(Microphone Array)，從字面上，指的是麥克風的排列。也就是說由一定數目的聲學傳感器(一般是麥克風)組成，用來對聲場的空間特性，進行採樣並處理的系統。
早在20世紀70、80年代，麥克風陣列已經被應用於語音信號處理的研究中，進入90年代以來，基於麥克風陣列的語音信號處理算法，逐漸成為一個新的研究熱點。而到了「聲控時代」，這項技術的重要性顯得尤為突出。
麥克風陣列能幹什麼?
任何一項技術的發生發展，都伴隨著問題的提出及解決，麥克風陣列也是如此。那麼它主要應用在哪些場景下呢？又有著怎樣的功能!
噪聲環境怎麼破？— 語音增強
語音增強是指，當語音信號被各種各樣的噪聲(包括語音)干擾甚至淹沒後，從含噪聲的語音信號中，提取出純淨語音的過程。所以Ding Dong在嘈雜環境下，也能準確辨識語音指令。
透過麥克風陣列波束形成，進行語音增強示意圖
從20世紀60年代開始，Boll等研究者先後提出了，針對使用一個麥克風的語音增強技術，稱為單通道語音增強。因為它使用的麥克風個數最少，並且充分考慮到了，語音譜和噪聲譜的特性，使得這些方法在某些場景下，也具有較好的噪聲抑制效果，並因其方法簡單、易於實現的特點，廣泛應用於現有語音通信系統與消費電子系統中。
但是，在複雜的聲學環境下，噪聲總是來自於四面八方，且其與語音信號在時間和頻譜上，常常是相互交疊的，再加上回波和混響的影響，利用單麥克風捕捉相對純淨的語音，是非常困難的。而麥克風陣列融合了語音信號的空時資訊，可以同時提取聲源並抑制噪聲。
目前科大訊飛已經實現了基於線性陣列、平面陣列，以及空間立體陣列的波束形成和降噪技術，效果均達到業界一流水平。
說話人老是變幻位置怎麼破？—聲源定位
現實中，聲源的位置是不斷變化的，這對於麥克風收音來說，是個障礙。麥克風陣列則可以進行聲源定位，聲源定位技術是指，使用麥克風陣列來計算，目標說話人的角度和距離，從而實現對目標說話人的跟蹤，以及後續的語音定向拾取，是人機交互、音視訊會議等領域，非常重要的前處理技術。
所以麥克風陣列技術，不限制說話人的運動，不需要移動位置以改變其接收方向，具有靈活的波束控制、較高的空間分辨率、高的信號增益，與較強的抗干擾能力等特點，因而成為智慧語音處理系統中，捕捉說話人語音的重要手段。
所以麥克風陣列技術，不限制說話人的運動，不需要移動位置以改變其接收方向，具有靈活的波束控制、較高的空間分辨率、高的信號增益，與較強的抗干擾能力等特點，因而成為智慧語音處理系統中，捕捉說話人語音的重要手段。
室內回聲太大怎麼破？—去混響
一般我們聽音樂時，希望有混響的效果，這是聽覺上的一種享受。合適的混響會使得聲音圓潤動聽、富有感染力。混響(Reverberation)現象，指的是聲波在室內傳播時，要被牆壁、天花板、地板等障礙物形成反射聲，並和直達聲形成疊加，這種現象稱為混響。
但是，混響現象對於辨識就沒有什麼好處了。由於混響則會使得不同步的語音相互疊加，帶來了音素的交疊掩蔽效應(Phoneme Overlap Effect)，從而嚴重影響語音辨識效果。
影響語音辨識的部分，一般是晚期混響部分，所以去混響的主要工作重點，是放在如何去除晚期混響上面，多年來，去混響技術抑制，是業界研究的熱點和難點。
利用麥克風陣列去混響的主要方法有以下幾種：
利用麥克風陣列去混響的主要方法有以下幾種：
1、基於盲語音增強的方法(Blind signal enhancement approach)，即將混響信號作為普通的加性噪聲信號，在這個上面應用語音增強算法。
2、基於波束形成的方法(Beamforming based approach)，透過將多麥克風對收集的信號，進行加權相加，在目標信號的方向形成一個拾音波束，同時衰減來自其他方向的反射聲。
3、基於逆濾波的方法(An inverse filtering approach)，透過麥克風陣列估計房間的房間衝擊響應(Room Impulse Response, RIR)，設計重構濾波器來補償來消除混響。
現在科大訊飛，實現的基於麥克風陣列的去混響技術，能很好的對房間的混響情況，進行自適應的估計，從而很好的進行純淨信號的還原，顯著的提升了語音聽感和辨識效果，在測試對比中，多種混響時間下辨識效果，接近手機近講水準。
混響語音信號頻譜
說話人太多怎麼破？—聲源信號提取(分離)
家裡人說話太多，Ding Dong聽誰的呢？這個時候就需要Ding Dong聰明的辨別出哪個聲音才是指令。而麥克風陣列可以實現聲源信號提取，聲源信號的提取就是從多個聲音信號中，提取出目標信號，聲源信號分離技術，則是將需要將多個混合聲音全部提取出來。
透過麥克風陣列波束形成做語音提取和分離
利用麥克風陣列做信號的提取和分離，主要有以下幾種方式：
1、基於波束形成的方法，即透過向不同方向的聲源，分別形成拾音波束，並且抑制其他方向的聲音，來進行語音提取或分離：
2、基於傳統的盲源信號分離(Blind Source Separation)的方法進行，主要包括主成分分析(Principal Component Analysis，PCA)和基於獨立成分分析(Independent Component Analysis，ICA)的方法。
進擊的麥克風陣列
麥克風陣列技術，雖然已經可以達到相當的技術水準，但是總體上還是存在一些問題的，比如當麥克風和信號源距離太遠時(比如10m、20m距離)，錄制信號的信噪比會很低，算法處理難度很大；對於便攜設備來說，受設備尺寸以及功耗的限制，麥克風的個數不能太多，陣列尺寸也不能太大。
而分布式麥克風陣列技術，則是解決當前問題的一個可能途徑。所謂分布式陣列，就是將子陣元或子陣列，佈局到更大的範圍內，相互之間透過有線或者無線的方式，進行數據的交換和共享，並在此基礎上進行廣義上的聲源定位、波束形成等技術實現信號處理。
而分布式麥克風陣列技術，則是解決當前問題的一個可能途徑。所謂分布式陣列，就是將子陣元或子陣列，佈局到更大的範圍內，相互之間透過有線或者無線的方式，進行數據的交換和共享，並在此基礎上進行廣義上的聲源定位、波束形成等技術實現信號處理。
相對於目前集中式的麥克風陣列，分布式陣列的優勢，也是非常明顯的。首先分布式麥克風陣列(尤其無線傳輸)的尺寸的限制，就不存在了；另外，陣列的節點可以覆蓋很大的面積——總會有一個陣列的節點距離聲源很近，錄音信噪比大幅度提升，算法處理難度也會降低，總體的信號處理的效果，也會有非常顯著的提升，因此分布式陣列，有可能是未來智慧家庭和會議系統中的主流方案。
在萬物互聯的今天，麥克風陣列技術已經深刻的走進了我們的日常生活。在智慧車載、智慧家庭、機器人、可穿戴設備等應用熱潮正興起的時代，語音交互由於其便捷性，成了人機交互入口的第一選擇，麥克風陣列自然也成為其中非常重要的前端技術。