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

陳軍 徐遙令 徐小清

摘要：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)原理和超高清電視終端+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來(lái)鏈接家居IoT設(shè)備，采用AI語(yǔ)音和AI圖像等交互方式、通過(guò)5G網(wǎng)絡(luò)獲取后臺(tái)服務(wù)，實(shí)現(xiàn)AI人機(jī)交互和IoT設(shè)備的交互、管理、控制、監(jiān)測(cè)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)了高品質(zhì)智慧生活。

關(guān)鍵詞：超高清電視；5G；AI；智慧家居

*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。

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。

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。

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。

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。

2.45G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。開發(fā)的5G CPE、5G 模塊和 WiFi6模塊如圖7。

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)（下轉(zhuǎn)第66頁(yè)）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。

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。

參考文獻(xiàn)：

[1] 吳偉.5G的世界：智能家居[M].廣州：廣東科技出版社，2020：4-5.

[2] 王亞麗，高雁鳳.智能家居前景分析及發(fā)展趨勢(shì)[J].智能城市，2019，5（23）：40-41.

[3] 洪文生，徐遙令，沈思寬，等.一種基于語(yǔ)音交互應(yīng)用的全時(shí)AI電視系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案[J].智能城市，2022，29（1）：30-32.