一種超高清電視+5G+AI智慧家居系統(tǒng)設計方案*

*科研項目：工信部公共服務平臺項目——面向“超高清視頻+5G+AI”融合創(chuàng)新應用領域的產(chǎn)業(yè)技術基礎公共服務平臺建設（項目編號：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的通信設備、家用電器和家庭安防裝置，通過家庭總線技術連接到一個家庭智能系統(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)、自動化等技術，對居家生活的家電、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]。目前的智能家居強調系統(tǒng)的自動運行和控制，不具備用戶習慣學習功能、不能了解用戶習慣，不能根據(jù)家庭環(huán)境中人和物的狀態(tài)來作出動態(tài)改變和響應，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)展過程中，以人為中心的姿態(tài)、動作、語音等識別技術的自然人機交互技術已開始應用于智能電視^[3]，人工智能（artificial intelligence, AI）技術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。在AI 技術賦能下，語音和圖像技術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，融合AI 語音和AI 圖像技術后將實現(xiàn)良好的人機交互；以超高清電視為家居IoT 控制中心和入口，與空調、冰箱、洗衣機、廚具等設備可進行可視化交互；超高清電視終端+AI+IoT 成為智慧家居新應用形態(tài)，能夠給人們帶來了高品質智慧生活。

隨著超高清電視+AI+IoT 互聯(lián)設備和應用場景的不斷豐富，家居IoT 設備數(shù)量將爆發(fā)式增長，勢必要求超高清電視終端具有更強大的智能交互和設備互聯(lián)互通能力。5G 網(wǎng)絡具有高速率、低延時、海量設備互聯(lián)等特征，將滿足低延時AI 交互、數(shù)量眾多IoT 設備快捷互聯(lián)的需求，以5G 來構架智慧家居生態(tài)非常必要，超高清+5G+AI 成為智慧家居發(fā)展的方向，將推動智慧家居多個應用場景落地。

本文提出一種超高清電視+5G+AI 智慧家居系統(tǒng)設計方案，詳細闡述了系統(tǒng)原理，介紹了超高清電視終端+AI 遠場語音交互、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 模塊及集成應用等關鍵技術。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 設備通過家庭網(wǎng)絡連接在一起，采用AI 語音和AI 圖像交互方式、通過5G網(wǎng)絡獲取后臺服務，實現(xiàn)AI 人機交互、超高清視頻呈現(xiàn)和IoT 設備的交互等，帶來一種新的智慧家居應用形態(tài)。該方案已得到應用，給用戶帶來了良好的交互體驗和高品質智慧生活。

1 系統(tǒng)原理

超高清電視+5G+AI 智慧家居系統(tǒng)構成如圖1 所示，由人機交互& 設備互聯(lián)、5G 接入、服務平臺3 個部分組成。

圖1 系統(tǒng)構成圖

人機交互& 設備互聯(lián)部分包括超高清電視和各種家居IoT 設備。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 設備通過家庭網(wǎng)絡連接在一起，采用AI語音和AI 圖像交互方式、通過5G 網(wǎng)絡獲取后臺服務，實現(xiàn)AI人機交互、超高清視頻呈現(xiàn)和IoT設備的交互、管理、控制、監(jiān)測等。家居IoT 設備包括智能電視、智能冰箱、智能空調等智能IoT 設備、以及通過ZigBee網(wǎng)關鏈接的加濕器、照明燈非智能IoT設備。

5G接入部分主要是5G CPE和5G基站。5G CPE提供WiFi網(wǎng)絡來組成家庭網(wǎng)絡，5G CPE可以接收/ 發(fā)送5G移動信號、實現(xiàn)5G信號與家庭網(wǎng)絡WiFi信號之間的轉換；同時5G CPE 通過5G 基站連接服務平臺或通過5G 基站接入互聯(lián)網(wǎng)后再連接服務平臺，從而為智慧家庭提供移動寬帶接入、滿足家庭組網(wǎng)需求。服務平臺包括超高清視頻云服務器、AI 處理服務器、酷開后臺音視頻系統(tǒng)等，通過5G 移動網(wǎng)為智慧家居提高超高清視頻服務、AI 語音和AI 圖像交互、IoT 交互等服務。

2 關鍵技術

2.1 超高清電視終端+AI遠場語音交互技術

超高清電視終端+AI 遠場語音交互技術構成如圖2，包括超高清電視終端、5G 網(wǎng)絡、AI 語音服務平臺及用戶。超高清電視終端內置MIC 采集用戶聲音，轉換成語音后，通過5G 網(wǎng)絡傳輸給AI 語音服務平臺；AI 語音服務平臺進行語音識別處理，轉換成指令給到超高清電視端，超高清電視端執(zhí)行指令。用戶通過遠場語音實現(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。

圖2 超高清電視終端+AI遠場語音交互技術構成示意圖

用戶采用遠場語音交互，比采用傳統(tǒng)遙控器或手機等第三方終端來進行交互的方式更方便，通過5G 網(wǎng)絡傳輸語音及指令的時延短，交互響應迅速快捷，語音交互距離可超過10 m、響應可達0.55 s，使得超高清電視終端帶來的不僅是好的視覺體驗、還有良好的語音交互體驗。

2.2 超高清電視終端+AI圖像交互技術

超高清電視終端+AI 圖像交互技術構成如圖3，包括超高清電視終端、5G 網(wǎng)絡、AI 圖像服務平臺及用戶。超高清電視終端內置攝像頭采集場景，轉換成圖像后通過5G 網(wǎng)絡傳輸給AI 圖像服務平臺，AI 圖像服務平臺進行圖像識別處理、轉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AI 圖像處理實現(xiàn)與超高清電視的交互，可以控制超高清電視，采集家庭場景圖像、進行視頻通話和體驗游戲等。

基于超高清電視終端采用AI 圖像交互，可以實現(xiàn)AI健身運動、AI拍照等，如圖4 所示。在AI圖像交互過程中，通過5G網(wǎng)絡傳輸圖像，傳輸速率高、延時小，圖像交互體驗好。

圖3 超高清電視終端+AI圖像交互技術構成示意圖

圖4 基于超高清電視終端的AI健身運動和AI拍照示意圖

2.3 超高清電視終端+AI+IoT互聯(lián)及交互技術

超高清電視終端+AI+IoT 互聯(lián)及交互技術構成如圖5，包括超高清電視終端、各種家居IoT 設備、5G 網(wǎng)絡、AI+物聯(lián)網(wǎng)平臺及用戶，即構成智慧家居系統(tǒng)。超高清電視終端和各種家居IoT 設備在同一個WiFi 局域網(wǎng)內、通過5G CPE與5G網(wǎng)絡聯(lián)通；超高清電視終端是家居IoT設備的控制中心和交互入口，超高清電視終端接收用戶的語音或場景圖像等交互信息，通過5G網(wǎng)絡將交互信息傳輸給AI及物聯(lián)網(wǎng)平臺；AI及物聯(lián)網(wǎng)平臺處理交互信息后、通過5G網(wǎng)絡返回控制信息給超高清電視終端，超高清電視終端根據(jù)返回的控制信息來控制家用設備，實現(xiàn)對家居IoT 設備的控制等操作。

圖5 超高清電視終端+AI+IoT互聯(lián)及交互技術構成示意圖

在智慧家居系統(tǒng)中，用戶可以通過超高清電視終端來進行家居IoT 設備的命名、添加、移除等可視化智能管理，如圖6 所示；通過超高清電視終端可以實時控制、監(jiān)測家居IoT 設備，通過AI 來進行良好的IoT 人機交互。在AI+IoT 互聯(lián)及交互過程中，通過5G 網(wǎng)絡傳輸速率高、延時小，并可滿足數(shù)量眾多的家居IoT 設備需求，IoT交互體驗好。

圖6 超高清電視終端可視化管理家居IoT設備示意圖

2.4 5G模塊及集成應用技術

智慧家居系統(tǒng)采用5G CPE設備來接入5G網(wǎng)絡，5G CPE內置5G模塊和WiFi6模塊，實現(xiàn)5G信號和WiFi6信號的相互轉換，以5G CPE為AP熱點來組建家庭無線WiFi網(wǎng)絡，實現(xiàn)音視頻信號的無線傳輸應用、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。

圖7 5G CPE及5G模塊、WiFi6模塊實物圖

5G CPE 通過5G NR 載波聚合、可擴展OFDM 子載波間隔、MIMO 超多天線布局、抗干擾等技術，保障傳輸速率、合理時延和降低功耗等，實現(xiàn)下行傳輸速率達1 Gbit/s、上行傳輸速率大于500 Mbit/s。

3 系統(tǒng)應用

超高清電視+5G+AI 智慧家居系統(tǒng)方案應用案例如圖7 所示，采用5GCPE 建立外部5G 移動網(wǎng)與家庭場景內部WiFi 局域網(wǎng)間的鏈接，家庭內各種IoT 設備通過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AI 語音等方式來控制智能冰洗、智能空調、智能照明等IoT 設備及進行交互。

圖7 超高清電視+5G+AI智慧家居系統(tǒng)方案應用案例圖

5 結束語

文章提出一種超高清電視+5G+AI 智慧家居系統(tǒng)設計方案，闡述了系統(tǒng)的構成、工作原理及關鍵技術；系統(tǒng)采用5G CPE 建立外部5G 移動網(wǎng)與家庭內部WiFi 局域網(wǎng)間的鏈接，超高清電視終端和各種家居IoT 設備在同一個內部WiFi 局域網(wǎng)內，以超高清電視終端為智慧家居的控制中心和入口，采用AI 語音交互和AI 圖像交互等方式實現(xiàn)各種應用，及控制和監(jiān)測智能冰洗、智能空調、智能照明等IoT 設備。該方案帶來一種新的智慧家居應用形態(tài)，已進行應用示范，產(chǎn)生了良好效益。

參考文獻：

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[3] 洪文生,徐遙令,沈思寬,等.一種基于語音交互應用的全時AI電視系統(tǒng)設計方案[J].智能城市,2022,29(1):30-32.

（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2022年12月期）