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近年来,智能硬件在中国市场发展迅速,而这些智能硬件到底是如何运行的?本文将智能硬件拓展到他的底层技术,一层层递进,从物联网运行原理这个角度来说明智能硬件到底是怎么运行在我们的生活中的,欢迎感兴趣的伙伴们阅读。

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前言

近年来,智能硬件在中国市场发展迅速,比较火爆,基本我们日常生活中可以看到的物品都可以做成智能硬件,市场上智能硬件层出不穷,丰富多彩,“万物均可智能”。

一个数据:中国智能硬件市场发展较快,有数据显示,2020年智能硬件市场规模约为10767亿元,2017-2020年的复合增长率为39%。随着科技的发展以及智能终端产品多样化的发展趋势,预计2022年中国智能硬件市场规模将达到15787亿元。目前市场上智能硬件普及程度开始提升,且产品种类更趋多样化,加上消费升级趋势下,智能硬件作为优质产品更受青睐,市场稳步扩大。

2020年,中国智能硬件行业以智能家居设备为主,占比30.6%;其次为智能穿戴设备,占比20.0%。随着国家大力推进“中国智造”,一系列政策利好,预计未来增长空间较大的细分领域为智能可穿戴设备、智能家居设备等。

预计2020-2026年中国智能硬件行业市场规模将会保持较快发展,按照20%的年均复合增长率预计,到2026年中国智能硬件行业的市场规模将会达到2万亿元。

这些在我们生活中给我们提供便利的智能硬件他们到底是如何运行的,本文将智能硬件拓展到他的底层技术,一层层递进,从物联网运行原理这个角度来说明智能硬件到底是怎么运行在我们的生活中的,涉及很多概念请各位耐心查看。

一、什么是硬件

智能硬件基于硬件,所以首先我们需要搞清楚什么是硬件,以及他如何发展的。

从学术的角度来看,硬件是计算机硬件的简称,是指计算机系统中由电子、机械及光电元件等组成的各种物理装臵的总称,是人类处理运算与储存资料的重要元件。简而言之,硬件的功能是输入并存储程序、数据,以及执行程序把数据加工成可以利用的形式。从外观上来看,现今的微机由主机箱与外部设备组成。主机箱内主要包括 CPU、内存、 主板、硬盘驱动器、光盘驱动器、各种扩展卡、连接线、电源等;外部设备包括鼠标、键盘等。

从广义的角度,若将硬件这一范围再扩大,去看整个计算文明的发展,可以追溯到半导体时代,信息技术最早发源于半导体,半导体材料的发明对 20 世纪的人类文明影响巨大。 1833 年,英国科学家巴拉迪首先发现硫化银材料的半导体现象,至今半导体已经成为必不可少的底层材料。时至今日,几乎所有电子产品与计算机组件里都有半导体的存在。可以说, 半导体为三次计算文明(PC 互联网、移动互联网、元宇宙)奠定了基础。

ps:半导体的作用是成为信息处理的元件材料。目前世界上很多电子产品,如计算机、移动电话、数字录音机的核心单元都是利用半导体的电导率变化来处理信息。常见的半导体材料有硅、锗、砷化镓等,而硅更是各种半导体材料中,在商业应用上最具有影响力。半导体还可以制成的部件、集成电路等是电子工业的重要基础产品。

半导体材料、器件、集成电路的生产和科研已成为电子工业的重要组成部分。 集成电路它是半导体技术发展中最活跃的一个领域,已发展到大规模集成的阶段。在几平方毫米的硅片上能制作几万只晶体管,可在一片硅片上制成一台微信息处理器,或完成其它较复杂的电路功能。

集成电路的发展方向是实现更高的集成度和微功耗,并使信息处理速度达到微微秒级。 微波器件半导体微波器件包括接收、控制和发射器件等。毫米波段以下的接收器件已广泛使用。在厘米波段,发射器件的功率已达到数瓦,人们正在通过研制新器件、发展新技术来获得更大的输出功率。 电子器件半导体发光、摄象器件和激光器件的发展使光电子器件成为一个重要的领域。它们的应用范围主要是:光通信、数码显示、图像接收、光集成等。

半导体存储器第四次工业革命背后的科技发展中发挥着重要作用,如大数据、人工智能(AI, Artificial Intelligence)、物联网(IoT, Internet of Things)、智慧工厂和自动驾驶汽车等。因此,过去几年来,半导体存储器的重要性和需求与日俱增,并预计在未来迎来进一步增长,形成推动创新技术发展、突破现阶段能力基础的驱动力。

这也是为什么半导体近几年这么重要的原因。

二、什么是智能硬件

了解了硬件,我们再来看看什么是智能硬件。

智能硬件是继智能手机之后的一个科技概念,通过软硬件结合的方式,对传统设备进行改造,进而让其拥有智能化的功能。智能化之后,硬件具备连接的能力,实现互联网服务的加载,形成“云+端”的典型架构,具备了大数据等附加价值。智能硬件移动应用则是软件,通过应用连接智能硬件,操作简单,开发简便,各式应用层出不穷,也是企业获取用户的重要入口。

智能硬件是以平台性底层软硬件为基础,以智能传感互联、人机交互、新型显示及大数据处理等新一代信息技术为特征,以新设计、新材料、新工艺硬件为载体的新型智能终端产品及服务。随着技术升级、关联基础设施完善和应用服务市场的不断成熟,智能硬件的产品形态从智能手机延伸到智能可穿戴、智能家居、智能车载、医疗健康、智能无人系统等,成为信息技术与传统产业融合的交汇点。

三、什么是物联网

智能硬件我们再扩大一个概念就是物联网(LOT),智能硬件产品是物联网应用落地的体现方式之一。想要知道智能硬件的底层一定要设计一个技术-物联网。目前智能硬件都基于物联网技术底层逻辑进行信息交互,但还没有达到万物互联的状态,不过已经走在物物互联的路上了,比如:天猫精灵可以控制电视、窗帘、灯具等等。

那么什么是物联网呢?

物联网( IoT ,Internet of things )即“万物相连的互联网”,是互联网基础上的延伸和扩展的网络,将各种信息传感设备与网络结合起来而形成的一个巨大网络,实现任何时间、任何地点,人、机、物的互联互通。

物联网是新一代信息技术的重要组成部分,IT行业又叫:泛互联,意指物物相连,万物万联。由此,“物联网就是物物相连的互联网”。这有两层意思:

  1. 物联网的核心和基础仍然是互联网,是在互联网基础上的延伸和扩展的网络;
  2. 其用户端延伸和扩展到了任何物品与物品之间,进行信息交换和通信。

因此,物联网的定义是通过射频识别、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备,按约定的协议,把任何物品与互联网相连接,进行信息交换和通信,以实现对物品的智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。

四、物联网发展历程

物联网发展可能对于大多数人来说感知到的也就近几年的事情,但是其实物联网发展已经历经了22年。

1900年,来自卡内金梅隆大学的程序员将一台可口可乐自动售卖机连接到互联网,让工程师无需下楼就知道还剩多少可乐,这个是名义上最早的物联网设备。

1991年,来自英国剑桥大学的特洛伊咖啡壶吸引了百万人关注。剑桥大学的科学家们编写了一套程序,利用便携式摄像机捕捉图像,以三帧每秒的速率传递到计算机上,便于查看咖啡是否煮好,这是世界上第一个网络摄像头。

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1995年,微软帝国的缔造者比尔盖茨撰写了轰动全球的未来之路,在该书中,比尔盖茨也提到了物联网的构想。

1998年,英国工程师Kevin Aston在宝洁公司的一次演讲中首次提出物联网概念,把所有物品通过射频识别等信息传感设备与因特网连接起来,实现智能化识别和管理,该工程师也因此被称为”物联网之父”。

2003年,美国技术评论提出,传感网络技术将是未来改变人们生活的十大技术之首。

2005年,在突尼斯举行的信息社会世界峰会上,国际电信联盟发布了《ITU因特网报告2005》正式提出了物联网的概念。报告指出,无所不在的物联网通信时代即将来临。

2009年,IBM提出物联网战略智慧地球,标志着物联网进入到快速发展期

2013年,谷歌眼镜发布,这是物联网和可穿戴技术的一个革命性进步。

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2014年,亚马逊发布了Echo智能扬声器,开启智能音箱及智能家居时代。

2015年至2018年期间,阿里巴巴百度腾讯相继成立IOT物联网事业部。

2019年,沃达峰发布了2019年物联网报告,调查发现,超过1/3的公司现在正在使用物联网。

物联网经过22年的发展,尤其在近几年广泛应用在我们生活中,那么他到底是如何运行的呢?

五、物联网到底是怎么运作的?

简单来说,物联网就是具有唯一标识符 ( UID )的设备,能够通过网络传输数据并且计算数据,并且支持应用网络(即输入/输出控制终端,可基于现有的手机,PC等终端进行)控制或回显,再通俗一点来说,就是智能硬件通过收集的数据和网络进行交互,网络通知到硬件并且给出相应的反应,同时可以在app上查看对应记录甚至可以控制处理硬件的过程。

下图可以很直观的看出物联网是如何运行的:

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六、物联网的关键底层技术

通过物联网运行的原理我们不难发现,物联网运行起来是基于硬件、网络、云计算等硬条件的,但实现物联网不仅仅简单的这几个我们熟知的硬条件,更依赖于物联网独有的关键技术实现了物和网的连接。

实现物联网有着必要且核心的3层结构,首先是传感网络,以二维码、RFID(射频识别技术)传感器为主,实现“物”的识别;其次是传输网络,通过现有的互联网、广电网络、通信网络或者未来的NGN(下一代网络),实现数据的传输与计算;第三是应用网络,即输入/输出控制终端,可基于现有的手机,C等终端进行。物联网核心技术也都在围绕这三层进行突破。

接下来简单介绍一下围绕这三层结构的技术,这些技术才是物联网的底层依赖,是物联网能够走通实现“万物互联”的基础。

1、射频识别技术

每一个智能硬件都有一个自己的独一无二的编码,来识别硬件到底是音响还是手机,而想要达到这个唯一的识别需要依赖射频识别技术。

射频识别技术(Radio Frequency Identification,简称RFID)是一种简单的无线系统,是一种非接触式的自动识别系统,它通过射频无线信号自动识别目标对象,它由一个询问器(或读写器)和很多应答器(或标签)组成。

读写器可以识别各种标签,每个标签具有扩展词条唯一的电子编码,附着在物体上标识目标对象,它通过天线将射频信息传递给读写器,读写器读取信息的设备。

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射频技术原理图

RFID技术让物品能够“开口说话”。这就赋予了物联网一个特性即可跟踪性。就是说人们可以随时掌握物品的准确位置及其周边环境。

射频技术在我们日常生活中提供了很大的便利,比如在我们每个人都熟知的物流行业,射频识别技术结合全球卫星定位系统,可以对物流运输过程进行全面可视化跟踪。当贴有电子标签的物流大货车,经过各个带有无线信号读写器的城市转运点时,装有快递的大货车可以不用停下来而直接通过,就知道哪些快递已经到了什么城市什么转运点,同时把最新的物流信息更新在我们的手机里,不仅节省了通关的时间和人工成本,也让我们更加及时的知道自己的快递到了哪里。

RFID技术在国外起步较早,而中国却起步较晚,但是中国在短短的时间内取得了显著的成绩,不仅掌握了高频芯片的设计技术,并成功实现产业化,而且超高频芯片业已经开发完成。在中国开始使用RFID技术,例如中国的二代身份证、中国火车管理系统、智能交通、城市建设、移动支付等多领域中展开。如今,RFID技术已经融入人们生活的方方面面,它给我们带来的方便和快捷已经让我们深深的感受今天生活的美好。

2、传感器技术

物联网离不开传感器,传感器技术让硬件有了“感觉”,并且把硬件感知到的“感觉”转化为数据,传给网络进行处理,这就基于MEMS技术。

MEMS是微机电系统( Micro – Electro – Mechanical Systems)的英文缩写。它是由微传感器、微执行器、信号处理和控制电路、通讯接口和电源等部件组成的一体化的微型器件系统。

它把信息的获取、处理和执行集成在一起,组成具有多功能的微型系统,集成于大尺寸系统中,它把模拟信号转换成数字信号后计算机才能进一步处理,从而大幅度地提高系统的自动化、智能化和可靠性水平。因为MEMS,赋予了普通物体新的生命,它们有了属于自己的数据传输通路、有了存储功能、操作系统和专门的应用程序,从而形成一个庞大的传感网。这让物联网能够通过物品来实现对人的监控与保护。

常见的传感器有:热敏传感器、光敏传感器、气敏传感器、力敏传感器、磁敏传感器、湿敏传感器、声敏传感器、放射线传感器、视觉传感器、味敏传感器。

比如:遇到酒后驾车的情况,如果在汽车和汽车点火钥匙上都植入微型感应器,那么当喝了酒的司机掏出汽车钥匙时,钥匙能透过气味感应器察觉到一股酒气,就通过无线信号立即通知汽车 “暂停发动”,汽车便会处于休息状态。同时“命令”司机的手 机给他的亲朋好友发短信,告知司机所在位置,提醒亲友尽快来处理。

在物联网时代,通过感知识别技术,可以实现物与物之间的信息交互,是融合物理世界和信息世界的重要一环,是物联网区别于其他网络的最独特的部分。可以说,传感器技术给物联网带来新的发展契机。

3、M2M技术

想要实现物品联网甚至“万物互联”,那么势必涉及一个话题,就是连接,连接基于的技术叫做M2M技术。

M2M(Machine-To-Machine)技术是指机器对机器的通信,即M2M是无线通信和信息技术的整合,它使系统、感应终端设备、后台信息系统及操作者之间实现信息共享。它提供这四者之间的无线连接,是实现数据传送的必要条件,它基于云计算平台和智能网络,可以依据传感器网络获取的数据进行决策,改变对象的行为进行控制和反馈。

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M2M技术涉及5个重要的技术部分:机器、M2M硬件、通信网络、中间件、应用。

1.机器

实现M2M的第一步就是从机器/设备中获得数据,然后把它们通过网络发送出去。使机器“开口说话”,让机器具备信息感知、信息加工(计算能力)、无线通信能力。

2.M2M硬件

M2M硬件是使机器获得远程通信和联网能力的部件。主要进行信息的提取,从各种机器或设备那里获取数据,并传送到通信网络。M2M硬件共分为五种:嵌入式硬件、可组装硬件、调制解调器(Modem)、传感器 、识别标识(Location Tags)。

  1. 嵌入式硬件:嵌入到机器里面,使其具备网络通信能力。常见的产品是支持GSM/GPRS或CDMA无线移动通信网络的无线嵌入数据模块。
  2. 可组装硬件:在M2M的工业应用中,厂商拥有大量不具备M2M 通信和连网能力的设备仪器,可改装硬件就是为满足这些机器的网络通信能力而设计的。
  3. 调制解调器(Modem):上面提到嵌入式模块将数据传送到移动通信网络上时,起的就是调制解调器的作用。如果要将数据通过公用电话网络或者以太网送出,分别需要相应的Modem。
  4. 传感器:传感器可分成普通传感器和智能传感器两种。智能传感器(Smart Sensor)是指具有感知能力、计算能力和通信能力的微型传感器。由智能传感器组成的传感器网络(Sensor Network)是M2M技术的重要组成部分。一组具备通信能力的智能传感器以Ad Hoc方式构成无线网络,协作感知、采集和处理网络覆盖的地理区域中感知对象的信息,并发布给观察者;也可以通过GSM网络或卫星通信网络将信息传给远方 的IT系统。
  5. 识别标识(Location Tags):识别标识如同每台机器、每个商品的“身份证”,使机器之间可以相互识别和区分。常用的技术如条形码技术、射频识别卡RFID(Radio- Frequency Identification)技术等。标识技术已经被广泛用于商业库存和供应链管理。

3.通信网络

通信网络在整个M2M技术框架中处于核心地位,包括:广域网(无线移动通信网络、卫星通信网络、Internet、公众电话网)、局域网(以太网、无线局域网WLAN、Bluetooth)、个域网(ZigBee、传感器网络、蓝牙)。

4.中间件

中间件包括两部分:M2M 网关、数据收集/集成部件。网关是M2M系统中的“翻译员”,它获取来自通信网络的数据,将数据传送给信息处理系统。主要的功能是完成不同通信协议之间的转换。

5.应用

数据收集/集成部件是为了将数据变成有价值的信息。对原始数据进行不同加工和处理,并将结果呈现给需要这些信息的观察者和决策者。这些中间件包括:数据分析和商业智能部件,异常情况报告和工作流程部件,数据仓库和存储部件等。

M2M在家庭应用领域已经实现日常水、电和煤气计量仪表,利用M2M器件实现自动抄表,并整合GPRS模块和CDMA模块,作为数据的远程传输通路,直接与银行服务商的计费系统联网,代替人力。

拿智能停车场来说,当该车辆驶入或离开天线通信区时,天线以微波通讯的方式与电子识别卡进行双向数据交换,从电子车卡上读取车辆的相关信息,在司机卡上读取司机的相关信息,自动识别电子车卡和司机卡,并判断车卡是否有效和司机卡的合法性,核对车道控制电脑显示与该电子车卡和司机卡一一对应的车牌号码及驾驶员等资料信息;车道控制电脑自动将通过时间、车辆和驾驶员的有关信息存入数据库中,车道控制电脑根据读到的数据判断是正常卡、未授权卡、无卡还是非法卡,据此做出相应的回应和提示。

另外,家中老人戴上嵌入智能传感器的手表,在外地的子女可以随时通过手机查询父母的血压、心跳是否稳定;智能化的住宅在主人上班时,传感器自动关闭水电气和门窗,定时向主人的手机发送消息,汇报安全情况。

因为有了M2M这项技术,让硬件能够自己发声,让硬件有了自己独特的表达方式。

4、云计算

假设我们智能硬件-智能音箱遍布了每家每户,那么智能音箱收集到的信息传输给网络自己再处理反馈,如果都基于智能音箱自己以及家庭网络的计算能力和处理能力的话,可能会有更大的延时,造成较差的用户体验。想要实现减轻智能硬件的负担,物联网需要基于云来处理大量的数据反馈给智能硬件,这个技术叫云计算。

云计算(cloud computing)是分布式计算的一种,指的是通过网络“云”将巨大的数据计算处理程序分解成无数个小程序,然后,通过多部服务器组成的系统进行处理和分析这些小程序得到结果并返回给用户。

云计算早期,简单地说,就是简单的分布式计算,解决任务分发,并进行计算结果的合并。因而,云计算又称为网格计算。通过这项技术,可以在很短的时间内(几秒钟)完成对数以万计的数据的处理,从而达到强大的网络服务。

云计算的一个核心理念就是通过不断提高“云”的处理能力,不断减少用户终端的处理负担,最终使其简化成一个单纯的输入输出设备,并能按需享受“云”强大的计算处理能力。物联网感知层获取大量数据信息,在经过网络层传输以后,放到一个标准平台上,再利用高性能的云计算对其进行处理,赋予这些数据智能,才能最终转换成对终端用户有用的信息。

到现在我们明白了,因为有了这些底层技术的支撑以及进步,近些年的智能硬件才能发展的风生水起,给我们的生活、工作、生产带来一个又一个的便利。

七、总结

硬件/机器发展的本质是服务于人,人机交互技术出现前后差别还是很大的,让我们进入了一个新的智能的世界。

交互硬件出现之前,早期的硬件其实是功能型的工具,与人的沟通是单向性的,更多的作用是延伸人在体力上的能力,比如遥控器等,人们所用的机械或电气化的机器只能算作工具,机器的运行步骤仍需要人实时把控,机器起到的作用是辅助/替代人类体力劳动。

硬件的智能化时代开启之后,交互硬件重构与人之间的关系,甚至是构建信任关系。机器从机械化到智能化的发展,尤其是有了人工智能技术加持之后,开始具备人的认知、思考、执行能力,帮助人类不只是实现体力的进化(力气的放大),并可以反过来作用于人,延伸人类在脑力方面的能力。

对于智能硬件发展,预测大致可以分为三个阶段,第一个阶段是对现有产品的性能升级和智能化改造;第二个阶段,在新技术的推动下诞生与过去不同的新型产品,这些产品能够取代人工;第三个阶段,则是进一步发展的广义机器人,拥有逐渐与人脑趋同的智能能力,可以主动决策。

目前的人工智能技术已经可以替代某些行业的人工劳动,如客服行业,这意味着以 AI 为内核的智能硬件开始越来越智能化。

且随着人工智能的进一步发展,机器最终会像人类一样会读写文字、识别图像、辨别物体及辨别味道,甚至可以思考、决策,具备情感。

超人工智能的提出与发展对一些行业的职业发展造成了一定的威胁。牛津哲学家、知名人工智能思想家尼克·博斯特罗姆(Nick Bostrom)把超级智能描述为“在几乎所有领域都比最聪明的人类大脑更聪明,包括科学创新、通识、社交技能领域”。

随着技术的进步、人类数字化进程的加速,机器将会从弱人工智能阶段进化到强人工智能阶段,到了强人工智能阶段,超人工智能阶段就不远了。

基于对超人工智能的向往,各大公司也在争先恐后的研究人形机器人,目前已经有人形机器人发布。

小米cyberone全尺寸人形仿生机器人:CyberOne有聪明的大脑,能感知45种人类语义情绪,分辨85种环境语义;小脑也特别发达,小米自研全身控制算法,协调运动21个关节自由度;视觉敏锐:Mi Sense视觉空间系统,三维重建真实世界;四肢强健:全身5种关节驱动,峰值扭矩300Nm。

雷军表示,在智能机器人领域,人形仿生机器人的技术集成度最高、难度也最大,小米还处于刚刚起步的第一阶段,CyberOne每天都在学习新的技能,“我们相信,未来智能机器人一定会走进人们的生活”。

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但更关键的问题其实在于,机器人会不会产生高级智能?人工智能奇点是否真的会来临?机器人是否最终会取代人类?人工智能与人类究竟应该形成什么样的关系?但机器发展至今,仍处于若弱人工智能阶段,在于现今的社会仍处于数字化转型阶段。目前还无法回答这些问题,留下来的是对于技术长河发展深深展望。

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