一种超高清电视+5G+AI智慧家居系统设计方案*

*科研项目：工信部公共服务平台项目——面向“超高清视频+5G+AI”融合创新应用领域的产业技术基础公共服务平台建设（项目编号：2020-0102-1-2）

0   引言

智能家居最初是将家庭中各种与信息相关的通信设备、家用电器和家庭安防装置，通过家庭总线技术连接到一个家庭智能系统上集中管理^[1]；智能家居以家庭居住为背景，融合了互联网、自动化等技术，对居家生活的家电、家居、环境等智能管理，为人们生活提供舒适方便的居家环境^[2]。目前的智能家居强调系统的自动运行和控制，不具备用户习惯学习功能、不能了解用户习惯，不能根据家庭环境中人和物的状态来作出动态改变和响应，还不具备“智慧”能力。

近些年做为客厅中心的电视朝着超高清方向发展过程中，以人为中心的姿态、动作、语音等识别技术的自然人机交互技术已开始应用于智能电视^[3]，人工智能（artificial intelligence, AI）技术与智能家居开始融合，智能家居朝着智慧家居的方向发展，智慧家居成为趋势。在AI 技术赋能下，语音和图像技术成为最重要的交互手段在智慧家居中不可或缺，AI+ 物联网（internet of things，IoT）成为必然。而超高清电视作为智慧家居客厅的主导，融合AI 语音和AI 图像技术后将实现良好的人机交互；以超高清电视为家居IoT 控制中心和入口，与空调、冰箱、洗衣机、厨具等设备可进行可视化交互；超高清电视终端+AI+IoT 成为智慧家居新应用形态，能够给人们带来了高品质智慧生活。

随着超高清电视+AI+IoT 互联设备和应用场景的不断丰富，家居IoT 设备数量将爆发式增长，势必要求超高清电视终端具有更强大的智能交互和设备互联互通能力。5G 网络具有高速率、低延时、海量设备互联等特征，将满足低延时AI 交互、数量众多IoT 设备快捷互联的需求，以5G 来构架智慧家居生态非常必要，超高清+5G+AI 成为智慧家居发展的方向，将推动智慧家居多个应用场景落地。

本文提出一种超高清电视+5G+AI 智慧家居系统设计方案，详细阐述了系统原理，介绍了超高清电视终端+AI 远场语音交互、超高清电视终端+AI 图像交互、超高清电视终端+AI+IoT 互联及交互、5G 模块及集成应用等关键技术。系统以超高清电视为中心和入口将家庭中其他的家居IoT 设备通过家庭网络连接在一起，采用AI 语音和AI 图像交互方式、通过5G网络获取后台服务，实现AI 人机交互、超高清视频呈现和IoT 设备的交互等，带来一种新的智慧家居应用形态。该方案已得到应用，给用户带来了良好的交互体验和高品质智慧生活。

1 系统原理

超高清电视+5G+AI 智慧家居系统构成如图1 所示，由人机交互& 设备互联、5G 接入、服务平台3 个部分组成。

图1 系统构成图

人机交互& 设备互联部分包括超高清电视和各种家居IoT 设备。超高清电视是智慧家居的中心和交互入口，将其他的家居IoT 设备通过家庭网络连接在一起，采用AI语音和AI 图像交互方式、通过5G 网络获取后台服务，实现AI人机交互、超高清视频呈现和IoT设备的交互、管理、控制、监测等。家居IoT 设备包括智能电视、智能冰箱、智能空调等智能IoT 设备、以及通过ZigBee网关链接的加湿器、照明灯非智能IoT设备。

5G接入部分主要是5G CPE和5G基站。5G CPE提供WiFi网络来组成家庭网络，5G CPE可以接收/ 发送5G移动信号、实现5G信号与家庭网络WiFi信号之间的转换；同时5G CPE 通过5G 基站连接服务平台或通过5G 基站接入互联网后再连接服务平台，从而为智慧家庭提供移动宽带接入、满足家庭组网需求。服务平台包括超高清视频云服务器、AI 处理服务器、酷开后台音视频系统等，通过5G 移动网为智慧家居提高超高清视频服务、AI 语音和AI 图像交互、IoT 交互等服务。

2 关键技术

2.1 超高清电视终端+AI远场语音交互技术

超高清电视终端+AI 远场语音交互技术构成如图2，包括超高清电视终端、5G 网络、AI 语音服务平台及用户。超高清电视终端内置MIC 采集用户声音，转换成语音后，通过5G 网络传输给AI 语音服务平台；AI 语音服务平台进行语音识别处理，转换成指令给到超高清电视端，超高清电视端执行指令。用户通过远场语音实现与超高清电视的交互，可以控制超高清电视终端，获取超高清视频播放显示、获取天气资讯等。

图2 超高清电视终端+AI远场语音交互技术构成示意图

用户采用远场语音交互，比采用传统遥控器或手机等第三方终端来进行交互的方式更方便，通过5G 网络传输语音及指令的时延短，交互响应迅速快捷，语音交互距离可超过10 m、响应可达0.55 s，使得超高清电视终端带来的不仅是好的视觉体验、还有良好的语音交互体验。

2.2 超高清电视终端+AI图像交互技术

超高清电视终端+AI 图像交互技术构成如图3，包括超高清电视终端、5G 网络、AI 图像服务平台及用户。超高清电视终端内置摄像头采集场景，转换成图像后通过5G 网络传输给AI 图像服务平台，AI 图像服务平台进行图像识别处理、转换成指令给到超高清电视终端，超高清电视终端执行指令。用户通过AI 图像处理实现与超高清电视的交互，可以控制超高清电视，采集家庭场景图像、进行视频通话和体验游戏等。

基于超高清电视终端采用AI 图像交互，可以实现AI健身运动、AI拍照等，如图4 所示。在AI图像交互过程中，通过5G网络传输图像，传输速率高、延时小，图像交互体验好。

图3 超高清电视终端+AI图像交互技术构成示意图

图4 基于超高清电视终端的AI健身运动和AI拍照示意图

2.3 超高清电视终端+AI+IoT互联及交互技术

超高清电视终端+AI+IoT 互联及交互技术构成如图5，包括超高清电视终端、各种家居IoT 设备、5G 网络、AI+物联网平台及用户，即构成智慧家居系统。超高清电视终端和各种家居IoT 设备在同一个WiFi 局域网内、通过5G CPE与5G网络联通；超高清电视终端是家居IoT设备的控制中心和交互入口，超高清电视终端接收用户的语音或场景图像等交互信息，通过5G网络将交互信息传输给AI及物联网平台；AI及物联网平台处理交互信息后、通过5G网络返回控制信息给超高清电视终端，超高清电视终端根据返回的控制信息来控制家用设备，实现对家居IoT 设备的控制等操作。

图5 超高清电视终端+AI+IoT互联及交互技术构成示意图

在智慧家居系统中，用户可以通过超高清电视终端来进行家居IoT 设备的命名、添加、移除等可视化智能管理，如图6 所示；通过超高清电视终端可以实时控制、监测家居IoT 设备，通过AI 来进行良好的IoT 人机交互。在AI+IoT 互联及交互过程中，通过5G 网络传输速率高、延时小，并可满足数量众多的家居IoT 设备需求，IoT交互体验好。

图6 超高清电视终端可视化管理家居IoT设备示意图

2.4 5G模块及集成应用技术

智慧家居系统采用5G CPE设备来接入5G网络，5G CPE内置5G模块和WiFi6模块，实现5G信号和WiFi6信号的相互转换，以5G CPE为AP热点来组建家庭无线WiFi网络，实现音视频信号的无线传输应用、AI+IoT互联及交互等。开发的5G CPE、5G 模块和WiFi6模块如图7。

图7 5G CPE及5G模块、WiFi6模块实物图

5G CPE 通过5G NR 载波聚合、可扩展OFDM 子载波间隔、MIMO 超多天线布局、抗干扰等技术，保障传输速率、合理时延和降低功耗等，实现下行传输速率达1 Gbit/s、上行传输速率大于500 Mbit/s。

3 系统应用

超高清电视+5G+AI 智慧家居系统方案应用案例如图7 所示，采用5GCPE 建立外部5G 移动网与家庭场景内部WiFi 局域网间的链接，家庭内各种IoT 设备通过WiFi 局域连接在一起，以创维Q80 超高清电视产品为交互控制中心和入口，通过AI 语音等方式来控制智能冰洗、智能空调、智能照明等IoT 设备及进行交互。

图7 超高清电视+5G+AI智慧家居系统方案应用案例图

5 结束语

文章提出一种超高清电视+5G+AI 智慧家居系统设计方案，阐述了系统的构成、工作原理及关键技术；系统采用5G CPE 建立外部5G 移动网与家庭内部WiFi 局域网间的链接，超高清电视终端和各种家居IoT 设备在同一个内部WiFi 局域网内，以超高清电视终端为智慧家居的控制中心和入口，采用AI 语音交互和AI 图像交互等方式实现各种应用，及控制和监测智能冰洗、智能空调、智能照明等IoT 设备。该方案带来一种新的智慧家居应用形态，已进行应用示范，产生了良好效益。

参考文献：

[1] 吴伟.5G的世界:智能家居[M].广州:广东科技出版社,2020:4-5.

[2] 王亚丽,高雁凤.智能家居前景分析及发展趋势[J].智能城市,2019,5(23):40-41.

[3] 洪文生,徐遥令,沈思宽,等.一种基于语音交互应用的全时AI电视系统设计方案[J].智能城市,2022,29(1):30-32.

（本文来源于《电子产品世界》杂志2022年12月期）