一種超高清電視+5G+AI智慧家居系統設計方案

陳軍 徐遙令 徐小清

摘要：提出一種超高清電視+5G+AI智慧家居系統設計方案，闡述了系統原理和超高清電視終端+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互聯及交互、5G模塊及集成應用等關鍵技術；系統以超高清電視為中心和入口來鏈接家居IoT設備，采用AI語音和AI圖像等交互方式、通過5G網絡獲取后臺服務，實現AI人機交互和IoT設備的交互、管理、控制、監測等，帶來一種新的智慧家居應用形態。該方案已得到應用，給用戶帶來了高品質智慧生活。

關鍵詞：超高清電視；5G；AI；智慧家居

*科研項目：工信部公共服務平臺項目——面向“超高清視頻+5G+AI”融合創新應用領域的產業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上集中管理[1]；智能家居以家庭居住為背景，融合了互聯網、自動化等技術，對居家生活的家電、家居、環境等智能管理，為人們生活提供舒適方便的居家環境[2]。目前的智能家居強調系統的自動運行和控制，不具備用戶習慣學習功能、不能了解用戶習慣，不能根據家庭環境中人和物的狀態來作出動態改變和響應，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展過程中，以人為中心的姿態、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+物聯網（ 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，能夠給人們帶來了高品質智慧生活。

隨著超高清電視+AI+IoT互聯設備和應用場景的不斷豐富，家居 IoT 設備數量將爆發式增長，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互通能力。5G 網絡具有高速率、低延時、海量設備互聯等特征，將滿足低延時AI交互、數量眾多 IoT 設備快捷互聯的需求，以5G 來構架智慧家居生態非常必要，超高清+5G+AI成為智慧家居發展的方向，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智慧家居系統設計方案，詳細闡述了系統原理，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互聯及交互、5G 模塊及集成應用等關鍵技術。系統以超高清電視為中心和入口將家庭中其他的家居 IoT 設備通過家庭網絡連接在一起，采用AI語音和AI圖像交互方式、通過5G 網絡獲取后臺服務，實現AI人機交互、超高清視頻呈現和 IoT 設備的交互等，帶來一種新的智慧家居應用形態。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系統原理

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

人機交互&設備互聯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 設備通過家庭網絡連接在一起，采用AI語音和AI圖像交互方式、通過5G 網絡獲取后臺服務，實現AI人機交互、超高清視頻呈現和 IoT 設備的交互、管理、控制、監測等。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網絡來組成家庭網絡，5G CPE 可以接收/發送5G 移動信號、實現5G 信號與家庭網絡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 基站接入互聯網后再連接服務平臺，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等，通過5G 移動網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，超高清電視端執行指令。用戶通過遠場語音實現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。

用戶采用遠場語音交互，比采用傳統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，超高清電視終端執行指令。用戶通過AI圖像處理實現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 網絡傳輸圖像，傳輸速率高、延時小，圖像交互體驗好。

2.3超高清電視終端+AI+IoT互聯及交互技術

超高清電視終端+AI+IoT互聯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 網絡、AI+物聯網平臺及用戶，即構成智慧家居系統。超高清電視終端和各種家居 IoT 設備在同一個WiFi局域網內、通過5G CPE 與5G 網絡聯通；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 網絡將交互信息傳輸給AI及物聯網平臺；AI及物聯網平臺處理交互信息后、通過5G 網絡返回控制信息給超高清電視終端，超高清電視終端根據返回的控制信息來控制家用設備，實現對家居 IoT 設備的控制等操作。

在智慧家居系統中，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互聯及交互過程中，通過5G 網絡傳輸速率高、延時小，并可滿足數量眾多的家居 IoT 設備需求，IoT 交互體驗好。

2.45G模塊及集成應用技術

智慧家居系統采用5G CPE 設備來接入5G 網絡，5G CPE 內置5G 模塊和 WiFi6模塊，實現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網絡，實現音視頻信號的無線傳輸應用、AI+IoT互聯及交互等。開發的5G CPE、5G 模塊和 WiFi6模塊如圖7。

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，實現下行傳輸速率達1 Gbit/s、上行傳輸速率大于500 Mbit/s。

3系統應用

超高清電視+5G+AI智慧家居系統（下轉第66頁）方案應用案例如圖 7 所示，采用 5GCPE 建立外部 5G 移動網與家庭場景內部WiFi局域網間的鏈接，家庭內各種 IoT 設備通過WiFi局域連接在一起，以創維 Q80 超高清電視產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。

5 結束語

文章提出一種超高清電視 +5G+AI智慧家居系統設計方案，闡述了系統的構成、工作原理及關鍵技術；系統采用 5G CPE 建立外部 5G 移動網與家庭內部WiFi局域網間的鏈接，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各種應用，及控制和監測智能冰洗、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，已進行應用示范，產生了良好效益。

參考文獻：

[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展趨勢[J].智能城市，2019，5（23）：40-41.

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