基于物聯(lián)網(wǎng)的智能產(chǎn)品設(shè)計研究

DOI：10.16661/j.cnki.1672-3791.2106-5042-2396

摘? 要：物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，為智能產(chǎn)品的應(yīng)用提供了更為廣闊的前景，也對產(chǎn)品的智能設(shè)計模式提出更高要求。該研究分析產(chǎn)品的物聯(lián)屬性，在物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下應(yīng)具備網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)、環(huán)境感知、數(shù)據(jù)共享、人機(jī)交互等方面的能力，提出面向服務(wù)、面向數(shù)據(jù)、面向應(yīng)用的三種智能產(chǎn)品結(jié)構(gòu)模型，論述了各類設(shè)計模式下的應(yīng)用設(shè)計方案和服務(wù)架構(gòu)，對比分析優(yōu)勢與限制，為開展智能產(chǎn)品設(shè)計提供理論參考。

關(guān)鍵詞：智能產(chǎn)品? ?物聯(lián)網(wǎng)? ?設(shè)計模式? ?結(jié)構(gòu)模型

中圖分類號：TP399? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1672-3791（2021）06（b）-0024-04

Research on Intelligent Product Design Based on the IOT

ZHANG Zhihui

（Beijing Information Technology College， Beijing， 100015? China）

Abstract： The rapid development of the Internet of Things provides a broader prospect for the application of intelligent products， and also puts forward higher requirements for the intelligent product design. This research analyzes the IOT attributes of products. In the IOT environment， it should have the capabilities of network interconnection， environment perception， data sharing and human-computer interaction. It puts forward three intelligent product structure models of service-oriented， data-oriented and application-oriented， discusses the application design scheme and service architecture under various design models， and compares and analyzes the advantages and limitations. It provides a theoretical reference for intelligent product design.

Key Words： Intelligent products; Internet of things; Design pattern; Structural model

互聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)的快速發(fā)展，使得人工智能應(yīng)用日益成熟。物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展則將用戶端延伸和擴(kuò)展到了任意的物與物之間，不斷拓展應(yīng)用范圍、推動應(yīng)用創(chuàng)新，被稱為繼計算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)之后的第三次信息產(chǎn)業(yè)浪潮。智能產(chǎn)品作為人與物、物與物互聯(lián)的基本應(yīng)用終端，通過軟硬件結(jié)合的方式，實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)的加載，已經(jīng)從可穿戴設(shè)備延伸到智能玩具、智能家居、醫(yī)療健康、智能汽車、機(jī)器人等領(lǐng)域，成為信息技術(shù)與各類產(chǎn)業(yè)融合的交匯點^[1]?！吨袊圃?025》中明確提出：“著力發(fā)展智能裝備和智能產(chǎn)品，推進(jìn)生產(chǎn)過程智能化，培育新型生產(chǎn)方式，全面提升企業(yè)研發(fā)、生產(chǎn)、管理和服務(wù)的智能化水平?！币虼耍罅Υ龠M(jìn)信息技術(shù)與傳統(tǒng)制造業(yè)的融合發(fā)展，積極推進(jìn)現(xiàn)有制造業(yè)的升級轉(zhuǎn)型發(fā)展。隨著技術(shù)發(fā)展、配套基礎(chǔ)設(shè)施的不斷完善和應(yīng)用服務(wù)市場的不斷成熟，芯片、通信技術(shù)、傳感器、云平臺以及大數(shù)據(jù)等的有效支撐，基于物聯(lián)網(wǎng)的智能產(chǎn)品設(shè)計已經(jīng)成為最新的發(fā)展方向。該文主要是從人與物、物與物、物與網(wǎng)的聯(lián)接和應(yīng)用服務(wù)角度，研究智能產(chǎn)品設(shè)計中“網(wǎng)”“云”“端”的應(yīng)用設(shè)計方案和服務(wù)模式，對比分析各類智能產(chǎn)品設(shè)計模式的優(yōu)勢特點，為開展智能產(chǎn)品設(shè)計提供新的研究視角。

1? 智能產(chǎn)品的物聯(lián)屬性

隨著物聯(lián)網(wǎng)的蓬勃發(fā)展，智能產(chǎn)品逐漸興起，給我們的生活帶來便利的同時，也引發(fā)了制造產(chǎn)業(yè)的變革。智能產(chǎn)品是以共性的計算軟硬件為基礎(chǔ)，以智能感知、無線互聯(lián)、大數(shù)據(jù)處理及顯示部件等新一代信息技術(shù)為特征，以各類新型材料和工藝硬件為載體的新型智能終端產(chǎn)品。物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的智能產(chǎn)品具有敏銳的環(huán)境感知、智能的數(shù)據(jù)處理、方便的人機(jī)交互以及廣泛的網(wǎng)絡(luò)連接能力，可以對外部環(huán)境信息進(jìn)行自動感知、分類加工、智能處理，能夠從事更為復(fù)雜的工作^[2]，幫助不同類型的用戶獲得更好的應(yīng)用體驗。

1.1 敏銳的環(huán)境感知

智能產(chǎn)品能夠通過各類傳感器來感知周圍的環(huán)境特性，通過標(biāo)簽?zāi)軌騾^(qū)分識別指定的對象，形成對環(huán)境的初步認(rèn)知。傳感器主要將各類外部環(huán)境特征，比如：聲、光、氣、熱、力、磁等物理特征，轉(zhuǎn)換成計算機(jī)能夠識別處理的二進(jìn)制信號，不僅讓物體有了和人體相似的嗅覺、味覺等感覺能力，而且還能超越人類的感知器官靈敏度，獲取大量關(guān)于環(huán)境各類信息^[3]。給物體加上標(biāo)簽，就能夠通過二維碼、條形碼、RFID等技術(shù)，識別特定的物體對象，用于獲得對象標(biāo)識信息以及標(biāo)簽所包含的其他擴(kuò)展相關(guān)信息，例如：銀行卡上的金額余額，二維碼中所包含的商家名稱、地址和微信公眾號等，用于拓展信息來源。

1.2 智能的數(shù)據(jù)處理

智能產(chǎn)品通過傳感器獲取大量的環(huán)境信息，以及物體對象信息，通過智能化的信息處理，在線顯示數(shù)據(jù)狀態(tài)，以更加人性化的方式提供給產(chǎn)品用戶。這種能夠?qū)ξ矬w進(jìn)行識別、對環(huán)境信息進(jìn)行智能處理的能力，是智能產(chǎn)品和傳統(tǒng)應(yīng)用產(chǎn)品的核心區(qū)別。智能產(chǎn)品加裝算法和模型后，就可以根據(jù)環(huán)境感知的數(shù)據(jù)進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)控和輔助決策，通過網(wǎng)絡(luò)連接到后端云平臺，就可以利用網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行智能計算，進(jìn)行語音或圖像識別，自動控制對象的行為和狀態(tài)，例如：根據(jù)照明需要調(diào)整路燈的開關(guān)狀態(tài)，根據(jù)路上車流情況優(yōu)化調(diào)整紅綠燈的間隔等。隨著大數(shù)據(jù)、人工智能技術(shù)的不斷發(fā)展，智能產(chǎn)品不僅能夠基于簡單的知識模型、算法模型進(jìn)行智能化的數(shù)據(jù)處理，而且還可以將數(shù)據(jù)上傳的云端平臺上，進(jìn)行機(jī)器學(xué)習(xí)、大數(shù)據(jù)挖掘等處理，將分析結(jié)果回傳到智能產(chǎn)品終端。

1.3 方便的人機(jī)交互

智能產(chǎn)品的便利性特點，使得傳統(tǒng)的鼠標(biāo)和鍵盤輸入無法滿足人機(jī)交互要求，必須通過更加符合人類行為特點的自然交互方式，來實現(xiàn)人與物之間的聯(lián)接和數(shù)據(jù)交流，完成各類控制參數(shù)輸入和操作。當(dāng)前的智能處理識別技術(shù)為更加方便的人機(jī)交互方式提供了多種方式，比如：通過語音識別、手勢識別和圖像識別來理解用戶的操作，甚至通過檢測手指指紋、靜脈血液脈動、生物電等來讀取用戶的人機(jī)交互要求，按需提供相應(yīng)的功能服務(wù)，使得用戶體驗更加自然舒適。方便的人機(jī)交互使得智能產(chǎn)品更加人性化，使用更加便利，并能夠智能地體會人類意圖，自動完成相應(yīng)的處理和操作任務(wù)。

1.4 泛在的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)

5G移動通信網(wǎng)絡(luò)的大規(guī)模建設(shè)，大連接、大帶寬、低延時，使得萬物互聯(lián)成為可能。傳統(tǒng)的工業(yè)產(chǎn)品主要是圍繞人機(jī)交互應(yīng)用，具備特定的功能，按照人類的操作，完成指定的功能，智能化程度也較低。物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，在人與物、物與物之間，形成廣泛的聯(lián)接，數(shù)據(jù)高度共享，不僅能夠進(jìn)行傳統(tǒng)的計算和控制，還能按照人類的行為習(xí)慣、生活特性，智能協(xié)同到各類智能產(chǎn)品，賦予智能產(chǎn)品更多的人類社會化功能。比如：用戶在回家的路上，就可以通過手機(jī)預(yù)先打開家里的熱水器，預(yù)先將空調(diào)調(diào)整到合適溫度，開啟智能門禁系統(tǒng)進(jìn)入家門^[4]，自動播放音響或電視新聞;智能手環(huán)隨時檢測血壓、心跳等狀態(tài)，上傳到云端平臺，智能健康管理系統(tǒng)對身體的健康狀態(tài)進(jìn)行分析，將分析的飲食、運(yùn)動或就醫(yī)建議，自動發(fā)送到用戶智能手機(jī)進(jìn)行報告提醒。

2? 基于物聯(lián)網(wǎng)的智能產(chǎn)品設(shè)計模式

智能產(chǎn)品設(shè)計屬于物聯(lián)網(wǎng)“云、網(wǎng)、端”架構(gòu)中的“端”的具體應(yīng)用實現(xiàn)，常常是跨越多個平臺的系統(tǒng)性產(chǎn)品，需要在物聯(lián)網(wǎng)整體環(huán)境下來確定智能產(chǎn)品的連接對象、功能定位、感知精度等因素，避免增加產(chǎn)品的開發(fā)成本，延長產(chǎn)品的開發(fā)周期。在進(jìn)行智能產(chǎn)品設(shè)計時，優(yōu)先級較高的目標(biāo)是要確定“端”功能的“瘦”和“胖”，對“云”的后臺中間件、功能應(yīng)用的開發(fā)和利用，進(jìn)而選擇相應(yīng)的處理性能、網(wǎng)絡(luò)通信和數(shù)據(jù)存儲方式以及傳感器的精度。

2.1 面向服務(wù)的智能產(chǎn)品結(jié)構(gòu)模型

智能產(chǎn)品主要是通過網(wǎng)絡(luò)獲取“云”端的服務(wù)能力，以便攜、個性化的方式提供服務(wù)。典型的應(yīng)用包括智能電視、智能顯示牌、ATM終端等，智能產(chǎn)品工作在設(shè)備層，感知用戶的位置和服務(wù)需求，服務(wù)層和智能層工作在“云”端，網(wǎng)絡(luò)通信要求實時、高速、穩(wěn)定可靠，數(shù)據(jù)處理能力要求不高，人機(jī)交互要求相對單一。在結(jié)構(gòu)上，智能產(chǎn)品主要是通過基于Web服務(wù)的接口，調(diào)用“云”端服務(wù)能力，并與其他智能產(chǎn)品相互連接，從而實現(xiàn)信息共享及服務(wù)推薦功能。具體情況見圖1。

2.2? 面向數(shù)據(jù)的智能產(chǎn)品結(jié)構(gòu)模型

智能產(chǎn)品主要作為智能化的數(shù)據(jù)采集終端，對物體屬性進(jìn)行標(biāo)識^[5]，實時探測物體狀態(tài)和周邊環(huán)境數(shù)據(jù)，并將信息通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理中心，由處理中心完成相關(guān)計算和智能產(chǎn)品任務(wù)的調(diào)度分配。典型的應(yīng)用包括環(huán)境監(jiān)測、供應(yīng)鏈管理、智能運(yùn)輸、智能交通等，智能產(chǎn)品主要是工作在感知層和網(wǎng)絡(luò)層，有一定的數(shù)據(jù)預(yù)處理能力，擁有豐富的感知能力，網(wǎng)絡(luò)通信要求穩(wěn)定可靠，人機(jī)交互相對簡單，主要是后端通過大數(shù)據(jù)實現(xiàn)智能處理和控制。在結(jié)構(gòu)上，智能產(chǎn)品本身就是業(yè)務(wù)流程的前端和執(zhí)行環(huán)節(jié)的終端，按照業(yè)務(wù)流程引擎的要求執(zhí)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集功能，完成感知信息的初步處理，替代人工數(shù)據(jù)采集并提供無法靠人工采集的精確測量信息。具體情況見圖2。

2.3? 面向應(yīng)用的智能產(chǎn)品結(jié)構(gòu)模型

智能產(chǎn)品主要作為物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用支撐功能單元，提供標(biāo)準(zhǔn)化的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用支撐^[6]，同時，可以利用業(yè)務(wù)應(yīng)用的設(shè)備應(yīng)用接口，實現(xiàn)各功能單元之間的應(yīng)用共享管理，是信息物理融合系統(tǒng)（Cyber-Physical Systems，CPS）的重要節(jié)點。典型的應(yīng)用包括智能醫(yī)療、無人飛行器、自動駕駛汽車等，智能產(chǎn)品工作在感知層、網(wǎng)絡(luò)層、智能層和應(yīng)用層等各個層次，不僅能夠利用“云”端的強(qiáng)大智能應(yīng)用服務(wù)，而且產(chǎn)品自身能夠提供所有的應(yīng)用服務(wù)，擁有豐富的環(huán)境感知能力、人機(jī)交互能力、數(shù)據(jù)處理能力和應(yīng)用控制能力。在結(jié)構(gòu)上，智能產(chǎn)品本身就是智能設(shè)備，完成信息的采集、處理、存儲和交互控制，實現(xiàn)云到端的智慧連接也為更多的信息服務(wù)提供平臺和數(shù)據(jù)支撐。具體情況見圖3。

3? ?對比分析

面向不同應(yīng)用場景，特別是在物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)下，這些智能產(chǎn)品結(jié)構(gòu)模型所側(cè)重的設(shè)計要求也不相同，為各類智能產(chǎn)品的設(shè)計提供參考。綜合考慮智能產(chǎn)品的軟硬件性能要求，以及采用的技術(shù)路線和組織模式，對比分析了不同設(shè)計模式下，智能產(chǎn)品對網(wǎng)絡(luò)通信、環(huán)境感知、數(shù)據(jù)處理、人機(jī)交互、設(shè)備互聯(lián)的技術(shù)要求，同時也分析了不同設(shè)計模式存在的優(yōu)勢與限制，具體內(nèi)容見表1。

4? 結(jié)語

隨著物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的智能產(chǎn)品逐漸進(jìn)入日常生活，智能科技必將帶給人們更加便利的生活方式，促進(jìn)生產(chǎn)力的進(jìn)一步提高。智能產(chǎn)品設(shè)計在考慮更好地為人服務(wù)的同時，還必須結(jié)合特定的應(yīng)用場景，綜合成本、需求和實現(xiàn)可能，以更廣闊的視角去考慮智能產(chǎn)品與人、社會、環(huán)境之間的關(guān)系。該文從信息與物理系統(tǒng)融合的角度，分析了智能產(chǎn)品面向服務(wù)、數(shù)據(jù)和應(yīng)用的三種設(shè)計模式，為研究開發(fā)智能產(chǎn)品原型提供了參考，具體的物理設(shè)備實現(xiàn)如操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)連接、軟件服務(wù)構(gòu)件設(shè)計等還需要進(jìn)一步研究。

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作者簡介：張智慧（1972—），女，本科，副教授，研究方向為電子學(xué)與通信方向研究。