1.1　智能硬件概述

智能硬件產品越來越多地出現在人們的生活中，比如智能手表、智能水杯、智能門鎖、智能音箱、智能汽車等。這些智能硬件產品通過提供不同的功能和服務使人們的生活變得更加便利。智能硬件產品有一些共性，即能夠從外界環境采集信息，對信息進行處理并將處理結果反饋給用戶。智能硬件是“互聯網+”與“人工智能”技術的重要載體。那么，到底什么樣的設備可以稱為智能硬件？智能硬件具有哪些特征？智能硬件的基本組成是怎樣的？為了回答這些問題，下面將對智能硬件的概念以及智能硬件的基本結構進行介紹。

1.1.1　什么是智能硬件

智能硬件，也稱為智能終端設備，是指與軟件相結合的、被先進的科學技術（比如信息技術、計算機技術、數據通信技術、傳感器技術、自動控制技術、人工智能技術、大數據處理技術等）改造過從而具備智能的傳統設備。其中的智能指連接能力（數據傳輸和通信）、感知外界環境的能力（數據采集）、對外界環境變化做出反應或與外界環境進行交互的能力（數據處理和反饋）等。改造的傳統設備既可以是電子設備，比如空調、電視、冰箱等，也可以是非電子設備，比如門鎖、水杯、椅子等。改造完成后，傳統設備就變成了智能終端設備，具備了智能傳感互聯、人機交互、新型顯示及大數據處理等新一代信息技術特征，并以新設計、新材料、新工藝硬件作為載體。比較典型的智能硬件有智能手表Apple Watch、智能手環Fitbit、智能汽車Tesla、智能音箱Echo等。

1.1.2　智能硬件的基本結構

智能硬件的種類多種多樣—從能夠檢測人體健康的可穿戴設備到可以自動駕駛的交通工具。智能硬件基本具備以下組件：作為智能硬件“大腦”、負責控制設備的微控制器，用于檢測設備及其周邊環境的輸入設備，用于提示信息或直接作用于周邊環境的輸出設備，用于連接服務端或控制端的網絡接口。

1. 微控制器

微控制器（Micro Controller Unit，MCU）也可稱為單片機，是把中央處理器的頻率與規格做適當縮減，并將存儲器、定時/計數器、各種輸入/輸出接口等集成在一塊集成電路芯片上所形成的芯片級的微型計算機，用于協調和指揮設備工作。簡單來說，微控制器就是一個計算機系統集成到一塊芯片上，這塊芯片就相當于一臺計算機。它的體積小、質量輕、價格便宜、輸入/輸出接口簡單。而且它修改一條機器指令只需重編所對應的程序，增加一條機器指令只需在控制存儲器中增加一段程序。例如，空調能使室溫達到某個特定溫度，是因為微控制器中有一段程序，這段程序的用途就是檢測連接在微控制器（輸入端子）上的溫度傳感器的狀態，并控制空調中的溫度控制部件（蒸發器、壓縮機、冷凝器等），以便使室溫達到目標溫度。

2. 輸入設備

輸入設備是指向計算機系統輸入信息的設備。對于智能硬件來說，輸入設備主要是指傳感器，它能夠獲取智能硬件自身和周邊環境信息以及用戶的操作信息等。例如，有些智能音箱搭載了觸控屏、物理按鍵、攝像頭、麥克風陣列等傳感器，這些傳感器能夠幫助智能音箱更全面地掌控周邊環境信息：觸控屏和物理按鍵可以獲取用戶的操作信息，攝像頭能夠獲取周邊環境的圖像信息，麥克風陣列能夠獲取周邊環境的聲音信息。值得注意的是，傳感器的類型和精度在一定程度上決定了智能硬件的性能，所以在智能硬件的研發過程中，選擇合適的傳感器非常重要。

3. 輸出設備

輸出設備是指將計算機系統的信息返給外界環境的設備，這些設備能夠將智能硬件返回的信息通過圖像、聲音、行為等形式表現出來。舉個例子，智能機器人可以通過顯示屏顯示其工作狀態給用戶，通過聲音來提醒用戶，通過做出特定動作來服務用戶。由此可見，智能硬件的輸出設備能夠通過不同的方式傳遞信息給用戶，并對外界環境進行一定程度的干預。因此，在智能硬件的研發過程中，考慮如何搭配不同的輸出設備以使智能硬件更高效和舒適地傳達信息給用戶是十分必要的。

4. 網絡接口

網絡接口是指計算機系統與網絡進行連接的接口。智能硬件需要通過網絡與服務器、用戶端軟件或網絡中的其他智能設備進行通信，以便積累和分析檢測到的數據，以及通過用戶端軟件對智能硬件進行控制。智能硬件可以通過有線和無線兩種方式進行連接。對于擺放在固定位置的智能硬件，比如智能制動販賣機或者用于監控特定位置的安防設備，可以使用有線連接方式。雖然有線連接方式要考慮線路排布問題，但網絡通信更加穩定。對于放在室內的智能硬件，比如智能家居類產品，可以使用Wi-Fi這種無線方式進行連接。對于在移動中使用的智能硬件，比如智能穿戴類產品，可以使用蜂窩網絡這種無線方式進行連接，比如在設備中插入網卡，或者與手機連接后通過手機聯網。

1.1.3　智能硬件示例

舉個簡單的例子來說明如何將傳統設備改造為智能硬件。假設要對一個普通的水杯進行改造，使其變成一個能監測水溫、通過App提醒喝水的智能水杯。我們可以通過三步改造來實現。

• 實現水量監測功能。為水杯增加一個壓力傳感器，通過計算水杯底部受到的壓力來判斷水量，在每次壓力較小時，則判定水被喝掉了。
• 實現飲水量App提醒功能。為水杯增加一個Wi-Fi模塊，通過Wi-Fi與手機App進行通信，在一定時間內喝掉的水未到達手機App設定的目標值時，則發出提醒信號給手機App進行提示。此外，在實現了水杯與手機App的通信功能后，我們還可以利用水杯獲取的飲水量、飲水時間等數據創造附加價值，比如生成用戶飲水量和飲水時間的日報、月報、周報等，并根據科學的數據分析結果，為用戶提供合理的健康飲水建議等服務。
• 實現監測水溫的功能。給水杯增加一個溫度傳感器，以檢測水杯中的水溫，并將水溫數據傳送到手機App，以便用戶查看。

通過以上三步，我們就完成了對傳統設備的改造。值得注意的是，上述例子旨在幫助讀者更好地理解傳統設備智能化的大致思路。實際的改造過程遠比上述例子復雜，而且實現每個功能的方式也不唯一。

改造后的智能水杯的工作示意圖如圖1-1所示。智能水杯通過傳感器來檢測外界數據，并將數據上傳至云端（互聯網），云端再與用戶的手機App進行通信，下發這些數據。這樣，用戶就能夠查看智能水杯所獲取的數據了。除了查看智能水杯的數據，用戶還能夠通過手機App實現對智能水杯的控制，這就是典型的物聯網設備的工作方式。