電子科技新旋風：數位家電生活
94/09/06
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郭耀煌｜
成功大學資訊工程學系
洪盟峰｜
樹德科技大學資訊工程學系
數位家電的歷史與概念
數位家電（information appliance，IA）的概念並非最近的事，早在1987年司科瑞克在〈2010的智慧家庭〉（The Intelligent Home of 2010）一文中，已經有所描述：在未來的家庭裡會有一個網路閘道器，它對外連接通訊網路，提供家庭通訊功能，對內則連接家用設備，用以監控家電。隨著資訊、電子技術的進步，這樣的概念已經逐漸實現。
德國的西門子公司描繪未來的數位家庭中，燈光是不需要開關的，它可以自動啟閉，或者透過鍵盤設定開啟與關閉的時間；當人們外出時，不必要的家電會自動休眠，門禁保全系統則會自動啟動。韓國LG公司則推出一臺可以連接網際網路、收發電子郵件、下載食譜的網路電冰箱。
美國的伊萊克斯公司設計了一種智慧吸塵器，名為三葉蟲，它可以自動偵測、尋找並規劃清潔路徑。當使用者開啟電源後，會自動清潔地板，如果電力不足了，也會回到充電器充電，待電力充足後再繼續工作。當然它也會避開樓梯口，以防止掉落損壞。日本的本田公司推出另一種具有人工智慧的機器人ASIMO，可以隨著音樂節奏與人互動共舞，一般認為它已經具有管家的雛型。
數位家電不僅賦予舊式的家用電器新的機能，有創意的新家電也不斷地出現。例如麻省理工學院的謝爾德教授做了一個智慧湯匙，可以顯示食物的溫度與甜鹹，這種湯匙即是人工舌頭的雛型。另外互動式電視不只是收看視訊節目，更可以連上網際網路，隨意點播節目，或上網購物、上課、甚至看病等。由上述的例子，可以預期數位家電應該可以提供居家服務、娛樂、教學與醫療保健等較以往更為舒適的家居生活。
就市場需求而言，根據資策會統計，2002年臺灣數位家電產值大幅成長了140.1％，達41億9千萬美元，是6大硬體產業中表現最好的。樂觀預估，臺灣IA總產值在2005年應可達64億美元，占全球市場的34.9％，是臺灣繼資訊產品後，另一重要的新興市場。
數位家電的特點
綜觀數位家電過去的發展，不難發現它具有兩項特點：智慧型操作介面與優異的通訊能力。
所謂智慧型操作介面，就是跳脫過去的鍵盤與開關，可以接受更自然的指令，包含語音、口令、甚至行為動作與情緒等，而且這些家電設備具有學習或尋找最佳工作模式的能力。例如房間內的感應器可以依據人的口令或自動感測是否有人來決定開啟燈光，或藉由偵測室內溫度控制冷氣或暖氣，或使用者可以用語音指揮音響的播放曲目、電話的撥號、電腦的資料搜尋等。這些智慧型的操作介面讓家電可以識別指令，讓使用者可以更輕便、自然地操作家電用品。
數位家電也都普遍具有良好的通訊能力，可以相互連結或連接網際網路。家電設備具有通訊能力就可以接收來自外部的命令，以及通報自身的內部狀態，因此可以實現遠端控制與家庭保全的功能。家人外出時也可以透過網際網路連接家中攝影機，來觀看是否遭人侵入，或控制家裡電器的開關。
除了使用者可以透過網路連接設備之外，家電設備也可以相互連接通訊，例如當攝影機偵測到有外人入侵時，會通知錄影設備錄下入侵者的影像；當有煙霧或火焰發生時，會自動通知消防隊或在外的家人；冰箱裡的牛奶喝完了，就上網訂購新鮮牛奶並宅配到家；冷氣機啟動時，會自動關閉門窗；此外，也可以連接到音樂公司下載最新專輯，人們就不需再跑唱片行了；電子書包也可以每天依課表更新應帶的書本，小朋友就不用天天背負沈重的書包了。這些都是通訊網路帶給數位家電的新功能與價值。
另外一個值得注意的趨勢是個人化的操作介面，也就是數位家電可藉由本身的學習能力來學習使用者的操作習慣與需求，提供不同的操作建議或內容讓使用者選擇。舉例而言，電視可以提供使用者個人喜好或分級的節目內容，以幫助使用者更快且更準確地找到想要的內容。
數位家電的基本技術
要使家電設備具有智慧操作與網路通訊的能力，就必須使家電用品具有環境感測、資料計算與資料傳輸的能力，因此數位家電設備多半具有下列的軟、硬體技術。
有效的感測元件 感測元件主要是感測環境物理量的變化，並轉換成電子訊號加以應用。例如光線、溫度、濕度、氣體等物理量的變化，可藉由感測器元件轉換成電阻、電流、電壓、電容等訊號的變化做為控制的依據，使系統維持在最佳的運作狀況。近年來因為資訊科技的進步，影像與聲音可以經由影像處理及語音識別技術加以運算，而得到不錯的辨識效果。所以影音的感測元件也廣泛地使用在家電中。
高效能的計算平臺 如何從多個與多種感測元件所得到的資料中，分辨出具有意義的訊息，進而調整家電的運作，必須有一個高效能的平臺來完成。例如，感知光線強度後決定燈光的開閉，偵測溫度的高低決定冷氣的調溫，檢查屋內影像的內容，找出入侵者的位置，以及分析使用者的的語音訊號，以便得到使用者的語意等。這樣的計算平臺恰如一般的電腦系統，我們把這包括硬體與軟體的計算平臺稱為嵌入式系統。
嵌入式系統與個人電腦最大的不同在於系統資源有限，不易擴充，且執行的任務固定，只具備特定功能。所以要為家電設備設計專屬的嵌入式系統，必須把有限的系統資源，如CPU時間、記憶體空間等做有效率的分配與應用，並且整合原有的家電與周邊感測元件的功能。近年來微電子技術甚至可以把這計算平臺整個實作於單一晶片上，也就是系統晶片，讓數位家電更具效率與可行性。
完整的網路介面 要使數位家電能透過網路連接，就必須讓家電設備具有完整的網路介面。目前廣泛使用的有線或無線區域網路技術，包括IEEE802.3、IEEE802.11與HOME PLUG都可以讓家電設備連接網際網路。利用通用序列傳送介面（USB）、IEEE1394與藍芽（Bluetooth），也可以讓家電設備之間相互連接，它們可提供的連線距離、速度與傳輸介質都不相同。
IEEE802.3也就是一般使用RJ-45接頭的乙太網路，是目前最廣泛使用於連接家用電腦的網路。新型的被動式光纖乙太網路傳輸速度可達每秒數十億位元，可以用來連接家庭閘道器與網際網路。
IEEE802.11與HOME PLUG也有這種功用，不過IEEE802.11採用2.4 GHz的無線電訊號，HOME PLUG則採用家中的電力線路做為電腦網路的傳輸線，所以兩者都不需重新布設網路線，也是目前架設家用電腦網路最常使用的解決方案。尤其HOME PLUG可以讓數位家電直接由電源插座連接網路，最適合用來構建數位家電網路。
USB、IEEE1394與藍芽目前已經大量使用在隨身碟、數位相機、數位攝影機、耳機、音響設備上。其中USB與IEEE1394所提供的不需重新開關機就可以連接設備的熱插拔功能，以及短距離但高傳輸速度的特性，已經可以支援影音娛樂家電的高品質要求。
訊號處理技術 為了提供智慧型個人化的操作介面，數位家電設備必須具備聽覺，能聽得懂使用者的語音，以及視覺，能看得懂使用者的影像，所以必須有良好的訊號處理技術。而且為了能即時傳送大量的影音資料，壓縮技術也十分重要！舉例而言，如要以每秒30個畫面的速率傳送解析度為640 × 480 × 3的電視畫面，則需要640 × 480 × 3 × 30 bytes／秒＝27,648,000位元／秒的網路頻寬，這對現有的網路是十分困難的。而資料壓縮技術可以把多媒體資料以高壓縮比、低遺失率的方法傳送。
常用的方法有國際標準組織MPEG所提出的MPEG-1、MPEG-2、MPEG-4，以及國際通訊聯盟所制定的G.723、G.729等。MPEG系列的壓縮技術已經廣泛使用在影音光碟片上，例如VCD上的MPEG-1、DVD上的MPEG-2，以及目前常用於數位相機或行動電話錄影功能的MPEG-4，而G.72x系列則適用於網路電話語音壓縮。
人機互動技術 人機互動技術是指如何讓使用者與設備的溝通介面更加人性化的技術，也是如何實現智慧型個人化操作介面的技術。它包括如何針對一個應用或設備來設計、評估、最後實作出有效易用的人機介面，甚至使用者所處的情境都可以被機器辨識。所以這項技術所涵蓋的範圍不僅限於計算機科學，還包括人性因素的研究，如認知科學，以及以使用者為中心的介面設計方法、媒體的處理與呈現、實用性的評估與測試等主題。
新的數位家庭生活
新的資訊技術讓傳統的家電設備有了新的風貌，也改變了我們過去的生活習慣，當然人們與「家」的互動也會不同於以往，未來「家」不僅只是硬體，更是可以親和互動的軟體。
在未來家庭中會有個服務閘道器整合家庭內部網路，包括電腦網路及家電網路，並且提供使用者一個整合的家電操作介面，以便操控家電，統整訊息設備，包括電子郵件、簡訊、電話、傳真等讓使用者享有單一化的訊息服務，並協助使用者在網路上快速地找到所需的服務，包括網頁、資料庫、多媒體等。
為了要達到這項目標，每個使用者都會有專屬的個人代理，所謂個人代理通常是一個軟體程式，負責專為一個使用者服務。這個個人代理會依據使用者的指令與授權，與網路上的其他個人代理或伺服器互動。在數位家庭中，個人代理由3個功能模組組成，它們是家電控制器、訊息管理員與服務導航器。
當使用者想找尋某一服務內容時，服務導航器可以接受使用者語音、關鍵詞的指令，並轉向閘道伺服器查詢。閘道器依據內容索引查詢使用者想要的服務內容及儲存於何處，再把資訊傳回服務導航器，然後個人代理可以直接向服務伺服器要求下載服務內容。個人代理的好處是可以提供良好且友善的操作環境，讓資訊系統或設備可由過去的專業化操作逐漸邁向公眾化，並藉由人機互動技術讓數位家電的操作不會因功能的增強而變得複雜。
智慧型人機互動介面與網路服務，是成就數位家電生活美夢成真的兩大關鍵。提供簡單的介面與複雜的功能是智慧型介面設計的目標，透過有線或無線的網路服務更能夠延展數位生活的空間與自由。人們可以透過各種隨身裝置，無論是手機、PDA或筆記型電腦，在家中的任何時間都可以針對自己的需要得到最好的服務。而未來的房子就像是一個善體人意的好管家，在你需要的時候，給你最貼心的服務，讓你愉悅地享受數位生活。
