2014年6月18日星期三

IoT(一)科普向-智能设备调研



一、概述
      在刚刚落幕的苹果 WWDC14 全球开发者大会上,虽然没有硬件方面的发布,但这次 WWDC 大会依然是苹果公司软件战略升级的一次发布。尤其其中推出的 HealthKit 进军健康为可穿 戴铺路,而开放式 HomeKit 智能家居平台以及推出的专门的软件开发包将智能家居服务与 iOS 8 系统更深入的结合,这种化零为整的方法可以让 iOS 用户更容易的接触到智能家居。
      而在此之前,谷歌即已成为在智能家居领域投入最大的公司,累计投入接近百亿美元。 不久前谷歌以 32 亿美元收购了智能家居公司 Nest,就是该公司进军智能家居领域所吹响的 号角。不只是智能家居,谷歌的可穿戴设备如 Google Glass 早已是世人皆知, Android Wear SDK 的发布以及即将到来的 Moto360 智能手表必将来带可穿戴智能设备的一番热潮。
      互联网的本质就是 connect,连接一切,突破物理世界、突破介质、突破设备、突破系 统,实现一体化的体验模式。苹果 2014 WWDC 大会事实上就是一次连接的发布会,一体化体 验作为连接的交互体验因素成为媒体关注点。而物联网的物物相连的概念,正是将传统互联 网络延伸和扩展到了任何物品与物品之间,这一变化现在正在以肉眼可见的速度进行着,目 前正在流行的可穿戴设备、智能汽车、智能家居无一不是物联网概念的具体表现。
      科技行业钟爱物联网,因为他们觉察到一个全新的巨大市场正在成型。就像大数据和云 等其他当前的热门领域一样,物联网承诺了一切,但又无法马上兑现,它描述的前景十分诱 人,具有无限的可能性,因为这不仅是趋势,更是未来。

二、穿
      可穿戴设备即直接穿在身上,或是整合到用户的衣服或配件的一种便携式设备。可穿戴 设备不仅仅是一种硬件设备,更是通过软件支持以及数据交互、云端交互来实现强大的功能, 可穿戴设备将会对我们的生活、感知带来很大的转变。
      目前可穿戴设备多以具备部分计算功能、可连接手机及各类终端的便携式配件形式存在, 主流的产品形态包括以手腕为支撑的 watch (包括手表和腕带等产品),以脚为支撑的 shoes (包括鞋、袜子或者将来的其他腿上佩戴产品),以头部为支撑的 Glass (包括眼镜、头盔、头带等),以及智能服装、书包、拐杖、配饰等各类非主流产品形态。 
      本文以是否带独立系统、能否独立工作来对其进行大致分类:

2.1 辅助外设
      不带独立操作系统的可穿戴设备,多以手机及各类终端的便携式配件形式存在,主要用 于对用户进行健康状态监控、增强人体感知与交互操作等辅助功能。
      目前此类设备多以 BLE 低功耗蓝牙 4.0 用作通信渠道,通过手机或平板 APP 来控制设备 和呈现数据。

2.1.1 健康监控
      科技以人为本,人体健康方面的技术发展永远都是主流,所以将可穿戴智能设备用于人 体健康监控就显得那么理所当然。

一、独立监控设备

      目前主流的可穿戴智能设备,都是主打健康状态监控,通过一系列的传感器来监测记录 身体数据与变化,使用 BLE 低功耗蓝牙传递数据给手机 APP 呈现数据结果和设置配置。其主 要的功能有:计步、震动闹钟、睡眠监测、心率监测、血压血氧测量、GPS 等。
1 Jawbone 智能手环 
      现在最为流行的健康监控设备以手环为主:如 JawboneFitbitMisfit、儿童老人 GPS 追踪腕带等,当然还有比如 Withings 血压计、iHealth 无线智能血糖监控系统、谷歌血糖 监测隐形眼镜、Smart Diapers 智能尿布、智能传感 T D-ShirtDash 耳机等等其他形式 的穿戴设备。

二、健康监控平台
      而在苹果 WWDC14 大会上刚刚发布的 IOS8 亮点之一即是加入了 HealthKit 功能,苹果首
次的尝试将来自不同源的健康数据整合,甚至可以与医学研究所分享数据。苹果希望通过 HealthKit 一步搞定用户对健康信息的需求,但对于目前鱼龙混杂的健康设备领域它的存在 也是需要的。
      HealthKit 是一组开发工具,让开发者将健康数据整合到其他应用中,其中包括苹果的 官方应用 Health。目前,来自不同应用与设备的信息是相对独立的,比如你不能将 Fitbit 的数据同步到任意其他的应用中。但通过 HealthKit,开发者能够实现一些应用间的交叉同 步了。这意味着你能够使用来自不同公司的设备与应用——比如,一个耐克 FuelBand、一 个 Withings 的血压计、一个 iHealth 无线智能血糖 监控系统——所有的数据将在苹果的 Health 应用中整合,这会让你了解自身整体的健康状况。不同的应用间也能存在交流,比 如一个与健康应用同步的营养应 用,它将会告诉你要减轻 1 磅体重的话需要燃烧多少卡路 里。
      HealthKit 真正有趣的地方是它能够让不同的健康追踪设备与健康应用一同工作。它能 给用户更加全面的健康数据,比如,你可以看到缺乏睡眠对血压的影响。此外,它也能够提 供更加专业的数 据来帮助病人与医生的实时交流。保健医生同样能够根据数据给出更好的 建议来提高用户的健康状况。
      此类平台目前还有三星不久前发布的 SAMI(三星多模式互动架构),此开源的数据收集 架构将使得三星的健康设备如 Simband 兼容由其他服务或设备采集的健康数据,这与苹果的 HealthKit 十分相似。

2.1.2 感知与交互
      如果说手机从键盘变为触屏是一次飞跃的话,那下一次飞跃一定是体感科技而非语音, 毕竟语音操作会暴露隐私。相比之下,体感科技如 Leap Motion kinect 带给玩家更多的 是一种身灵其境的感觉。
      移动设备的未来就是自由,以前我们的手被约束在每个方块按键上,现在我们解放自己 到了一块一定大小的屏幕上,接下来就应该顺理成章把自己的手解放到三维空间中,当然最 后应该解放双手直接大脑操控,达到真正的自由不受约束。

一、手势操作

      将手解放到三维空间中,手势操作无疑是最容易实现的,如 Leap Motion 手势控制装置 已经可以实现很多手势控制来与计算机进行互动的实例,而移动端也有不少相关技术,比如 安卓和 IOS 平台上的 GMD 手势控制 APP 可以通过摄像头感知手势进行一些手势操作,而穿戴 设备如 BearTek 智能手套、MYO 腕带皆可通过感知用户手势动作来操控设备。
      MYO 腕带(手势控制臂环)是加拿大创业公司 Thalmic Labs 推出的创新性臂环,佩戴 它的任何人只要动动手指或者手,就能操作科技产品,与之发生互动。手势控制臂环可以佩
戴在任何一条胳膊的肘关节上方,探测用户的肌肉产生的电活动。它通过低功率的蓝牙设备 与其他电子产品进行无线连接,不需要借助相机就可感知用户的动作。
2 MYO 手势控制腕带

二、眼球追踪 
      当人的眼睛看向不同方向时,眼部会有细微的变化,这些变化会产生可以提取的特征,计算机可以通过图像捕捉或扫描提取这些特征,从而实时追踪眼睛的变化,预测用户的状态 和需求,并进行响应,达到用眼睛控制设备的目的。
      在日常生活中,眼球追踪技术最热门的载体是手机。三星和 LG 都推出了搭载有眼球追 踪技术的产品。比如,三星 Galaxy s III,可通过眼球来控制页面上下滚动;此外 LG Optimus 手机也支持通过眼球运动控制视频播放,只要用户转移视线,视频播放器会自动暂停,直至 视线重回屏幕。
      但眼球追踪技术的发展还存在不少困难。比如,让机器对人类眼睛动作的真实意图进行 有效识别,以判断它是无意识运动还是有意识变化,并不是件容易的事。所以,这项技术在 短期内难以成为人类和机器互动的主要方式,但是它对于鼠标、键盘以及触摸等比较成熟的 人机交互是一个很好的补充,而且在医疗健康、在线教育、心理研究乃至刑事侦查领域等, 都有着广泛的应用前景。
      如霍金在 1985 年因患上肌肉萎缩症丧失了说话能力,只能利用眼球的上、下、左、右 移动发出指令,通过电脑语言合成器,发出独具特色的“电脑声”。

三、意念控制

      没有哪种操作方式比意念控制更酷了,《X 战警》里面 X 教授的超能力简直羡煞我等, 还好随着技术的发展,一直有很多人在研究意念控制,目前已经用科技可以实现此等超能力, 当然能力还相当弱。
      人体的脑波大概能够分为 4 种,分别是 α 脑波、β 脑波、θ 脑波、δ 脑波,分别对 应了轻松、思考、专注、沉睡等多种脑补运动状态,通过外部感应器捕捉就可以读取相应的
波段变化。目前已经产品化的意念控制设备有:Emotiv Epoc 意念控制器、MUSS 意念控制智 能头带、BrainLink 意念头箍等,此类设备都可以将部分意识波动识别后转化为简单的指令, 进行一些设备操作或游戏控制。
3 Emotiv Epoc 意念控制器

四、虚拟实现
      电影《阿凡达》中,科学家利用克隆技术生产出潘多拉星球上的 Na'vi 人,然后把人类的意识植入进去,进而让人类可以在潘多拉星球上以 Na'vi 人的形式活动。在当前的科学研 究下,尽管我们还不能够克隆人,但我们可以利用虚拟实境技术创造出另一个虚拟的世界, 让人在里面体验类似电影《阿凡达》中潘多拉星球上的美景。
      科幻小说通常创造出虚拟实境的两个方式是“头盔显示器”和“营养舱”。“营养舱”提 供模拟身体五官的系统服务,并提供人体所需的生存基本营养。而头盔显示器是虚拟现实应 用中的 3DVR 图形显示与观察设备,可单独与主机相连以接受来自主机的 3DVR 图形信号,以 达到沉浸式的体验,让用户处于一种身临其境的感受。
      2014 03 26 日,Facebook 宣布斥资 20 亿美元收购 Oculus VR,而 Oculus VR 的主 要产品是头戴式虚拟现实头盔 Oculus Rift。此前也有报道索尼正在为 PS4 酝酿一款虚拟现 实头盔(VR headset)来进一步加强新一代游戏机与玩家之间的互动性。
                                              图 4 Oculus Rift 虚拟现实头盔

五、全息影像
      不管是增强现实还是虚拟现实设备,大都还不足以支撑突破时空限制,而且也很难脱离 3D 眼镜,而极富科幻感的全息影像才是最终目的。微软和 AMD 都在研发自家的虚拟现实屋, 惠普最近分拆出了一家公司叫 Leia,希望把 3D 成象搬到智能手机上来,Facebook 3 月份 花 20 亿买了 Oculus VR,亚马逊也即将推出裸眼 3D 手机。

      当人们在感叹《阿凡达》3D 电影超炫视听感受的时候,2010 3 9 号晚间日本世嘉 公司就曾举办了一场名为“初音未来日的感谢祭”、“初音之日”(Miku's Day)的演唱会, 演唱会异常火爆,2500 张演唱会门票在瞬间被抢购一空,演唱日当晚更有超过 3 万名忠实 拥簇者通过付费网络直播观看了整场演唱会。而初音未来则成为了世界上第一个使用全息投 影技术举办演唱会的虚拟动漫偶像。 
5 初音未来全息影像演唱会
      再观移动方面,据 WSJ 消息,位于南加州的一家创业公司 Ostendo 花了 9 年时间研发了
一款适用智能手机的投影仪,该芯片集可插进智能手机,支持在对角线为 48 英寸(约 1.2 米)的平面上放映视频;而更多的芯片连缀在一起可以呈现更大更复杂的图像。Ostendo WSJ 演示了自家的原型产品,在 6 枚芯片支持下在空中展示了一枚 3D 骰子的影像,不管是 成像还是动作都很流畅,而且观者视角不受限制。

2.1.3 其他
      可穿戴智能设备的使用方面远不止上述这些,简单从技术来区分目前的产品,有基于低 功耗蓝牙的防丢失报警配件,此类产品相当之多;还有基于 NFC 近场通信的电子钱包、智能 名片;作为手机功能扩展配件的智键等等。

图 诺基亚防丢失报警配件

2.2 独立系统
      上述智能硬件大多在扮演“采集器”的角色。拿圈内滥大街的手环为例,它们更确切的 称谓或许是计步器,即便将计步器的常规固定位置从腰间转移到了手腕上,你不可否认,大 多数手环的功能在于——记录运动历程、计算卡路里燃烧再加上十分鸡肋的“监测睡眠”功 能。这些硬件不过通过各种形态来充当海量数据的入口罢了,没有手机等控制设备完全就是 鸡肋。
      物和物不经过手机再相连,任何物之间可互联,最终形成网状结构,信息突破孤岛、实 现各种应用的互联,数据最终全部打通,这才是智能设备应该实现的目的。一直擅长投资未 来的谷歌公司,正是目前做得最好的一个。

2.2.1 智能眼镜
      虽然目前智能眼镜有不少,但相信没有哪一个有 Google Glass 如此瞩目,从 2012 Google I/O 大会亮相至今依然是 IT 届关注的焦点。
7 Google Glass
      Google Glass 是一款增强现实型穿戴式智能眼镜,系统基于 Android。这款眼镜将集智能手机、GPS、相机于一身,在用户眼前展现实时信息,只要眨眨眼就能拍照上传、收发短 信、查询天气路况等操作。用户无需动手便可上网冲浪或者处理文字信息和电子邮件,同时, 戴上这款“拓展现实”眼镜,用户可以用自己的声音控制拍照、视频通话和辨明方向。兼容 性上,Google Glass 可同任一款支持蓝牙的智能手机同步。
      Google Glass 里面的应用程序,谷歌官方定义为 Glassware,应用分为两种:一种是 基于 Mirror Api 开发的,通过服务器请求发送推送通知到 Google Glass 上,这种应用一 般不会出现在应用列表里;另一种为 GDK 开发的 Android 原生应用,需要语音控制单独在 程序列表中启动。而 Google Glass 开启 debug 后可安装正常 Android 应用,不过由于没有 触摸界面很多操作不能进行。

2.2.2 智能手表
      坦白说,在 Google 没有正式针对可穿戴领域发布系统之前,大家对智能手表行业的态 度基本处于“举棋不定”的状态,造成“圈内很热,圈外较冷”的现象。在看了几枚国内厂 商的原型后,心里早有了疑问:谁会戴这么个东西刷微博玩游戏?甚至你拿它听音乐都会很 困难。
8 MOTO 360 智能手表 
      但现在又重新看到了希望,Google 发布了可穿戴设备平台 Android Wear,以及 MOTO 360
智能手表的曝光。在 Android Wear 里,Google 准备把 Android 的服务一一般至智能手表上, 在 Google 放出的官方视频里,可以看到诸如天气信息、交通、运动追踪、音乐播放、视频 会议、硬件控制等服务均被内置到手表上,而这一切,你只需要 Google Now 来完成。Google SVPSundar Pichai Android Wear 比喻成“开启多屏世界的钥匙”,我想再恰当不过。 就像官方视频里演示的,排队刷卡订票、出行地图导航、随时随地语音搜索、用 Hangouts社交,还能成为家居智能电器的遥控器„„ 
      实际上我们发现,能改变行业格局的,依然只有 Google、苹果、Intel 这类为数不多的
巨头。Android Gear 发布不久,摩托罗拉与 LG 便宣布会发布支持该平台的产品,实际上 HTC、 华硕、三星与高通同样是识时务为俊杰者,早早加入合作名单之内了。而 Google 发布开放 平台了,一个代表未来的使用场景,下面的开发者自然不会缺席。
      与此同时,苹果自然不会放过这样巨大的未来市场,传闻已久的 iWatch 随着 IOS8 的发 布也逐渐浮出水面。而由 Intel 与三星主推的 Tizen 系统,也将在三星设备上渐渐开始使用 以至于去谷歌化,除了 Tizen 手机,三星的智能手表 Galaxy Gear 系列也开始使用自家的 Tizen 系统。而这两家相对于谷歌的优势即在于拥有自家独立的健康监控平台。

2.3 小结
      虽然可穿戴设备将人与互联网连接的更加紧密,但个人隐私也将受到极大的挑战。在今 天的大数据时代,人们对网络的依赖日益增强,可穿戴设备强化了这种依赖性,当到处印刻 着健康指数、行为习惯、生活偏好和工作履历痕迹的时候,个人隐私泄露的危险大大增加。 毫无疑问,可以获得的个人数据量越多,其中的隐私信息量就越大。只要拥有了足够多的数 据,我们甚至可能发现有关于一个人的一切。
      除开最重要的隐私泄露,可穿戴智能设备受攻击面还是比较独特的,健康外设可能被控 制泄露信息甚至伤害肢体,感知设备可能被控制后伪造信息开展社工,交互设备则可能被伪 造操作控制主机。而基于独立系统的智能手表眼镜等,面对的威胁与之类似,不过由于如同 手机一样能安装三方应用则会面临更多的风险,尤其恶意代码方面。
      而我们目前所能做的,主要也只能去检测各类独立系统设备的应用市场、网站、论坛等 等的应用,找出是否含有恶意代码;而对于各种辅助外设,可以从控制端 app 入手来进行渗 透测试,找出是否存在可能的隐私泄露点、伪造或跳过身份识别、逆向接口 API 等等;而通 信方面安全也需要关注,LBE 低功耗蓝牙、NFC 近场通信的身份识别与安全通信等等,比较 Android 平台下利用这两个技术的恶意代码早已出现。

三、住
      WWDC14 大会召开即被互联网圈子刷屏了,苹果推出了智能家居平台 HomeKit,赢得了一 片叫好,各路人马已经开始憧憬未来美好的智能生活了。但各家互联网公司盯紧智能硬件和 智能家居,准备或正在打造相关生态链时,苹果的介入让所有人悲喜交加。对于这场即将而 来的家居大作战,国外有苹果、谷歌等科技巨头的参与,而国内也融入了创客模式、小米模 式、海尔模式的参与,各方蓄势待发,又将会有怎样的结果呢?

3.1 电视与盒子
      墙内火热墙外凉,其实用户对于智能家居的接受度目前依旧停留在手机和电视层面。而 智能电视与智能盒子充其量也只是手机与平板的延续,现在市场常见的基本都是定制化的 Android 系统,与手机平板的 Android 系统差别不大,也能直接安装这些的应用。不过由于 操作方式的差异,电视与盒子通常使用遥控器或者手机 app 控制,所以相应的出现了针对电 视与盒子的应用市场,里面的应用基本以视频播放和小游戏为主,并且优化了遥控器方式的 控制,如当贝市场、沙发管家等。
      其实还有将电脑、手机、平板画面投射到电视使用的电视棒、机顶盒设备,比如 Apple TV、谷歌 Chromecast 电视棒、百度影棒等等。这类设备有些不能安装运行应用如谷歌 Chromecast 电视棒,有些本身就是智能盒子如 Apple TV、百度影棒,一样通过手机平板或 电脑端 app 或遥控器来控制,主要用于投射设备画面或直接在线播放视频。

3.1.1 智能盒子
      从最早的传统电视机顶盒,到现在被各大互联网公司炒火的智能电视盒子,互联网生活 已经从移动端走到了客厅生活,客厅智能化已经成为未来的大趋势。如今可以说是智能电视 盒子百家齐放的小时代,各大互联网巨头纷纷拿出了手中的看家法宝进军这一全新市场。
      智能电视盒子,简单的理解就是搭载了 iOS 或安卓操作系统(Android)的电视盒,除 了传统的电视盒功能,还能凭借操作系统平台让普通的电视机实现智能化的提升。以安卓平 台为例,数十万款安卓市场的应用、游戏等内容随意安装,让电视机实现网页浏览、视频电 影观看、聊天办公游戏等,与平板电脑具有了和智能手机一样的功能。
      现在市面常见的智能盒子基本都是基于 Android 操作系统,比如:小米盒子、天猫魔盒、 华为 TRON、中兴九城 FUNBOX、乐视盒子等等,但是产品越多同质化越严重,目前破局之路 主要在于高清资源、4K 播放、电视游戏机、在线购物等特色功能。
      拿身边使用较多的小米盒子为例,其自身定义为高清网络机顶盒,从配置上来看跟一般 的 Android 平板设备差别不大,使用起来也没有太多的区别,一样可以安装运行正常的 Andorid 应用,而内置市场中的应用也不过优化了遥控器操作而已。至于电视节目中的付费 节目,则是通过小米帐号里的虚拟货币“米币”来购买,“米币”则通过人民币充值获取。
      智能盒子不比手机,含有的隐私并不多,而支付方面虽然跟手机一样可以装相关网银、 淘宝、京东等的应用,但究竟有多少人会在电视上管理网银呢。不过电视购物却还是会有的, 除了通过帐号来付费的电视节目,目前主要有天猫魔盒这种直接包含淘宝入口以及支付宝应 用的网络购物,这样一来就跟手机平板没有任何差别了。
图 小米盒子
3.1.2 智能电视
      智能盒子的流行,带来的则是智能电视的兴起,其实智能电视简单来说也不过是传统电 视整合了智能盒子而已,给传统电视加入了包括网络视频、语音、体感等等更加完善的智能 功能,和一步到位的体验。
      智能电视是个新市场,除了新型设备厂商如小米、乐视、酷开的加入,老牌传统电视厂 商如索尼、三星、海信、LG、创维、熊猫等也没有放过这个当前火热的市场。
虽然从使用上来看智能电视跟智能盒子并无二致,但也有其独自的特色。比如乐视 TV 就在打造全球首创 4K 生态系统,而后索尼也开始执行打造类似的方案。