基于物联网的智能产品设计研究

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

摘  要：物联网技术的快速发展，为智能产品的应用提供了更为广阔的前景，也对产品的智能设计模式提出更高要求。该研究分析产品的物联属性，在物联网环境下应具备网络互联、环境感知、数据共享、人机交互等方面的能力，提出面向服务、面向数据、面向应用的三种智能产品结构模型，论述了各类设计模式下的应用设计方案和服务架构，对比分析优势与限制，为开展智能产品设计提供理论参考。

关键词：智能产品   物联网   设计模式   结构模型

中图分类号：TP399                         文献标识码：A文章编号：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

互联网、云计算、大数据的快速发展，使得人工智能应用日益成熟。物联网的发展则将用户端延伸和扩展到了任意的物与物之间，不断拓展应用范围、推动应用创新，被称为继计算机、互联网之后的第三次信息产业浪潮。智能产品作为人与物、物与物互联的基本应用终端，通过软硬件结合的方式，实现物联网服务的加载，已经从可穿戴设备延伸到智能玩具、智能家居、医疗健康、智能汽车、机器人等领域，成为信息技术与各类产业融合的交汇点^[1]。《中国制造2025》中明确提出：“着力发展智能装备和智能产品，推进生产过程智能化，培育新型生产方式，全面提升企业研发、生产、管理和服务的智能化水平。”因此，要大力促进信息技术与传统制造业的融合发展，积极推进现有制造业的升级转型发展。随着技术发展、配套基础设施的不断完善和应用服务市场的不断成熟，芯片、通信技术、传感器、云平台以及大数据等的有效支撑，基于物联网的智能产品设计已经成为最新的发展方向。該文主要是从人与物、物与物、物与网的联接和应用服务角度，研究智能产品设计中“网”“云”“端”的应用设计方案和服务模式，对比分析各类智能产品设计模式的优势特点，为开展智能产品设计提供新的研究视角。

1  智能产品的物联属性

随着物联网的蓬勃发展，智能产品逐渐兴起，给我们的生活带来便利的同时，也引发了制造产业的变革。智能产品是以共性的计算软硬件为基础，以智能感知、无线互联、大数据处理及显示部件等新一代信息技术为特征，以各类新型材料和工艺硬件为载体的新型智能终端产品。物联网环境下的智能产品具有敏锐的环境感知、智能的数据处理、方便的人机交互以及广泛的网络连接能力，可以对外部环境信息进行自动感知、分类加工、智能处理，能够从事更为复杂的工作^[2]，帮助不同类型的用户获得更好的应用体验。

1.1 敏锐的环境感知

智能产品能够通过各类传感器来感知周围的环境特性，通过标签能够区分识别指定的对象，形成对环境的初步认知。传感器主要将各类外部环境特征，比如：声、光、气、热、力、磁等物理特征，转换成计算机能够识别处理的二进制信号，不仅让物体有了和人体相似的嗅觉、味觉等感觉能力，而且还能超越人类的感知器官灵敏度，获取大量关于环境各类信息^[3]。给物体加上标签，就能够通过二维码、条形码、RFID等技术，识别特定的物体对象，用于获得对象标识信息以及标签所包含的其他扩展相关信息，例如：银行卡上的金额余额，二维码中所包含的商家名称、地址和微信公众号等，用于拓展信息来源。

1.2 智能的数据处理

智能产品通过传感器获取大量的环境信息，以及物体对象信息，通过智能化的信息处理，在线显示数据状态，以更加人性化的方式提供给产品用户。这种能够对物体进行识别、对环境信息进行智能处理的能力，是智能产品和传统应用产品的核心区别。智能产品加装算法和模型后，就可以根据环境感知的数据进行状态监控和辅助决策，通过网络连接到后端云平台，就可以利用网络进行智能计算，进行语音或图像识别，自动控制对象的行为和状态，例如：根据照明需要调整路灯的开关状态，根据路上车流情况优化调整红绿灯的间隔等。随着大数据、人工智能技术的不断发展，智能产品不仅能够基于简单的知识模型、算法模型进行智能化的数据处理，而且还可以将数据上传的云端平台上，进行机器学习、大数据挖掘等处理，将分析结果回传到智能产品终端。

1.3 方便的人机交互

智能产品的便利性特点，使得传统的鼠标和键盘输入无法满足人机交互要求，必须通过更加符合人类行为特点的自然交互方式，来实现人与物之间的联接和数据交流，完成各类控制参数输入和操作。当前的智能处理识别技术为更加方便的人机交互方式提供了多种方式，比如：通过语音识别、手势识别和图像识别来理解用户的操作，甚至通过检测手指指纹、静脉血液脉动、生物电等来读取用户的人机交互要求，按需提供相应的功能服务，使得用户体验更加自然舒适。方便的人机交互使得智能产品更加人性化，使用更加便利，并能够智能地体会人类意图，自动完成相应的处理和操作任务。

1.4 泛在的网络互联

5G移动通信网络的大规模建设，大连接、大带宽、低延时，使得万物互联成为可能。传统的工业产品主要是围绕人机交互应用，具备特定的功能，按照人类的操作，完成指定的功能，智能化程度也较低。物联网的发展，在人与物、物与物之间，形成广泛的联接，数据高度共享，不仅能够进行传统的计算和控制，还能按照人类的行为习惯、生活特性，智能协同到各类智能产品，赋予智能产品更多的人类社会化功能。比如：用户在回家的路上，就可以通过手机预先打开家里的热水器，预先将空调调整到合适温度，开启智能门禁系统进入家门^[4]，自动播放音响或电视新闻;智能手环随时检测血压、心跳等状态，上传到云端平台，智能健康管理系统对身体的健康状态进行分析，将分析的饮食、运动或就医建议，自动发送到用户智能手机进行报告提醒。

2  基于物联网的智能产品设计模式

智能产品设计属于物联网“云、网、端”架构中的“端”的具体应用实现，常常是跨越多个平台的系统性产品，需要在物联网整体环境下来确定智能产品的连接对象、功能定位、感知精度等因素，避免增加产品的开发成本，延长產品的开发周期。在进行智能产品设计时，优先级较高的目标是要确定“端”功能的“瘦”和“胖”，对“云”的后台中间件、功能应用的开发和利用，进而选择相应的处理性能、网络通信和数据存储方式以及传感器的精度。

2.1 面向服务的智能产品结构模型

智能产品主要是通过网络获取“云”端的服务能力，以便携、个性化的方式提供服务。典型的应用包括智能电视、智能显示牌、ATM终端等，智能产品工作在设备层，感知用户的位置和服务需求，服务层和智能层工作在“云”端，网络通信要求实时、高速、稳定可靠，数据处理能力要求不高，人机交互要求相对单一。在结构上，智能产品主要是通过基于Web服务的接口，调用“云”端服务能力，并与其他智能产品相互连接，从而实现信息共享及服务推荐功能。具体情况见图1。

2.2  面向数据的智能产品结构模型

智能产品主要作为智能化的数据采集终端，对物体属性进行标识^[5]，实时探测物体状态和周边环境数据，并将信息通过网络传输到数据处理中心，由处理中心完成相关计算和智能产品任务的调度分配。典型的应用包括环境监测、供应链管理、智能运输、智能交通等，智能产品主要是工作在感知层和网络层，有一定的数据预处理能力，拥有丰富的感知能力，网络通信要求稳定可靠，人机交互相对简单，主要是后端通过大数据实现智能处理和控制。在结构上，智能产品本身就是业务流程的前端和执行环节的终端，按照业务流程引擎的要求执行相应的数据采集功能，完成感知信息的初步处理，替代人工数据采集并提供无法靠人工采集的精确测量信息。具体情况见图2。

2.3  面向应用的智能产品结构模型

智能产品主要作为物联网的应用支撑功能单元，提供标准化的物联网应用支撑^[6]，同时，可以利用业务应用的设备应用接口，实现各功能单元之间的应用共享管理，是信息物理融合系统（Cyber-Physical Systems，CPS）的重要节点。典型的应用包括智能医疗、无人飞行器、自动驾驶汽车等，智能产品工作在感知层、网络层、智能层和应用层等各个层次，不仅能够利用“云”端的强大智能应用服务，而且产品自身能够提供所有的应用服务，拥有丰富的环境感知能力、人机交互能力、数据处理能力和应用控制能力。在结构上，智能产品本身就是智能设备，完成信息的采集、处理、存储和交互控制，实现云到端的智慧连接也为更多的信息服务提供平台和数据支撑。具体情况见图3。

3   对比分析

面向不同应用场景，特别是在物联网体系架构下，这些智能产品结构模型所侧重的设计要求也不相同，为各类智能产品的设计提供参考。综合考虑智能产品的软硬件性能要求，以及采用的技术路线和组织模式，对比分析了不同设计模式下，智能产品对网络通信、环境感知、数据处理、人机交互、设备互联的技术要求，同时也分析了不同设计模式存在的优势与限制，具体内容见表1。

4  结语

随着物联网环境下的智能产品逐渐进入日常生活，智能科技必将带给人们更加便利的生活方式，促进生产力的进一步提高。智能产品设计在考虑更好地为人服务的同时，还必须结合特定的应用场景，综合成本、需求和实现可能，以更广阔的视角去考虑智能产品与人、社会、环境之间的关系。该文从信息与物理系统融合的角度，分析了智能产品面向服务、数据和应用的三种设计模式，为研究开发智能产品原型提供了参考，具体的物理设备实现如操作系统、网络连接、软件服务构件设计等还需要进一步研究。

参考文献

[1] 弭宝瞳，梁循，张树森.社交物联网研究综述[J].计算机学报，2018，41（7）：20-47.

[2] 李小丽.物联网时代智能产品的设计思维分析[J].科学技术创新，2020（6）：96-97.

[3] 徐贤辉，马素平.物联网趋势下的智能家电设计研究[J].中国新技术新产品，2018（2）：7-8.

[4] 李俊吉，王兴.基于物联网通信技术的智能门禁系统[J].现代工业经济和信息化，2020，10（7）：91-93.

[5] 李国清.基于物联网区块链的智能产品设计思维与应用探究[D].广州：华南理工大学，2020.

[6] 王一鸣.物联网：万物数字化的利器[M].北京：电子工业出版社，2019.

作者简介：张智慧（1972—），女，本科，副教授，研究方向为电子学与通信方向研究。