1.1　智能硬件概述

智能硬件产品越来越多地出现在人们的生活中，比如智能手表、智能水杯、智能门锁、智能音箱、智能汽车等。这些智能硬件产品通过提供不同的功能和服务使人们的生活变得更加便利。智能硬件产品有一些共性，即能够从外界环境采集信息，对信息进行处理并将处理结果反馈给用户。智能硬件是“互联网+”与“人工智能”技术的重要载体。那么，到底什么样的设备可以称为智能硬件？智能硬件具有哪些特征？智能硬件的基本组成是怎样的？为了回答这些问题，下面将对智能硬件的概念以及智能硬件的基本结构进行介绍。

1.1.1　什么是智能硬件

智能硬件，也称为智能终端设备，是指与软件相结合的、被先进的科学技术（比如信息技术、计算机技术、数据通信技术、传感器技术、自动控制技术、人工智能技术、大数据处理技术等）改造过从而具备智能的传统设备。其中的智能指连接能力（数据传输和通信）、感知外界环境的能力（数据采集）、对外界环境变化做出反应或与外界环境进行交互的能力（数据处理和反馈）等。改造的传统设备既可以是电子设备，比如空调、电视、冰箱等，也可以是非电子设备，比如门锁、水杯、椅子等。改造完成后，传统设备就变成了智能终端设备，具备了智能传感互联、人机交互、新型显示及大数据处理等新一代信息技术特征，并以新设计、新材料、新工艺硬件作为载体。比较典型的智能硬件有智能手表Apple Watch、智能手环Fitbit、智能汽车Tesla、智能音箱Echo等。

1.1.2　智能硬件的基本结构

智能硬件的种类多种多样—从能够检测人体健康的可穿戴设备到可以自动驾驶的交通工具。智能硬件基本具备以下组件：作为智能硬件“大脑”、负责控制设备的微控制器，用于检测设备及其周边环境的输入设备，用于提示信息或直接作用于周边环境的输出设备，用于连接服务端或控制端的网络接口。

1. 微控制器

微控制器（Micro Controller Unit，MCU）也可称为单片机，是把中央处理器的频率与规格做适当缩减，并将存储器、定时/计数器、各种输入/输出接口等集成在一块集成电路芯片上所形成的芯片级的微型计算机，用于协调和指挥设备工作。简单来说，微控制器就是一个计算机系统集成到一块芯片上，这块芯片就相当于一台计算机。它的体积小、质量轻、价格便宜、输入/输出接口简单。而且它修改一条机器指令只需重编所对应的程序，增加一条机器指令只需在控制存储器中增加一段程序。例如，空调能使室温达到某个特定温度，是因为微控制器中有一段程序，这段程序的用途就是检测连接在微控制器（输入端子）上的温度传感器的状态，并控制空调中的温度控制部件（蒸发器、压缩机、冷凝器等），以便使室温达到目标温度。

2. 输入设备

输入设备是指向计算机系统输入信息的设备。对于智能硬件来说，输入设备主要是指传感器，它能够获取智能硬件自身和周边环境信息以及用户的操作信息等。例如，有些智能音箱搭载了触控屏、物理按键、摄像头、麦克风阵列等传感器，这些传感器能够帮助智能音箱更全面地掌控周边环境信息：触控屏和物理按键可以获取用户的操作信息，摄像头能够获取周边环境的图像信息，麦克风阵列能够获取周边环境的声音信息。值得注意的是，传感器的类型和精度在一定程度上决定了智能硬件的性能，所以在智能硬件的研发过程中，选择合适的传感器非常重要。

3. 输出设备

输出设备是指将计算机系统的信息返给外界环境的设备，这些设备能够将智能硬件返回的信息通过图像、声音、行为等形式表现出来。举个例子，智能机器人可以通过显示屏显示其工作状态给用户，通过声音来提醒用户，通过做出特定动作来服务用户。由此可见，智能硬件的输出设备能够通过不同的方式传递信息给用户，并对外界环境进行一定程度的干预。因此，在智能硬件的研发过程中，考虑如何搭配不同的输出设备以使智能硬件更高效和舒适地传达信息给用户是十分必要的。

4. 网络接口

网络接口是指计算机系统与网络进行连接的接口。智能硬件需要通过网络与服务器、用户端软件或网络中的其他智能设备进行通信，以便积累和分析检测到的数据，以及通过用户端软件对智能硬件进行控制。智能硬件可以通过有线和无线两种方式进行连接。对于摆放在固定位置的智能硬件，比如智能制动贩卖机或者用于监控特定位置的安防设备，可以使用有线连接方式。虽然有线连接方式要考虑线路排布问题，但网络通信更加稳定。对于放在室内的智能硬件，比如智能家居类产品，可以使用Wi-Fi这种无线方式进行连接。对于在移动中使用的智能硬件，比如智能穿戴类产品，可以使用蜂窝网络这种无线方式进行连接，比如在设备中插入网卡，或者与手机连接后通过手机联网。

1.1.3　智能硬件示例

举个简单的例子来说明如何将传统设备改造为智能硬件。假设要对一个普通的水杯进行改造，使其变成一个能监测水温、通过App提醒喝水的智能水杯。我们可以通过三步改造来实现。

• 实现水量监测功能。为水杯增加一个压力传感器，通过计算水杯底部受到的压力来判断水量，在每次压力较小时，则判定水被喝掉了。
• 实现饮水量App提醒功能。为水杯增加一个Wi-Fi模块，通过Wi-Fi与手机App进行通信，在一定时间内喝掉的水未到达手机App设定的目标值时，则发出提醒信号给手机App进行提示。此外，在实现了水杯与手机App的通信功能后，我们还可以利用水杯获取的饮水量、饮水时间等数据创造附加价值，比如生成用户饮水量和饮水时间的日报、月报、周报等，并根据科学的数据分析结果，为用户提供合理的健康饮水建议等服务。
• 实现监测水温的功能。给水杯增加一个温度传感器，以检测水杯中的水温，并将水温数据传送到手机App，以便用户查看。

通过以上三步，我们就完成了对传统设备的改造。值得注意的是，上述例子旨在帮助读者更好地理解传统设备智能化的大致思路。实际的改造过程远比上述例子复杂，而且实现每个功能的方式也不唯一。

改造后的智能水杯的工作示意图如图1-1所示。智能水杯通过传感器来检测外界数据，并将数据上传至云端（互联网），云端再与用户的手机App进行通信，下发这些数据。这样，用户就能够查看智能水杯所获取的数据了。除了查看智能水杯的数据，用户还能够通过手机App实现对智能水杯的控制，这就是典型的物联网设备的工作方式。