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最近一段时间会更新一系列跟硬件、传感器相关的人机交互设计,内容包括设备互联、物体定位、人脸识别、手势识别等技术,这些内容能帮助读者在日后工作中更好地理解技术对于体验设计的意义是什么。本文是设备互联的下半部分,上半部分内容:

蓝牙

蓝牙也是设备互联的常见手段,据蓝牙技术联盟预测,到了 2025 年内置蓝牙模块的设备会高达 60 亿台。这里有两个技术细节大家平时可能没有留意到,第一个技术细节是蓝牙发布 4.0 版本后,蓝牙模块分为经典蓝牙模块和低功耗蓝模块(Bluetooth LowEnergy,BLE),它们之间无法相互传输数据。经典蓝牙模块能做到向低版本兼容,蓝牙 5.0 能和蓝牙 3.0 互传数据,一般用于数据量比较大的传输,例如电脑和手机、打印机之间的文件传输、手机和蓝牙耳机之间的音频传输。由于现在的音频体积越来越大,为了更好地满足高带宽传输,蓝牙版本 3.0 后的传输速度可以达到 24Mbps。低功耗蓝牙模块只支持蓝牙 4.0 以上的版本,但它拥有众多好处所以受到很多厂商的青睐:

  • 相比经典蓝牙,低功耗蓝牙拥有更高的实时响应和长连接能力。
  • 经典蓝牙传输距离一般在 2-10 米,而低功耗蓝牙的有效传输距离可以达到 50-300 米。
  • 低功耗蓝牙待机和运行只需要极低的功耗,使用一粒纽扣电池就可以连续工作一年。

总的来说,我们需要处理各种事物的手机、电脑内置的蓝牙会同时配备经典蓝牙模块和低功耗蓝模块;对于一些要求功耗低、响应迅速快、数据传输量小的智能家居、智能穿戴来说,低功耗蓝牙已经能满足绝大部分需求。

第二个技术细节是低功耗蓝牙模块(Bluetooth Low Energy , BLE)分为主设备、从设备、广播者和观察者 4 种工作模式,主从设备的区别是主设备是指能够搜索别人并主动建立连接的一方,而从设备则不能主动建立连接,只能广播连接信息等主设备连接自己,例如手表、鼠标、耳机都属于从设备。由于主设备和主设备、从设备和从设备之间无法互联导致一些设备无法互联,例如都属于从设备的车载系统和蓝牙耳机,所以蓝牙技术联盟在后续的 BLE 版本中增加了主从一体的概念解决以上问题。由于目前绝大部分设备的蓝牙模块都停留在 4.0 版本,当程序员告诉你两个设备由于技术限制时无法连接时,读者应该第一时间考虑到主设备、从设备互联的问题,并且通过更新的蓝牙版本解决该问题。

蓝牙的广播者模式会每隔一定时间广播一个数据包到周围,它跟从设备有点类似,但它不能被主设备建立连接,最具代表的例子就是 Beacon 设备;蓝牙的观察者模式会持续监听搜索周围的广播事件,它跟主设备工作原理相似但无法发起和从设备的连接。使用广播者的好处是双方无需配对,广播者就能将信息传输给主设备和观察者,例如在某些大型商场中一些商店会布置一些 Beacon 设备,它会在几毫米-五十米范围以 20ms 的时间间隔不断将推送服务广播给用户的手机,当用户的手机安装了相关 APP 会自动弹出商店的优惠信息。例如星巴克很早采用了苹果的 iBeacon 技术,当用户走近星巴克咖啡店时,手机会收到星巴克推送的优惠券吸引用户注意,星巴克也会推送用户平时常喝的咖啡类型,用户可以直接一键下单简化了整个下单流程,Beacon 技术对于精准化营销有着重要作用,但由于前期精度问题一直没被广泛应用。

利用蓝牙的 4 种工作模式能创造出优秀的用户体验,例如苹果在 2016 年发布的 Airpods 采用了蓝牙 4.2 版本,可以说是彻底改变了蓝牙连接手机的交互体验。以往连接蓝牙耳机需要蓝牙耳机进入配对模式,手机需要到“设置-蓝牙”界面搜索并配对蓝牙耳机,流程较为繁琐。对于拥有 AirPods 的用户来说,当用户的 AirPods 放在 iPhone 附近第一次连接手机时,用户打开耳机充电盒后 iPhone 会自动弹出一个弹窗显示 AirPods 的相关信息,用户点击“连接”就能完成 iPhone 和 AirPods 的配对任务。以上交互体验用到的技术原理有可能是这样的(由于相关细节苹果没有公布,笔者只能结合自己的技术经验进行推测):

  • 当 AirPods 未配对蓝牙时,当 AirPods 充电盒被打开后,AirPods 通过广播者模式发出连接信号、设备 ID 和电量。
  • iPhone 通过观察者模式收到广播信息后,在界面显示连接弹窗和相关信息。
  • 用户点击连接后,iPhone 的主设备模式和 AirPods 的从设备模式相连,完成配对任务。

设备互联用了什么技术?写给设计师的科普指南(下)

更为人性化的地方是,当 AirPods 和一个 Apple ID 下的任意一台设备配对成功后,它将自动出现在该 Apple ID 下所有设备的蓝牙列表当中,无需再次配对。日后,如果用户想在其他设备上使用 AirPods,可以直接在其他设备的蓝牙列表选择 AirPods 选项即可。在装有 macOS Big Sur 的 Mac、装有 iOS 14 的 iPhone,以及装有 iPadOS 14 或更高版本的 iPad 上,第二代 AirPods 以及 AirPods Pro 可以在以上设备间自动切换,例如当用户正在聆听 Mac 上的音乐,这时用户接听了 iPhone 上的来电,用户的 AirPods 会自动从播放 Mac 上的音乐切换为播放 iPhone 上的通话内容。后续读者需要设计类似的交互体验时,可以参考苹果“ID 账号+蓝牙配对”的技术方法。

红外线和 ZigBee

在没有智能设备以前,红外线广泛应用于遥控器和电子设备的控制连接上,但是它距离不能太远,方向要对准的同时中间不能有障碍,而且单向传输所以使用起来比较麻烦。既然如此,随着技术的革新,为什么现在绝大部分的空调、电视都仍要采用红外线连接技术呢?这里就不得不讲解一下红外线的连接方式了。

基于红外线的遥控器采用红外发光二极管来发出经过调制的红外光波,这种光波对于人类来说是不可见的,但机器可以通过红外接收器接收特定光波后转换成相应的指令。也就是说,只要遥控器和机器有电,遥控器就能控制机器,免去了一大堆连接流程。红外线遥控器对于空调以及挂在屋顶的投影仪来说尤其重要,因为用户也不想蓝牙、Wi-Fi 连接失败后需要搬个梯子爬上去重新配对遥控器,所以在设计智能设备互联体验时要充分考虑各种环境因素带来的影响。

ZigBee 这个专业术语大家可能很少听到,可能有些小米用户听说过,因为市面上小米智能家庭套装采用了 ZigBee 技术。即使小米将 Zigbee 第一次推到了大众视野,但 2021 年小米商城中唯一一款支持支持 Zigbee 的产品“多模网关”已经显示售罄,同时小米开发者平台已经官宣不再推广 Zigbee 的接入方案。

设备互联用了什么技术?写给设计师的科普指南(下)

为什么 Zigbee 会被小米放弃?主要原因如下:ZigBee 的特点是支持 Mesh 组网,读者可以简单理解为网络中的任何设备都能成为传输数据的节点,不再需要一个路由器分发数据,而且从包装盒拿出来就能使用,无需配网非常方便。2017 年蓝牙技术联盟宣布蓝牙 4.0 以上的设备能通过 OTA 升级的方式支持 Mesh 组网,而蓝牙几乎已经成了智能手机甚至智能硬件的标配,同时 Zigbee 模块比蓝牙模块贵,所以 ZigBee 不再具备优势,市面上支持 ZigBee 技术的设备可能越来越少。

UWB

UWB(Ultra Wide Band,超宽带)出现在公众视野得益于苹果在 2019 年发布的 iPhone 11 Pro,它搭载的 U1 芯片包含了 UWB 技术,而最近刚出的 AirTag 也是采用了相关技术。其实 UWB 在 20 世纪 60 年代就用于军事用途,直到 2002 年美国联邦通讯委员会才发布了商用化规范,由于技术成本过高直至 2019 年才逐渐商用。

UWB 是一项具备空间感知能力的技术,它能够精确定位其它同样具备 UWB 模块的设备。例如用户的 iPhone 11 Pro 发起 AirDrop 并指向其他人的 iPhone 11 Pro 时,系统会自动识别对方并前置到列表的首位;还有在前文提到的“指一指”技术,能够帮助用户快速、准确地操控指定的设备,实现“指谁谁听话”的便捷体验。同时 UWB 最高拥有 500Mb/s 的传输速度,能让用户更快地完成数据传输任务,因此后续对于无线 VR/AR 有着重要作用。除此之外,UWB 技术还拥有功耗低、安全性高、抗干扰能力强等优势,不过由于 UWB 技术 2016 年才逐渐兴起,整个产业链仍不成熟,建设成本相对较高,而且技术标准尚未统一,导致整个 UWB 生态系统还不够完善,目前只有少量的设备具有 UWB 技术。

设备互联关键特性

从人机交互和用户体验的角度来看,选择合适的设备互联技术主要考虑体积、传输速度、传输距离、功耗和使用场景等问题,由于红外线和 Zigbee 的使用场景较少,因此下面仅对 NFC、Wi-Fi、蓝牙和 UWB 进行比较:

1. 体积

体积这个问题读者可能之前没留意到,如果一个设备体积越小能塞进去的芯片就越少。目前笔者从互联网了解到的数据来看,全球尺寸最小的低功耗蓝牙芯片尺寸只有 1.7mm x 2.0mm,而最小的 Wi-Fi 芯片尺寸为 6.0mm x 6.0mm,能查到的 UWB 芯片最小尺寸数据为 9.0mm x 15.0mm,这也意味着把 Wi-Fi 和 UWB 芯片加上其他模块塞进现在流行的 TWS 耳机并不现实。如果读者设计的产品直径大于 4cm,也就是 AirTag 的尺寸,那么不用担心芯片体积对于产品的影响,因为 AirTag 内部包含了低功耗蓝牙、UWB 和 NFC 模块,最后 NFC 便签的体积可以忽略不计,类似的技术会影响后续智能织物的发展。

设备互联用了什么技术?写给设计师的科普指南(下)

2. 理论传输速度和距离

以下不同技术(小型化)的理论传输速度和距离是笔者从互联网查到的数据,如下表:

设备互联用了什么技术?写给设计师的科普指南(下)

3. 功耗

NFC 便签无需供电就能使用。BLE 和 UWB 模块可以一颗纽扣电池使用几个月甚至一年以上,而 Wi-Fi 功耗高一直是物联网设备的痛点,但 2020 年英国的 Dialog 半导体公司推出了低功耗 Wi-Fi 模块,同样也能做到以上成绩,所以高功耗不再是 Wi-Fi 的缺陷。总的来说对于任意一款芯片来说,在同等制程和封装工艺下,往往尺寸越小,功耗就会越低,因此功耗后续不会成为影响设备互联的重要因素。

4. 使用领域和场景

NFC、Wi-Fi、蓝牙和 UWB 能同时出现在不同场景中,而且能搭配使用,所以很难定义哪些技术适合用于哪些领域或者场景中,以下内容是笔者结合了互联网内容和自身经验给出的建议:

NFC:针对移动支付、身份认证、快速接或切换等场景,包括门禁、公交卡、一碰连接等等。

Wi-Fi:针对需要上网或者大量数据传输的场景,包括需要远程控制的智能家居设备。

蓝牙和 UWB:针对实时连接和快速响应的场景,包括穿戴式设备、短距离内即可使用的智能家居设备。

未来新方向

不同科技巨头都在推荐和使用自己的设备互联技术和协议,智能家居设备可以任意使用蓝牙、Wi-Fi、无线 USB、Z-Wave、ZigBee 等技术和协议,但这现象导致了各个设备之间难以兼容。随着智能家居市场规模不断扩大,国内外科技巨头意识到亟需建立一个能够兼容不同家居设备的标准,打破各自为营的僵局。

据悉,国外科技巨头谷歌、亚马逊、苹果正在联手开发的智能家居连接标准“Matter”,Matter 将致力于构建一套基于 IP 网络构建以及打造连接物联网的生态系统,用户可以通过苹果 Siri /HomeKit, Amazon Alexa 以及 Google Assistant 实现对智能家居的控制。在我国,京东、百度、海尔、华为、小米在内的 65 家国内企业共同成立了物联网联盟-开放智联联盟(Open Link Association,简称“OLA”),同样致力于“打造物联网统一连接标准”。相信随着技术和协议的不断成熟,设备互联和跨设备交互将成为下一世代的重要体验基础,如果对此感兴趣的读者,可以阅读 Cross-Device Taxonomy: Survey, Opportunities and Challenges ofInteractions Spanning Across Multiple Devices 相关论文,相关论文和翻译版可以下载附件。

欢迎关注作者的微信公众号:「薛志荣」

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