基于单片机和GSM的智能家居系统的设计

崔冰清,褚丽莉,杜仁鹏

(辽宁工业大学 电子与信息工程学院，辽宁 锦州 121001)

：介绍了单片机操作系统、C语言技术与GSM模块结合完成智能家居系统的设计与实现。该系统主要实现三大功能：监控室内温度、防盗和检测室内可燃气以及烟雾。首先通过3个传感器模块采集室内信息，例如温度、人体、可燃气与烟雾等，然后发送到以51系列单片机为核心控制器构建的数据采集终端上进行处理，若发生特殊情况，系统发出报警声，并通过GSM模块发送报警信息到远程接收端。仿真结果证明，该系统成本低，操作方便，并且达到了预期的稳定性和可靠性。

：单片机；C语言；传感器；GSM

：TP273文献标识码：ADOI： 10.19358/j.issn.1674-7720.2017.07.015

引用格式：崔冰清,褚丽莉,杜仁鹏.基于单片机和GSM的智能家居系统的设计［J］.微型机与应用，2017,36（7）：50-52.

0引言

智能家居的概念最早是美国在20世纪70年代提出来的。此后，在欧洲、新加坡、日本等发达国家和地区，智能家居这个概念被引入，并且势头越来越猛［1］。20世纪90年代末传入中国。随着中国综合国力的增强，人民生活水平的提高，住宅消费观念的不断进化，对于住宅的要求也相应提高，于是形成智能住宅及智能家居的概念［2］。

本文结合单片机接口技术以及C语言的相关知识设计了智能家居系统，目的是实现以下功能：当有人闯入住宅时，红外报警模块触发，报警指示灯亮，并通过蜂鸣器发出警报，通过GSM模块传到远程的手机接收端，从而通过远程接收端对智能家居系统进行控制；通过温度检测模块和烟雾传感器模块设置额定温度值以及额定的烟雾值，当温度以及烟雾超过额定值时，报警指示灯亮并通过蜂鸣器发出警报，然后通过GSM模块发送到远程手机接收端，并通过接收端进行控制。

1系统总体设计

本文所设计的智能家居系统包括以下几个部分：温度检测模块、红外监控模块、烟雾传感器模块、LCD液晶显示模块、GSM模块等。本系统是基于安卓操作系统建立的远程控制平台，以51系列单片机为核心控制器构建数据采集终端［34］。按键电路控制系统的额定值，并模拟门的状态。蜂鸣器电路用以报警时发出警报，LED灯模拟报警时发出照明警报。室内环境监控系统是系统的重要组成部分，其作用就是对室内环境进行实时监测，并依据事先设定好的参数和控制规则对室内环境进行干预。它分为3个子系统：温度监控系统、红外感应报警系统、烟雾与可燃气报警系统［5］。温度监控系统将传感器采集到的温度数据传送给单片机，同时单片机将实际温度与设定的额定温度进行比较，如果实际值大于额定值，系统就会发出警报，并通过GSM模块发送到远程控制平台，通过接收端进行控制。红外传感器检测到有人非法进入时，触发报警。数据采集终端会将报警信息及时反馈到安卓监控平台进行控制。烟雾传感器的原理类似于温度传感器，传感器将采集到的烟雾值传送给单片机，并与实际设定值进行比较，若实际值大于额定值，系统发出警报，并通过GSM模块发送到远程控制平台，通过接收端进行控制。系统设计的总体框图如图1所示。

2硬件设计

系统采用Atmel公司生产的AT89C52作为系统的主控芯片，在其外围添加温度传感器、红外传感器、烟雾传感器、GSM模块等硬件设备，这些设备主要用于检测室内环境因素，当超过额定的设置值时，在液晶显示屏上显示当前值和额定值，并通过蜂鸣器报警以及GSM模块发送到远程接收端，当然，报警指示灯会亮。

2.1温度传感器模块

本系统温度传感器模块选用的是DS18B20。它采用单总线通信方式，其内部包含地址，非常适合于各种工业和民用场合的应用［6］。其测温范围是-55°~+125°；其分辨率用户可以自行选择，9~12 bit之间；内部也分别设置了温度的上限与下限的报警设置。除此之外，DS18B20的成本也比较廉价，适合推广。

2.2烟雾传感器模块

烟雾与可燃气报警系统的作用是监测室内环境的气体成分，当监测到特定烟雾或者可燃气体时，系统立即发出警报。该系统检测到特定烟雾或者可燃气体时，会发出声光报警，并将报警信息反馈至远程监控平台［7］。

本系统选用MQ-2气体传感器模块作为前端数据采集器件。MQ-2的电路连接图如图2所示。

可以通过RV1上下两个箭头调节接收到的烟雾值。当调到大于或者等于设定的额定值时，系统就会发生警报。

2.3红外人体感应传感器

本系统采用的红外人体感应传感器模块是HC-SR501。该模块灵敏度高，可靠性强，广泛应用于各类自动感应电器设备，尤其是干电池供电的自动控制产品。

其硬件电路设计图如图3所示。

2.4GSM模块

GSM模块是一个类似于手机的通讯模块，集成了手机的若干功能于一块小电路板上，与手机部分功能一样，具备发短信、打电话的功能。它在很多领域中都有着广泛的应用。通过使用AT指令才能对GSM模块进行控制。模块可以与电脑RS232串口连接，也可以用单片机来进行控制。

本系统通过SIM800模块对温度、烟雾以及红外模块信号进行接收，将报警信号发送到用户接收端。其主要功能部分包括：（1）GSM基带;（2）GSM射频;（3）天线接口;（4）其他接口。

模块功能图如图4所示。

2.512864LCD液晶显示屏模块

由于LCD具有显示信息量大、能够实现良好人机交互的特性，所以得到了广泛的使用［8］。常见的液晶有字符型液晶和图形型液晶，由于字符型液晶只能显示字母和数字，不能显示汉字，所以在国内用得比较少。而图形型液晶在国内应用比较广泛，它可以显示汉字、图形等各种信息。其中12864LCD液晶显示电路如图5所示。

3软件程序设计

本次实验的仿真部分是在Proteus软件中进行的，相应的软件程序是在Keil C51中完成。在一般由单片机控图512864LCD液晶显示屏电路连接图制的系统中，主程序中某一部分是被系统反复执行的 。当然本系统也不例外，当单片机上电后，系统开始运行，从main函数中开始执行。在本系统的主函数中，主要完成一些外设的初始化，并根据用户对于按键的操作来控制外部信息的接收。本系统主要实现的功能有监控室内温度、检测室内烟雾以及可燃气、防盗等，并且通过GSM模块发送报警信息到远程终端。对于软件程序的编写，可以通过按键对单片机设计最小初始的最高温度和最低温度、额定的烟雾值以及红外感应等各方面的数值来达到设计的目的。下面是主程序的部分代码：

#include <reg52.h>

#include "lcd12864.c"

#include "key.c"

#include "ds18b20.h"

#include "gsm_model.c"

sbit buzzer=P1^5;//蜂鸣器

sbit mq_2=P1^4;//mq_2

#define buzzer_onbuzzer=0;

#define buzzer_off buzzer=1;

extern uchar temp_value;

uchar TxRxBuf［4］={0xff,0x00,0x00,0x00};

uchar high_temp=29;

uchar low_temp=2;

uchar temp_now=0;

uchar set_flag=0;

bit warn_flag=1;

ucharbuzzer_flag=0;

4仿真结果

为了验证系统的各项指标，对系统进行仿真，在仿真测试过程中，主要模拟测试了智能家居系统对室内环境，包括室内温度值、烟雾值以及是否有人闯入等方面的监测，并模拟报警。首先测试第一个功能：监控室内温度。设置初始的额定温度报警值最高为38°，最低为5°，通过温度传感器改变温度值，当温度达到或超过额定最高温度值或者等于或低于额定最低温度值时，LCD显示屏显示当前温度，报警指示灯亮，蜂鸣器工作，GSM模块发送报警信息到接收端。实验结果显示该功能可以正常工作。其次测试第二个功能：检测室内是否有烟雾以及可燃气，该功能与第一个功能类似。设置初始额定烟雾指数为25，给烟雾传感器一个烟雾值，当烟雾达到或超过额定烟雾指数时，LCD显示屏显示当前烟雾指数，蜂鸣器工作，报警指示灯变亮，GSM模块发送报警信息到远程终端。通过仿真

验证，该功能能正常工作。测试最后一个功能：防盗。当人体感应传感器检测到有人非法进入时，显示屏上入侵状态显示有，反之，则显示无。

5结论

本次设计采用了单片机作为中央处理器，各个传感器采集家居的内部环境因素，并通过GSM模块发送报警信息到接收端。各个硬件设备的互相有效协作，完成了智能家居的模拟。

参考文献

［1］ 吕莉,罗杰.智能家居及其发展趋势［J］.计算机与现代化,2007（11）：18-20.

［2］ 高小平.中国智能家居的现状及发展趋势［J］.低压电器,2005（4）：18-21.

［3］ 王朝华,陈德艳,黄国宏,等.基于Android的智能家居系统的研究与实现［J］.计算机技术与发展,2012，22（6）：225-228.

［4］ 李涛.基于Android的智能家居APP的设计与实现［D］.苏州:苏州大学,2014.

［5］ 花铁森.智能家居系统核心技术探讨［J］.智能建筑电气技术,2009，3（1）：92-98.

［6］ 刘晓彤.嵌入式智能家居远程监控系统的设计与实现［D］.北京:北京交通大学,2009.

［7］ 崔若飞.基于ARM和GPRS智能家居监控系统的设计与研究［D］.北京:北京交通大学,2009.

［8］ 徐子豪,张腾飞.基于语音识别和无线传感网络的智能家居系统设计［J］.计算机测量与控制,2012，20（1）：180-182.

钢铁侠喷气服、大疆无人机、堡垒之夜……2018 年百大创新

译/boxi

一、航空航天

我们开门见山吧。今年的最佳新产品榜单里面有一件喷气服。这玩意儿很酷，但还是拿不到本类的年度创新奖。为何？因为还有更酷的。NASA的一个探测器抢走了它的风头。简而言之，这是人类造出来的有史以来最快的航天器。他的目的地？一个叫做太阳的小地方。它的史诗性毫无疑问让它无愧于这个称号。哪怕一些更加实用的东西，比如给国际空间站准备的可漂浮的虚拟助手，或者极其安全的直升机，都不能跟它相比，每个人都知道太空究竟有多酷。

帕克太阳探测器，NASA

年度创新奖

有史以来最快的航天器

NASA的帕克太阳探测器当之无愧是人类建造出来的有史以来速度最快的东西，其最高速度达到了69万公里/小时，计划用7年的时间飞到太阳的外冕。该探测器于今年8月发射，将会绕着我们得太阳飞行，其与太阳的距离将比此前任何航天器都要近。尽管将遭遇1370°的高温，但探测器的4套灵敏仪表中的大部分都将保持在29°的室温左右。这一切完全是得益于8英尺宽、160磅重的隔热罩的防护。该隔热罩由由4.5英寸厚的泡沫碳制成，外面还涂有一层过热碳。泡沫碳极轻，在地球上时其重量的97%都是空气——所以并没有多少固态的物质可供太阳炙烤，从而让飞行器保持凉爽。

CIMON（西蒙，移动式成员互动伙伴），空客&IBM

漂浮的AI太空助手

在地球上，CIMON的重量是11磅，稍微比篮球大一点。在近地轨道，这个内置了IBM Watson自然语言处理人工智能引擎的机器人担任的是空间边界个人助理的角色。它有点类似Siri或者Alexa，但是它掌握的知识可以帮助宇航员维修国际空间站，运行发往太空的众多实验，或者甚至按照基本就医流程跟宇航员进行交流。今年夏天它坐上了前往国际空间站的“班机”，作为一名可以自由漂浮的助手，在14组特殊风扇的帮助下，它可以按照指令在空间站内到处游走。今年11月中旬，德国宇航员Alexander Gerst成功地引导西蒙完成了第一次拍照、语音激活以及玩魔方。

Gravity喷气飞行套装，Gravity Industries

钢铁侠式的喷气服

这些年来喷气背包来来去去折腾了好些回，但通常受制于飞行时间短以及喷气引擎给人体造成的极高风险。重力工业（Gravity Industries）利用了3组精确控制的燃油燃气动力涡轮发动机，设计出更接近钢铁侠的套装——妻子个阔叶草大小的引擎附在手臂上，另外一个挂在背部，从而形成稳定的“三脚架”推力，马力达到了1000匹。在携带足够燃料的情况下，这套服装可以支撑长达8分钟的飞行。

二、电子产品

基本上，今年上榜的最佳新产品并没有像我们所期望那样改变世界。今年电子类的最佳新产品包括了虚拟与增强现实的跃进，这也许可以给慢慢冷淡下来的大众注入一点兴奋。其他的获奖产品则帮助我们解决一些常见问题：更坚固的玻璃防止智能手机碎屏，可屏蔽噪音但又不放过关键告警的耳机。

Oculus Go VR设备，Facebook

大奖得主

独一无二的VR头戴设备

的确是不容错过的非常好的VR——当你站在虚拟悬崖边缘能让你手心出汗的那种。大多数人只能勉强接受要靠智能手机的平淡体验并忍受模糊图像和肮脏的镜头。Oculus Go是第一款可自行产生真正沉浸式体验的VR头戴设备，而不需要售价快顶上一辆车的高端游戏PC。其2560x1440分辨率的LCD像素要比Oculus Rift还要多。镜头内置的音箱系统增加了感官的敏锐度，时间恰到好处的音频能让你的耳朵一位真的有个僵尸在你背后偷袭。Go还推出了超过1000种VR体验，既有平和的冥想app，也有让人灵魂出窍的疯狂过山车。重量只有16.5盎司的头戴设备感觉并不像个手机附件或者前作的打折版。因为这两者它都不是。这是VR从小众的有些社区进入主流之旅的一次飞跃。

Mavic 2 Zoom无人机 ，大疆

可变焦的无人机

无人机飞得太近很容易就会错过前方的突然行动。Mavic 2 的相机有一个2倍光学变焦的镜头，从而让遥控者可以实时改变角度。因为变焦的时候想要保持镜头稳定会变得困难许多，所以计算机视觉会帮助相机锁定框中的对象，然后机载处理器会根据陀螺仪的数据来保持无人机的水平稳定。如果无人机离某个东西的确挨得太近了，飞机每一侧的冲突避免传感器就会自动告诉无人机悬停以免发生碰撞。

Gorilla Glass 6，第6代强化玻璃，康宁

最抗摔的手机屏幕

随着无线充电逐渐变成智能手机的标准，玻璃背面开始重返舞台——当然这也会令你的手机掉地后碎成蜘蛛网的机率翻倍。第6代的大猩猩强化玻璃可支撑15次从1米高处掉落到坚固平面而不会碎裂，耐用度是前作的2倍。其背后的化学秘密是熔融盐，用更大的钾离子取代了原来的钠离子。因为身材更胖的钾离子占据了更多的空间，所以在玻璃表面制造了压应力，令其更难被破坏。

三、汽车

今年汽车领域的创新有点乏善可陈。

I-Pace，捷豹

大奖得主

第一款真正适合路面行驶的电动车

作为一款豪华纯电轿跑SUV，捷豹I-PACE的风阻系数仅为0.29；分别位于前后轴的两台同轴永磁电机由捷豹自主研发，搭配全轮驱动系统，捷豹I-PACE从静止加速至100公里/小时为4.8秒；搭载81千瓦·时锂离子电池组，续航里程可达500公里；捷豹I-PACE采用智能全铝车身架构和低重心设计，实现50：50的前后配重比。此外，通过采用人工智能算法的“智能设置系统”(Smart Settings)，捷豹I-PACE可根据每位车主的驾驶习惯提供独有的驾乘感受。

Echo Auto 智能音箱，Amazon

Alexa，请带我一程

Amazon的智能音箱上路了。把这个50美元的方盒子塞进车里，当你询问新闻、要求播放音乐、问路、了解日程或者Alexa掌握的50000个技巧中的一个时，其内置的8个麦克风就会透过音乐和噪声采集你的声音。打你抵达特定地方时该设备会自动执行命令。你懂的，比方说，当你工作时把车停进停车场时，它就会播放《帝国进行曲》。

E-Tron虚拟后视镜，奥迪

看后面的新方式

虽然美国监管当局仍不愿放行数字化的外后视镜，但这款75000美元的奥迪车已经准备推销这个想法——至少在海外。这套系统用装置车门外的小型摄像头取代了传统的外后视镜，其结果是风阻系数达到了超低的0.28，令奥迪的电动车成为最敏捷的SUV。在车厢内，明亮的OLED屏幕嵌在车门内侧，显示的是你后方的影像，还有触摸屏控制让你可以对准和放大缩小“镜像”。摄像头可根据光照情况自行调整，确保图像的一致性和识别度。习惯这种技术大约需要15秒的时间，但你从此再也不想回去了。

四、家用品

报事贴Extreme Notes，3M

大奖得主

不会掉的贴纸

3M新的报事贴Extreme Notes可以粘在粗糙材料的表面上，比如胶合板、混凝土什么的。这要得益于一种新的由小球体制成的粘剂，这让贴纸有了额外的弹性可更好地附着到不平的表面上。再加上涂有聚合物的柔韧纸张的辅助，让贴纸具备了防水性——同时也比普通贴纸更耐用、更不易脏。我们测试过的样品至今仍牢固地粘在一所房子的外墙和窗户上，一个冰箱内的特百惠上，甚至一个帆布保温袋把手拼命拽着都不掉。

陶瓷杯，Ember

你的饮料的温度控制器

大部分保温杯的做法是把你的饮料隔热起来，让它保持冷或者热久一点。但Ember却发明了一款领风气之先的陶瓷杯，可以让你的饮料保持你想要的温度，而且是无限期地保持。其秘密就在于它有一个“杯托”——同时也是一个充电板。而陶瓷其实还有一层不锈钢内壁并内衬有温度计和电子元件，所有一切均由杯托的电池供电。你可以通过app设定温度，当饮料达到指定温度时app就会通知你。

Flo泄露检测，Flo Technologies

迅速检测隐蔽的泄露

你越快检测出并修好自家管道的泄露点对你的家就越好。那就把Flo安装到你的主水管上吧。它的传感器可检测你家水管的流量、水压以及温度情况，寻找预示着管道可能发生泄露的变化。当它识别出问题时，该联网设备就会拨打你的电话好让你早点通知水电工。如果Flo检测出重大问题，你还可以利用app远程关闭水管。

五、安防

2018年的最佳安防创新奖榜单里面没有坦克、救火车或者大规模监控设备。这是因为安防领域的进展都是渐进性的，要通过不懈努力才能防止一个简单漏洞导致重大威胁——无论是发生在我们的门口、海外还是街道上。上榜的产品有击落恶意无人机又不会造成附带损害的设备，帮助军车穿越崎岖地形的，为警察抓捕逃犯提供新手段的，以及防止小偷抢包的。

Onyx外骨骼，洛克希德马丁

大奖得主

令耐力加倍的机械护甲

疲惫的战士会成为目标——伤害或者攻击的目标。背负着超过100磅重的装备去翻山越岭，还要忍受炙热、寒冷或者潮湿，这会导致疲倦或者影响敏捷性。Onyx外骨骼绑到士兵腿上时，可以让他们的耐力加倍。板载处理器就会处理来自加速计的数据来分析士兵的步幅和运动方向；然后控制器再驱动绑在佩戴者膝盖的马达予以辅助。该电池驱动的外骨骼未必能让被辅助者变得更强壮，但能让他们更耐久。在试验中，佩戴了Oynx的用户在负重185磅的情况下可以完成72次下蹲，而在没有的情况下只能做26次。

Westpac Little Ripper Lifesaver救生无人机，The Ripper Group

目光敏锐的救生无人机

今年1月，两位年轻人在澳大利亚海岸被海浪卷入了大海，幸好得到了全球第一款同类救生无人机的出手才保住了性命。该Little Ripper无人机在70秒钟之内就飞行了超过3200英尺抵达出事位置，投下了一个含有自动膨胀漂浮设备的包裹，并在两人游回岸边时悬停在两人上方以标记其位置。救生包还有陆地版和雪地版，里面的东西包括热毛毯、信号灯、无线电、移动除颤器等。3.2英尺的高清摄像头还利用公司与悉尼科技大学联合研发的人工智能，在海洋生物中分辨出鲨鱼，并向游泳者发出警告小心水下。

Amazon Key智能门锁，Amazon

别想顺手牵羊

Amazon Key服务让快递员不再把货物放到不安全的门廊和门阶——有望将美国每年报告的包裹被顺手牵羊事件降低31%。房主只要安装一套经Amazon认可的智能门锁及安保摄像头即可。当快递员到达时，他们会在手机确认自己的位置，然后手机app再通知Key服务开门，安全起见，摄像头会记录下整个交易过程。通用汽车和沃尔沃的联网汽车也有类似装置，让快递员可以开关卡车的门。

六、娱乐

电子产品类的最佳新品都具有开创性，但未必都是有趣的。娱乐类的就不一样了。今年上榜的产品包括专业级的高清电视，同时可兼做现代艺术品的音箱，以及一个改变了大家去看电影方式但命运不幸的电影订阅服务。不过2018的明星是游戏。今年，我们目睹了一款游戏冲破了平台壁垒，以及一个纸板控制器套件摇身一变成为我们可以用来操控自己的小车的方向盘。

《堡垒之夜》，Epic Games

大奖得主

打破平台壁垒的游戏

今年8月，7830万人登录进了《堡垒之夜》布满高尔夫车和梦寐以求的财宝箱的地图——跟朋友或者陌生人进行一场你死我活的大逃杀搏斗。游戏创下了并发玩家最多（830万）以及Twitch观看直播人数（146万）最多游戏的两项记录。这部分是因为它是第一款同时支持多平台的游戏：高端PC玩家、游戏机玩家以及智能手机玩家均可参与其中。为了让所有人都能一起玩，开发商Epic Games精心策划了大规模的游戏事件，比如时空裂痕或者神秘的庞大立方体的出现，从而让游戏在任何屏幕上都表现出色。

Master Series A9F电视，索尼

一台不压缩内容的电视

当影像从专业编辑套件的高端参考监视器转移到你家里的电视机的漫漫长路中，很多重要的数据都丢失了。索尼的大师系列电视采用了一种名为X1 Ultimate的专用图像处理芯片来减少通常与编解码有关的图像退化。该处理器会逐帧分析OLED屏幕上的对象然后调整其锐度和颜色设定。该芯片的处理能力非常强大，足以驱动未来的8K电视，而后者可以把分辨率的极限推至你那微不足道的肉眼的顶点。

Labo，任天堂

STEM玩具/视频游戏混搭

大多数自己动手的设计套件都是项目型的：组装很有趣，但成品顶多可以用作装饰而不是玩具。但是任天堂的Labo手工DIY纸模包就不一样了，组装完成后的纸模可与任天堂Switch的Joy-Con以及本体装配在一起，组合成名为Toy-Con的玩具包，再配合相应软件进行体感互动游戏。简单的花样就能将单调的手柄变成几十种模具中的一个，其中有机器人、钢琴、鱼竿等。孩子们可以在Switch 6.2英寸的屏幕上观看建造过程动手做模型，然后用自己的作品来玩小游戏，比如赛车模拟游戏。

七、休闲

Radius Zone驱蚊器，Thermacell

大奖得主

没有臭味，没有火焰，没有虫子

到户外去逛意味着令人心情舒畅的绿色、新鲜的空气，还有讨厌的虫子。大多数的驱蚊方式都挺令人不快的：香茅蜡烛会产生火焰，在火灾季节会有危险并且制造烟雾。丁烷驱虫器是靠烧燃料来驱蚊的，所以不能带上飞机。Thermacell的Radius Zone驱虫器不用烧东西也能驱赶蚊子。这个电池驱动的设备只有3.3英寸高，一个手就能握住。它不用化学性驱蚊剂，无香无味对身体也没有刺激性影响。内置可充电锂电池（通过USB充满可用6小时）和加热装置，每次按下开关使用时，Radius 会先加热激活干净、无香味的驱蚊剂。一旦激活，含有美特宁（合成的驱蚊化学物质，类似菊花的成分之一）的驱蚊剂就会散开，形成一个约 10平方米 的隐形保护区域，只要打开它几分钟之内，蚊子就消失了。驱虫剂是可替换的，一次可使用40小时。下次户外活动时把这个小玩意儿塞进你的背包就能享受没有蚊子的烦恼了。

Forge登山靴，Tecnica

量身定做的徒步旅行鞋

徒步旅行鞋跟普通鞋子一样通常都是大规模生产的：你先找到自己的码数然后指望它能够合脚。但是这些登山靴就不一样。Tecnica设计的Forge徒步旅行鞋在鞋床和鞋面有一种叫做热塑性聚氨酯的可塑性材料，有了它，店面的技术人员就能够根据你的脚掌形状在20分钟内完成定制。加热到10°之后，这些鞋床就会变得更加灵活。然后，在脚底鞋垫的帮助下，技术人员用一套空气增压系统来为你量身定做鞋底。接着再对鞋面重复这一过程。量身定做就意味着旅途中起水泡的机率变得更少了，如果说还有可能的话。

透气防水服，Green Theme Technologies

不会破坏地球的防雨夹克

纺织品制造商传统上会将防水透气夹克的外层进行持久防水处理（DWR），去瓤雨滴形成水珠状。问题是，很多的DWR含有全氟化的化学物质（PFC），这对人和地球都是不好的。Green Theme的技术却另辟蹊径。该服装制造商将无氟液态碳氢化合物用到了面料上，然后增加压力令其永久性地结合到纤维里面，从而使得面料可以防水。从另一方面来说这个过程也对环境更加友好：跟DWR工艺不一样的是，这种做法不需要水。Marmot的Eclipse和Phoenix夹克都采用了Green Theme的技术。

八、医疗保健

每年都会有医疗保健方面的新产品和新药进入药店和医生的处方里面。其中很多都是对之前的小调整。不过，有少数新品完全改变了游戏：一种预防偏头疼的药物可将每月偏头疼的发生次数减少一半，一种可注射的基因可恢复那些视力退化者的视力，还有一种设计得更好的防晒霜能帮助更多的人避免受到紫外线的伤害。这些医疗方面的进展展现了科学技术和创意思维可以如何帮助我们活得更久更好。

偏头疼新药Aimovig，安进&诺华

大奖得主

第一款防偏头疼药物

全球有12%的人都有头痛或偏头疼的痛苦。更糟的是，用于预防偏头疼的药物是用来治疗高血压、癫痫、抑郁等其他疾病的。这些药物未必总是有效，而且往往会导致无法忍受的副作用。新获批的药物Aimovig是第一款通过靶向阻断降钙素基因相关肽（CGRP，引起偏头疼的一种神经递质）受体开发的预防偏头疼的药物。每月注射这种药物可将偏头疼的发生率降低50%，而且副作用小很多。（编者注：当然新药的价格也不菲，美国的折前价为每年 6900 美元，或每月 575 美元）

数字药丸Abilify MyCite，大冢制药& Proteus Digital Health

能告诉你是否吃过药的药丸

每天需要服药的人当中有高达一半并未按照医嘱服药，这会导致药效的降低。现在植入了数字技术的抗精神病药物Abilify可以让医生和病人跟踪自己。一旦被吞咽下去之后，这种高科技药物内嵌的传感器，也即是Abilify MyCite就会发出电信号，而贴在病人身上创可贴大小的贴片就会接收这种信号然后传送给附近的手机设备。Abilify MyCite是第一款获FDA许可的数字药物，但是芯片的制造商Proteus Digital Health已经打算将其植入到其他药物里面。

Apple Watch Series 4，苹果

可识别心律不齐的智能手表

智能手表能跟踪你的步数、计算你的脉搏，甚至引导你做深呼吸。不过苹果在医疗保健领域有了一次飞跃：Series 4可以测心电图（ECG），检查心脏的电活动情况——要知道，这项检测通常是在诊所进行的。你只需要将手指按住表冠30秒钟即可拍出一幅心电图。为了实现这个，苹果增加了两个电极（相当于一个导联），一个位于手表背面，另一个位于表冠。心电图可以告诉你是否出现房颤并且给出就医建议。由于心电图是以PDF格式文件保存的，所以你可以发送给医生，后者可以确定是否需要随访。当然，这种心电图没有医院的那种那么强大，而且它的诊断跟其他医生相比如何仍未知。但它对公众健康的潜在好处必不可少低估：在将来，如果用户愿意分享自己的数据用于研究的话，Apple Watch就可以帮助医生识别这种疾病的早期信号。

九、软件

现在虚拟助手可以帮你拨打电话了。Google Assistant新的Duplex技术可以跟真人聊天，意味着你再也不需要自己预订餐馆了。其他上榜的软件有做一些有趣的事情的，比如送披萨到公园你所在位置的；也有做一些严肃的事情的，比如让911调度员更快找到呼叫者的程序。

Duplex，Google开发

大奖得主

免除人际互动的数字助理

虚拟助手很擅长跟互联网交互，比如查看天气预报或者上下班的时候替你监控交通情况。在今秋推出的Duplex系统的帮助下，Google Assistant成为第一个替你跟人互动的虚拟助手，帮你处理预订饭店之类的实际问题。（其他像预约理发之类的杂事也将陆续跟进）Google通过提供真实的通话（工程师利用注释来提供对话线索——比方说描述聚会规模的各种可能方式）来训练Duplex背后的人工智能。其结果是神经网络和合成语音模拟出特定场景下真人的对话方式。

WebAuthn（Web鉴权），FIDO Alliance & W3C

通往免密码登录之路

如果使用Yubikey 这样的USB加密狗或者指纹扫描的话，娴熟的网上冲浪者已经可以免去输入验证码的麻烦来确保安全登录网站了。但并非所有的浏览器、网站和app都能识别和信任这些手段。一项名为WebAuthn的新标准可以帮助解决这个问题。该协议已经在Firefox和Chrome这类浏览器及Dropbox和Twitter这样的网站上启用，预计很快就能用脸部、指纹或者声音来网站取代密码及双因子验证。

机器辩手Project Debater，IBM

固执己见的AI

人类有时候需要几个星期才能做出重大决定。而IBM研发了6年的AI系统Project Debater可以不到1个小时就完成。在今年6月的一次演示中，这套系统跟一位人类辩手进行了一场辩论。Debater有10分钟的时间去消化一个内置了超过100亿条句子的数据库，然后提出为太空探索提供补贴的论证。计算机还做出了5分钟的反驳以及2分钟的摘要总结。机器提供了最好的信息。但辩论的功夫还是人类更胜一筹。尽管如此，这场辩论的局部胜利还是体现出了若干方面的进展，数据驱动写作以及听力理解就是其中之一。

十、工程设计

有一种优雅的方式可以避免城市内涝：铺设可吸收雨水并将其从排水沟转移至绿色植物的瓷砖。不过Climate Tile这一创新只是上榜2018工程最佳突破奖的项目之一。其他上榜的还有可在贫困地区打印经济适用房的3D打印机，可让生物学家采集海洋样本又不会伤害样本的海洋生命采样器。有的上榜项目就有点古怪了：比如可以在冷天生长的香蕉，素食的炒鸡蛋，以及可以做空翻的机器人。

环保瓷砖Climate Tile，Tredje Natur（Third Nature）

大奖得主

可防止内涝的人行道

随着气候变化引发了更猛烈的风暴从而带来更多的雨水，排水沟排水能力不足导致城市内涝的风险正在提高。目前很多国内城市正在进行对抗这一威胁的海绵城市建设。在这一点上Climate Tile瓷砖也许可以帮忙。今年首次在哥本哈根进行了测试的这种环保瓷砖可以吸收约30%的雨水。雨水流经分布在瓷砖表面的42个0.2英寸的气孔时，会被引导到地下的蓄水池，最终回注到可渗透的地形（如人行道旁的树根）上。吸收不掉的水再流到排水沟。

无人超市Amazon Go，Amazon

不用结账的购物

Amazon Go便利店没有收银台或者繁琐的自行结账台。客户在入口处扫描Amazon Go app的二维码即可进店。然后再挑选自己想买的东西出门即可，客户的手机会收到一张数字收据。整个过程就完成了。当买家在过道徘徊时，有数百个摄像头和传感器给人工智能输送数据，让后者可以跟踪每个人和产品，然后动态更新客户的购物篮。今年Amazon已经在西雅图、旧金山和芝加哥开放了6家零食小吃店。还有更多的电商也在试验类似的做法。

Spot，波士顿动力

机器狗

大多数机器人会被台阶绊倒，但Spot不会。波士顿动力的第一款商用机器人，一条3英尺高的小狗可可以四足并用，不仅能爬楼梯而且还能翻越岩石、山丘和雪地。（甚至还能跳舞！）为了测量脚步，Spot综合分析了5组立体摄像头（前置2个，两侧和后方各1个）以及体内陀螺仪与加速剂的输入。增加额外的软硬件还可以让机器狗完成各种任务——比如在建筑工地巡逻监工，或者将包裹从货车送到门廊。如果给它插上一条手臂的话，它还可以灵活地开门。

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