智能家居設(shè)計(jì)中的多學(xué)科應(yīng)用設(shè)計(jì)

許 超

（湖南環(huán)境生物職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 衡陽(yáng) 421005）

智能家居（Smart Home）又稱智能住宅，這一概念的提出加強(qiáng)了智能技術(shù)與家居的結(jié)合，20世紀(jì)80年代，歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家率先提出智能家居理念，由于技術(shù)和意識(shí)的影響，我國(guó)對(duì)智能家居的研究略晚于發(fā)達(dá)國(guó)家，隨著十幾年的不懈研究， 我國(guó)智能家居的發(fā)展前景廣闊?！癝mart Home”就是將智能化控制理念與傳統(tǒng)的居住功能相結(jié)合，增加了信息交換功能，能夠幫助人們進(jìn)行家電控制、自動(dòng)管理以及實(shí)時(shí)監(jiān)控等，優(yōu)化了人們的生活方式和居住環(huán)境，因此，智能家居已經(jīng)成為行業(yè)發(fā)展的主要趨勢(shì)。

1 智能家居研究背景和主要特征

1.1 智能家居背景

智能家居在我國(guó)作為一個(gè)新生產(chǎn)業(yè)，1994—1999年，我國(guó)智能家居還處于萌芽期，對(duì)其熟知度低，僅在深圳有幾家從事智能家居零售業(yè)務(wù)的公司，2000—2005年，我國(guó)智能家居理念才得到關(guān)注并得以推廣。隨著5G時(shí)代的到來(lái)以及技術(shù)的創(chuàng)新，智能家居已經(jīng)普及。2020年，全面革新智能家居產(chǎn)品形態(tài)，結(jié)合數(shù)據(jù)來(lái)看，2020年生產(chǎn)約 2.15 億臺(tái)智能家居，其金額將達(dá)1 820億元，從智能家居區(qū)域分布來(lái)看，一線城市接近30%，二線城市為23.4%，可見(jiàn)智能家居用戶具有區(qū)域性，另外終端用戶傾向使用智能面板的占比為48%，智能家居發(fā)展迅速[1]。中國(guó)信息通信研究院近期發(fā)布的《物聯(lián)網(wǎng)白皮書(shū)（2020年）》顯示，智能家居產(chǎn)品達(dá)到43%，可見(jiàn)家居與物聯(lián)網(wǎng)關(guān)系密切，智能家居打破了行業(yè)限制，同互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)、家具制造業(yè)以及手機(jī)制造業(yè)等相互合作，并紛紛爭(zhēng)奪智能家居市場(chǎng)，與此同時(shí)，智能家居也正從“單品智能”向“全屋智能”演進(jìn)，例如海爾的三翼鳥(niǎo)體驗(yàn)店、魅族的智能照明、小米的智能語(yǔ)音等，得益于5G、AI等領(lǐng)域的發(fā)展，智能家居將更加人性化和智能化，同時(shí)未來(lái)幾年，智能家居將成為一些企業(yè)發(fā)展的重要賽道。

1.2 智能家居的主要特征

目前智能系統(tǒng)的主要特征大致包括以下5種[2]：1）一鍵控制和集中控制模式，可通過(guò)無(wú)線網(wǎng)技術(shù)把控家具整體狀態(tài)，聯(lián)動(dòng)機(jī)制，可進(jìn)行“打開(kāi)”和“關(guān)閉”功能的控制。2）系統(tǒng)安裝簡(jiǎn)便，可在現(xiàn)有的電氣裝備下使用，即不必破壞隔墻和購(gòu)買(mǎi)設(shè)備，可直接與電話和家電等進(jìn)行連接，進(jìn)行總體控制和選程控制，為用戶提供良好的使用感受。3）家居系統(tǒng)升級(jí)，家居最初設(shè)計(jì)只與照明設(shè)備或目前常用的電器設(shè)備連接，由于生活所需，家居使用的目的更能體現(xiàn)出“生活質(zhì)量”，目前家具向智能化方向發(fā)展，無(wú)線控制的智能家居系統(tǒng)可以不破壞原有裝修，進(jìn)行總控制和模塊控制。4）燈光節(jié)能、健康環(huán)保。智能家居更趨向于“人性化”，就是以幫助人類(lèi)生活為基準(zhǔn)的智能化產(chǎn)品的綜合，例如燈光會(huì)隨著人群需求進(jìn)行變化，通過(guò)燈光亮度漸變，為人眼提供緩沖作用。5）遠(yuǎn)程監(jiān)控。智能家居可達(dá)到對(duì)家具的遠(yuǎn)程控制，以便幫助人們進(jìn)行監(jiān)控，防止因忘記事情造成的財(cái)產(chǎn)損失。智能家居可以通過(guò)手機(jī)等面板遠(yuǎn)程控制燈光設(shè)備、家庭影音等工作方式，并結(jié)合室內(nèi)設(shè)計(jì)，以達(dá)到室內(nèi)生活規(guī)劃的目的。

2 智能家居的主要功能和設(shè)計(jì)原則

2.1 智能家居主要功能

2.1.1 家庭安全防護(hù)系統(tǒng)

安全是家庭的重要因素，為保障智能家居的安全性，家庭保護(hù)由防盜門(mén)和防盜網(wǎng)轉(zhuǎn)化成系統(tǒng)報(bào)警機(jī)制，在提高美觀的同時(shí)加強(qiáng)系統(tǒng)的靈敏性，同時(shí)能夠在第一時(shí)間對(duì)家庭問(wèn)題進(jìn)行報(bào)警處理，加強(qiáng)對(duì)家庭安全的防護(hù)。

2.1.2 家庭自動(dòng)化系統(tǒng)

該系統(tǒng)結(jié)合了自動(dòng)化技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)以及人工智能技術(shù)等技術(shù)，該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)圍繞智能化統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，即可以進(jìn)行監(jiān)控又可以遙控家居，遠(yuǎn)距離調(diào)節(jié)屋內(nèi)設(shè)備，盡可能方便用戶生活。

2.2 智能家居設(shè)計(jì)原則

2.2.1 關(guān)注消費(fèi)者的使用體驗(yàn)

智能家居系統(tǒng)可以有效改善物理環(huán)境，通過(guò)生活環(huán)境的調(diào)節(jié)改善消費(fèi)者的用戶體驗(yàn)，即保證燈光亮度、室內(nèi)濕度以及空氣質(zhì)量等，同時(shí)，智能家居更強(qiáng)調(diào)的是科技感與室內(nèi)環(huán)境設(shè)計(jì)風(fēng)格的統(tǒng)一性，另外智能家居可因人而異，滿足用戶需求。

2.2.2 藝術(shù)與技術(shù)的統(tǒng)一

設(shè)計(jì)不僅圍繞功能，還體現(xiàn)在美感方面，智能家居需要將科技與室內(nèi)設(shè)計(jì)相結(jié)合，將生活、娛樂(lè)、學(xué)習(xí)、休息等融合在室內(nèi)設(shè)計(jì)中，可以說(shuō)是科技與室內(nèi)裝修的協(xié)調(diào)統(tǒng)一。

2.2.3 設(shè)計(jì)的前瞻性

智能家居在產(chǎn)品設(shè)計(jì)概念中具有一定的前瞻性，即科技引領(lǐng)設(shè)計(jì)并融入設(shè)計(jì)，可采用模塊化設(shè)計(jì)、動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)等新興的設(shè)計(jì)理念，提高人們未來(lái)生活水平，讓設(shè)計(jì)融入更多的元素，是對(duì)室內(nèi)設(shè)計(jì)新理念的創(chuàng)新。

3 智能家居設(shè)計(jì)中多學(xué)科的應(yīng)用設(shè)計(jì)

3.1 智慧家居的主要設(shè)計(jì)需求

結(jié)合王飛躍在2020年提出了“6S”智慧家居概念?！?S”包括物理安全（Safety）、信息安全（Security）、可持續(xù)發(fā)展（Sustainability）、個(gè)性化需求（Sensitivity）、服務(wù)（Service）以及智慧（Smartness）。相比之下，傳統(tǒng)的智能家居系統(tǒng)對(duì)物理安全以外的“5S”的支持是較為不足的，尤其體現(xiàn)在個(gè)性化需求以及智慧方面。一個(gè)較為完整的“6S”智慧家居系統(tǒng)的組成案例如圖1所示。

圖1中所示系統(tǒng)及功能模塊，其中一部分，例如門(mén)禁、智能鎖、照明以及娛樂(lè)系統(tǒng)等屬于現(xiàn)階段比較成熟的技術(shù)；另一部分，例如語(yǔ)義識(shí)別模塊、情緒識(shí)別模塊以及智能廚師等技術(shù)雖然還不夠成熟，但都具有比較好的發(fā)展前景，在將來(lái)有很高的可能性被整合到“6S”智慧家居系統(tǒng)中?！?S”智慧家居系統(tǒng)將以認(rèn)知家居作為科學(xué)基礎(chǔ)，以平行系統(tǒng)作為技術(shù)方法，以聯(lián)邦生態(tài)及聯(lián)邦家居與社會(huì)家居+作為組織形態(tài)。其中，認(rèn)知家居的作用在于賦予底層數(shù)據(jù)人性化和個(gè)性化，平行系統(tǒng)的作用在于為整個(gè)復(fù)雜家居環(huán)境提供智能控制手段，聯(lián)邦生態(tài)的作用在于實(shí)現(xiàn)智能家居的社會(huì)性。這三者在“6S”智慧家居系統(tǒng)中可以獨(dú)立存在，也可以相互兼容協(xié)作。從技術(shù)方面來(lái)看，隨著5G技術(shù)、邊緣計(jì)算技術(shù)以及區(qū)塊鏈技術(shù)的應(yīng)用與推廣，可以預(yù)見(jiàn)到聯(lián)邦生態(tài)在“6S”智慧家居系統(tǒng)中比較容易實(shí)現(xiàn)。

圖1 “6S”智慧家居示意圖

3.2 人工智能技術(shù)在家居設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

人工智能技術(shù)在家居設(shè)計(jì)中的應(yīng)用能夠更好地體現(xiàn)人在家居環(huán)境中的主體地位，這對(duì)改善家居環(huán)境，提升設(shè)計(jì)質(zhì)量有重要的幫助[3]。人工智能技術(shù)在家居設(shè)計(jì)中主要有3個(gè)方面應(yīng)用：環(huán)境感知方面的應(yīng)用，就人工智能技術(shù)在家居設(shè)計(jì)中的具體應(yīng)用分析來(lái)看，主要體現(xiàn)在環(huán)境感知方面；空間活動(dòng)布置方面的應(yīng)用，人體智能技術(shù)能夠?qū)θ梭w感知做模擬，通過(guò)具體的模擬實(shí)驗(yàn)確定不同的空間結(jié)構(gòu)對(duì)人體大腦以及其他方面所造成的影響，結(jié)合人體智能技術(shù)對(duì)家居設(shè)計(jì)進(jìn)行調(diào)整布置；層次分割方面的應(yīng)用，利用人體智能技術(shù)具體分析空間層次對(duì)不同人群的心理、情感傾向的影響，模擬具體的參數(shù)對(duì)家居設(shè)計(jì)進(jìn)行調(diào)整，這樣，家居設(shè)計(jì)不僅滿足了美觀性的要求，而且也會(huì)更加人性化，其綜合性效果得到突顯[4]。

人工智能需要根據(jù)用戶家居的各種需求，去識(shí)別、記憶、分析、判斷、交互和動(dòng)作。目前，在智能家居中，人工智能技術(shù)主要應(yīng)用于各種智能系統(tǒng)（相關(guān)系統(tǒng)內(nèi)容可根據(jù)客戶需要?jiǎng)h減或進(jìn)一步細(xì)分）：1）智能照明系統(tǒng)。通過(guò)遙控等多種智能控制方式，對(duì)全宅燈光進(jìn)行遙控開(kāi)關(guān)，達(dá)到節(jié)能、環(huán)保、舒適且方便的目的。2）智能場(chǎng)景系統(tǒng)。根據(jù)用戶習(xí)慣及需要，可設(shè)定回家模式、離家模式、早起模式、睡眠模式、就餐模式、娛樂(lè)模式、學(xué)習(xí)模式以及會(huì)客模式等。3）智能門(mén)窗系統(tǒng)。具有無(wú)線遙控、智能開(kāi)關(guān)、自動(dòng)防風(fēng)雨、凈化室內(nèi)空氣、檢控燃?xì)狻z控火災(zāi)、自動(dòng)求助報(bào)警以及智能動(dòng)態(tài)玻璃等功能。4）智能語(yǔ)音系統(tǒng)。智能語(yǔ)音的人機(jī)溝通方式，對(duì)科技掌握能力相對(duì)偏弱的老人、孩子更為適用。5）智能環(huán)境系統(tǒng)。根據(jù)空氣質(zhì)量、溫度及濕度等，以最大能源效率調(diào)節(jié)室內(nèi)環(huán)境變量，為家居營(yíng)造更加舒適、節(jié)能且健康的生活環(huán)境。6）智能安防系統(tǒng)。包括視頻監(jiān)控、對(duì)講系統(tǒng)、門(mén)磁開(kāi)關(guān)、緊急求助、煙霧檢測(cè)報(bào)警、燃?xì)庑孤秷?bào)警、碎玻探測(cè)報(bào)警以及紅外雙鑒探測(cè)報(bào)警等，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)陌生人入侵、煤氣泄漏以及火災(zāi)等情況并通知主人。

設(shè)計(jì)：監(jiān)控是雙向的，數(shù)據(jù)從傳感器發(fā)送到上位機(jī)，同時(shí)上位機(jī)也可以通過(guò)控制按鈕下發(fā)對(duì)應(yīng)的指令進(jìn)行控制，例如控制 LED 燈的亮滅，控制傳感器閾值，例如室內(nèi)舒適溫度為 22°，當(dāng)傳感器采集到的問(wèn)題超過(guò)這個(gè)值時(shí)，觸發(fā)警報(bào)進(jìn)行提示。另外，上位機(jī)平臺(tái)采用的是 ARM 開(kāi)發(fā)板，其是一個(gè)性能較好的帶屏幕的單片機(jī)，支持觸摸交互，上位機(jī)程序采用 C/C++/Qt 編寫(xiě)，同時(shí)上位機(jī)也可以通過(guò)控制按鈕下發(fā)對(duì)應(yīng)的指令進(jìn)行控制（如圖2所示）。

圖2 人工智能家居設(shè)計(jì)反饋/調(diào)節(jié)圖

設(shè)計(jì)結(jié)果：通過(guò)傳感器可以對(duì)室內(nèi)溫度、濕度以及亮度等進(jìn)行調(diào)節(jié)。

3.3 計(jì)算機(jī)技術(shù)在家居設(shè)計(jì)中的應(yīng)用設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)：1）手機(jī)App安全方案。2）云平臺(tái)對(duì)稱安全算法。3）云端安全方案。4）ESE安全芯片。智能家居系統(tǒng)是通過(guò)云端、邊緣側(cè)、協(xié)議層以及末端設(shè)備4個(gè)維度（如圖3所示）把家中各種用電設(shè)備進(jìn)行集中控制管理，并且橫向打通協(xié)議層和末端設(shè)備層，讓不同協(xié)議類(lèi)型的設(shè)備可以在同一個(gè)系統(tǒng)環(huán)境中通信和工作，具有很強(qiáng)的兼容性和整合力。

圖3 智能家居計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)系統(tǒng)維度圖

設(shè)計(jì)結(jié)果：市場(chǎng)上的智能家居系統(tǒng)可選用金茂智能家居系統(tǒng)，并結(jié)合C/C++、Java等進(jìn)行編程，以保障整體網(wǎng)絡(luò)的安全性。

該處理器主要是依靠智能家居的智能系統(tǒng)系統(tǒng)來(lái)發(fā)揮作用，使用戶的生活更加便捷。

3.4 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在家居設(shè)計(jì)中的應(yīng)用設(shè)計(jì)

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是智能家居系統(tǒng)最基礎(chǔ)的部分，每種智能家居產(chǎn)品都需要通過(guò)家庭智能網(wǎng)關(guān)相互連接。智能家居系統(tǒng)中所應(yīng)用的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)種類(lèi)繁多，包括CEBus、Havi、HomePNA、ZigBee以及RS485等。物聯(lián)網(wǎng)通過(guò)多個(gè)相互競(jìng)爭(zhēng)的標(biāo)準(zhǔn)提供服務(wù)，這些標(biāo)準(zhǔn)代表不同的生態(tài)系統(tǒng)，包括 Wi-Fi、ZigBee、藍(lán)牙/藍(lán)牙低功耗、Apple HomeKit、Samsung Smart Things、Google Nest以及Amazon Alexa 等使用的 Thread。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在家居設(shè)計(jì)中的應(yīng)用設(shè)計(jì)：CHIP 是由 ZigBee聯(lián)盟和 Thread 聯(lián)盟與 Amazon、Apple、Google 和 Samsung 合作制定的。因此，在設(shè)計(jì)時(shí)可以通過(guò) Wi-Fi 6 EasyMesh 來(lái)實(shí)現(xiàn)相關(guān)功能，終端設(shè)備將直接通過(guò) Wi-Fi 無(wú)線電或通過(guò)智能手機(jī)設(shè)置和 IEEE 802.15.4 無(wú)線電與 Wi-Fi 6 網(wǎng)絡(luò)通信。

4 結(jié)論

隨著智能家居應(yīng)用范圍的擴(kuò)大，多學(xué)科應(yīng)用會(huì)有更加廣闊的發(fā)展前景。在家居設(shè)計(jì)中，家具與裝飾是不可缺少的元素，合理設(shè)置家具和裝飾的位置會(huì)讓整體空間更具層次感和變化性，這對(duì)改善單調(diào)的環(huán)境具有十分重要的意義。同時(shí)，利用人體智能技術(shù)具體分析空間層次對(duì)不同人群的心理影響、情感傾向等影響，模擬具體的參數(shù)對(duì)家居設(shè)計(jì)進(jìn)行調(diào)整，這樣，家居設(shè)計(jì)不僅滿足了美觀性的要求，也會(huì)更具人性化，其綜合性效果更好。在硬件方面，已經(jīng)出現(xiàn)了專(zhuān)用處理器；在軟件方面，有越來(lái)越強(qiáng)大的算法，能夠識(shí)別物體、面部和姿勢(shì)。從智能家居的市場(chǎng)應(yīng)用方面看，首先是智能家居，其次是手機(jī)安全系統(tǒng)。隨著社會(huì)智能化發(fā)展，智能家居在未來(lái)的幾年內(nèi)市場(chǎng)規(guī)模將相當(dāng)可觀。