智慧家居系統(tǒng)電氣設(shè)計(jì)探討

李 毅， 王 強(qiáng)， 張 帥， 華顯陽

(北京維拓時(shí)代建筑設(shè)計(jì)股份有限公司，北京 100025)

0 引言

國家“十四五”規(guī)劃綱要(中華人民共和國國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十四個(gè)五年規(guī)劃和2035 年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要)以較大篇幅對“加快數(shù)字化發(fā)展建設(shè)數(shù)字中國”作出了部署。 在專欄“數(shù)字化應(yīng)用場景”中特別列出智慧家居應(yīng)用場景:“應(yīng)用感應(yīng)控制、語音控制、遠(yuǎn)程控制等技術(shù)手段，發(fā)展智能家電、智能照明、智能安防監(jiān)控、智能音箱、新型穿戴設(shè)備、服務(wù)機(jī)器人等”。 其滿足人們對美好生活追求的同時(shí)，另外一個(gè)優(yōu)勢是節(jié)能減排，使居住建筑節(jié)能、居家生活節(jié)能更便捷、更容易實(shí)現(xiàn)，從而為我國的“雙碳”目標(biāo)實(shí)現(xiàn)做出貢獻(xiàn)。

建筑設(shè)計(jì)院作為建筑設(shè)計(jì)、系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)及多資源整合方，不應(yīng)“缺席”智慧家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)的研究，筆者從住宅建筑電氣設(shè)計(jì)的角度，對智慧家居系統(tǒng)相關(guān)問題進(jìn)行了分析、探討，提出一些觀點(diǎn)、方案供同行參考。

1 智慧家居系統(tǒng)特征分析

1.1 “智慧家居”概念

“智慧家居”與“智能家居”相比是比較新的概念，相關(guān)的技術(shù)與產(chǎn)品仍處于發(fā)展階段，其融入了智能家電、智能手機(jī)及更多的家庭智能設(shè)備，融入了更新的無線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、云計(jì)算、語音控制、人工智能等先進(jìn)技術(shù)，可以認(rèn)為“智慧家居”是“智能家居”的高級發(fā)展階段，代表了居住建筑電氣領(lǐng)域最新的技術(shù)發(fā)展方向。

1.2 智慧家居系統(tǒng)特征

“智慧家居”除了具備“智能家居”的基本功能以外，還具有以下特征。

1.2.1 個(gè)性化特征

與傳統(tǒng)的智能家居系統(tǒng)相同戶型、相同配置及功能的“千篇一律”不同，未來智慧家居系統(tǒng)的配置是開放的、“柔性”的、自然生長的。 隨著居住者不斷購置新的設(shè)備、設(shè)施，并根據(jù)自己的喜好、習(xí)慣，設(shè)定、改變控制程序，每家的設(shè)備配置和實(shí)現(xiàn)的功能各不相同，具有個(gè)性化特征。

1.2.2 “DIY”特征

傳統(tǒng)的智能住宅或智能家居系統(tǒng)是在房屋建造時(shí)一次完成的，是根據(jù)設(shè)計(jì)師的圖紙進(jìn)行施工安裝，一旦完成很難改變。 而新一代的智慧家居系統(tǒng)具有可進(jìn)化特征，可逐步構(gòu)建的同時(shí)，使用者也可參與構(gòu)建(“DIY”特征)。 對于新建住宅，建造時(shí)只需設(shè)置基礎(chǔ)設(shè)施，如網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)關(guān)、必要的智能開關(guān)及傳感器等，后期可根據(jù)需要逐步增加設(shè)備。 當(dāng)使用者不滿意或有更高的期望時(shí)，可以替換、刪除、增補(bǔ)、演變，不需要推倒重來。

以智能照明系統(tǒng)舉例，傳統(tǒng)智能照明控制系統(tǒng)的控制面板布置、線路敷設(shè)及控制程序的嵌入，由施工單位或?qū)I(yè)公司完成，其功能基本被固化。 如果床頭柜位置未設(shè)置照明開關(guān)，想后期增加1 個(gè)控制開關(guān)是非常困難的。 智慧家居系統(tǒng)控制燈具可以采用無線控制開關(guān)，開關(guān)可以隨意放置。 總體來說，“智慧家居”系統(tǒng)構(gòu)建及實(shí)現(xiàn)的功能是“柔性”的，而不是“剛性”的。

1.2.3 “人性化”特征

智慧家居系統(tǒng)可以根據(jù)使用者的生活習(xí)慣、操作習(xí)慣進(jìn)行調(diào)整，既能滿足使用者的功能訴求，又能滿足使用者的心理需求。

以智能照明系統(tǒng)舉例，傳統(tǒng)的智能照明面板設(shè)置了模式按鍵，使用者按照已經(jīng)確定的模式按鍵進(jìn)行操作，無論你是否喜歡都無法改變，具有“強(qiáng)迫”的性質(zhì)。 智慧家居系統(tǒng)的燈開關(guān)面板與傳統(tǒng)面板具有相同的操作方法，但是否開啟其智能功能由使用者決定。 使用者可以開啟感應(yīng)控制、遠(yuǎn)端控制、語音控制、聯(lián)動(dòng)控制，也可以仍選擇習(xí)慣的機(jī)械方式控制，可以由使用者“隨心所欲”調(diào)整或改變。

基于以上特征分析，智慧家居與傳統(tǒng)智能家居系統(tǒng)的設(shè)備配置與系統(tǒng)構(gòu)建方式有一定的不同，筆者根據(jù)目前的技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，對兩者的不同之處進(jìn)行了分析，詳見表1 所示。

表1 智慧家居系統(tǒng)設(shè)備配置與系統(tǒng)構(gòu)建特點(diǎn)分析表

2 智慧家居構(gòu)建與發(fā)展的關(guān)鍵要素分析

智慧家居概念的演變及發(fā)展并非來自于頂層設(shè)計(jì)，而是隨著科技產(chǎn)品的不斷涌現(xiàn)、發(fā)展，越來越多的智能產(chǎn)品進(jìn)入家庭，特別是隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展、人工智能技術(shù)的發(fā)展、產(chǎn)品的數(shù)字化趨勢以及人們對于美好生活的追求，促進(jìn)了智慧家居系統(tǒng)的構(gòu)建與形成。

(1)住宅建筑智能產(chǎn)品的發(fā)展及進(jìn)步是智慧家居構(gòu)建的基礎(chǔ)條件

隨著智能產(chǎn)品技術(shù)水平的提升及制造成本的降低，住宅建筑智能產(chǎn)品不斷的豐富與普及，為智慧家居的構(gòu)建創(chuàng)造了基礎(chǔ)條件。

如1)家庭專用型智能照明開關(guān)產(chǎn)品逐步得到應(yīng)用，其操控方式符合居住者的操控習(xí)慣，方便使用者隨意構(gòu)建家庭智能照明場景。 2)智能電源插座內(nèi)嵌控制模塊、通信模塊，也可以嵌入電能計(jì)量模塊，通過手機(jī)App 與家庭無線網(wǎng)關(guān)連接，實(shí)現(xiàn)電源開、關(guān)的定時(shí)控制及聯(lián)動(dòng)控制。 3)智能音箱產(chǎn)品的完善及普及，使語音控制成為可能。 4)家庭傳感器、測量儀不斷豐富，可以方便實(shí)現(xiàn)感應(yīng)控制。 5)以智能手表為代表的智能穿戴設(shè)備越來越普及，并融入智慧家居系統(tǒng)，豐富了智慧家概念的內(nèi)涵。

(2)智能家電的發(fā)展及融入使智慧家居更貼近人們的生活

隨著家庭電器智能化率的提升，智能家用電器越來越多的進(jìn)入家庭，如智能電視、智能空調(diào)、智能清掃機(jī)器人、智能洗衣機(jī)、智能電飯鍋等，未來家庭“一切皆智能”。 智慧家居不再僅僅局限于智能照明、智能窗簾、智能安防等，已經(jīng)覆蓋居住、生活的各個(gè)方面，使得更多的人接受、喜愛。

(3)智能手機(jī)(App)極簡交互界面促進(jìn)了智慧家居的普及應(yīng)用

智能手機(jī)作為一種數(shù)字化設(shè)備已經(jīng)成為人的機(jī)體的“外掛設(shè)備”，智能手機(jī)作為智慧家居系統(tǒng)的核心設(shè)備，無可替代。 實(shí)際上，正是由于智能手機(jī)的普及促進(jìn)了智能家居、智慧家居的發(fā)展，因?yàn)橹悄苁謾C(jī)App 是目前實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互的最佳方式。

家庭智能主機(jī)操控屏、PC 機(jī)操控界面、操控面板均存在操控不方便的問題，對于非專業(yè)人士難以掌握，讓使用者“望而卻步”。 智能手機(jī)(App)的菜單式觸屏界面最符合人的使用習(xí)慣、最人性化。 由于手機(jī)是隨身攜帶的，可以隨時(shí)、隨地操作，成為人與物交互難以替代的最佳媒介。

3 智慧家居系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)探討

從住宅建筑電氣設(shè)計(jì)的視角，智慧家居系統(tǒng)可以分為3 層結(jié)構(gòu):基礎(chǔ)設(shè)備層、建筑設(shè)備層、生活設(shè)備層。 建筑電氣設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮基礎(chǔ)設(shè)備層、建筑設(shè)備層的設(shè)計(jì)，同時(shí)應(yīng)關(guān)注整個(gè)“智慧家居”系統(tǒng)框架及構(gòu)建內(nèi)容，關(guān)注生活設(shè)備層的條件預(yù)留(電源、網(wǎng)絡(luò)需求)。 “智慧家居”系統(tǒng)框架圖見圖1 所示。

圖1 “智慧家居”系統(tǒng)框架示意圖

3.1 基礎(chǔ)設(shè)備層

建筑電氣設(shè)計(jì)者不應(yīng)局限于家庭弱電箱預(yù)留、通信網(wǎng)絡(luò)接口預(yù)留，應(yīng)對智慧家居核心設(shè)備作出合理安排、布置。 基礎(chǔ)設(shè)備包括家庭網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、核心控制設(shè)備、語音控制設(shè)備等。

3.1.1 家庭網(wǎng)絡(luò)設(shè)備

傳統(tǒng)的住宅建筑電氣設(shè)計(jì)將通信光纖引入家庭弱電箱，主要房間設(shè)置網(wǎng)絡(luò)通信插座，其他工作交給用戶和通信公司完成。 目前，家庭成員的生活和娛樂完全離不開無線網(wǎng)絡(luò)，戶內(nèi)無線信號(hào)的強(qiáng)度、均勻度往往成為困擾人們的一個(gè)問題。

Wi-Fi 信號(hào)覆蓋是實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)端控制、云服務(wù)器控制的基本條件。 智慧家居的建筑電氣設(shè)計(jì)要整體考慮戶內(nèi)無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋的方式以及設(shè)備、管線的布置。

3.1.2 核心控制設(shè)備

智慧家居最主要核心控制設(shè)備為智能家庭主機(jī)、家庭智能網(wǎng)關(guān)、手機(jī)(App)。

(1)智能家庭主機(jī)

采用設(shè)有智能家庭主機(jī)的方案，系統(tǒng)設(shè)備連接一般采用有線、無線混合方式(即1+2+N 模式:家庭主機(jī)+有線和無線+智能終端)。 對于高檔住宅、大戶型住宅(如別墅項(xiàng)目、大平層項(xiàng)目等)可以采用家庭主機(jī)系統(tǒng)，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，但成本相對較高，靈活性弱。 對于普通住宅項(xiàng)目宜采用無家庭主機(jī)系統(tǒng)(需設(shè)置家庭智能網(wǎng)關(guān))，構(gòu)建靈活、成本低，缺點(diǎn)是穩(wěn)定性相對弱。

(2)家庭智能網(wǎng)關(guān)

家庭智能網(wǎng)關(guān)是智慧家居的中樞，應(yīng)成為基本配置。 住宅建筑作為城市物聯(lián)網(wǎng)的1 個(gè)基本單元，將實(shí)現(xiàn)物與物的連接、物與人的連接，設(shè)備之間的聯(lián)動(dòng)及人與設(shè)備的互動(dòng)。 家庭智能網(wǎng)關(guān)的設(shè)置應(yīng)考慮滿足家庭智能設(shè)備的互聯(lián)、互通要求，考慮通信信號(hào)的類型、兼容性(宜兼容Wi-Fi、Zigbee、藍(lán)牙等通信協(xié)議)。 設(shè)置位置應(yīng)考慮設(shè)備通信的距離，宜靠近房間中間，預(yù)留電源及網(wǎng)絡(luò)接口。

(3)手機(jī)(App)

通過手機(jī)(App)可實(shí)現(xiàn)云端服務(wù)器控制，手機(jī)(App)無疑是智慧家居系統(tǒng)的重要核心設(shè)備之一。手機(jī)與智能設(shè)備的連接有以下3 種方案。

方案1:手機(jī)(App)+智能終端。 使用手機(jī)可以對智能終端進(jìn)行控制程序設(shè)定，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程通信和遠(yuǎn)程控制，但功能相對較弱。

方案2:手機(jī)(App)+無線智能網(wǎng)關(guān)+智能終端。方案2 除實(shí)現(xiàn)方案1 的功能外，可實(shí)現(xiàn)不同智能終端之間的聯(lián)動(dòng)，擴(kuò)展性強(qiáng)、宜推廣，但穩(wěn)定性弱。

方案3:手機(jī)(App)+智能家庭主機(jī)+無線智能網(wǎng)關(guān)+智能終端。 方案3 的穩(wěn)定性高、實(shí)現(xiàn)難度大、成本高、擴(kuò)展性弱。

3.1.3 語音控制設(shè)備

實(shí)現(xiàn)語音控制是智慧家居的一大亮點(diǎn)，智能音箱應(yīng)成為智慧家居的基本配置。 智能音箱具備接受語音指令、音樂播放、語音提示、語音報(bào)警能力。AI 智能音箱具有一定的對話能力，智能音箱的應(yīng)用提升用戶的體驗(yàn)感及使用樂趣。 應(yīng)根據(jù)戶型面積大小及平面布局，合理配置智能音箱(1 個(gè)或多個(gè))，客廳、主臥室宜設(shè)置智能音箱。

3.2 建筑設(shè)備層

建筑設(shè)備層主要滿足建筑功能與建筑環(huán)境的需求，大部分內(nèi)容屬于建筑電氣、弱電智能化的設(shè)計(jì)范疇，包括照明控制、電源控制、環(huán)境控制、安防報(bào)警等。

3.2.1 照明控制

智能照明開關(guān)將逐步被取代傳統(tǒng)照明開關(guān)，家庭照明智能化將成為智慧家居的基本配置。 智能照明開關(guān)應(yīng)采用家庭專用型，不宜采用公共建筑使用的傳統(tǒng)的智能照明控制面板。 傳統(tǒng)的智能照控制面板上有若干個(gè)模式按鍵，固化了燈具控制模式，不適合功能擴(kuò)展、不方便操作。 智能照明開關(guān)操控方式應(yīng)符合居住者的操控習(xí)慣，方便使用者隨意構(gòu)建家庭智能照明場景。

3.2.2 電源控制

智能電源插座宜逐步取代傳統(tǒng)電源插座(這里指建筑墻面上安裝的電源插座)。 傳統(tǒng)的電源插座只是提供電源插頭插拔功能的裝置，智能電源插座內(nèi)嵌控制模塊、通信模塊，也可以嵌入電能計(jì)量模塊。 可以通過手機(jī)App 與家庭無線網(wǎng)關(guān)連接，實(shí)現(xiàn)電源開關(guān)控制、定時(shí)控制、聯(lián)動(dòng)控制。 電視墻、書房、衛(wèi)生間等處有許多用電設(shè)備處于長期的待機(jī)耗電狀態(tài)，宜采用智能電源插座供電，可減少待機(jī)耗電并提高用電安全。

3.2.3 環(huán)境控制

集中式環(huán)境設(shè)備包括集中空調(diào)、集中新風(fēng)、集中供暖等設(shè)備，控制系統(tǒng)應(yīng)設(shè)置與智慧家居通信協(xié)議匹配的接口，融入智慧家居系統(tǒng)，可以與其他智能設(shè)備聯(lián)動(dòng)，通過手機(jī)App 進(jìn)行操控。

獨(dú)立式的環(huán)境設(shè)備包括分體空調(diào)、新風(fēng)機(jī)、電暖氣等設(shè)備，一般具有獨(dú)立的控制功能。 應(yīng)融入智慧家居系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)感應(yīng)控制(配合環(huán)境傳感器，包括溫度、濕度及PM2.5、甲醛、CO2等空氣質(zhì)量測量)、語音控制(配合智能音箱)、遠(yuǎn)距離控制(配合手機(jī)App)等功能。

3.2.4 安防控制

住宅建筑戶內(nèi)應(yīng)安裝安防對講機(jī)、緊急報(bào)警按鈕、燃?xì)鈭?bào)警器、外窗幕簾探測器等(各地規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)要求有所不同)，此部分內(nèi)容可以稱為建筑安防。建筑安防系統(tǒng)是在房屋建造過程中被固化的系統(tǒng)，信號(hào)接入小區(qū)安防控制室，由物業(yè)人員管理。

對于智慧家居系統(tǒng)，用戶可以根據(jù)需要后期自行添加智能安防設(shè)備(如煙霧探測器、燃?xì)馓綔y器、門窗探測器、水浸探測器、人體傳感器、無線報(bào)警按鈕、攝像頭等)，并連接到家庭智能網(wǎng)關(guān)、用戶手機(jī)，用戶可以在任何有網(wǎng)絡(luò)的地方查看家中安全狀況，方便及時(shí)處理緊急情況。 此部分內(nèi)容可以稱為家居安防，作為建筑安防的補(bǔ)充。

3.3 生活設(shè)備層

生活設(shè)備主要指智能家電、智能生活設(shè)施、娛樂設(shè)施，是智慧家居最豐富、滿足用戶美好體驗(yàn)的重要部分。 生活設(shè)備層不屬于傳統(tǒng)建筑電氣設(shè)計(jì)范疇，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮常用智能電器、智能設(shè)施的電源預(yù)留(如智能馬桶、智能窗簾、智能晾衣桿、掃地機(jī)器人等)。

以智能電視為例，其本身自帶智能功能，通過網(wǎng)絡(luò)連接融入智慧家居系統(tǒng)，可以與燈光、窗簾音箱等設(shè)備聯(lián)動(dòng)、構(gòu)建智能場景。 可以認(rèn)為智慧家居是一種群智能系統(tǒng)，每個(gè)智能設(shè)備是1 個(gè)基本單元，各設(shè)備之間構(gòu)成網(wǎng)狀連接，場景的構(gòu)建不依賴中央控制器，呈現(xiàn)去中心化趨勢。

4 智慧家居與常規(guī)住宅在電氣設(shè)計(jì)的區(qū)別分析

對比《住宅建筑電氣設(shè)計(jì)規(guī)范》JGJ 242—2011要求，對常規(guī)住宅建筑電氣設(shè)計(jì)與智慧家居電氣設(shè)計(jì)的區(qū)別進(jìn)行了分析，主要區(qū)別詳見表2。

表2 常規(guī)住宅建筑電氣設(shè)計(jì)與智慧家居電氣設(shè)計(jì)不同要求對照表

根據(jù)表2 的分析，智慧家居電氣設(shè)計(jì)與常規(guī)住宅電氣設(shè)計(jì)有很大的不同，需要設(shè)計(jì)人員有創(chuàng)新思維、全盤考慮、精細(xì)化設(shè)計(jì)。

5 智慧家居對實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的作用

根據(jù)有關(guān)研究報(bào)告[6]數(shù)據(jù)，2019 年城鎮(zhèn)住宅能耗(不含北方供暖)為2.42 億tce，占建筑總商品能耗的24%，其中電力消耗5 374 億kWh。 可見，減少住宅電力能耗是實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的重要一環(huán)。《住宅建筑電氣設(shè)計(jì)規(guī)范》JGJ 242—2011 在9.5 條照明節(jié)能章節(jié)中，僅對住宅建筑公共空間的照明節(jié)能作出規(guī)定，對于戶內(nèi)電氣節(jié)能并未提出要求。 因此，戶內(nèi)家庭電氣節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)還有待提高。

減少家庭無效能耗是降低住宅電力能耗的有效措施之一。 通過對家庭電耗構(gòu)成的剖析，發(fā)現(xiàn)造成家庭無效能耗的主要原因有兩類:一類是持續(xù)加熱類電器，如電熱水器、廚寶、飲水機(jī)、智能馬桶圈，這些電器由于長時(shí)間待機(jī)并反復(fù)加熱，全年耗電量不容小覷。 第二類就是各類電器的待機(jī)能耗，家庭大部分電器在不使用時(shí)都處于待機(jī)狀態(tài)，如空調(diào)機(jī)、充電器、電飯煲、音箱、電視機(jī)頂盒等，單獨(dú)看每個(gè)電器的待機(jī)電耗都不大，但積少成多也變成家庭電耗中不容忽視的構(gòu)成成分(電器一年的待機(jī)功耗累加可達(dá)100kWh 左右)。

智慧家居系統(tǒng)對于戶內(nèi)電氣節(jié)能的實(shí)現(xiàn)具有一定優(yōu)勢，通過定時(shí)控制、感應(yīng)控制、聯(lián)動(dòng)控制，可以使家庭電器設(shè)備處于經(jīng)濟(jì)運(yùn)行狀態(tài)、減少無效耗能，從而達(dá)到家庭節(jié)電的目的。 例如，電視機(jī)頂盒、儲(chǔ)水式電熱水器等電源插座宜采用智能電源插座，實(shí)現(xiàn)夜間、家庭無人時(shí)間段自動(dòng)關(guān)閉；衛(wèi)生間排風(fēng)扇與人體感應(yīng)探測器聯(lián)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)人離開后延時(shí)自動(dòng)關(guān)閉；在夏天氣候炎熱的情況下，窗簾會(huì)自動(dòng)關(guān)上，避免屋內(nèi)過熱，減少空調(diào)系統(tǒng)的能源消耗。

智慧家居技術(shù)可以通過簡潔的控制方式促進(jìn)人們的行為節(jié)能，促進(jìn)人們向低碳生活方式轉(zhuǎn)變，促進(jìn)“雙碳”目標(biāo)實(shí)現(xiàn)。

6 結(jié)束語

智慧家居的概念及內(nèi)涵仍處于不斷的發(fā)展與演變的過程中，市場端的需求旺盛(特別是住宅裝修市場)，一些新建住宅項(xiàng)目也在進(jìn)行著各種嘗試與探索。 相信隨著科技進(jìn)步與發(fā)展及人們對美好生活的追求越來越高，智慧家居必然不斷的豐富與發(fā)展，越來越多的智慧家居產(chǎn)品未來將由“可選項(xiàng)”成為“必選項(xiàng)”。 目前，智慧家居相關(guān)的建筑電氣設(shè)計(jì)規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)相對滯后，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法、表達(dá)方式遇到“挑戰(zhàn)”。 本文只是拋磚引玉，希望推動(dòng)相關(guān)領(lǐng)域的研究不斷深入。