智能家居綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)研究與應(yīng)用實(shí)踐

付心儀，張鶴，薛程,1b，李欣洋，孫喆,1b，徐迎慶,1b

智能家居綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)研究與應(yīng)用實(shí)踐

付心儀1a，張鶴1a，薛程1a,1b，李欣洋2，孫喆1a,1b，徐迎慶1a,1b

（1.清華大學(xué)a.未來(lái)實(shí)驗(yàn)室 b.美術(shù)學(xué)院，北京 100080；2.北京航天與航空大學(xué) 機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院，北京 100191）

梳理和分析智能家居相關(guān)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)現(xiàn)狀，探究智能家居綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)研究方法，對(duì)平臺(tái)的構(gòu)建展開(kāi)應(yīng)用實(shí)踐。以智能家居理論框架為基礎(chǔ)，從傳感器網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)、場(chǎng)景、被試等多個(gè)角度出發(fā)，對(duì)智能家居綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)方法和應(yīng)用實(shí)踐進(jìn)行闡釋。提出智能家居綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中圍繞“感知”“思考”“執(zhí)行”3個(gè)層面的理論框架、應(yīng)用實(shí)踐研究方法和實(shí)踐案例。智能家居綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的理論構(gòu)架對(duì)于智能家居領(lǐng)域的科研問(wèn)題具有一定的理論影響力，3個(gè)層次在建設(shè)時(shí)相互獨(dú)立，在理論中相互印證，在實(shí)踐中相互支撐。建立智能家居綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，可以為智能家居及其相關(guān)領(lǐng)域的科研和產(chǎn)業(yè)問(wèn)題提供實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地、關(guān)鍵數(shù)據(jù)、核心算法等支撐，使相關(guān)研究可以在更完備、更集成及魯棒性更強(qiáng)的框架下展開(kāi)。智能家居綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的研究和實(shí)踐整合了現(xiàn)有知識(shí)體系，從頂層設(shè)計(jì)、傳感網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)研究、算法模型、用戶研究、人機(jī)交互等多學(xué)科多領(lǐng)域交叉的角度為學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界提供參考，全面地推動(dòng)智能家居領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步和設(shè)計(jì)創(chuàng)新。

智能家居；實(shí)驗(yàn)平臺(tái)；設(shè)計(jì)研究；應(yīng)用實(shí)踐

隨著社會(huì)與科技的發(fā)展，人們所處的時(shí)代正在發(fā)生天翻地覆的技術(shù)革新，起始于信息時(shí)代早期的智能家居也逐漸步入了智能化時(shí)代，智能家居的發(fā)展脈絡(luò)見(jiàn)圖1。在人工智能、智慧物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、5G、自然人機(jī)交互等前沿科技的支撐下，智能家居逐漸從現(xiàn)有的智能產(chǎn)品孤島模式過(guò)渡到全屋智慧互聯(lián)模式，由單體“智能”向整體“智慧”轉(zhuǎn)型。越來(lái)越多的智能家居供應(yīng)商開(kāi)始專注于全屋一體化智能的探究，例如：小米基于小米生態(tài)鏈和小米IoT開(kāi)發(fā)者平臺(tái)的“小米全屋智能指南”[1]；美的針對(duì)全屋智能場(chǎng)景的“一站購(gòu)”和主動(dòng)式全屋智能[2]；華為鴻蒙生態(tài)（HarmonyOS）的全屋智慧場(chǎng)景[3]等。終端消費(fèi)者的需求也從對(duì)智能化單品的需要，發(fā)展為對(duì)全屋整體智能的期待。以用戶為中心，提供一整套智能化、個(gè)性化、人性化的多模態(tài)智能產(chǎn)品和解決方案，為用戶打造家居環(huán)境和家居實(shí)體相融合的智慧、舒適、溫馨、便捷的個(gè)性化家居體驗(yàn)，是當(dāng)前學(xué)術(shù)界在智能家居領(lǐng)域和產(chǎn)業(yè)界迫切追求的目標(biāo)。智能家居是學(xué)科高度交叉的領(lǐng)域，為實(shí)現(xiàn)此目標(biāo)，需要多種維度的理論與方法支撐，包括家居實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的硬件支撐、家居領(lǐng)域多模態(tài)人機(jī)交互的理論支撐、家居場(chǎng)景下智能感知的技術(shù)支撐、家居環(huán)境下用戶真實(shí)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)支撐等。然而，當(dāng)前國(guó)內(nèi)外的相關(guān)研究領(lǐng)域，尚缺乏支撐以上前沿研究的高相關(guān)度成果。本文提出智能家居綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)研究與應(yīng)用實(shí)踐，從“感知”“思考”“執(zhí)行”3個(gè)維度構(gòu)建面向智能家居的綜合性實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)的理論框架和實(shí)踐應(yīng)用，探討智能家居多通道傳感器網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建、多模態(tài)大規(guī)模數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)與集成、全屋智能用戶體驗(yàn)構(gòu)架等問(wèn)題。該綜合性實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可以支撐智能家居場(chǎng)景下的多模態(tài)人機(jī)交互理論與方法驗(yàn)證，平臺(tái)產(chǎn)出的海量用戶自然行為和情感數(shù)據(jù)，可作為家居場(chǎng)景下智能感知算法模型的數(shù)據(jù)支撐，基于此平臺(tái)產(chǎn)出的用戶體驗(yàn)測(cè)量框架，可納入產(chǎn)業(yè)界全屋智能產(chǎn)品的用戶體驗(yàn)度量評(píng)價(jià)體系中，推進(jìn)智能家居環(huán)境下的人機(jī)交互設(shè)計(jì)創(chuàng)新。

圖1 智能家居的發(fā)展脈絡(luò)

1 智能家居平臺(tái)概述

將智能家居平臺(tái)分為消費(fèi)級(jí)平臺(tái)和實(shí)驗(yàn)平臺(tái)2類，并分別對(duì)這2類平臺(tái)進(jìn)行概述，為的是從概念上厘清兩者的區(qū)別，本文將重點(diǎn)圍繞智能家居實(shí)驗(yàn)平臺(tái)開(kāi)展研究。

1.1 消費(fèi)級(jí)智能家居概述

消費(fèi)級(jí)（Consumer–Grade）智能家居指為個(gè)人或家庭使用、消費(fèi)或享受而進(jìn)行設(shè)計(jì)、營(yíng)銷(xiāo)和銷(xiāo)售的智能家居產(chǎn)品。近年來(lái)，隨著消費(fèi)者對(duì)生活品質(zhì)要求的不斷提升，智能產(chǎn)品逐漸走入大眾家庭，推動(dòng)智能家居市場(chǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大[4-5]。智能家居產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展，產(chǎn)品覆蓋范圍廣，行業(yè)參與者除了創(chuàng)新型家電產(chǎn)業(yè)，還有智能硬件廠商、互聯(lián)網(wǎng)公司、通信運(yùn)營(yíng)商和房地產(chǎn)等各類行業(yè)巨頭公司，當(dāng)前市場(chǎng)上的主流企業(yè)有海爾、谷歌、小米、美的、百度和阿里巴巴等。2020年，工信部籌建了智慧家庭標(biāo)準(zhǔn)工作組[6]，支持智能家居行業(yè)的發(fā)展。隨著智能家居單品智能程度的提高和各智能設(shè)備間的互聯(lián)互通，當(dāng)下以智能單品為核心的全屋智能家居解決方案興起。智能家居設(shè)備可分為如下六大類：智能家電、智能家庭安防、智能家庭娛樂(lè)、智能連接控制、智能光感和智能家庭能源管理，其包含的設(shè)備類別和單品示例見(jiàn)表1。

在智能單品不斷向全屋智能體系過(guò)渡的過(guò)程中，智能家居也正不斷向家庭的各類場(chǎng)景延伸。如智能入戶、智能看護(hù)、智能客廳、智能廚房、智能陽(yáng)臺(tái)和智能娛樂(lè)場(chǎng)景等，現(xiàn)有的常見(jiàn)智能家居場(chǎng)景及其功能示例見(jiàn)表2。

智能產(chǎn)品生態(tài)鏈從單品化向聯(lián)動(dòng)一體化不斷發(fā)展，但在面向消費(fèi)者提供全屋智能構(gòu)建方案時(shí)通常存在著如下問(wèn)題。

1）設(shè)備互聯(lián)互通的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一。以Wi-Fi、藍(lán)牙、Zigbee為主的無(wú)線通訊技術(shù)在智能家居的多種場(chǎng)景中應(yīng)用最為廣泛，但通訊協(xié)議間不統(tǒng)一無(wú)法達(dá)到設(shè)備互聯(lián)互通的理想狀態(tài)，需要行業(yè)內(nèi)各廠商達(dá)成開(kāi)放合作。

2）缺乏以用戶為中心的全屋構(gòu)建方案。目前各智能單品間通常獨(dú)立分散，功能較為單一，無(wú)法根據(jù)用戶的心理需求提供準(zhǔn)時(shí)化、個(gè)性化、智慧化的服務(wù)。

3）用戶的隱私安全無(wú)法得到確切保障。隨著物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備大量融入網(wǎng)絡(luò)，用戶的個(gè)人數(shù)據(jù)也越來(lái)越容易被收集，但目前還沒(méi)有確切有效的法律法規(guī)來(lái)確保用戶家居設(shè)備的安全。

式中：mh∈M,ph∈P,qh∈Q依次表示th對(duì)應(yīng)的物料、工藝、質(zhì)量節(jié)點(diǎn)，由定義1和定義2中的關(guān)聯(lián)關(guān)系確定；Exch表示按照裝配業(yè)務(wù)邏輯中的任務(wù)分發(fā)規(guī)則認(rèn)領(lǐng)th的人員;TExch表示認(rèn)領(lǐng)th的時(shí)間；TBh和TEh分別表示th的開(kāi)始時(shí)間和完工時(shí)間。

表1 智能家居設(shè)備類別和示例

Tab.1 Smart home device categories and examples

表2 智能家居場(chǎng)景和示例

Tab.2 Smart home scenarios and examples

1.2 智能家居實(shí)驗(yàn)平臺(tái)概述

智能家居實(shí)驗(yàn)平臺(tái)（以下簡(jiǎn)稱“實(shí)驗(yàn)平臺(tái)”）是物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)面向家居環(huán)境的集成解決方案，它包含智能家居駐地設(shè)備、云計(jì)算、通信網(wǎng)絡(luò)集成、應(yīng)用功能、用戶交互方法和管理系統(tǒng)等多維的綜合應(yīng)用。目前，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)內(nèi)存在如交互設(shè)計(jì)、邊緣計(jì)算、大數(shù)據(jù)處理、網(wǎng)絡(luò)通信、可用性、安全與隱私等諸多問(wèn)題和挑戰(zhàn)[7]。與消費(fèi)級(jí)智能家居產(chǎn)品和解決方案不同，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)是一個(gè)為了解決已知問(wèn)題和探索未來(lái)可能性的綜合實(shí)驗(yàn)環(huán)境，通常為滿足可能的衍生需求而采取包括傳感器網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算中心、數(shù)據(jù)中心等的冗余設(shè)計(jì)。一方面，

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)除了可以滿足細(xì)化領(lǐng)域的研究和實(shí)驗(yàn)需求外，還可以從更全面的視角探究智能家居問(wèn)題。例如用戶體驗(yàn)及產(chǎn)品設(shè)計(jì)[8]、環(huán)境中各種依賴關(guān)系[9]、缺失和冗余問(wèn)題[10]、新技術(shù)測(cè)試[11]等，均可在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中進(jìn)行研究。與此同時(shí)，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)配備了在真實(shí)居住環(huán)境中所需要的各種資源，以滿足用戶在人居環(huán)境中的場(chǎng)景需求。一個(gè)完備的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)應(yīng)該為整體而非臨時(shí)搭建的環(huán)境場(chǎng)地，可以進(jìn)行與真實(shí)居住效果幾乎無(wú)差異的非表演活動(dòng)行為[12]，并通過(guò)完備的多模態(tài)傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行采集，再經(jīng)過(guò)本地化的方式進(jìn)行整體處理以保證實(shí)驗(yàn)周期內(nèi)的數(shù)據(jù)安全。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)所產(chǎn)生的大規(guī)模多模態(tài)真實(shí)智能家居數(shù)據(jù)集，可進(jìn)一步促進(jìn)智能家居環(huán)境下的設(shè)計(jì)創(chuàng)新、算法研發(fā)和技術(shù)升級(jí)。

2 智能家居實(shí)驗(yàn)平臺(tái)現(xiàn)狀分析

根據(jù)智能家居涉及到的場(chǎng)景類別（見(jiàn)表2），將智能家居實(shí)驗(yàn)平臺(tái)分為綜合場(chǎng)景實(shí)驗(yàn)平臺(tái)（即涉及全屋多種場(chǎng)景的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)）和單一場(chǎng)景實(shí)驗(yàn)平臺(tái)（包含一種場(chǎng)景的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)），如廚房場(chǎng)景、臥室場(chǎng)景等。

2.1 綜合場(chǎng)景實(shí)驗(yàn)平臺(tái)現(xiàn)狀

場(chǎng)景問(wèn)題在人機(jī)交互、設(shè)計(jì)領(lǐng)域的重要性在大量先前研究中已被重申[13]。包含綜合場(chǎng)景的智能家居實(shí)驗(yàn)平臺(tái)（下稱“綜合平臺(tái)”）是研究普適計(jì)算（Ubicomp）、以人為本的設(shè)計(jì)（Human–Centered Design）、計(jì)算機(jī)支持的協(xié)同工作（CSCW）等人機(jī)交互領(lǐng)域問(wèn)題的重要基礎(chǔ)性設(shè)施。相較于單一場(chǎng)景實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，綜合平臺(tái)可支持更大范圍的跨領(lǐng)域研究工作內(nèi)容，并帶來(lái)更加貼近于真實(shí)世界的臨場(chǎng)感受。綜合平臺(tái)包含多個(gè)不同場(chǎng)景，不同場(chǎng)景間可以進(jìn)行更快速地切換。在綜合平臺(tái)內(nèi)的設(shè)施（空間和設(shè)備等）可以同時(shí)服務(wù)于多個(gè)不同場(chǎng)景，同時(shí)滿足智能家居下多個(gè)不同場(chǎng)景的協(xié)同研究需求，可以在同一綜合平臺(tái)內(nèi)開(kāi)展多種類的實(shí)驗(yàn)，并使不同場(chǎng)景之間建立更自然的上下文關(guān)系。綜合平臺(tái)不僅保證了研究的完整性，更強(qiáng)化了研究的系統(tǒng)性和可操作性。

目前，學(xué)術(shù)界和工業(yè)界已有一些綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)及相關(guān)研究（見(jiàn)表3）。如麻省理工學(xué)院在2004年建立了PlaceLab[14-15]，旨在研究居家環(huán)境中的普適計(jì)算技術(shù)。PlaceLab在室內(nèi)設(shè)計(jì)上與普通的家庭環(huán)境無(wú)異，但在家具中嵌入了許多傳感裝置來(lái)記錄居住者日?；顒?dòng)的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)可被用于普適計(jì)算、預(yù)防保健、用戶界面設(shè)計(jì)等居家環(huán)境下與人的行為相關(guān)的研究領(lǐng)域。Eugene等基于Smart-Home living-lab（2018）[16]開(kāi)展了關(guān)于智能家居服務(wù)和產(chǎn)品的偏好與可用性研究，通過(guò)復(fù)制一個(gè)實(shí)際的住宅來(lái)讓參觀者可以按照任何住宅空間的順序和方式體驗(yàn)空間和服務(wù)，以挖掘用戶在日常生活行為習(xí)慣中蘊(yùn)含的對(duì)智能家居的愿景。聯(lián)想公司的Smart Home Lab[17]打造了模擬真實(shí)家居環(huán)境的全屋智能家居樣板間，旨在打造用戶可感的場(chǎng)景智能。Yassine等[18]提出了在智能家居物聯(lián)網(wǎng)中使用霧節(jié)點(diǎn)和云系統(tǒng)處理和分析數(shù)據(jù)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，用以處理計(jì)算密集型應(yīng)用程序所預(yù)期的復(fù)雜工作。但上述研究和工程在場(chǎng)景平臺(tái)真實(shí)性、多樣性、可用性、可拓展性、應(yīng)用覆蓋領(lǐng)域尺度、數(shù)據(jù)量級(jí)等方面均有較大的提升空間，表3同時(shí)列出了這些平臺(tái)的局限性，本文提出的綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)理論與實(shí)踐針對(duì)這些局限性均采取了優(yōu)化策略。

2.2 單一場(chǎng)景實(shí)驗(yàn)平臺(tái)現(xiàn)狀

單一場(chǎng)景的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)（以下簡(jiǎn)稱“單場(chǎng)景平臺(tái)”）是為滿足單一特定研究目的和研究對(duì)象而搭建的實(shí)驗(yàn)環(huán)境。單場(chǎng)景平臺(tái)舍棄了場(chǎng)景變換的自由，將研究對(duì)象限制在某個(gè)范圍內(nèi)，搭建難度比綜合平臺(tái)更低。目前，智能家居相關(guān)的單場(chǎng)景平臺(tái)多集中于智能廚房場(chǎng)景和智能臥室場(chǎng)景等，如MIT媒體實(shí)驗(yàn)室的多項(xiàng)研究與廚房場(chǎng)景相關(guān)，Lee等[19]運(yùn)用投影儀投射菜譜、溫度等數(shù)字信息至物理界面以增強(qiáng)信息量，Bonanni等[20]將動(dòng)態(tài)多媒體畫(huà)面映射到空間中以放大用戶的感官輸入等。Booranrom等[21]針對(duì)老年人在臥室中的場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)了基于Kinect的控制電器開(kāi)閉與跌倒防護(hù)監(jiān)測(cè)。通常，單場(chǎng)景平臺(tái)所研究的問(wèn)題具有周期更短、結(jié)構(gòu)化、線程化等特點(diǎn)，然而單場(chǎng)景平臺(tái)本身難以滿足未來(lái)研究拓展的需求，并無(wú)法實(shí)現(xiàn)跨場(chǎng)景間的上下文聯(lián)系。

表3 現(xiàn)有針對(duì)智能家居的綜合場(chǎng)景實(shí)驗(yàn)平臺(tái)示例

Tab.3 Examples of the existing integrated experiment platform for smart home

3 智能家居綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)研究

3.1 理論框架

本文首先提出智能家居綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)的理論框架，核心覆蓋3個(gè)層級(jí)，即“感知層”“思考層”和“執(zhí)行層”，見(jiàn)圖2?！案兄獙印蓖ㄟ^(guò)傳感網(wǎng)絡(luò)收集用戶數(shù)據(jù)，經(jīng)“思考層”建立數(shù)據(jù)庫(kù)并開(kāi)展基于數(shù)據(jù)的智能感知，最后通過(guò)“執(zhí)行層”來(lái)為用戶提供自然人機(jī)交互界面。該3個(gè)層級(jí)之間獨(dú)立存在但高度關(guān)聯(lián)，通過(guò)傳感網(wǎng)絡(luò)、硬件設(shè)備、網(wǎng)關(guān)網(wǎng)絡(luò)、用戶駐地設(shè)備、人機(jī)交互等方式互相協(xié)作，高效地處理、分析、管理智能家居系統(tǒng)，并為智能家居中各種研究問(wèn)題提供全面的科學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

3.2 感知層

“感知層”是綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的基礎(chǔ)，通過(guò)在智能空間中配置多通道傳感器網(wǎng)絡(luò)來(lái)采集多源異構(gòu)的原始數(shù)據(jù)。傳感器的部署以用戶的感官通道為準(zhǔn)則，盡可能地覆蓋多種感官通道，本文提出的綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要包含視覺(jué)通道、聽(tīng)覺(jué)通道、觸覺(jué)通道和嗅覺(jué)通道。同時(shí)為了更好地感知用戶所處的環(huán)境，也以環(huán)境為對(duì)象部署了相關(guān)的傳感器，例如溫度、濕度、二氧化碳、空氣質(zhì)量等傳感器。

圖2 智能家居綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)理論框架

聽(tīng)覺(jué)通道主要負(fù)責(zé)采集智能空間中的聲音數(shù)據(jù)。為了能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)全屋空間中完整的聲音采集，研究人員在綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中配置了麥克風(fēng)矩陣與智能音箱相結(jié)合的聲音采集方案。麥克風(fēng)矩陣作為聽(tīng)覺(jué)通道的基礎(chǔ)，主要負(fù)責(zé)采集全屋空間中包含環(huán)境音和用戶聲音的所有聲音。麥克風(fēng)矩陣的配置使用一種基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的配置方式，使用預(yù)先建模的基于真實(shí)比例的3D模型作為仿真空間，結(jié)合使用聲學(xué)仿真軟件，優(yōu)化出合適的麥克風(fēng)數(shù)量和具體的麥克風(fēng)放置位置。智能音箱放置在智能空間中產(chǎn)生交互的主要場(chǎng)景，如書(shū)房、臥室、廚房，智能音箱主要負(fù)責(zé)感知用戶交互中的語(yǔ)音指令，并提供一定的語(yǔ)義識(shí)別功能，作為聽(tīng)覺(jué)通道中細(xì)粒度數(shù)據(jù)的補(bǔ)充。

觸覺(jué)通道是為了獲取到用戶在智能空間中的與觸覺(jué)相關(guān)的交互行為數(shù)據(jù)。智能空間中的觸覺(jué)數(shù)據(jù)主要包含3類：用戶的步態(tài)數(shù)據(jù)、用戶與智能家具的交互數(shù)據(jù)、用戶與智能平板的交互數(shù)據(jù)。步態(tài)數(shù)據(jù)的采集依賴于在全屋鋪設(shè)智能地板，基于電容識(shí)別的方式能夠精準(zhǔn)地識(shí)別出用戶所處的位置，通過(guò)對(duì)地板獲取的時(shí)間序列進(jìn)行處理可以得到用戶的步態(tài)速度、前進(jìn)方向、活動(dòng)區(qū)域、跌倒?fàn)顟B(tài)等高級(jí)特征。用戶與智能家具的交互數(shù)據(jù)主要包含用戶對(duì)于不同家具的交互區(qū)域、交互方式、交互力學(xué)大小等，在智能家具中部署柔性壓力傳感器可以感知用戶的接觸點(diǎn)和力學(xué)大小，通過(guò)部署通信模塊可以將用戶的觸覺(jué)交互數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸。用戶與智能平板的交互數(shù)據(jù)同樣依賴于電容感知的識(shí)別方式，對(duì)用戶與智能平板的交互方式進(jìn)行記錄，可以得到更加精細(xì)化的交互方式和手部的行為模式識(shí)別等特征。

嗅覺(jué)通道是對(duì)周邊環(huán)境的氣味數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。使用基于MEMS傳感器陣列的電子鼻傳感器，能夠?qū)Νh(huán)境中的氣味進(jìn)行精準(zhǔn)識(shí)別。嗅覺(jué)通道的構(gòu)建依賴于智能空間中的場(chǎng)景構(gòu)建，包含廚房場(chǎng)景和衛(wèi)生間場(chǎng)景等。廚房中配置傳感器能夠檢測(cè)到用戶在烹飪中的氣味，通過(guò)對(duì)氣味數(shù)據(jù)進(jìn)行長(zhǎng)期的采集和分析，可以對(duì)用戶的長(zhǎng)期烹飪行為進(jìn)行追蹤。衛(wèi)生間中的氣味數(shù)據(jù)包含個(gè)體的部分健康信息，通過(guò)對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行長(zhǎng)期的采集，可以實(shí)現(xiàn)健康追蹤。

“感知層”是綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)與真實(shí)世界和實(shí)體空間交互的媒介。通過(guò)該層面，可使綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)內(nèi)的各類信息被廣泛觀測(cè)，為“思考層”和“執(zhí)行層”提供核心數(shù)據(jù)支撐。

3.3 思考層

“思考層”是綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的“大腦”，具有整體思考的能力和連通數(shù)據(jù)獲取到終端執(zhí)行的能力?！八伎紝印必?fù)責(zé)控制“感知層”的傳感器網(wǎng)絡(luò)，處理數(shù)據(jù)流的接收和存儲(chǔ)，智能感知算法的運(yùn)行，并對(duì)“執(zhí)行層”進(jìn)行指令分發(fā)。

控制傳感器網(wǎng)絡(luò)指的是對(duì)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的多通道傳感器基于實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、硬件條件及其他實(shí)際情況而進(jìn)行計(jì)算資源的分配。具體來(lái)說(shuō)，“思考層”可以控制：傳感器采集的啟停；傳感器所采集數(shù)據(jù)的頻次和分辨率等信息；傳感層網(wǎng)絡(luò)采集同步；傳感器網(wǎng)絡(luò)的自動(dòng)化流程；可拓展性分析；性能分析。

處理數(shù)據(jù)是“思考層”的核心功能之一，涉及數(shù)據(jù)獲取、清洗、標(biāo)注、存儲(chǔ)、建庫(kù)等。綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)所產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)可以存儲(chǔ)在本地的網(wǎng)絡(luò)附屬存儲(chǔ)（NAS）系統(tǒng)中，為智能感知算法構(gòu)建和“執(zhí)行層”的交互功能構(gòu)建提供可靠的數(shù)據(jù)支持。

“思考層”的另一個(gè)重要功能是智能感知。通過(guò)使用“感知層”所采集的各通道數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)處理后利用算法模型進(jìn)行感知層面的建模，并將完備的感知模型存入到“思考層”中，在綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的使用過(guò)程中對(duì)相關(guān)感知算法模型進(jìn)行調(diào)用，以進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)智能感知的功能，如行為識(shí)別、情感計(jì)算、時(shí)間判斷、環(huán)境感知等。以行為識(shí)別為例，“思考層”執(zhí)行智能感知的過(guò)程可以總結(jié)如下：通過(guò)“感知層”采集綜合平臺(tái)內(nèi)包含用戶活動(dòng)的視覺(jué)通道信息數(shù)據(jù)，再通過(guò)計(jì)算機(jī)視覺(jué)的方法將用戶的動(dòng)作行為轉(zhuǎn)化為三維空間的骨骼點(diǎn)數(shù)據(jù)[22]，通過(guò)對(duì)骨骼點(diǎn)數(shù)據(jù)的分析并結(jié)合上下文語(yǔ)境、事件序列信息等數(shù)據(jù)，來(lái)綜合判斷用戶行為，甚至預(yù)測(cè)用戶下一步的行為。

與此同時(shí)，“思考層”的任務(wù)需求和研究結(jié)果將對(duì)“感知層”的傳感網(wǎng)絡(luò)部署提供一定的優(yōu)化反饋，基于智能感知算法的運(yùn)行結(jié)果，“思考層”對(duì)“執(zhí)行層”的各類智能單品、智能終端、用戶駐地設(shè)備發(fā)送感知結(jié)果并提供決策方案，指導(dǎo)“執(zhí)行層”與用戶展開(kāi)自然人機(jī)交互。

3.4 執(zhí)行層

“執(zhí)行層”包含綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中所有可以與用戶產(chǎn)生交互的終端設(shè)備，例如各類家居用智能單品、服務(wù)類機(jī)器人等各類用戶駐地設(shè)備。由于當(dāng)前家庭與智能家居行業(yè)之間，對(duì)如何使用技術(shù)的期望存在潛在的不匹配[23]，跨設(shè)備交互用戶體驗(yàn)和數(shù)據(jù)共享能力較差[24]，所以“執(zhí)行層”需要利用“思考層”作為數(shù)據(jù)的中轉(zhuǎn)站，間接打通各類智能單品的數(shù)據(jù)通信接口。由“傳感層”獲取用戶真實(shí)的日常生活數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)“思考層”的感知加工和智能識(shí)別，產(chǎn)生“執(zhí)行層”中各類用戶駐地設(shè)備的交互策略，并指導(dǎo)智能單品與用戶的交互，構(gòu)建更自然的用戶交互界面?！皥?zhí)行層”的意義在于在一定程度上解決目前智能家居行業(yè)存在的痛點(diǎn)問(wèn)題，如提高不同智能單品間的聯(lián)動(dòng)效率、提高聯(lián)動(dòng)任務(wù)的準(zhǔn)確性與可靠性、優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)與功能、降低房屋能耗等，進(jìn)而為用戶創(chuàng)造高度個(gè)性化的體驗(yàn)，自主適應(yīng)每個(gè)家庭的生活方式。通過(guò)“執(zhí)行層”獲取的用戶體驗(yàn)結(jié)果，可以對(duì)“感知層”的傳感網(wǎng)絡(luò)部署和“思考層”的智能感知算法提供相應(yīng)的優(yōu)化反饋。

4 智能家居綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)應(yīng)用實(shí)踐

4.1 平臺(tái)物理空間配置

在本研究中，設(shè)計(jì)并構(gòu)建了一個(gè)依托真實(shí)家居環(huán)境的智能家居綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，該平臺(tái)包含設(shè)施完備的客廳、臥室、書(shū)房、廚房、洗手間和陽(yáng)臺(tái)，空間面積為60 m2左右，該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可以基本滿足用戶居家生活中的各類需求，該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的實(shí)景照片見(jiàn)圖3。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)依據(jù)圖1的設(shè)計(jì)構(gòu)架來(lái)進(jìn)行搭建，各個(gè)層次的具體硬件配置見(jiàn)表4。

圖3 智能家居綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)景照片

表4 智能家居綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)（部分）硬件配置

Tab.4 Hardware configuration of integrated experiment platform for smart home (partial)

注：每臺(tái)工控機(jī)配備GeForce RTX 3080Ti 12GB GPU、AMD Ryzen? 9 5950X 16核CPU、32GB以上內(nèi)存、萬(wàn)兆網(wǎng)卡及8 TB以上固態(tài)硬盤(pán)

在覆蓋綜合平臺(tái)空間的感知層配置中，考慮了現(xiàn)有硬件條件和被試者隱私問(wèn)題，同時(shí)考慮未來(lái)研究的潛在需求。部分隱私敏感的空間（如臥室、洗手間等）內(nèi)僅布設(shè)了隱私友好的傳感器設(shè)備（如嗅覺(jué)、觸覺(jué)等），同時(shí)預(yù)留了其他模態(tài)傳感器的快速配置接口。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的感知層和思考層均使用冗余設(shè)計(jì)，以提升平臺(tái)的可靠性、穩(wěn)定性和對(duì)未來(lái)研究的可遷移性。

4.2 平臺(tái)目標(biāo)用戶畫(huà)像

根據(jù)當(dāng)今社會(huì)普遍家庭構(gòu)成情況，經(jīng)過(guò)線上問(wèn)卷調(diào)研（270份有效回收）和深度用戶訪談（36位用戶參與），最終選取最具代表性的家庭結(jié)構(gòu)，構(gòu)建出該智能家居綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的目標(biāo)用戶畫(huà)像，見(jiàn)圖4。共分為以下6類：獨(dú)居青年、年輕夫婦、三口之家、三代同堂、新老年人伴侶與獨(dú)居老人。由于年齡與家庭構(gòu)成人數(shù)不同，各類用戶對(duì)智能家居場(chǎng)景的關(guān)注也有所不同，如獨(dú)居老人可能更關(guān)注緊急救護(hù)，獨(dú)居青年可能更關(guān)注居家安全等。

該綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可招募符合條件的目標(biāo)用戶（被試者）開(kāi)展實(shí)驗(yàn)研究，并根據(jù)實(shí)際開(kāi)展研究的課題內(nèi)容和目標(biāo)來(lái)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)流程與方法。在實(shí)驗(yàn)期間，研究者將與被試者保持持續(xù)溝通，保證實(shí)驗(yàn)平臺(tái)內(nèi)各設(shè)施的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，及時(shí)獲取被試者在實(shí)驗(yàn)中的即時(shí)體驗(yàn)與反饋，以進(jìn)一步優(yōu)化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和用戶體驗(yàn)。

圖4 智能家居綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)目標(biāo)用戶畫(huà)像

4.3 可依托平臺(tái)所開(kāi)展的研究

利用文中所提出的智能家居綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，可開(kāi)展的人機(jī)交互、智能感知和用戶體驗(yàn)等類別的相關(guān)研究，表5展示了部分可以依托本平臺(tái)開(kāi)展的研究示例，并提供了相似研究的參考。

在此以智能家居中的復(fù)雜決策問(wèn)題為案例，提出一個(gè)綜合應(yīng)用“感知層”“思考層”和“執(zhí)行層”對(duì)家居環(huán)境進(jìn)行控制的示例。在綜合平臺(tái)中，通過(guò)“感知層”的傳感器網(wǎng)絡(luò)，獲得場(chǎng)景空間中的用戶數(shù)據(jù)和環(huán)境信息；通過(guò)“思考層”對(duì)綜合數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，利用多模態(tài)算法模型對(duì)數(shù)據(jù)的語(yǔ)義進(jìn)行解析，得到用戶的行為、情感狀態(tài)、環(huán)境狀態(tài)等結(jié)果；結(jié)合上述結(jié)果，對(duì)“執(zhí)行層”的智能家居設(shè)備下達(dá)具體指令，以更改設(shè)備的工作狀態(tài)和交互方式來(lái)匹配適合場(chǎng)景的環(huán)境狀態(tài)。例如在居家辦公場(chǎng)景中，匹配合適工作的溫度、濕度、氛圍光線、音樂(lè)等，以及定時(shí)提示喝水、起身放松和工作進(jìn)度監(jiān)控提示等內(nèi)容。

本綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的“感知層”“思考層”和“執(zhí)行層”中所涉及的設(shè)備已經(jīng)通過(guò)了較為長(zhǎng)期的穩(wěn)定性測(cè)試并驗(yàn)證了平臺(tái)對(duì)于相關(guān)研究的可靠性。4組年齡在20歲至45歲的被試者（共6人，其中女性3人，男性3人）在該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中分別連續(xù)居住14天至180天不等，在此期間，平臺(tái)空間設(shè)施和設(shè)備的運(yùn)行狀況穩(wěn)定，所收集的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)質(zhì)量良好。依托此綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)及其理論框架，研究人員正在開(kāi)展相關(guān)領(lǐng)域的研究，例如：產(chǎn)品可用性研究、多模態(tài)交互、情感計(jì)算等。目前，各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)進(jìn)展順利，進(jìn)一步驗(yàn)證了該綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的有效性。

表5 平臺(tái)依托的可研究示例

Tab.5 Examples of platform-based research fields

5 結(jié)語(yǔ)

本文首先對(duì)消費(fèi)級(jí)智能家居和智能家居實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行了概念的厘清，對(duì)國(guó)內(nèi)外綜合場(chǎng)景和單一場(chǎng)景智能家居綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)開(kāi)展了現(xiàn)狀分析，以此為基礎(chǔ)，提出了包含“感知層”“思考層”和“執(zhí)行層”3個(gè)層面設(shè)計(jì)理論框架，并以此為核心實(shí)現(xiàn)了綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的應(yīng)用實(shí)踐，探討了平臺(tái)使用的目標(biāo)用戶和依托平臺(tái)開(kāi)展的研究。未來(lái)將持續(xù)優(yōu)化和驗(yàn)證該智能家居綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的理論構(gòu)架，繼續(xù)構(gòu)建和維護(hù)相應(yīng)的物理實(shí)體平臺(tái)，招募海量被試者開(kāi)展用戶實(shí)驗(yàn)并建立數(shù)據(jù)庫(kù)，依托該平臺(tái)開(kāi)展前沿的人機(jī)交互研究。

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Design Research and Application Practice of Integrated Experimental Platform for Smart Home

FU Xin-yi1a, ZHANG He1a, XUE Cheng1a,1b, LI Xin-yang2, SUN Zhe1a,1b, XU Ying-qing1a,1b

(1.a. The Future Laboratory, b. Academy of Arts & Design, Tsinghua University, Beijing 100080, China; 2.School of Mechanical Engineering & Automation, Beihang University, Beijing 100191, China)

The paper aims to order and analyze the current situation of the existing smart home experiment platforms, explore the design and research methods of the integrated experiment platform for smart home, and carry out the application practice on the construction of platform. Based on the theoretical framework of the smart home, the design method and application practice of integrated experiment platform for smart home are explained from multiple perspectives, such as sensor network, data, scenario, and subject. Focusing on the three levels of "perception", "thinking" and "implementation" in the integrated experiment platform for smart home, the theoretical framework, application practice & research methods, and practical cases are proposed. The proposed theoretical framework of an integrated experiment platform for smart home has theoretical influence for research problems in the related field. These 3 levels are configured independently, and they corroborate theoretically and support each other in practice. The platform can provide experimental space, essential data, core algorithms, and other support for research and industrial problems in the field of smart home and its related fields, so that the platform can carry out relevant research under a more complete, integrated, and robust framework. The research and practice of the experiment platform combines the existing knowledge system and provides references for academia and industrialcircles, including but not limited to top-level design, sensing networks, data studies, algorithm modeling, user studies, human-machine interaction, and other dimensions, which can comprehensively advance technological progress and design innovation in the field of the smart home.

smart home; experiment platform; design study; application practice

TB472

A

1001-3563(2022)16-0050-09

10.19554/j.cnki.1001-3563.2022.16.005

2022–06–10

豐田聯(lián)合研究基金專項(xiàng)資助（20213930010）；自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目（62172252）

付心儀（1989—），女，博士，助理研究員，主要研究方向?yàn)槿藱C(jī)交互、情感計(jì)算、文化遺產(chǎn)數(shù)字化。

徐迎慶（1959—），男，博士，教授，主要研究方向?yàn)橛脩趔w驗(yàn)設(shè)計(jì)、觸覺(jué)認(rèn)知交互、文化遺產(chǎn)數(shù)字化以及自然用戶界面設(shè)計(jì)。

責(zé)任編輯：陳作