智慧家居設計探討

顧小軍

（南京長江都市建筑設計股份有限公司，江蘇南京 211800）

1 智慧家居的定義

1.1 智慧家居與住戶需求之間的聯(lián)系

隨著社會經(jīng)濟和技術的發(fā)展，在物質財富逐漸豐富的同時，人們逐漸開始追求生活的品質化。高品質的生活是能讓家居生活更安全、更健康、更便捷、更舒適。

在此背景下，智慧家居可以為滿足住戶多樣化的需求添磚加瓦。一般情況下，住戶對高品質美好生活向往的需求大部分都是通過提高服務質量來滿足的，物業(yè)管理全面轉向物業(yè)服務即是此需求的產(chǎn)物。此外，智能化控制技術、人工智能和大數(shù)據(jù)技術的快速發(fā)展也為利用先進的科學技術提升家居生活品質創(chuàng)建了條件。智慧家居應運而生。

1.2 智慧家居的價值

智慧家居提供了一套低成本的提升家居生活品質解決方案。

具體而言，智慧家居借助物聯(lián)網(wǎng)技術，通過場景面板、語音和體感操控、智慧聯(lián)動等技術措施提高了家居生活的便捷性。在此基礎上，智慧家居的價值還體現(xiàn)在其可以綜合提升家居安全、家居環(huán)境、家居健康、家居娛樂等生活場景的體驗，從而全面提升家居生活品質，為居民使用較低成本提升家居生活品質提供了解決方案。

低成本主要體現(xiàn)在以下兩點：一方面，通過技術手段可以提升家居生活品質，相對于通過服務來提升家居生活品質的成本更低。例如，利用掃地機器人掃地相較于人工掃地而言成本更低；另一方面，智慧家居可以有效降低人員成本，如住戶線上繳費可以節(jié)省物業(yè)人工成本。

同時，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術的發(fā)展，智慧家居也會越來越普及，建設成本將會不斷下降，而人工成本是逐年上升的，這也是科技相較于人工的優(yōu)勢。

根據(jù)《江蘇省智慧家居工程建設標準》標準組研究，通用戶型（約90m2）標準型智慧家居配置，造價約一萬元。相信隨著技術的發(fā)展，智慧家居提供服務的范圍將會更加廣泛和多元，服務品質將會更加符合用戶需求，成本也將會進一步降低。

1.3 智慧家居的定義

智慧家居定義如下：由家居傳感器、執(zhí)行器、被控設備、家庭邊緣計算網(wǎng)關、智慧家居服務平臺組成，通過家庭網(wǎng)絡實現(xiàn)家居設備之間、設備與人、設備與環(huán)境的連接，具有感知、傳輸、記憶、自學習、自適應的綜合智慧能力，提高家居生活安全性、健康性、便捷性、舒適性，提升居住生活品質的系統(tǒng)。

區(qū)別于智能家居側重自動化控制，智慧家居基于云端大數(shù)據(jù)的計算基礎獲取人工智能技術，強調人機交互功能和自學習、自適應能力。智慧家居在智能家居基礎上，依托智慧家居服務平臺，利用物聯(lián)網(wǎng)和人工智能技術實現(xiàn)家居設備和環(huán)境的智慧管理[2]。

因此，要真正實現(xiàn)“智慧”需要依賴于大數(shù)據(jù)和人工智能技術，需要“在線”。智慧家居是智慧社區(qū)的一個有機組成部分，通過智慧家居與智慧社區(qū)之間的在線連接，可實現(xiàn)家庭和社區(qū)的信息交互?；谥腔奂揖酉到y(tǒng)的智慧社區(qū)，又可以對接智慧城市，實現(xiàn)大數(shù)據(jù)互聯(lián)和共享。

2 智慧家居的主要技術

2.1 總線技術（有線技術）

總線技術是分布式的智慧家居傳輸技術。目前在智慧家居行業(yè)主流的總線技術協(xié)議有KNX、485、CAN等國際標準協(xié)議以及部分廠家自行定制的協(xié)議。

2.2 無線技術

無線技術的特點是所有家居設備之間的通信均可采用無線傳輸，無須布線。因頻率、加密方式、傳輸速率等不同，分為WiˉFi、Zigbee、Z-wave等無線技術。

WiˉFi技術家庭網(wǎng)絡環(huán)境普及，使用便捷。Zigbee技術低功耗，組網(wǎng)方便。Z-wave技術和Zigbee技術類似，市場占有率低。

現(xiàn)階段，無線技術發(fā)展要快于有線技術。通常，一套智慧家居系統(tǒng)會采用多個無線技術。一般而言，基于穩(wěn)定性考慮，非特殊情況（如視頻監(jiān)控，需要帶寬較大選擇WiˉFi技術）優(yōu)先選擇Zigbee無線組網(wǎng)方案。

2.3 設計技術路線選擇

一般而言，有線產(chǎn)品抗干擾能力強，穩(wěn)定性相對較好。無線產(chǎn)品經(jīng)濟實用、調試維護方便，擴展能力強。智慧家居通信宜采用有線與無線相結合的形式，設計時應根據(jù)項目特性選擇適配的通信技術。

一般新建項目同步建設，可以選擇穩(wěn)定可靠的有線技術。改造項目更多應考慮無線技術。當然，復雜的智慧家居系統(tǒng)常常采用有線和無線相結合和綜合方案。

3 智慧家居技術難點

國內智慧家居技術體系從2000年左右從無到有建立起來，發(fā)展的時間短、進步快，取得了很大成就。然而，要達到的人工的服務水平，還有很長的路要走。目前期以下3種技術能取得突破性發(fā)展。

3.1 識別技術

識別技術分為兩方面：主動識別和被動識別（告知識別）。在識別方面智慧家居首要問題是：住戶身份識別。只有識別了家庭成員的身份才能對其提供個性化的服務?；谶@種需求，需要對每個家庭成員實時、無感識別。

在技術上，比較成熟的是視頻圖像識別，但由于家居生活私密性的限制，圖像識別技術無法廣泛應用。通過穿戴設備實現(xiàn)識別和定位也受用戶使用習慣的限制，尚未得到普遍應用。未來，實現(xiàn)用戶的無感識別是智慧家居發(fā)展關鍵[3]。

3.2 感知技術

感知技術從對象上來看分為：空間、設備和人，從形式上分為直接感知和間接感知（分析感知）。

空間感知：包括環(huán)境和空間。環(huán)境指：空氣、光照、溫濕度、噪聲等?？臻g主要指空間使用和建筑本體情況。

設備感知：包括設備的狀態(tài)、故障等。

感知技術在家居空間（包括環(huán)境）、設備上的應用已經(jīng)很成熟。然而，關鍵的人的感知上碰到了技術瓶頸。

人的感知包括健康感知、形態(tài)感知和情緒感知等。健康感知一般通過健康監(jiān)測設備實現(xiàn)。情緒感知正在探索中。

形態(tài)感知包括人在空間的位置、軌跡、身體狀態(tài)（受傷、跌倒、休息、濕身等），這方面尚沒有特別好的解決方案。

人的感知目前的困境一方面體現(xiàn)在技術達不到，如情緒感知；另一方面是技術已經(jīng)成熟但產(chǎn)品不適合用在家庭內。如人的位置、軌跡識別、視頻技術很成熟，但無法用在戶內。

3.3 交互技術

交互技術已經(jīng)有了一定的進步，從最初的直接交互（按鍵、APP）到語音交互。未來的發(fā)展方向是自然語言、形體動作等綜合交互。

語音交互發(fā)展的相對成熟了。未來語音交互發(fā)展的方向的自然語義解析、連續(xù)對話，這有賴于語音識別技術的進一步發(fā)展。在智能音箱設備方面，家庭智能音響的全屋組網(wǎng)應該是發(fā)展的重點。用戶的聲音被多個智能音箱監(jiān)聽到后，可判斷用戶的位置，并由距離最近的智能音箱響應，從而產(chǎn)生更多的場景體驗[4]。

4 智慧家居設計

4.1 設計原則

智慧家居設計目標是提升家居生活安全性、健康性、便捷性、舒適性。設計的最重要的原則是能否提高用戶體驗，杜絕為設計而設計、堆砌設備。

4.2 系統(tǒng)構架

智慧家居系統(tǒng)架構主要由傳感、執(zhí)行設備，傳輸網(wǎng)絡，家庭管理控制設備以及管理軟件組成，如圖1所示。

圖1 智慧家居設計系統(tǒng)構架

4.3 設計內容

智慧家居一般應包括以下內容：家庭網(wǎng)絡、家居安全、家居環(huán)境、家居健康、家居娛樂、家居監(jiān)控等功能模塊。

家居網(wǎng)絡：家庭信息化基礎設施，包含家庭互聯(lián)網(wǎng)和設備物聯(lián)網(wǎng)。網(wǎng)絡已成為家居生活中的“空氣和水”重要性不言而喻。家庭有線網(wǎng)絡布線應選擇超五類線以上標準，網(wǎng)絡交換機（路由器）各端口均應達到千兆以上。家庭無線網(wǎng)絡應采用WiˉFi 6標準并覆蓋全屋，各區(qū)域無線信號應無縫切換。

家居安全：安全的第一位的，是底線。家居安全包括設備安全、人身和財產(chǎn)安全（消防和安防）。借助各類傳感器（圖像傳感器和入侵探測器）自動探測和求助系統(tǒng)主動報警。家居安全報警信號應報至住區(qū)監(jiān)控中心。在設計時要注意區(qū)分報至小區(qū)監(jiān)控中心的信號和推送到用戶個人終端的信號。報至監(jiān)控中心的信號不應涉及家庭敏感信息，并應與智慧小區(qū)的設計綜合考慮。

家居環(huán)境：借助各類傳感器（空氣質量傳感器、水質傳感器、溫濕度傳感器、照度傳感器、噪聲傳感器等）采集家居環(huán)境指標，并能聯(lián)動相關設備改善家居環(huán)境。家居環(huán)境傳感器的設計的重點在于安裝位置。各類傳感器采集的內容不一致安裝的要求也不相同（如燃氣比空氣輕需要裝在高處，CO2比空氣重需要安裝在人體高度范圍內），選用復合型傳感器時需要尤為注意[5]。

家居健康：配置健康管理系統(tǒng)，對住戶家庭成員健康數(shù)據(jù)進行采集、分析、管理，可與第三方健康醫(yī)療機構合作，為住戶提供醫(yī)療健康服務。如何選擇便捷的家居健康檢測裝置是家居設計成敗的關鍵。尤其是家庭內通常會有多個成員，如何準確辨別每一位家庭成員，并結合歷史數(shù)據(jù)給出健康建議是設計的難點。

家居娛樂：家居娛樂設施的監(jiān)測和場景控制，一般不涉及內容管理（如電視節(jié)目源）。家庭娛樂一般包括家庭背景音樂和家庭影院控制。家庭背景音樂通常宜支持藍牙，支持用戶移動終端（手機、平板）推送音樂播放。

家居控制：在本地或遠程實現(xiàn)家居場景模式管理、家居設施的監(jiān)視和控制等。非展示需要，戶內的監(jiān)控管理終端屏實際使用頻率不高，可考慮與訪客對講顯示屏結合，以降低成本。

4.4 設計要點

智慧家居設計首先要確定服務對象和需求。一般而言，項目類型有展示樣板間和家居住宅。

展示樣板間的服務對象為產(chǎn)品、營銷類客戶，他們關注的重點是可展示性和展示的亮點和特點。他們一般不太重視實用性。設計時，應著重設計展示方案，即參觀流線和各展示點需要表達和呈現(xiàn)的內容。必要時，輸出介紹臺本和導覽形式。

家居住宅的服務對象一般為住戶。設計時，應尤其關注用戶家居使用體驗。設計應遵循便捷、實用、經(jīng)濟、可靠的原則，目標是提升家居生活品質。主要關注如下幾個方面。

建議選用與電氣（照明、插座）同質化（或同品牌）的面板。一方面是基于裝飾美觀考慮，另一方也便于未來維修更換。智慧家居設備商更新頻率很高，眾多小型企業(yè)生存周期并不長。很多用戶發(fā)現(xiàn)未來需要維修或者升級時，設備商已經(jīng)破產(chǎn)或者轉型了，采用傳統(tǒng)面板能有效避免此類問題。

場景面板宜選用實體按鍵，用戶能夠盲操。很多設計師喜歡選用美觀的，觸控屏的場景面板，面板支持眾多場景選擇。這類場景面板往往功能強大、外觀精美，卻偏偏實用性不強，用戶使用不便捷，不建議家庭使用，更適合用在展示樣板間。

照明控制優(yōu)先考慮開關面板控制，不太建議選用回路控制器。開關面板控制施工靈活，未來改造也更便利，對用戶的影響也小。

應設計家庭本地網(wǎng)關（邊緣網(wǎng)關），基本的控制邏輯應本地存儲。近來年，知名的智慧家居設備商（如小米）均發(fā)生網(wǎng)絡服務器故障導則用戶家庭設備控制失效，邊緣層存儲和控制的重要性越來越被大眾認可，設計時需尤為注意[6]。

住宅是小區(qū)內的一個基本單元，智慧家居與智慧小區(qū)（社區(qū)）數(shù)據(jù)打通能給用戶帶來更好的體驗。如：家居報警信息推送給小區(qū)管理，給用戶帶來更安全的服務。小區(qū)設施和家居設施的聯(lián)動（如進入小區(qū)大門后，聯(lián)動開啟戶內照明、空調設施），提升家居生活體驗。要實現(xiàn)家居和社區(qū)數(shù)據(jù)聯(lián)通最便捷的方法是智慧家居和智慧小區(qū)（社區(qū)）同步設計、同步建設、同步驗收，這需要設計師在設計之處就應統(tǒng)籌考慮，并提供完整的解決方案。

5 結語

近年來，在國家成品房建設的推動下，智慧家居這個新生事物迎來了井噴式的發(fā)展。相信隨著物聯(lián)網(wǎng)技術、數(shù)字化技術和大數(shù)據(jù)、人工智能技術的演進，必然給智慧家居帶來新的機遇和挑戰(zhàn)，智慧家居終將走進每個居民的生活。