智能家居設計中的多學科應用設計

許 超

（湖南環境生物職業技術學院，湖南 衡陽 421005）

智能家居（Smart Home）又稱智能住宅，這一概念的提出加強了智能技術與家居的結合，20世紀80年代，歐美等發達國家率先提出智能家居理念，由于技術和意識的影響，我國對智能家居的研究略晚于發達國家，隨著十幾年的不懈研究， 我國智能家居的發展前景廣闊。“Smart Home”就是將智能化控制理念與傳統的居住功能相結合，增加了信息交換功能，能夠幫助人們進行家電控制、自動管理以及實時監控等，優化了人們的生活方式和居住環境，因此，智能家居已經成為行業發展的主要趨勢。

1 智能家居研究背景和主要特征

1.1 智能家居背景

智能家居在我國作為一個新生產業，1994—1999年，我國智能家居還處于萌芽期，對其熟知度低，僅在深圳有幾家從事智能家居零售業務的公司，2000—2005年，我國智能家居理念才得到關注并得以推廣。隨著5G時代的到來以及技術的創新，智能家居已經普及。2020年，全面革新智能家居產品形態，結合數據來看，2020年生產約 2.15 億臺智能家居，其金額將達1 820億元，從智能家居區域分布來看，一線城市接近30%，二線城市為23.4%，可見智能家居用戶具有區域性，另外終端用戶傾向使用智能面板的占比為48%，智能家居發展迅速[1]。中國信息通信研究院近期發布的《物聯網白皮書（2020年）》顯示，智能家居產品達到43%，可見家居與物聯網關系密切，智能家居打破了行業限制，同互聯網行業、家具制造業以及手機制造業等相互合作，并紛紛爭奪智能家居市場，與此同時，智能家居也正從“單品智能”向“全屋智能”演進，例如海爾的三翼鳥體驗店、魅族的智能照明、小米的智能語音等，得益于5G、AI等領域的發展，智能家居將更加人性化和智能化，同時未來幾年，智能家居將成為一些企業發展的重要賽道。

1.2 智能家居的主要特征

目前智能系統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，可通過無線網技術把控家具整體狀態，聯動機制，可進行“打開”和“關閉”功能的控制。2）系統安裝簡便，可在現有的電氣裝備下使用，即不必破壞隔墻和購買設備，可直接與電話和家電等進行連接，進行總體控制和選程控制，為用戶提供良好的使用感受。3）家居系統升級，家居最初設計只與照明設備或目前常用的電器設備連接，由于生活所需，家居使用的目的更能體現出“生活質量”，目前家具向智能化方向發展，無線控制的智能家居系統可以不破壞原有裝修，進行總控制和模塊控制。4）燈光節能、健康環保。智能家居更趨向于“人性化”，就是以幫助人類生活為基準的智能化產品的綜合，例如燈光會隨著人群需求進行變化，通過燈光亮度漸變，為人眼提供緩沖作用。5）遠程監控。智能家居可達到對家具的遠程控制，以便幫助人們進行監控，防止因忘記事情造成的財產損失。智能家居可以通過手機等面板遠程控制燈光設備、家庭影音等工作方式，并結合室內設計，以達到室內生活規劃的目的。

2 智能家居的主要功能和設計原則

2.1 智能家居主要功能

2.1.1 家庭安全防護系統

安全是家庭的重要因素，為保障智能家居的安全性，家庭保護由防盜門和防盜網轉化成系統報警機制，在提高美觀的同時加強系統的靈敏性，同時能夠在第一時間對家庭問題進行報警處理，加強對家庭安全的防護。

2.1.2 家庭自動化系統

該系統結合了自動化技術、互聯網技術以及人工智能技術等技術，該系統的設計圍繞智能化統一標準進行，即可以進行監控又可以遙控家居，遠距離調節屋內設備，盡可能方便用戶生活。

2.2 智能家居設計原則

2.2.1 關注消費者的使用體驗

智能家居系統可以有效改善物理環境，通過生活環境的調節改善消費者的用戶體驗，即保證燈光亮度、室內濕度以及空氣質量等，同時，智能家居更強調的是科技感與室內環境設計風格的統一性，另外智能家居可因人而異，滿足用戶需求。

2.2.2 藝術與技術的統一

設計不僅圍繞功能，還體現在美感方面，智能家居需要將科技與室內設計相結合，將生活、娛樂、學習、休息等融合在室內設計中，可以說是科技與室內裝修的協調統一。

2.2.3 設計的前瞻性

智能家居在產品設計概念中具有一定的前瞻性，即科技引領設計并融入設計，可采用模塊化設計、動態設計等新興的設計理念，提高人們未來生活水平，讓設計融入更多的元素，是對室內設計新理念的創新。

3 智能家居設計中多學科的應用設計

3.1 智慧家居的主要設計需求

結合王飛躍在2020年提出了“6S”智慧家居概念。“6S”包括物理安全（Safety）、信息安全（Security）、可持續發展（Sustainability）、個性化需求（Sensitivity）、服務（Service）以及智慧（Smartness）。相比之下，傳統的智能家居系統對物理安全以外的“5S”的支持是較為不足的，尤其體現在個性化需求以及智慧方面。一個較為完整的“6S”智慧家居系統的組成案例如圖1所示。

圖1中所示系統及功能模塊，其中一部分，例如門禁、智能鎖、照明以及娛樂系統等屬于現階段比較成熟的技術；另一部分，例如語義識別模塊、情緒識別模塊以及智能廚師等技術雖然還不夠成熟，但都具有比較好的發展前景，在將來有很高的可能性被整合到“6S”智慧家居系統中。“6S”智慧家居系統將以認知家居作為科學基礎，以平行系統作為技術方法，以聯邦生態及聯邦家居與社會家居+作為組織形態。其中，認知家居的作用在于賦予底層數據人性化和個性化，平行系統的作用在于為整個復雜家居環境提供智能控制手段，聯邦生態的作用在于實現智能家居的社會性。這三者在“6S”智慧家居系統中可以獨立存在，也可以相互兼容協作。從技術方面來看，隨著5G技術、邊緣計算技術以及區塊鏈技術的應用與推廣，可以預見到聯邦生態在“6S”智慧家居系統中比較容易實現。

圖1 “6S”智慧家居示意圖

3.2 人工智能技術在家居設計中的應用

人工智能技術在家居設計中的應用能夠更好地體現人在家居環境中的主體地位，這對改善家居環境，提升設計質量有重要的幫助[3]。人工智能技術在家居設計中主要有3個方面應用：環境感知方面的應用，就人工智能技術在家居設計中的具體應用分析來看，主要體現在環境感知方面；空間活動布置方面的應用，人體智能技術能夠對人體感知做模擬，通過具體的模擬實驗確定不同的空間結構對人體大腦以及其他方面所造成的影響，結合人體智能技術對家居設計進行調整布置；層次分割方面的應用，利用人體智能技術具體分析空間層次對不同人群的心理、情感傾向的影響，模擬具體的參數對家居設計進行調整，這樣，家居設計不僅滿足了美觀性的要求，而且也會更加人性化，其綜合性效果得到突顯[4]。

人工智能需要根據用戶家居的各種需求，去識別、記憶、分析、判斷、交互和動作。目前，在智能家居中，人工智能技術主要應用于各種智能系統（相關系統內容可根據客戶需要刪減或進一步細分）：1）智能照明系統。通過遙控等多種智能控制方式，對全宅燈光進行遙控開關，達到節能、環保、舒適且方便的目的。2）智能場景系統。根據用戶習慣及需要，可設定回家模式、離家模式、早起模式、睡眠模式、就餐模式、娛樂模式、學習模式以及會客模式等。3）智能門窗系統。具有無線遙控、智能開關、自動防風雨、凈化室內空氣、檢控燃氣、檢控火災、自動求助報警以及智能動態玻璃等功能。4）智能語音系統。智能語音的人機溝通方式，對科技掌握能力相對偏弱的老人、孩子更為適用。5）智能環境系統。根據空氣質量、溫度及濕度等，以最大能源效率調節室內環境變量，為家居營造更加舒適、節能且健康的生活環境。6）智能安防系統。包括視頻監控、對講系統、門磁開關、緊急求助、煙霧檢測報警、燃氣泄露報警、碎玻探測報警以及紅外雙鑒探測報警等，可以及時發現陌生人入侵、煤氣泄漏以及火災等情況并通知主人。

設計：監控是雙向的，數據從傳感器發送到上位機，同時上位機也可以通過控制按鈕下發對應的指令進行控制，例如控制 LED 燈的亮滅，控制傳感器閾值，例如室內舒適溫度為 22°，當傳感器采集到的問題超過這個值時，觸發警報進行提示。另外，上位機平臺采用的是 ARM 開發板，其是一個性能較好的帶屏幕的單片機，支持觸摸交互，上位機程序采用 C/C++/Qt 編寫，同時上位機也可以通過控制按鈕下發對應的指令進行控制（如圖2所示）。

圖2 人工智能家居設計反饋/調節圖

設計結果：通過傳感器可以對室內溫度、濕度以及亮度等進行調節。

3.3 計算機技術在家居設計中的應用設計

設計：1）手機App安全方案。2）云平臺對稱安全算法。3）云端安全方案。4）ESE安全芯片。智能家居系統是通過云端、邊緣側、協議層以及末端設備4個維度（如圖3所示）把家中各種用電設備進行集中控制管理，并且橫向打通協議層和末端設備層，讓不同協議類型的設備可以在同一個系統環境中通信和工作，具有很強的兼容性和整合力。

圖3 智能家居計算機設計系統維度圖

設計結果：市場上的智能家居系統可選用金茂智能家居系統，并結合C/C++、Java等進行編程，以保障整體網絡的安全性。

該處理器主要是依靠智能家居的智能系統系統來發揮作用，使用戶的生活更加便捷。

3.4 物聯網技術在家居設計中的應用設計

物聯網技術是智能家居系統最基礎的部分，每種智能家居產品都需要通過家庭智能網關相互連接。智能家居系統中所應用的技術標準種類繁多，包括CEBus、Havi、HomePNA、ZigBee以及RS485等。物聯網通過多個相互競爭的標準提供服務，這些標準代表不同的生態系統，包括 Wi-Fi、ZigBee、藍牙/藍牙低功耗、Apple HomeKit、Samsung Smart Things、Google Nest以及Amazon Alexa 等使用的 Thread。

物聯網技術在家居設計中的應用設計：CHIP 是由 ZigBee聯盟和 Thread 聯盟與 Amazon、Apple、Google 和 Samsung 合作制定的。因此，在設計時可以通過 Wi-Fi 6 EasyMesh 來實現相關功能，終端設備將直接通過 Wi-Fi 無線電或通過智能手機設置和 IEEE 802.15.4 無線電與 Wi-Fi 6 網絡通信。

4 結論

隨著智能家居應用范圍的擴大，多學科應用會有更加廣闊的發展前景。在家居設計中，家具與裝飾是不可缺少的元素，合理設置家具和裝飾的位置會讓整體空間更具層次感和變化性，這對改善單調的環境具有十分重要的意義。同時，利用人體智能技術具體分析空間層次對不同人群的心理影響、情感傾向等影響，模擬具體的參數對家居設計進行調整，這樣，家居設計不僅滿足了美觀性的要求，也會更具人性化，其綜合性效果更好。在硬件方面，已經出現了專用處理器；在軟件方面，有越來越強大的算法，能夠識別物體、面部和姿勢。從智能家居的市場應用方面看，首先是智能家居，其次是手機安全系統。隨著社會智能化發展，智能家居在未來的幾年內市場規模將相當可觀。