智能家居设计中的多学科应用设计

许 超

（湖南环境生物职业技术学院，湖南 衡阳 421005）

智能家居（Smart Home）又称智能住宅，这一概念的提出加强了智能技术与家居的结合，20世纪80年代，欧美等发达国家率先提出智能家居理念，由于技术和意识的影响，我国对智能家居的研究略晚于发达国家，随着十几年的不懈研究， 我国智能家居的发展前景广阔。“Smart Home”就是将智能化控制理念与传统的居住功能相结合，增加了信息交换功能，能够帮助人们进行家电控制、自动管理以及实时监控等，优化了人们的生活方式和居住环境，因此，智能家居已经成为行业发展的主要趋势。

1 智能家居研究背景和主要特征

1.1 智能家居背景

智能家居在我国作为一个新生产业，1994—1999年，我国智能家居还处于萌芽期，对其熟知度低，仅在深圳有几家从事智能家居零售业务的公司，2000—2005年，我国智能家居理念才得到关注并得以推广。随着5G时代的到来以及技术的创新，智能家居已经普及。2020年，全面革新智能家居产品形态，结合数据来看，2020年生产约 2.15 亿台智能家居，其金额将达1 820亿元，从智能家居区域分布来看，一线城市接近30%，二线城市为23.4%，可见智能家居用户具有区域性，另外终端用户倾向使用智能面板的占比为48%，智能家居发展迅速[1]。中国信息通信研究院近期发布的《物联网白皮书（2020年）》显示，智能家居产品达到43%，可见家居与物联网关系密切，智能家居打破了行业限制，同互联网行业、家具制造业以及手机制造业等相互合作，并纷纷争夺智能家居市场，与此同时，智能家居也正从“单品智能”向“全屋智能”演进，例如海尔的三翼鸟体验店、魅族的智能照明、小米的智能语音等，得益于5G、AI等领域的发展，智能家居将更加人性化和智能化，同时未来几年，智能家居将成为一些企业发展的重要赛道。

1.2 智能家居的主要特征

目前智能系统的主要特征大致包括以下5种[2]：1）一键控制和集中控制模式，可通过无线网技术把控家具整体状态，联动机制，可进行“打开”和“关闭”功能的控制。2）系统安装简便，可在现有的电气装备下使用，即不必破坏隔墙和购买设备，可直接与电话和家电等进行连接，进行总体控制和选程控制，为用户提供良好的使用感受。3）家居系统升级，家居最初设计只与照明设备或目前常用的电器设备连接，由于生活所需，家居使用的目的更能体现出“生活质量”，目前家具向智能化方向发展，无线控制的智能家居系统可以不破坏原有装修，进行总控制和模块控制。4）灯光节能、健康环保。智能家居更趋向于“人性化”，就是以帮助人类生活为基准的智能化产品的综合，例如灯光会随着人群需求进行变化，通过灯光亮度渐变，为人眼提供缓冲作用。5）远程监控。智能家居可达到对家具的远程控制，以便帮助人们进行监控，防止因忘记事情造成的财产损失。智能家居可以通过手机等面板远程控制灯光设备、家庭影音等工作方式，并结合室内设计，以达到室内生活规划的目的。

2 智能家居的主要功能和设计原则

2.1 智能家居主要功能

2.1.1 家庭安全防护系统

安全是家庭的重要因素，为保障智能家居的安全性，家庭保护由防盗门和防盗网转化成系统报警机制，在提高美观的同时加强系统的灵敏性，同时能够在第一时间对家庭问题进行报警处理，加强对家庭安全的防护。

2.1.2 家庭自动化系统

该系统结合了自动化技术、互联网技术以及人工智能技术等技术，该系统的设计围绕智能化统一标准进行，即可以进行监控又可以遥控家居，远距离调节屋内设备，尽可能方便用户生活。

2.2 智能家居设计原则

2.2.1 关注消费者的使用体验

智能家居系统可以有效改善物理环境，通过生活环境的调节改善消费者的用户体验，即保证灯光亮度、室内湿度以及空气质量等，同时，智能家居更强调的是科技感与室内环境设计风格的统一性，另外智能家居可因人而异，满足用户需求。

2.2.2 艺术与技术的统一

设计不仅围绕功能，还体现在美感方面，智能家居需要将科技与室内设计相结合，将生活、娱乐、学习、休息等融合在室内设计中，可以说是科技与室内装修的协调统一。

2.2.3 设计的前瞻性

智能家居在产品设计概念中具有一定的前瞻性，即科技引领设计并融入设计，可采用模块化设计、动态设计等新兴的设计理念，提高人们未来生活水平，让设计融入更多的元素，是对室内设计新理念的创新。

3 智能家居设计中多学科的应用设计

3.1 智慧家居的主要设计需求

结合王飞跃在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）、可持续发展（Sustainability）、个性化需求（Sensitivity）、服务（Service）以及智慧（Smartness）。相比之下，传统的智能家居系统对物理安全以外的“5S”的支持是较为不足的，尤其体现在个性化需求以及智慧方面。一个较为完整的“6S”智慧家居系统的组成案例如图1所示。

图1中所示系统及功能模块，其中一部分，例如门禁、智能锁、照明以及娱乐系统等属于现阶段比较成熟的技术；另一部分，例如语义识别模块、情绪识别模块以及智能厨师等技术虽然还不够成熟，但都具有比较好的发展前景，在将来有很高的可能性被整合到“6S”智慧家居系统中。“6S”智慧家居系统将以认知家居作为科学基础，以平行系统作为技术方法，以联邦生态及联邦家居与社会家居+作为组织形态。其中，认知家居的作用在于赋予底层数据人性化和个性化，平行系统的作用在于为整个复杂家居环境提供智能控制手段，联邦生态的作用在于实现智能家居的社会性。这三者在“6S”智慧家居系统中可以独立存在，也可以相互兼容协作。从技术方面来看，随着5G技术、边缘计算技术以及区块链技术的应用与推广，可以预见到联邦生态在“6S”智慧家居系统中比较容易实现。

图1 “6S”智慧家居示意图

3.2 人工智能技术在家居设计中的应用

人工智能技术在家居设计中的应用能够更好地体现人在家居环境中的主体地位，这对改善家居环境，提升设计质量有重要的帮助[3]。人工智能技术在家居设计中主要有3个方面应用：环境感知方面的应用，就人工智能技术在家居设计中的具体应用分析来看，主要体现在环境感知方面；空间活动布置方面的应用，人体智能技术能够对人体感知做模拟，通过具体的模拟实验确定不同的空间结构对人体大脑以及其他方面所造成的影响，结合人体智能技术对家居设计进行调整布置；层次分割方面的应用，利用人体智能技术具体分析空间层次对不同人群的心理、情感倾向的影响，模拟具体的参数对家居设计进行调整，这样，家居设计不仅满足了美观性的要求，而且也会更加人性化，其综合性效果得到突显[4]。

人工智能需要根据用户家居的各种需求，去识别、记忆、分析、判断、交互和动作。目前，在智能家居中，人工智能技术主要应用于各种智能系统（相关系统内容可根据客户需要删减或进一步细分）：1）智能照明系统。通过遥控等多种智能控制方式，对全宅灯光进行遥控开关，达到节能、环保、舒适且方便的目的。2）智能场景系统。根据用户习惯及需要，可设定回家模式、离家模式、早起模式、睡眠模式、就餐模式、娱乐模式、学习模式以及会客模式等。3）智能门窗系统。具有无线遥控、智能开关、自动防风雨、净化室内空气、检控燃气、检控火灾、自动求助报警以及智能动态玻璃等功能。4）智能语音系统。智能语音的人机沟通方式，对科技掌握能力相对偏弱的老人、孩子更为适用。5）智能环境系统。根据空气质量、温度及湿度等，以最大能源效率调节室内环境变量，为家居营造更加舒适、节能且健康的生活环境。6）智能安防系统。包括视频监控、对讲系统、门磁开关、紧急求助、烟雾检测报警、燃气泄露报警、碎玻探测报警以及红外双鉴探测报警等，可以及时发现陌生人入侵、煤气泄漏以及火灾等情况并通知主人。

设计：监控是双向的，数据从传感器发送到上位机，同时上位机也可以通过控制按钮下发对应的指令进行控制，例如控制 LED 灯的亮灭，控制传感器阈值，例如室内舒适温度为 22°，当传感器采集到的问题超过这个值时，触发警报进行提示。另外，上位机平台采用的是 ARM 开发板，其是一个性能较好的带屏幕的单片机，支持触摸交互，上位机程序采用 C/C++/Qt 编写，同时上位机也可以通过控制按钮下发对应的指令进行控制（如图2所示）。

图2 人工智能家居设计反馈/调节图

设计结果：通过传感器可以对室内温度、湿度以及亮度等进行调节。

3.3 计算机技术在家居设计中的应用设计

设计：1）手机App安全方案。2）云平台对称安全算法。3）云端安全方案。4）ESE安全芯片。智能家居系统是通过云端、边缘侧、协议层以及末端设备4个维度（如图3所示）把家中各种用电设备进行集中控制管理，并且横向打通协议层和末端设备层，让不同协议类型的设备可以在同一个系统环境中通信和工作，具有很强的兼容性和整合力。

图3 智能家居计算机设计系统维度图

设计结果：市场上的智能家居系统可选用金茂智能家居系统，并结合C/C++、Java等进行编程，以保障整体网络的安全性。

该处理器主要是依靠智能家居的智能系统系统来发挥作用，使用户的生活更加便捷。

3.4 物联网技术在家居设计中的应用设计

物联网技术是智能家居系统最基础的部分，每种智能家居产品都需要通过家庭智能网关相互连接。智能家居系统中所应用的技术标准种类繁多，包括CEBus、Havi、HomePNA、ZigBee以及RS485等。物联网通过多个相互竞争的标准提供服务，这些标准代表不同的生态系统，包括 Wi-Fi、ZigBee、蓝牙/蓝牙低功耗、Apple HomeKit、Samsung Smart Things、Google Nest以及Amazon Alexa 等使用的 Thread。

物联网技术在家居设计中的应用设计：CHIP 是由 ZigBee联盟和 Thread 联盟与 Amazon、Apple、Google 和 Samsung 合作制定的。因此，在设计时可以通过 Wi-Fi 6 EasyMesh 来实现相关功能，终端设备将直接通过 Wi-Fi 无线电或通过智能手机设置和 IEEE 802.15.4 无线电与 Wi-Fi 6 网络通信。

4 结论

随着智能家居应用范围的扩大，多学科应用会有更加广阔的发展前景。在家居设计中，家具与装饰是不可缺少的元素，合理设置家具和装饰的位置会让整体空间更具层次感和变化性，这对改善单调的环境具有十分重要的意义。同时，利用人体智能技术具体分析空间层次对不同人群的心理影响、情感倾向等影响，模拟具体的参数对家居设计进行调整，这样，家居设计不仅满足了美观性的要求，也会更具人性化，其综合性效果更好。在硬件方面，已经出现了专用处理器；在软件方面，有越来越强大的算法，能够识别物体、面部和姿势。从智能家居的市场应用方面看，首先是智能家居，其次是手机安全系统。随着社会智能化发展，智能家居在未来的几年内市场规模将相当可观。