智慧家居系统电气设计探讨

李 毅， 王 强， 张 帅， 华显阳

(北京维拓时代建筑设计股份有限公司，北京 100025)

0 引言

国家“十四五”规划纲要(中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035 年远景目标纲要)以较大篇幅对“加快数字化发展建设数字中国”作出了部署。 在专栏“数字化应用场景”中特别列出智慧家居应用场景:“应用感应控制、语音控制、远程控制等技术手段，发展智能家电、智能照明、智能安防监控、智能音箱、新型穿戴设备、服务机器人等”。 其满足人们对美好生活追求的同时，另外一个优势是节能减排，使居住建筑节能、居家生活节能更便捷、更容易实现，从而为我国的“双碳”目标实现做出贡献。

建筑设计院作为建筑设计、系统集成设计及多资源整合方，不应“缺席”智慧家居系统设计的研究，笔者从住宅建筑电气设计的角度，对智慧家居系统相关问题进行了分析、探讨，提出一些观点、方案供同行参考。

1 智慧家居系统特征分析

1.1 “智慧家居”概念

“智慧家居”与“智能家居”相比是比较新的概念，相关的技术与产品仍处于发展阶段，其融入了智能家电、智能手机及更多的家庭智能设备，融入了更新的无线通信网络技术、云计算、语音控制、人工智能等先进技术，可以认为“智慧家居”是“智能家居”的高级发展阶段，代表了居住建筑电气领域最新的技术发展方向。

1.2 智慧家居系统特征

“智慧家居”除了具备“智能家居”的基本功能以外，还具有以下特征。

1.2.1 个性化特征

与传统的智能家居系统相同户型、相同配置及功能的“千篇一律”不同，未来智慧家居系统的配置是开放的、“柔性”的、自然生长的。 随着居住者不断购置新的设备、设施，并根据自己的喜好、习惯，设定、改变控制程序，每家的设备配置和实现的功能各不相同，具有个性化特征。

1.2.2 “DIY”特征

传统的智能住宅或智能家居系统是在房屋建造时一次完成的，是根据设计师的图纸进行施工安装，一旦完成很难改变。 而新一代的智慧家居系统具有可进化特征，可逐步构建的同时，使用者也可参与构建(“DIY”特征)。 对于新建住宅，建造时只需设置基础设施，如网络、网关、必要的智能开关及传感器等，后期可根据需要逐步增加设备。 当使用者不满意或有更高的期望时，可以替换、删除、增补、演变，不需要推倒重来。

以智能照明系统举例，传统智能照明控制系统的控制面板布置、线路敷设及控制程序的嵌入，由施工单位或专业公司完成，其功能基本被固化。 如果床头柜位置未设置照明开关，想后期增加1 个控制开关是非常困难的。 智慧家居系统控制灯具可以采用无线控制开关，开关可以随意放置。 总体来说，“智慧家居”系统构建及实现的功能是“柔性”的，而不是“刚性”的。

1.2.3 “人性化”特征

智慧家居系统可以根据使用者的生活习惯、操作习惯进行调整，既能满足使用者的功能诉求，又能满足使用者的心理需求。

以智能照明系统举例，传统的智能照明面板设置了模式按键，使用者按照已经确定的模式按键进行操作，无论你是否喜欢都无法改变，具有“强迫”的性质。 智慧家居系统的灯开关面板与传统面板具有相同的操作方法，但是否开启其智能功能由使用者决定。 使用者可以开启感应控制、远端控制、语音控制、联动控制，也可以仍选择习惯的机械方式控制，可以由使用者“随心所欲”调整或改变。

基于以上特征分析，智慧家居与传统智能家居系统的设备配置与系统构建方式有一定的不同，笔者根据目前的技术发展现状，对两者的不同之处进行了分析，详见表1 所示。

表1 智慧家居系统设备配置与系统构建特点分析表

2 智慧家居构建与发展的关键要素分析

智慧家居概念的演变及发展并非来自于顶层设计，而是随着科技产品的不断涌现、发展，越来越多的智能产品进入家庭，特别是随着网络技术的发展、人工智能技术的发展、产品的数字化趋势以及人们对于美好生活的追求，促进了智慧家居系统的构建与形成。

(1)住宅建筑智能产品的发展及进步是智慧家居构建的基础条件

随着智能产品技术水平的提升及制造成本的降低，住宅建筑智能产品不断的丰富与普及，为智慧家居的构建创造了基础条件。

如1)家庭专用型智能照明开关产品逐步得到应用，其操控方式符合居住者的操控习惯，方便使用者随意构建家庭智能照明场景。 2)智能电源插座内嵌控制模块、通信模块，也可以嵌入电能计量模块，通过手机App 与家庭无线网关连接，实现电源开、关的定时控制及联动控制。 3)智能音箱产品的完善及普及，使语音控制成为可能。 4)家庭传感器、测量仪不断丰富，可以方便实现感应控制。 5)以智能手表为代表的智能穿戴设备越来越普及，并融入智慧家居系统，丰富了智慧家概念的内涵。

(2)智能家电的发展及融入使智慧家居更贴近人们的生活

随着家庭电器智能化率的提升，智能家用电器越来越多的进入家庭，如智能电视、智能空调、智能清扫机器人、智能洗衣机、智能电饭锅等，未来家庭“一切皆智能”。 智慧家居不再仅仅局限于智能照明、智能窗帘、智能安防等，已经覆盖居住、生活的各个方面，使得更多的人接受、喜爱。

(3)智能手机(App)极简交互界面促进了智慧家居的普及应用

智能手机作为一种数字化设备已经成为人的机体的“外挂设备”，智能手机作为智慧家居系统的核心设备，无可替代。 实际上，正是由于智能手机的普及促进了智能家居、智慧家居的发展，因为智能手机App 是目前实现人机交互的最佳方式。

家庭智能主机操控屏、PC 机操控界面、操控面板均存在操控不方便的问题，对于非专业人士难以掌握，让使用者“望而却步”。 智能手机(App)的菜单式触屏界面最符合人的使用习惯、最人性化。 由于手机是随身携带的，可以随时、随地操作，成为人与物交互难以替代的最佳媒介。

3 智慧家居系统框架设计探讨

从住宅建筑电气设计的视角，智慧家居系统可以分为3 层结构:基础设备层、建筑设备层、生活设备层。 建筑电气设计时应考虑基础设备层、建筑设备层的设计，同时应关注整个“智慧家居”系统框架及构建内容，关注生活设备层的条件预留(电源、网络需求)。 “智慧家居”系统框架图见图1 所示。

图1 “智慧家居”系统框架示意图

3.1 基础设备层

建筑电气设计者不应局限于家庭弱电箱预留、通信网络接口预留，应对智慧家居核心设备作出合理安排、布置。 基础设备包括家庭网络设备、核心控制设备、语音控制设备等。

3.1.1 家庭网络设备

传统的住宅建筑电气设计将通信光纤引入家庭弱电箱，主要房间设置网络通信插座，其他工作交给用户和通信公司完成。 目前，家庭成员的生活和娱乐完全离不开无线网络，户内无线信号的强度、均匀度往往成为困扰人们的一个问题。

Wi-Fi 信号覆盖是实现远端控制、云服务器控制的基本条件。 智慧家居的建筑电气设计要整体考虑户内无线网络覆盖的方式以及设备、管线的布置。

3.1.2 核心控制设备

智慧家居最主要核心控制设备为智能家庭主机、家庭智能网关、手机(App)。

(1)智能家庭主机

采用设有智能家庭主机的方案，系统设备连接一般采用有线、无线混合方式(即1+2+N 模式:家庭主机+有线和无线+智能终端)。 对于高档住宅、大户型住宅(如别墅项目、大平层项目等)可以采用家庭主机系统，提高系统的稳定性，但成本相对较高，灵活性弱。 对于普通住宅项目宜采用无家庭主机系统(需设置家庭智能网关)，构建灵活、成本低，缺点是稳定性相对弱。

(2)家庭智能网关

家庭智能网关是智慧家居的中枢，应成为基本配置。 住宅建筑作为城市物联网的1 个基本单元，将实现物与物的连接、物与人的连接，设备之间的联动及人与设备的互动。 家庭智能网关的设置应考虑满足家庭智能设备的互联、互通要求，考虑通信信号的类型、兼容性(宜兼容Wi-Fi、Zigbee、蓝牙等通信协议)。 设置位置应考虑设备通信的距离，宜靠近房间中间，预留电源及网络接口。

(3)手机(App)

通过手机(App)可实现云端服务器控制，手机(App)无疑是智慧家居系统的重要核心设备之一。手机与智能设备的连接有以下3 种方案。

方案1:手机(App)+智能终端。 使用手机可以对智能终端进行控制程序设定，实现远程通信和远程控制，但功能相对较弱。

方案2:手机(App)+无线智能网关+智能终端。方案2 除实现方案1 的功能外，可实现不同智能终端之间的联动，扩展性强、宜推广，但稳定性弱。

方案3:手机(App)+智能家庭主机+无线智能网关+智能终端。 方案3 的稳定性高、实现难度大、成本高、扩展性弱。

3.1.3 语音控制设备

实现语音控制是智慧家居的一大亮点，智能音箱应成为智慧家居的基本配置。 智能音箱具备接受语音指令、音乐播放、语音提示、语音报警能力。AI 智能音箱具有一定的对话能力，智能音箱的应用提升用户的体验感及使用乐趣。 应根据户型面积大小及平面布局，合理配置智能音箱(1 个或多个)，客厅、主卧室宜设置智能音箱。

3.2 建筑设备层

建筑设备层主要满足建筑功能与建筑环境的需求，大部分内容属于建筑电气、弱电智能化的设计范畴，包括照明控制、电源控制、环境控制、安防报警等。

3.2.1 照明控制

智能照明开关将逐步被取代传统照明开关，家庭照明智能化将成为智慧家居的基本配置。 智能照明开关应采用家庭专用型，不宜采用公共建筑使用的传统的智能照明控制面板。 传统的智能照控制面板上有若干个模式按键，固化了灯具控制模式，不适合功能扩展、不方便操作。 智能照明开关操控方式应符合居住者的操控习惯，方便使用者随意构建家庭智能照明场景。

3.2.2 电源控制

智能电源插座宜逐步取代传统电源插座(这里指建筑墙面上安装的电源插座)。 传统的电源插座只是提供电源插头插拔功能的装置，智能电源插座内嵌控制模块、通信模块，也可以嵌入电能计量模块。 可以通过手机App 与家庭无线网关连接，实现电源开关控制、定时控制、联动控制。 电视墙、书房、卫生间等处有许多用电设备处于长期的待机耗电状态，宜采用智能电源插座供电，可减少待机耗电并提高用电安全。

3.2.3 环境控制

集中式环境设备包括集中空调、集中新风、集中供暖等设备，控制系统应设置与智慧家居通信协议匹配的接口，融入智慧家居系统，可以与其他智能设备联动，通过手机App 进行操控。

独立式的环境设备包括分体空调、新风机、电暖气等设备，一般具有独立的控制功能。 应融入智慧家居系统，可以实现感应控制(配合环境传感器，包括温度、湿度及PM2.5、甲醛、CO2等空气质量测量)、语音控制(配合智能音箱)、远距离控制(配合手机App)等功能。

3.2.4 安防控制

住宅建筑户内应安装安防对讲机、紧急报警按钮、燃气报警器、外窗幕帘探测器等(各地规范、标准要求有所不同)，此部分内容可以称为建筑安防。建筑安防系统是在房屋建造过程中被固化的系统，信号接入小区安防控制室，由物业人员管理。

对于智慧家居系统，用户可以根据需要后期自行添加智能安防设备(如烟雾探测器、燃气探测器、门窗探测器、水浸探测器、人体传感器、无线报警按钮、摄像头等)，并连接到家庭智能网关、用户手机，用户可以在任何有网络的地方查看家中安全状况，方便及时处理紧急情况。 此部分内容可以称为家居安防，作为建筑安防的补充。

3.3 生活设备层

生活设备主要指智能家电、智能生活设施、娱乐设施，是智慧家居最丰富、满足用户美好体验的重要部分。 生活设备层不属于传统建筑电气设计范畴，在设计时应考虑常用智能电器、智能设施的电源预留(如智能马桶、智能窗帘、智能晾衣杆、扫地机器人等)。

以智能电视为例，其本身自带智能功能，通过网络连接融入智慧家居系统，可以与灯光、窗帘音箱等设备联动、构建智能场景。 可以认为智慧家居是一种群智能系统，每个智能设备是1 个基本单元，各设备之间构成网状连接，场景的构建不依赖中央控制器，呈现去中心化趋势。

4 智慧家居与常规住宅在电气设计的区别分析

对比《住宅建筑电气设计规范》JGJ 242—2011要求，对常规住宅建筑电气设计与智慧家居电气设计的区别进行了分析，主要区别详见表2。

表2 常规住宅建筑电气设计与智慧家居电气设计不同要求对照表

根据表2 的分析，智慧家居电气设计与常规住宅电气设计有很大的不同，需要设计人员有创新思维、全盘考虑、精细化设计。

5 智慧家居对实现“双碳”目标的作用

根据有关研究报告[6]数据，2019 年城镇住宅能耗(不含北方供暖)为2.42 亿tce，占建筑总商品能耗的24%，其中电力消耗5 374 亿kWh。 可见，减少住宅电力能耗是实现“双碳”目标的重要一环。《住宅建筑电气设计规范》JGJ 242—2011 在9.5 条照明节能章节中，仅对住宅建筑公共空间的照明节能作出规定，对于户内电气节能并未提出要求。 因此，户内家庭电气节能标准还有待提高。

减少家庭无效能耗是降低住宅电力能耗的有效措施之一。 通过对家庭电耗构成的剖析，发现造成家庭无效能耗的主要原因有两类:一类是持续加热类电器，如电热水器、厨宝、饮水机、智能马桶圈，这些电器由于长时间待机并反复加热，全年耗电量不容小觑。 第二类就是各类电器的待机能耗，家庭大部分电器在不使用时都处于待机状态，如空调机、充电器、电饭煲、音箱、电视机顶盒等，单独看每个电器的待机电耗都不大，但积少成多也变成家庭电耗中不容忽视的构成成分(电器一年的待机功耗累加可达100kWh 左右)。

智慧家居系统对于户内电气节能的实现具有一定优势，通过定时控制、感应控制、联动控制，可以使家庭电器设备处于经济运行状态、减少无效耗能，从而达到家庭节电的目的。 例如，电视机顶盒、储水式电热水器等电源插座宜采用智能电源插座，实现夜间、家庭无人时间段自动关闭；卫生间排风扇与人体感应探测器联动，实现人离开后延时自动关闭；在夏天气候炎热的情况下，窗帘会自动关上，避免屋内过热，减少空调系统的能源消耗。

智慧家居技术可以通过简洁的控制方式促进人们的行为节能，促进人们向低碳生活方式转变，促进“双碳”目标实现。

6 结束语

智慧家居的概念及内涵仍处于不断的发展与演变的过程中，市场端的需求旺盛(特别是住宅装修市场)，一些新建住宅项目也在进行着各种尝试与探索。 相信随着科技进步与发展及人们对美好生活的追求越来越高，智慧家居必然不断的丰富与发展，越来越多的智慧家居产品未来将由“可选项”成为“必选项”。 目前，智慧家居相关的建筑电气设计规范、标准相对滞后，传统的设计方法、表达方式遇到“挑战”。 本文只是抛砖引玉，希望推动相关领域的研究不断深入。