智慧家居设计探讨

顾小军

（南京长江都市建筑设计股份有限公司，江苏南京 211800）

1 智慧家居的定义

1.1 智慧家居与住户需求之间的联系

随着社会经济和技术的发展，在物质财富逐渐丰富的同时，人们逐渐开始追求生活的品质化。高品质的生活是能让家居生活更安全、更健康、更便捷、更舒适。

在此背景下，智慧家居可以为满足住户多样化的需求添砖加瓦。一般情况下，住户对高品质美好生活向往的需求大部分都是通过提高服务质量来满足的，物业管理全面转向物业服务即是此需求的产物。此外，智能化控制技术、人工智能和大数据技术的快速发展也为利用先进的科学技术提升家居生活品质创建了条件。智慧家居应运而生。

1.2 智慧家居的价值

智慧家居提供了一套低成本的提升家居生活品质解决方案。

具体而言，智慧家居借助物联网技术，通过场景面板、语音和体感操控、智慧联动等技术措施提高了家居生活的便捷性。在此基础上，智慧家居的价值还体现在其可以综合提升家居安全、家居环境、家居健康、家居娱乐等生活场景的体验，从而全面提升家居生活品质，为居民使用较低成本提升家居生活品质提供了解决方案。

低成本主要体现在以下两点：一方面，通过技术手段可以提升家居生活品质，相对于通过服务来提升家居生活品质的成本更低。例如，利用扫地机器人扫地相较于人工扫地而言成本更低；另一方面，智慧家居可以有效降低人员成本，如住户线上缴费可以节省物业人工成本。

同时，随着物联网技术的发展，智慧家居也会越来越普及，建设成本将会不断下降，而人工成本是逐年上升的，这也是科技相较于人工的优势。

根据《江苏省智慧家居工程建设标准》标准组研究，通用户型（约90m2）标准型智慧家居配置，造价约一万元。相信随着技术的发展，智慧家居提供服务的范围将会更加广泛和多元，服务品质将会更加符合用户需求，成本也将会进一步降低。

1.3 智慧家居的定义

智慧家居定义如下：由家居传感器、执行器、被控设备、家庭边缘计算网关、智慧家居服务平台组成，通过家庭网络实现家居设备之间、设备与人、设备与环境的连接，具有感知、传输、记忆、自学习、自适应的综合智慧能力，提高家居生活安全性、健康性、便捷性、舒适性，提升居住生活品质的系统。

区别于智能家居侧重自动化控制，智慧家居基于云端大数据的计算基础获取人工智能技术，强调人机交互功能和自学习、自适应能力。智慧家居在智能家居基础上，依托智慧家居服务平台，利用物联网和人工智能技术实现家居设备和环境的智慧管理[2]。

因此，要真正实现“智慧”需要依赖于大数据和人工智能技术，需要“在线”。智慧家居是智慧社区的一个有机组成部分，通过智慧家居与智慧社区之间的在线连接，可实现家庭和社区的信息交互。基于智慧家居系统的智慧社区，又可以对接智慧城市，实现大数据互联和共享。

2 智慧家居的主要技术

2.1 总线技术（有线技术）

总线技术是分布式的智慧家居传输技术。目前在智慧家居行业主流的总线技术协议有KNX、485、CAN等国际标准协议以及部分厂家自行定制的协议。

2.2 无线技术

无线技术的特点是所有家居设备之间的通信均可采用无线传输，无须布线。因频率、加密方式、传输速率等不同，分为WiˉFi、Zigbee、Z-wave等无线技术。

WiˉFi技术家庭网络环境普及，使用便捷。Zigbee技术低功耗，组网方便。Z-wave技术和Zigbee技术类似，市场占有率低。

现阶段，无线技术发展要快于有线技术。通常，一套智慧家居系统会采用多个无线技术。一般而言，基于稳定性考虑，非特殊情况（如视频监控，需要带宽较大选择WiˉFi技术）优先选择Zigbee无线组网方案。

2.3 设计技术路线选择

一般而言，有线产品抗干扰能力强，稳定性相对较好。无线产品经济实用、调试维护方便，扩展能力强。智慧家居通信宜采用有线与无线相结合的形式，设计时应根据项目特性选择适配的通信技术。

一般新建项目同步建设，可以选择稳定可靠的有线技术。改造项目更多应考虑无线技术。当然，复杂的智慧家居系统常常采用有线和无线相结合和综合方案。

3 智慧家居技术难点

国内智慧家居技术体系从2000年左右从无到有建立起来，发展的时间短、进步快，取得了很大成就。然而，要达到的人工的服务水平，还有很长的路要走。目前期以下3种技术能取得突破性发展。

3.1 识别技术

识别技术分为两方面：主动识别和被动识别（告知识别）。在识别方面智慧家居首要问题是：住户身份识别。只有识别了家庭成员的身份才能对其提供个性化的服务。基于这种需求，需要对每个家庭成员实时、无感识别。

在技术上，比较成熟的是视频图像识别，但由于家居生活私密性的限制，图像识别技术无法广泛应用。通过穿戴设备实现识别和定位也受用户使用习惯的限制，尚未得到普遍应用。未来，实现用户的无感识别是智慧家居发展关键[3]。

3.2 感知技术

感知技术从对象上来看分为：空间、设备和人，从形式上分为直接感知和间接感知（分析感知）。

空间感知：包括环境和空间。环境指：空气、光照、温湿度、噪声等。空间主要指空间使用和建筑本体情况。

设备感知：包括设备的状态、故障等。

感知技术在家居空间（包括环境）、设备上的应用已经很成熟。然而，关键的人的感知上碰到了技术瓶颈。

人的感知包括健康感知、形态感知和情绪感知等。健康感知一般通过健康监测设备实现。情绪感知正在探索中。

形态感知包括人在空间的位置、轨迹、身体状态（受伤、跌倒、休息、湿身等），这方面尚没有特别好的解决方案。

人的感知目前的困境一方面体现在技术达不到，如情绪感知；另一方面是技术已经成熟但产品不适合用在家庭内。如人的位置、轨迹识别、视频技术很成熟，但无法用在户内。

3.3 交互技术

交互技术已经有了一定的进步，从最初的直接交互（按键、APP）到语音交互。未来的发展方向是自然语言、形体动作等综合交互。

语音交互发展的相对成熟了。未来语音交互发展的方向的自然语义解析、连续对话，这有赖于语音识别技术的进一步发展。在智能音箱设备方面，家庭智能音响的全屋组网应该是发展的重点。用户的声音被多个智能音箱监听到后，可判断用户的位置，并由距离最近的智能音箱响应，从而产生更多的场景体验[4]。

4 智慧家居设计

4.1 设计原则

智慧家居设计目标是提升家居生活安全性、健康性、便捷性、舒适性。设计的最重要的原则是能否提高用户体验，杜绝为设计而设计、堆砌设备。

4.2 系统构架

智慧家居系统架构主要由传感、执行设备，传输网络，家庭管理控制设备以及管理软件组成，如图1所示。

图1 智慧家居设计系统构架

4.3 设计内容

智慧家居一般应包括以下内容：家庭网络、家居安全、家居环境、家居健康、家居娱乐、家居监控等功能模块。

家居网络：家庭信息化基础设施，包含家庭互联网和设备物联网。网络已成为家居生活中的“空气和水”重要性不言而喻。家庭有线网络布线应选择超五类线以上标准，网络交换机（路由器）各端口均应达到千兆以上。家庭无线网络应采用WiˉFi 6标准并覆盖全屋，各区域无线信号应无缝切换。

家居安全：安全的第一位的，是底线。家居安全包括设备安全、人身和财产安全（消防和安防）。借助各类传感器（图像传感器和入侵探测器）自动探测和求助系统主动报警。家居安全报警信号应报至住区监控中心。在设计时要注意区分报至小区监控中心的信号和推送到用户个人终端的信号。报至监控中心的信号不应涉及家庭敏感信息，并应与智慧小区的设计综合考虑。

家居环境：借助各类传感器（空气质量传感器、水质传感器、温湿度传感器、照度传感器、噪声传感器等）采集家居环境指标，并能联动相关设备改善家居环境。家居环境传感器的设计的重点在于安装位置。各类传感器采集的内容不一致安装的要求也不相同（如燃气比空气轻需要装在高处，CO2比空气重需要安装在人体高度范围内），选用复合型传感器时需要尤为注意[5]。

家居健康：配置健康管理系统，对住户家庭成员健康数据进行采集、分析、管理，可与第三方健康医疗机构合作，为住户提供医疗健康服务。如何选择便捷的家居健康检测装置是家居设计成败的关键。尤其是家庭内通常会有多个成员，如何准确辨别每一位家庭成员，并结合历史数据给出健康建议是设计的难点。

家居娱乐：家居娱乐设施的监测和场景控制，一般不涉及内容管理（如电视节目源）。家庭娱乐一般包括家庭背景音乐和家庭影院控制。家庭背景音乐通常宜支持蓝牙，支持用户移动终端（手机、平板）推送音乐播放。

家居控制：在本地或远程实现家居场景模式管理、家居设施的监视和控制等。非展示需要，户内的监控管理终端屏实际使用频率不高，可考虑与访客对讲显示屏结合，以降低成本。

4.4 设计要点

智慧家居设计首先要确定服务对象和需求。一般而言，项目类型有展示样板间和家居住宅。

展示样板间的服务对象为产品、营销类客户，他们关注的重点是可展示性和展示的亮点和特点。他们一般不太重视实用性。设计时，应着重设计展示方案，即参观流线和各展示点需要表达和呈现的内容。必要时，输出介绍台本和导览形式。

家居住宅的服务对象一般为住户。设计时，应尤其关注用户家居使用体验。设计应遵循便捷、实用、经济、可靠的原则，目标是提升家居生活品质。主要关注如下几个方面。

建议选用与电气（照明、插座）同质化（或同品牌）的面板。一方面是基于装饰美观考虑，另一方也便于未来维修更换。智慧家居设备商更新频率很高，众多小型企业生存周期并不长。很多用户发现未来需要维修或者升级时，设备商已经破产或者转型了，采用传统面板能有效避免此类问题。

场景面板宜选用实体按键，用户能够盲操。很多设计师喜欢选用美观的，触控屏的场景面板，面板支持众多场景选择。这类场景面板往往功能强大、外观精美，却偏偏实用性不强，用户使用不便捷，不建议家庭使用，更适合用在展示样板间。

照明控制优先考虑开关面板控制，不太建议选用回路控制器。开关面板控制施工灵活，未来改造也更便利，对用户的影响也小。

应设计家庭本地网关（边缘网关），基本的控制逻辑应本地存储。近来年，知名的智慧家居设备商（如小米）均发生网络服务器故障导则用户家庭设备控制失效，边缘层存储和控制的重要性越来越被大众认可，设计时需尤为注意[6]。

住宅是小区内的一个基本单元，智慧家居与智慧小区（社区）数据打通能给用户带来更好的体验。如：家居报警信息推送给小区管理，给用户带来更安全的服务。小区设施和家居设施的联动（如进入小区大门后，联动开启户内照明、空调设施），提升家居生活体验。要实现家居和社区数据联通最便捷的方法是智慧家居和智慧小区（社区）同步设计、同步建设、同步验收，这需要设计师在设计之处就应统筹考虑，并提供完整的解决方案。

5 结语

近年来，在国家成品房建设的推动下，智慧家居这个新生事物迎来了井喷式的发展。相信随着物联网技术、数字化技术和大数据、人工智能技术的演进，必然给智慧家居带来新的机遇和挑战，智慧家居终将走进每个居民的生活。