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        智能家居設(shè)計中的多學科應用設(shè)計

        2021-12-15 11:29:14
        中國新技術(shù)新產(chǎn)品 2021年19期
        關(guān)鍵詞:家居智能家居智能

        許 超

        (湖南環(huán)境生物職業(yè)技術(shù)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(shù)與家居的結(jié)合,20世紀80年代,歐美等發(fā)達國家率先提出智能家居理念,由于技術(shù)和意識的影響,我國對智能家居的研究略晚于發(fā)達國家,隨著十幾年的不懈研究, 我國智能家居的發(fā)展前景廣闊。“Smart Home”就是將智能化控制理念與傳統(tǒng)的居住功能相結(jié)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(jiān)控等,優(yōu)化了人們的生活方式和居住環(huán)境,因此,智能家居已經(jīng)成為行業(yè)發(fā)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(chǎn)業(yè),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(yè)務(wù)的公司,2000—2005年,我國智能家居理念才得到關(guān)注并得以推廣。隨著5G時代的到來以及技術(shù)的創(chuàng)新,智能家居已經(jīng)普及。2020年,全面革新智能家居產(chǎn)品形態(tài),結(jié)合數(shù)據(jù)來看,2020年生產(chǎn)約 2.15 億臺智能家居,其金額將達1 820億元,從智能家居區(qū)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(qū)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(fā)展迅速[1]。中國信息通信研究院近期發(fā)布的《物聯(lián)網(wǎng)白皮書(2020年)》顯示,智能家居產(chǎn)品達到43%,可見家居與物聯(lián)網(wǎng)關(guān)系密切,智能家居打破了行業(yè)限制,同互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)、家具制造業(yè)以及手機制造業(yè)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(lǐng)域的發(fā)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(yè)發(fā)展的重要賽道。

        1.2 智能家居的主要特征

        目前智能系統(tǒng)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(wǎng)技術(shù)把控家具整體狀態(tài),聯(lián)動機制,可進行“打開”和“關(guān)閉”功能的控制。2)系統(tǒng)安裝簡便,可在現(xiàn)有的電氣裝備下使用,即不必破壞隔墻和購買設(shè)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(tǒng)升級,家居最初設(shè)計只與照明設(shè)備或目前常用的電器設(shè)備連接,由于生活所需,家居使用的目的更能體現(xiàn)出“生活質(zhì)量”,目前家具向智能化方向發(fā)展,無線控制的智能家居系統(tǒng)可以不破壞原有裝修,進行總控制和模塊控制。4)燈光節(jié)能、健康環(huán)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(chǎn)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(jiān)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(jiān)控,防止因忘記事情造成的財產(chǎn)損失。智能家居可以通過手機等面板遠程控制燈光設(shè)備、家庭影音等工作方式,并結(jié)合室內(nèi)設(shè)計,以達到室內(nèi)生活規(guī)劃的目的。

        2 智能家居的主要功能和設(shè)計原則

        2.1 智能家居主要功能

        2.1.1 家庭安全防護系統(tǒng)

        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(wǎng)轉(zhuǎn)化成系統(tǒng)報警機制,在提高美觀的同時加強系統(tǒng)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(tǒng)

        該系統(tǒng)結(jié)合了自動化技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)以及人工智能技術(shù)等技術(shù),該系統(tǒng)的設(shè)計圍繞智能化統(tǒng)一標準進行,即可以進行監(jiān)控又可以遙控家居,遠距離調(diào)節(jié)屋內(nèi)設(shè)備,盡可能方便用戶生活。

        2.2 智能家居設(shè)計原則

        2.2.1 關(guān)注消費者的使用體驗

        智能家居系統(tǒng)可以有效改善物理環(huán)境,通過生活環(huán)境的調(diào)節(jié)改善消費者的用戶體驗,即保證燈光亮度、室內(nèi)濕度以及空氣質(zhì)量等,同時,智能家居更強調(diào)的是科技感與室內(nèi)環(huán)境設(shè)計風格的統(tǒng)一性,另外智能家居可因人而異,滿足用戶需求。

        2.2.2 藝術(shù)與技術(shù)的統(tǒng)一

        設(shè)計不僅圍繞功能,還體現(xiàn)在美感方面,智能家居需要將科技與室內(nèi)設(shè)計相結(jié)合,將生活、娛樂、學習、休息等融合在室內(nèi)設(shè)計中,可以說是科技與室內(nèi)裝修的協(xié)調(diào)統(tǒng)一。

        2.2.3 設(shè)計的前瞻性

        智能家居在產(chǎn)品設(shè)計概念中具有一定的前瞻性,即科技引領(lǐng)設(shè)計并融入設(shè)計,可采用模塊化設(shè)計、動態(tài)設(shè)計等新興的設(shè)計理念,提高人們未來生活水平,讓設(shè)計融入更多的元素,是對室內(nèi)設(shè)計新理念的創(chuàng)新。

        3 智能家居設(shè)計中多學科的應用設(shè)計

        3.1 智慧家居的主要設(shè)計需求

        結(jié)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(xù)發(fā)展(Sustainability)、個性化需求(Sensitivity)、服務(wù)(Service)以及智慧(Smartness)。相比之下,傳統(tǒng)的智能家居系統(tǒng)對物理安全以外的“5S”的支持是較為不足的,尤其體現(xiàn)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(tǒng)的組成案例如圖1所示。

        圖1中所示系統(tǒng)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(tǒng)等屬于現(xiàn)階段比較成熟的技術(shù);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(shù)雖然還不夠成熟,但都具有比較好的發(fā)展前景,在將來有很高的可能性被整合到“6S”智慧家居系統(tǒng)中?!?S”智慧家居系統(tǒng)將以認知家居作為科學基礎(chǔ),以平行系統(tǒng)作為技術(shù)方法,以聯(lián)邦生態(tài)及聯(lián)邦家居與社會家居+作為組織形態(tài)。其中,認知家居的作用在于賦予底層數(shù)據(jù)人性化和個性化,平行系統(tǒng)的作用在于為整個復雜家居環(huán)境提供智能控制手段,聯(lián)邦生態(tài)的作用在于實現(xiàn)智能家居的社會性。這三者在“6S”智慧家居系統(tǒng)中可以獨立存在,也可以相互兼容協(xié)作。從技術(shù)方面來看,隨著5G技術(shù)、邊緣計算技術(shù)以及區(qū)塊鏈技術(shù)的應用與推廣,可以預見到聯(lián)邦生態(tài)在“6S”智慧家居系統(tǒng)中比較容易實現(xiàn)。

        圖1 “6S”智慧家居示意圖

        3.2 人工智能技術(shù)在家居設(shè)計中的應用

        人工智能技術(shù)在家居設(shè)計中的應用能夠更好地體現(xiàn)人在家居環(huán)境中的主體地位,這對改善家居環(huán)境,提升設(shè)計質(zhì)量有重要的幫助[3]。人工智能技術(shù)在家居設(shè)計中主要有3個方面應用:環(huán)境感知方面的應用,就人工智能技術(shù)在家居設(shè)計中的具體應用分析來看,主要體現(xiàn)在環(huán)境感知方面;空間活動布置方面的應用,人體智能技術(shù)能夠?qū)θ梭w感知做模擬,通過具體的模擬實驗確定不同的空間結(jié)構(gòu)對人體大腦以及其他方面所造成的影響,結(jié)合人體智能技術(shù)對家居設(shè)計進行調(diào)整布置;層次分割方面的應用,利用人體智能技術(shù)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(shù)對家居設(shè)計進行調(diào)整,這樣,家居設(shè)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(jù)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(shù)主要應用于各種智能系統(tǒng)(相關(guān)系統(tǒng)內(nèi)容可根據(jù)客戶需要刪減或進一步細分):1)智能照明系統(tǒng)。通過遙控等多種智能控制方式,對全宅燈光進行遙控開關(guān),達到節(jié)能、環(huán)保、舒適且方便的目的。2)智能場景系統(tǒng)。根據(jù)用戶習慣及需要,可設(shè)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(tǒng)。具有無線遙控、智能開關(guān)、自動防風雨、凈化室內(nèi)空氣、檢控燃氣、檢控火災、自動求助報警以及智能動態(tài)玻璃等功能。4)智能語音系統(tǒng)。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(huán)境系統(tǒng)。根據(jù)空氣質(zhì)量、溫度及濕度等,以最大能源效率調(diào)節(jié)室內(nèi)環(huán)境變量,為家居營造更加舒適、節(jié)能且健康的生活環(huán)境。6)智能安防系統(tǒng)。包括視頻監(jiān)控、對講系統(tǒng)、門磁開關(guān)、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(fā)現(xiàn)陌生人入侵、煤氣泄漏以及火災等情況并通知主人。

        設(shè)計:監(jiān)控是雙向的,數(shù)據(jù)從傳感器發(fā)送到上位機,同時上位機也可以通過控制按鈕下發(fā)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(nèi)舒適溫度為 22°,當傳感器采集到的問題超過這個值時,觸發(fā)警報進行提示。另外,上位機平臺采用的是 ARM 開發(fā)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(fā)對應的指令進行控制(如圖2所示)。

        圖2 人工智能家居設(shè)計反饋/調(diào)節(jié)圖

        設(shè)計結(jié)果:通過傳感器可以對室內(nèi)溫度、濕度以及亮度等進行調(diào)節(jié)。

        3.3 計算機技術(shù)在家居設(shè)計中的應用設(shè)計

        設(shè)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(tǒng)是通過云端、邊緣側(cè)、協(xié)議層以及末端設(shè)備4個維度(如圖3所示)把家中各種用電設(shè)備進行集中控制管理,并且橫向打通協(xié)議層和末端設(shè)備層,讓不同協(xié)議類型的設(shè)備可以在同一個系統(tǒng)環(huán)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(shè)計系統(tǒng)維度圖

        設(shè)計結(jié)果:市場上的智能家居系統(tǒng)可選用金茂智能家居系統(tǒng),并結(jié)合C/C++、Java等進行編程,以保障整體網(wǎng)絡(luò)的安全性。

        該處理器主要是依靠智能家居的智能系統(tǒng)系統(tǒng)來發(fā)揮作用,使用戶的生活更加便捷。

        3.4 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在家居設(shè)計中的應用設(shè)計

        物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是智能家居系統(tǒng)最基礎(chǔ)的部分,每種智能家居產(chǎn)品都需要通過家庭智能網(wǎng)關(guān)相互連接。智能家居系統(tǒng)中所應用的技術(shù)標準種類繁多,包括CEBus、Havi、HomePNA、ZigBee以及RS485等。物聯(lián)網(wǎng)通過多個相互競爭的標準提供服務(wù),這些標準代表不同的生態(tài)系統(tǒng),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(lián)網(wǎng)技術(shù)在家居設(shè)計中的應用設(shè)計:CHIP 是由 ZigBee聯(lián)盟和 Thread 聯(lián)盟與 Amazon、Apple、Google 和 Samsung 合作制定的。因此,在設(shè)計時可以通過 Wi-Fi 6 EasyMesh 來實現(xiàn)相關(guān)功能,終端設(shè)備將直接通過 Wi-Fi 無線電或通過智能手機設(shè)置和 IEEE 802.15.4 無線電與 Wi-Fi 6 網(wǎng)絡(luò)通信。

        4 結(jié)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(fā)展前景。在家居設(shè)計中,家具與裝飾是不可缺少的元素,合理設(shè)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(diào)的環(huán)境具有十分重要的意義。同時,利用人體智能技術(shù)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(shù)對家居設(shè)計進行調(diào)整,這樣,家居設(shè)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(jīng)出現(xiàn)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(tǒng)。隨著社會智能化發(fā)展,智能家居在未來的幾年內(nèi)市場規(guī)模將相當可觀。

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