智能家居系統中環境交互設計研究

劉福運

摘 要：智能家居強調人的主觀能動性，要求重視人與智能家居的交互、人與居住環境的協調，能夠隨心所欲地控制室內居住環境。它不僅提供了全方位的信息交換功能，還優化了人們的生活方式和居住環境，幫助人們有效地安排時間、節約各種能源、控制各種家電。

關鍵詞：智能家居;系統;環境交互設計

進入21世紀，隨著信息、網絡、微電子和自動控制技術在建筑中的應用，作為家庭載體的住宅對智能化的要求也呈現出多樣性。1994年美國聯合國科技公司將建筑設備信息化、整合化概念應用于美國康乃狄克州哈特佛市的City Place Building，標志著首棟“智能型建筑”的誕生，拉開了全世界爭相建造智能家居的序幕。智能家居在國外常用“Smart Home”表示，此外還有家庭自動化、電子家庭、數字家園、家庭網絡、網絡家居、智能家庭/建筑等稱呼，在我國的香港和臺灣等地區，還有數碼家庭、數碼家居等稱呼。

1 智能家居系統內涵

智能家居以住宅為平臺，利用計算機技術、嵌入式技術、傳感器技術、網絡通信技術、自動控制技術、綜合布線技術、智能家居系統設計方案、安全防范技術、音頻技術將家居生活有關的設施集成，構建高效的住宅設施與家庭日程事物管理系統，集系統結構、服務、管理、控制于一體，提升家居安全性、高效性、便利性、舒適性、藝術性，并實現環保節能的健康居住環境。

智能家居系統是多功能的系統集成。和普通的住宅相比，智能家居系統一般有以下特征：

家庭中具備完善的、綜合的安保防災系統和生活服務系統;家庭與小區及社會具有高度的多媒體信息交互能力;家庭內部具備全面的設施監控管理系統和信息化服務管理系統。

智能家居的重要功能是安防及為住戶提供溫馨舒適的現代生活。智能家居能實現的功能和提供的服務包括：（1）始終在線的網絡服務：與互聯網隨時相連，為在家辦公提供便利條件。（2）安全防范：智能安防可以實時監控非法闖入、火災、煤氣泄漏、緊急呼救的發生。（3）家庭智能控制和遠程控制：對燈光照明進行場景設置和遠程控制，電器的自動控制和遠程控制等。（4）交互式智能控制：可以通過語音識別技術實現智能家電的聲控功能;通過各種主動式傳感器（如溫度、聲音、動作等）實現智能家居的主動性動作相應。（5）環境自動控制：如家庭中央空調系統的溫度自動調節。（6）提供全方位家庭娛樂：如家庭影院系統和家庭中央背景音樂系統。（7）現代化的廚衛環境：主要指整體廚房和整體衛浴。（8）家庭信息服務：管理家庭信息及與小區物業管理公司的聯系。（9）家庭理財服務：通過網絡完成理財和消費服務。（10）自動維護功能：智能信息家電可以通過服務器直接從制造商服務網站上自動下載、更新驅動程序和診斷程序，實現智能化的故障自珍斷和新功能自動擴展。

2 智能家居系統中的“人”

智能家居設計原則是“以人為本”，即在智能化的設計過程中，始終從使用者的角度出發，做到系統功能滿足要求、系統穩定以及操作符合戶外習慣等。設計師需要深入研究使用者的生理特點和心理需求，充分考慮他們的生活習慣，為可能出現的緊急情況做好準備，重視每一個細節的精細化設計。

2.1 從視覺角度分析

在整個智能家居產品設計的過程中，視覺設計與交互設計的工序兩者之間的關系也是相輔相成，互相影響。視覺界面作為最直接的與用戶交流的層面，如何把交互設計以它良好的表現形態展現給用戶，主要集中在如何用視覺設計來提升交互的可用性方面。因為良好的視覺設計，能增強信息條理的清晰度。這里的清晰度有兩個方面的含義：清晰的視覺引導，和視覺引導元素本身的準確性。

視覺設計能用色彩和層次等語言，自然又清晰的羅列出一條視覺的路線，引導用戶流暢閱讀，而不用自己費力的去疏理，或者在信息的忙海中尋找未知的方向。這條指引的路線，我們稱之為“視覺流”。有了清晰的視覺引導還不夠，這些視覺引導元素本身需遵循一定的規范，和富有準確的語義，才能起到有效的引導作用。

2.2 從聽覺角度分析

研究表明，聽覺通道存在著許多優越性。如，聽覺信號的檢測速度快于視覺信號的檢測速度;人類對聲音隨時間的變化極其敏感;聽覺信息與視覺信息可以同時提供可使人獲得更為強烈的存在感和真實感等。因此，聽覺通道是人與計算機系統等信息設備進行交互的最重要的信息通道。

聽覺交互中的語音交互就是研究人們如何通過語音同計算機進行交互的技術。它涉及多學科的交叉，如語言學，人機工學，心理學和計算機技術等。語音交互不僅要對語音識別和語音合成技術研究，還要對人在語音通道下的交互機理，行為方式等進行深入的研究。語音識別和語音合成相結合，即構成了一個“人機通信系統”。語音交互系統一般采取兩種途徑：一種是用基于語音識別和理解技術的，主要依靠音頻進行交互的系統;另一種是利用語音技術與系統的其他交互方式結合在一起來進行交互的系統。在這種方式中語音不再占主導地位，它只是交互系統的一部分。

2.3 從觸覺角度分析

觸覺交互也就是行為交互中的一種。人們在相互交流過程中，除使用語音交互外，還常常通過身體的動作和姿態來表達意思，這就是人體行為交互。人體行為交互的方法不僅能夠加強語言表達能力，還能起到語音交互所不能起到的作用。計算機通過用戶的行為能夠預測用戶想要做什么來滿足客戶的需求等。

3 智能家居系統中環境交互設計研究

3.1 無線控制

無線射頻技術，利用點對點的射頻技術，實現對家電和燈光的控制，安裝設置都比較方便，主要應用于實現對某些特定電器或燈光的控制，但系統功能比較弱，控制方式比較單一，且易受周圍無線設備環境及阻礙物干擾，適用于新裝修用戶和已裝修用戶。

ZigBee是最近發展起來的一種短距離無線通信技術，具有近距離、低功耗、低數據率、低成本、安全等優點，特別適合設計應用在小型的建筑物自動化設備中，比如溫度自動調節裝置、燈光控制設備、環境傳感器等，因此適用于家庭控制。基于ZigBee技術的智能家居采用以單戶家庭為單元的通信控制模式，在每一個家庭中都安裝一個家庭網關（負責用戶控制信號及家電反饋信息的接收和轉發），及若干個與家電設備相連的分控終端（控制該家庭的所有電器），家庭網關和分控裝置由家庭總線相連，家庭總線采用ZigBee無線通信方式。此裝置便于家庭獨自管理，安全性、可靠性高。ZigBee技術彌補了低成本、低功耗和低速率無線通信市場的空缺，在智能家居系統中，將無線網絡技術應用于家庭網絡已成為勢不可擋的趨勢。可以預見，隨著越來越多內置ZigBee功能的設備投入市場，將能構建更舒適、更方便、更安全、更環保的智能家居。

3.2 燈光效果

智能家居系統中燈光效果設計，屬于照明系統管理模塊。它是傳統智能家居控制系統的必備子系統，照明系統功能主要包括：（1）用戶可以直接通過網頁或者家庭網關的圖形用戶界面來控制電燈的開關;（2）將熱釋紅外模式與電燈相互聯系依賴，當熱釋紅外傳感器檢測到有人通過時，控制燈亮，延時30妙后自動熄滅;（3）將光敏傳感模塊與光照強度低于閾值電燈自動點亮，光照強度大于閾值時電燈自動熄滅。此外，還應對照明系統管理功能模塊進行人性化設計。比如，用戶可以自由選擇是否開啟上述兩項關聯的功能。若是晚上睡覺時，不想讓電燈隨光照強度變化，就將光敏與電燈的關聯關閉。當白天光照強度足夠大，不需要在有人走過時電燈點亮時，就可以將熱釋紅外與電燈的關聯關閉。

3.3 音響烘托

智能家居系統中的音響烘托是指將傳統的音響延伸到家中的每個房間及每一個角落。在陽臺澆花時可以欣賞悠揚的音樂，清早漱洗時可以聽到電臺的新聞，甚至在廚房也可以聽到現場轉播。系統可接播家中現有的電視、廣播、VCD、DVD及音響系統提供的聲源;每個房間的音響可以單獨開關和調音量，無需考慮功率匹配。利用現有的網絡智能家居控制手段，如遙控器，集中控制器、網絡開關等方式對音箱進行開、關、調音量、全開全關、部分開關，也可以配合照明系統、空調系統、窗簾等進行復雜的場景設置。

3.4 多通道并進

智能家居系統中環境交互設計研究必須要多通道并進，才能設計出滿足人們需求的住宅環境。智能家居系統主要包含家居布線、家庭網絡、智能家居（中央）控制管理、家居照明控制、家庭安防、背景音樂、家庭影院與多媒體、家庭環境控制等八大子系統。其中，智能家居（中央）控制管理、家居照明控制、家庭安防子系統為必備系統，其他子系統可以根據實際需求作為可選項。只有完整地安裝了所有的必備系統，并且至少選裝了一種及以上可選系統才能被認定為智能家居。

智能家居控制功能：遙控功能、感應延時開關、網絡開關的網絡功能、網絡開關的本地控制功能、電話遠程控制功能、網絡型空調及紅外線控制、網絡型窗簾控制器、可編程定時控制、多功能遙控器、無線感應探頭、全宅音響系統、擴展和升級。

4 結語

智能家居，它是一個把網絡通信技術、自動化技術和計算機系統結合在一起的網絡智能化的家居系統;它是一個集系統、結構、服務、管理為一體的高效、舒適、安全、便利、環保的居住環境。它可以通過網絡把住宅中的各種設備連接在一起，如空調、冰箱、照明系統、安全系統等。與普通家居相比，由原來的被動靜止結構轉變為具有能動智能的工具，提供全方位的信息交換功能，幫助家庭與外部保持信息交流暢通。通過智能家居系統，人們可以更方便、更快捷地使用和控制家用設備;可以執行場景操作，使多個設備形成聯動，還可以控制各種設備的通信，不需要人們指揮就可以互動運行，從而給人們帶來高效、安全、舒適的生活體驗。隨著信息、網絡、微電子和自動控制技術在建筑中的應用，作為家庭載體的住宅對智能化的要求也呈現出多樣性，包括高度安全性的要求（防火、防盜、防爆、防泄漏等），舒適的居住環境，先進的通訊設施，完備的信息處理終端設備，家用電器與設備的自動化和智能化，資源使用及支付方式的網絡化，家庭工作模式（SOHO）的需求等等，導致實現家庭環境智能化的必然趨勢。

參考文獻

[1]韓衛星.現代通信網絡管理技術與實踐[M].北京：人民郵電出版社，2001.

[2]張周，周劍揚.ZigBee在智能家居系統中的應用研究[J].工業控制計算機，2006.

[3]周紅，胡文山.智能家居控制系統[M].北京：中國電力出版社，2006.

[4]丁度南.基于Linux的智能家居控制系統的研究和實踐[D].廣州：廣東工業大學，2008.

[5]吳巍，駱連合.物聯網與數字家庭網絡技術[M].北京：電子工業出版社，2012.

[6]李明亮，劉小龍.基于ARM11的智能家居設計與實現[D].北京：北京航空航天大學出版社，2013.