歐洲家電市場
——智能家居和智能家電（下）

文/英國索爾福德大學 紀迎春

（接2020年第4期39頁）

4.4 智能家電和互聯設備市場

在歐盟，智能設備和互聯設備仍然是一個相對較新的市場，近期，市場份額方面的數據還未被完全統計。在過去，盡管對智能設備的銷售量已有研究，但對整個連接設備市場進行更深入的研究和分析工作仍在進行中。

2015年發表的一篇論文討論了歐盟有關智能家居和互聯設備市場，并就智能家居市場的規模提供了參考數據。這項研究的重點是法國、德國和英國市場，并對這些國家/地區出售的智能聯網設備的數量進行了深入分析。該論文討論了智能家居中的大量已連接設備，比如智能電視以及其他娛樂設備，還有通信和控制設備以及家庭自動化和安全性的相關信息。如圖7所示，智能家電（包括大家電和小家電）的數量相對還是很少的。

更具體地說，智能家居環境中的其他設備品類（如娛樂設備）有具體銷售數字，但就智能家電而言，這個研究并沒給出具體的銷售數字。根據GFK研究顯示，智能家電設備銷量從2014年1月的80萬（臺/件）增長至2015年1月的610萬（臺/件），其銷量增長迅猛，如圖8所示。

盡管數據未將銷售量像智能家居市場中的其他類別產品一樣顯示，但智能家用電器的銷售額增長是顯而易見的，銷量最大的智能家居產品是具有自定義洗滌程序等功能的智能洗衣機，其次是智能冰箱。

4.5 標準化工作

在2017年歐盟委員會的“ICT標準化滾動計劃”中，確定了五個標準化優先領域：數字單一市場的信息通訊技術（ICT）、5G云、網絡安全、大數據和物聯網。得益于這些數字技術的發展和應用，智能能源領域能夠利用這些技術的發展取得長足的進步，進而得到廣泛的應用。表2是國家/國際標準機構針對以上5個領域出臺的一些系列相關標準的簡要介紹。

5 智能家居和電器

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圖8 英國、法國和德國不同類別的智能家用電器產品的月銷量（2014年1月至2015年3月）

圖7 2014年和2015年法國、德國和英國的智能家居相關產品銷售量

歐盟委員會根據生態設計指令對智能電器進行了前期研究，并將智能電器定義為“能夠支持靈活性需求的設備，該設備能夠自動響應外部信息，例如：價格信息，直接控制信號和/或本地測量的參數（主要是電壓和頻率）”。這個定義不能與其他常用的“智能”定義相提并論，因為它不僅僅針對于智能電器，而且在智能設備、智能家居或智能城市等其他領域也都適用。就本報告而言，智能電器或連接的設備是具有嵌入式信息通信技術（ICT）的設備，可以通過電纜或無線方式連接其他設備或系統。

5.1 智能家電和智能家居技術

智能家居技術包含不同類型的智能電器和設備。每一個設備都具有不同的功能、用途、連接和交互的類型等。智能家居系統的主要特征包括用戶界面、智能硬件和軟件平臺。

5.1.1 能源門戶

能源門戶網站是基于信息學的應用程序，傳遞對于用戶而言通常是不易察覺的家庭能耗信息，并且信息傳輸方式友好，顯示方式簡單，有益于用戶解釋和理解信息。與傳統的賬單相比，這種類型的應用程序提供了更詳細和直接的反饋，直觀且更易理解。這通常是能源公共公司或實體為用戶提供的一項服務。

主要功能：終端用戶的能源數據收集和傳輸；

界面：智能手機，互聯網應用程序，計算機軟件；

通訊：無線網（Wi-Fi），局域網（LAN）；

交互：雙向交互，允許和其他智能家居產品交互。

5.1.2 家用顯示器

家用顯示器擁有簡單的用戶界面，可為消費者提供即時的能耗信息反饋，并且還具有發送定價信號的能力。給出的信息類型通常非常簡單直接。這些設備通過傳統的普通電表連接到家庭能源網絡，并通過家庭局域網與其他外圍設備通信。

主要功能：為終端用戶收集能源數據并實時傳輸；

界面：設備顯示屏，外圍設備顯示屏；

通訊方式：無線通訊；

交互：從設備到用戶的單向交互。

5.1.3 負載監控器

負載監控器會給出能耗設備的簡單能耗信息。它們通常連接在電源插座和實際設備之間，用來采集和檢測設備的能耗信息。如果用戶估算了這些參數，則負載監控器提供的信息類型通常僅限于能耗，并且最終會計算與此能耗相關的成本信息。

主要功能：即時收集單個設備的能源數據；

界面：設備顯示；

交流：通常僅顯示視覺信息；

交互：從設備到用戶的單向交互。

5.1.4 智能家電

在智能家電的“生態設計準備研究”中，智能家電被定義為“可以通信的家電”。該通信平臺可用于提供多種功能，例如需求靈活性響應。在智能電器的能源方面，它們具有接收、解釋和處理從能源供應商處接收到的信號并對其進行操作的能力，此外，還可以根據能源使用者（用戶）選擇的設置來調整其操作。

主要功能：具有與用戶及其他平臺通信的能力；

界面：設備顯示屏、互聯網應用程序、能源門戶；

通訊：有線和無線通訊；

交互：用戶和能源及公用事業之間的雙向交互。

5.1.5 智能溫控器

智能溫控器具有與傳統溫控器相同的基本功能，比如控制暖通系統（HVAC）的溫度參數等。與傳統設備相比，這些智能設備的新增功能包括：允許編程、能耗模式的自學習算法，以及具有輕松用戶體驗的直觀界面。

主要功能：溫度控制、加熱/冷卻系統、HVAC系統；

界面：設備顯示屏、互聯網應用程序；

通訊：無線網（Wi-Fi）；

互動：雙向交互。

5.1.6 智能燈

智能燈是將普通照明和嵌入式技術結合在一起的照明設備，可實現自動控制。這類智能產品配備了傳感器和微處理器，可以檢測環境光或使用情況，并根據用戶定義的提示進行操作。智能燈允許用戶通過安排時間來調整其照明需求，并減少過度照明，從而減少與照明相關的能耗。智能燈可以進行遠程控制，甚至可以響應能源公司的輸入來支持需求響應程序。

主要功能：具有連接功能，可實現遠程和自動控制；

界面：網絡用戶界面和智能手機應用程序；

通訊：無線網（Wi-Fi）；

互動：雙向交換。

5.1.7 智能插座

智能插座是介于電源插座和能耗設備之間的一種設備。這些設備具有內置的智能功能，具有將非智能設備變成智能設備的特性。智能插座允許對其連接的設備進行遠程控制，并提供設備能耗的反饋。

主要功能：耗能設備的控制和反饋；

界面：網絡用戶界面和智能手機應用程序；

通訊：無線網（Wi-Fi）；

互動：雙向交換。

5.1.8 智能集線器

智能集線器是在智能家居環境中整合多個智能連接設備的設備。智能集線器的主要目標是集成所有這些設備的功能，并在家庭網絡中以協調一致的方式與所有設備進行通信。

主要功能：智能家居連接設備的連接和集成；

界面：集線器顯示，網絡界面和智能手機應用程序；

通訊：無線網（Wi-Fi）；

互動：雙向交換。

5.1.9 智能加熱器

智能加熱器可將舊的燃氣或電熱水器轉變為智能熱水器，使用戶能夠通過智能手機或智能集線器進行控制，可實現在需要時加熱水。這些智能熱水器具有與其他暖通系統控制器耦合的能力，從而使整個系統變得智能。

主要功能：使熱水器擁有智能功能；

界面：集線器顯示，網絡界面和智能手機應用程序；

通訊：無線網（Wi-Fi）；

互動：雙向交換。

5.2 智能家居環境中的網絡類型

智能家居的主要原理之一是使設備相互連接，允許家庭眾多設備的通信和集成。家庭網絡布局可以直接影響智能家庭生態系統的效率。智能家居環境中有幾種常用的網絡類型，各有優缺點。

5.2.1 總線網絡

總線網絡是網絡節點通過電線直接連接到總線所組成的網絡。這是家庭中存在的傳統網絡模式，其中所有設備都通過局域網（LAN）中的數據線連接。這種網絡連接簡單可靠，如果某個節點停止運行，網絡的其余部分仍然可以正常運行并相互通信。總線網絡的主要局限性是可能發生的電纜損耗。

5.2.2 環網

環網是節點以閉環連接的局域網。當某些節點直接連接時，其他節點則間接連接，并且數據應通過相鄰節點到達目的節點。如果在環形網絡內發生兩個或多個中斷，則可能導致網絡中某些節點完全斷開連接。帶寬在網絡的所有節點之間是共享的，這可能導致所有節點之間的通信滯后。盡管這種類型的網絡可以用在小型網絡中，但環形網絡并不是一個非常可靠的網絡連接布局。

5.2.3 分布式（星型）網絡

分布式網絡通常是指有線局域網，網絡中央計算機（路由器）充當主要控制節點以接收和傳輸數據。網絡中的每臺計算機都連接到主集線器，即中央計算機，通過中央計算機與其他終端進行通信。這種類型的網絡具有以下優點：如果網絡中的一個或多個節點發生故障，則網絡的其余部分仍然可以運行；如果主計算機發生故障，則會導致整個網絡癱瘓。

5.2.4 網狀網絡

網狀網絡有望在物聯網中扮演重要角色。網狀網絡是由分布在網狀結構中的無線節點組成的通信網絡。盡管可能有時是有線的，但網格網絡在無線模式下具有更大優勢。在無線模式下，網格網絡轉換為通過無線設備連接工作的路由器網絡，無線下載和上傳數據。每個節點同時充當接收器和發送器，傳遞需要發送的數據。這種類型的網絡很特別，因為智能家居中的每個已連接設備都可以充當節點，從而使通信更加通暢。

5.3 智能家居無線技術

無線技術是家庭中常用的一種簡單無間斷通信解決方案，用于傳輸數據和發送工作命令。這種無線技術的安裝和使用成本不高，而且對智能家居市場以及智能家電的應用至關重要。

5.3.1 藍牙技術

藍牙是一種技術標準，用于通過短波無線電波在短距離10米范圍（±10 m）內交換數據。藍牙技術能耗很低而且數據交換迅速，容易使用，安全性強，目前藍牙技術是無線網絡中非常流行的應用技術。

5.3.2 GSM——全球移動通訊系統

全球移動通訊系統或GSM的創建是用來描述數字蜂窩網絡協議的。盡管它被稱為移動無線系統，但它在智能家居中也具有用于設備通信的應用程序。GSM的優勢是信息傳輸距離遠，可以達到幾公里的范圍。這是一種被廣泛采用的技術，具有低成本和高兼容性。

5.3.3 射頻識別

射頻識別（RFID）是使用電磁場的系統幫助機器或計算機識別對象，記錄中繼數據或通過無線電波來控制單個目標。RFID可以在低頻（30 cm傳輸距離）、高頻（1.5 m傳輸距離）或超高頻率（高達15 m的傳輸距離）下運行。該技術已穩定成熟，在市場上被廣泛使用。被動式RFID可從附近的RFID閱讀器收集能量，主動式RFID則裝有自主電源，可以遠離RFID閱讀器進行操作。

5.3.4 無線網（Wi-Fi）

Wi-Fi通常用于具有傳統分布式（星型）網絡結構的家庭局域網、移動電話或計算機中，其傳輸速度很快，是智能家居環境中的關鍵通信技術。設備能夠通過無線局域網（WLAN）連接到互聯網（Internet），信息傳輸范圍可以是房間內的幾米，或是信號暢通時的幾百米。Wi-Fi的運行基于IEEE 802.11標準和IPv6網絡協議。

5.3.5 無線局域網

無線局域網（WLAN）是使用擴頻技術通過無線分配方法連接兩個或多個設備的無線網絡。WLAN具有比Wi-Fi更大的傳輸距離，也符合IEEE 802.11標準和網絡協議IPv6。WLAN是一種更通用的無線網絡，而Wi-Fi是WLAN的一種。

5.3.6 Z波

Z-Wave用于組建網狀網絡，通常用于家庭自動化。它是專有標準，旨在遠程控制住宅和商業環境中的應用程序。Z-Wave具有簡單的命令結構，并且不受其他網絡的干擾。Z-Wave提供可靠的、低延遲小數據包傳輸，傳輸速率高達100 kbps，室外傳輸范圍可達100 m。

5.3.7 ZigBee

ZigBee作為Z-Wave的一種，是用于家庭自動化的另一種常見通信協議，不同之處在于它的工作方式符合IEEE 802.15.4標準；它也可作為網狀網絡，用于個人局域網的小數據包傳輸。與其它無線網絡標準相比，ZigBee設備通常具有較低的成本和較低的功耗。ZigBee在低信道帶寬下工作，通訊有效距離平均可達10～30 m。與Wi-Fi相比，ZigBee的傳輸速度要低得多，與超過10 mps的Wi-Fi相比，傳輸速度僅為250 kbps。

5.3.8 低功耗無線個人局域網6LoWPAN

6LoWPAN是一項新技術，它允許IPv6數據包（Internet協議的第6版和最新版本）在IEEE 802.15.4標準定義的小型鏈層框架內傳輸，是低速個人局域網的操作的技術標準協議。6LoWPAN的傳輸距離可達200 m，同時能耗較低。

5.4 智能家居中的傳感器類型

智能家居生態系統的主要組成部分是運行和發射感測建筑物內人類活動的信號所需的傳感器。

智能家居生態系統的主要功能之一是家庭安全性，該功能是僅次于家庭娛樂的第二重要領域。隨著家庭安全的需求，市場上出現了一些相應的傳感器，例如檢測門或窗戶打開的接觸式傳感器，同時也有直接的環境傳感器，例如二進制傳感器。二進制傳感器通過1或0值檢測對象的存在/不存在或移動。智能家居中的二進制傳感器通常包括移動檢測、壓力或接觸傳感器。移動檢測傳感器有多種類型，例如被動紅外檢測技術用于測量人體熱量，通常用于家庭安全；微波傳感器發出微波脈沖以測量移動物體的反射；雙重技術運動傳感器結合了不同傳感器的技術，需要觸發兩個傳感器來導致警報動作。其他傳感器包括從發光二極管（LED）發出紅外線的區域反射型傳感器，發射超聲波脈沖的超聲波傳感器，以及檢測振動并可以通過加速度計或通過壓電裝置觸發的振動傳感器。

火災和一氧化碳傳感器是在安全范圍內的家庭環境中使用的其他類型傳感器，如果一氧化碳濃度到達危險等級，則將警告居家人員。除了一氧化碳探測器外，還有其他環境傳感器可以評估傳統的氣象參數，例如溫度、壓力或濕度，以及環境參數，例如污染指數、空氣質量、灰塵或花粉。除了傳感器本身，還有一個非常重要的方面需要考慮，即用戶可以根據智能家居系統的功能定義有用警示。例如，某些智能溫控器可以檢測用戶在家的時間，并從建筑物的使用模式中學習，而其他智能溫控器則取決于地理圍欄（網絡中的虛擬地理邊界），這意味著當與智能手機上的應用程序連接時，當系統意識到用戶從工作場所進入房屋，則將根據用戶的設置開始為房屋供暖，而不是使用缺乏靈活性的預先定義變更系統。

6 智能電器的電力需求調節

智能電器可以自動避開電力使用高峰期，這對于可再生能源的電力系統而言非常重要，因為可再生能源發電量隨外界條件變化很大。智能設備可以與電力系統進行通信，這其中的大多數動作必須自動完成。協調自動化取決于解決和協調多個智能電器和家庭電力需求的互通性。智能家電還將需要連接智能電表和接收動態電價信息，使真正的“需求響應”成為可能。盡管消費者似乎對智能電器持積極態度，但人們通常不愿意改變習慣，除非這種改變給他們帶來可觀的收益——比如節能，并且人們不傾向于處理過于復雜的控制界面。研究表明，人們也擔心這些新技術的可靠性、隱私性和安全性。

當匹配電網中的供需、系統的短期平衡并減少能耗時，使用智能電器可以使電力系統受益。它可以減少對化石燃料備用的需求，并有利于增加風能的使用。盡管收益似乎很多，但成本并不明朗。歐盟委員會認識到智能設備的潛力，并提倡發展智能基礎設施。歐洲議會認為，只要能使消費者受益并同時提供高信息數據應用和保護隱私，則歐洲議會也將對此表示認可。

6.1 需求調整的類型

能量需求調整可以用于“響應”或“靈活”負載，而不必在嚴格確定的時間運行。這有兩種可能性，例如，推遲使用洗碗機、洗衣機和滾筒式烘干機等設備，可以在不改變能源消耗或持續時間的情況下靈活地安排時間表（在方便用戶的時間）來執行任務。第二種是“中斷”，可用于冰箱、電鍋爐和熱泵等電器。可以將它們設置為在較低的水平上運行，例如使用溫控器降低溫度設置，從而僅降低能耗。或者，可以在運行有限的時間內中斷電源（通常一次不超過15至30分鐘）。

6.2 自動化水平

智能電器可以在各種自動化級別上運行。例如延遲啟動功能已廣泛應用于許多家用電器，使用戶可以預先手動設置家用電器的啟動時間。但是，這并不是真正意義上的“智能”功能，現在人們已經認識到，純粹的手動操作調控可能不會導致需求的重大調整，因為用戶認為這過于繁瑣且不方便使用。理想的情況將是智能的手動功能，可使用戶根據具體情況設置完成任務的時間，然后將其留給設備來確定執行任務的最佳時間，這一時間將從智能電表中獲取。“設完不管”的操作意味著，在設置過程中，系統會按照用戶所提供的偏好自動執行任務。諸如智能冰箱和冰柜之類的一些全自動操作，用戶幾乎不了解也注意不到，并且這些操作也不允許用戶進行修改。

6.3 能源管理系統

家庭能源管理系統（EMS）可實現智控制，也可與智能電表，以及家庭網絡覆蓋的所有智能家電通信，接收有關實時電價、實時可再生能源發電量和用戶預設的信息，并相應地協調智能電器的運行。

家庭網關沒有與電力系統的物理鏈接，也不需要一個房屋內部的物理設備，而是通過互聯網連接智能電器，并對其進行遠程控制和編程。盡管這一功能有可能被智能電表接管，但是否需要這樣做仍然需要進一步討論。

6.4 互通性

智能電器之間已經可以通過某種運作形式相互協作，這是因為許多智能電器都設置了相關專用應用程序，可進行編程和遠程控制。目前智能電器之間的協作通常僅在同一生產商生產的設備之間才可能進行，這一點常常限制消費者的選擇。為了克服產品間的互通性問題，歐盟委員會提供了相關財政援助，以鼓勵和幫助創建智能設備的通用語言（“參考本體”）。這種智能電器參考（SAREF）本體在2015年成為歐洲標準能源相關數據的參考語言。這個通用語言和歐盟所有智能電器設備中使用的微芯片采用的語言一致，這使得智能電器設備可以和智能電表進行通信并根據電價和用戶需求進行使用協調。許多家庭中的這些設備還可以由第三方（例如集合商，即電力系統運營商、電力零售商或獨立服務提供商）進行遠程操作，用戶在有補償的情況下為電力系統提供靈活性以便第三方能更好的管理電力系統。

6.5 需求響應

通常的需求響應有兩種類型。委員會聯合研究中心（JRC）表示，隱性或基于價格的需求響應，可促進終端用戶根據電力價格隨時間的變化而改變用電方式。這一辦法對于芬蘭或瑞典的終端用戶而言是因降低用電量而減少電費。以動態定價的電價支付可以幫助用戶節省15%至30%的電費。顯性或基于獎勵的需求響應則是在市場電價高企或電網可靠性受到威脅時，減少用電量。對于居民用戶來說可因改變消費行為而直接受益。聚集者將匯集大量家庭的需求響應并將其置于各種能源市場。用戶可以同時參與隱性和顯性需求響應。

7 用戶面臨的問題

7.1 用戶接受程度

盡管用戶通常對智能家電和避開高峰用電持積極態度，但這種接受也是相對比較謹慎的。2013年英國的一項研究表明，用戶愿意使自己的房屋自動化，但不希望改變自己的習慣或降低舒適度體驗，除非房屋自動化可以幫助他們節省大筆資金。根據歐洲可持續能源系統智能家居設備（Smart A）項目，如果智能設備的價格比常規版本高25歐元，則用戶預計最多可在三年內回收多余的投資。另一方面，在沒有任何財務收益的前提下，用戶通常愿意接受不高于25歐元的費用以換取更好的舒適性、安全性和易操作性。

7.2 用戶疲勞

盡管人們普遍接受智能電器設備，但參與一個線性項目（一項在現實生活中記錄了智能設備使用情況的大型研究）的用戶會發現使用智能設備有時會非常繁瑣，以至于必須改變很多習慣。這個項目的研究成果表明，為響應動態價格而手動調整需求實際上是行不通的，這是因為對日常生活不同程度的干擾導致了用戶放棄。配備智能電器設備的研究參與者，除了那些遇到技術問題的人之外，他們感受使用疲勞的可能性相對更小。但是，人們對所有家用電器的容忍程度都不盡相同，例如電動汽車的放棄率最高是因為操控界面過于復雜。研究人員得出結論，為避免用戶疲勞，用戶因配置家用智能電器系統而花費的精力應該越小越好。

7.3 可靠性

2013年英國一項調查研究顯示：用戶和專家擔心智能家居系統的可靠性，也擔心用于打開和關閉智能設備的信號網絡出現故障。專家認為，手動操作可以最大程度地降低這種風險。歐洲可持續能源系統智能家居設備（Smart A）項目研究證實，用戶需要做到完全控制和自主優先選擇，這兩者缺一不可，以增強智能家居系統的可靠性。

7.4 隱私權與安全性

服務器或基于云服務上的網絡攻擊使智能電器設備的安全性受到嚴重關注。此類攻擊可能會中斷設備的正常功能，或將用戶數據暴露給未經授權的訪問者。例如，用戶會擔心隱私丟失，讓陌生人知道他們的日常習慣或居家時間。

8 結論

本文從智能家居的定義、相關政策法規，以及智能家電和互聯設備功能、市場情況等方面對歐洲智能家居和智能家電的生態系統進行了研究，重點闡述了智能家居系統與供需能源之間的關系。研究表明，智能電表的推出、智能電網的存在、暢通無阻的需求響應市場以及高速互聯網，這些技術對于智能家居系統的發展和節約能源至關重要。與此同時，具體介紹了智能家居網絡環境、無線互聯技術、傳感技術的應用對智能家電和智能家居信息通訊的影響，需要通過完善的標準體系和政策支撐以實現人機間、設備間更加安全便捷的通訊與交互。此外，對于智能家居的發展還應該充分考慮用戶的接受程度，產品使用過程中存在的用戶疲勞問題，產品的可靠性、信息的隱私性、安全性等方面，這些將是智慧家居未來發展中不可忽視的重點，值得行業技術人員繼續深入探究。