摘要:智能家居是21世纪最重要的新兴产业。这是在融合了大量自动化技术、网络通讯技术和传感器技术的基础之上发展起来的。由于连接设备多，相互之间信息耦合强度大，智能家居的系统构成和通讯方式正在趋于复杂化。智能家居技术总体上划分为两个层面：一是家居生活过程的自动化，二是家居生活的感知学习及对生活需求的智能响应。这两方面的技术实现通常独立于家居设备存在，但又必须和所有家居设备进行通讯互联，构成一类智能控制的技术平台。其中包括可扩展的功能设计空间及可组态的人机交互环境，随时适应家居生活需求的变化。在云计算、云控制和云服务技术快速发展的今天，连接云环境的智能家居技术的发展也是指日可待的。
关键词: 智能家居；控制系统；自动化；人机交互；网络通信技术；云服务
智能家居是21世纪最重要的新兴产业。这是在融合了大量自动化技术、网络通讯技术和传感器技术的基础之上发展起来的。根据智能家居协会的定义，智能家居就是通过家庭网络将相关技术和服务结合起来，以提升生活品质的一种系统[1]。智能家居在一定程度上是智能家电的集成产物。目前，家电设备的单品智能化水平正在逐步提升，但是作为一类典型的嵌入式设备，其系统集成的难度还是很大的[2]。为此，早在2003年，英特尔、微软、索尼等17家国际巨头联合成立“数字家庭工作组”, 力求对家庭通信连接及通信协议建立规范标准；紧接着, 联想、TCL等5家国内企业也联合成立了“闪联标准”，旨在推动终端设备在协同控制时遵循的技术标准的建立[3]。但是，这些努力的效果十分微弱。这充分表明，智能家居并非是智能家电的简单堆砌。智能家居作为一种自动化、智能化的信息物理系统，也是控制科学与工程学科研究和发展的一个重要领域，需要为此建立一套完整的技术体系，才能促进该技术领域的产业化发展。
1 智能家居控制系统
由于连接设备众多，相互之间的信息耦合强度大，智能家居的系统构成和通讯方式都在趋于复杂化。文献[4]提供了大量智能家居相关技术的发展历史，从中不难看出智能家居技术总体上划分为两个层面，一是家居生活过程的自动化，二是家居生活的感知、学习以及对生活需求的智能响应。尽管如此，到目前为止学术界仍未给智能家居一个科学的结构规范。而目前几乎所有的研究都认为智能家居实际上就是一种典型的复杂系统。文献[5]提出分层行为的建议系统和智能家居管理平台恢复机制，包括定位层、行为层和应用层。智能家庭的管理系统宜采用层次结构，即采取区域管理行动和家电管理行动分离的方法。文献[6]则从科学范式的这个角度探讨了智能家居技术创新的本质问题，指出不同领域技术的复合作用，在形成了复杂的技术系统的同时，也产生了新的创新动力。
文献[7]指出智能家电的设备在持续增长，这使得在开发和使用智能家居系统时，其管理和技术难度都大幅增加。如何去设计一种智能家庭管理平台是智能家居领域目前面临的一个重大挑战。为此研究者提出了一种“软件定义智能家居”平台SDSH (software defined smart home)，如图1所示。应用网络通信技术兼容并访问各种智能硬件设备，同时，采用虚拟化技术屏蔽底层通信细节并抽象系统的资源和能力。引入人工智能决策算法，使该平台能够为用户提供满足需求的服务。在智能家居系统的架构方面，不少研究都聚焦在多代理(MAS)的控制模式上[8-10]。文献[8]中西班牙的巴伦西亚理工大学研究者采用Magentix2平台开发智能家居系统。这是一种开放的MAS，由交互层进行通信连接与目标跟踪管理，由代理层进行设备间的会话与功能判断等，最后由组织层对语义标准化的环境实现服务管理。文献[9]提出一种基于多代理体的智能家居系统，研究表明：智能家居系统中的每个实体，如家庭联网设备、应用软件、甚至家庭用户本身都有与之相关联的Agent。家庭联网设备之间以及用户和家庭联网设备之间的交互协作都通过与之相关联的Agent实现，构建智能家居系统的关键问题就是构建一个多Agent系统。
图1 SDSH的关键技术
2 家居设备之间的连接
由于智能家居系统的日趋复杂、同时也因为物联网技术的不断推进，使得家居设备之间的连接技术呈现“百家争鸣”的局面。不同设备之间的通信都必须遵循一定的协议标准，目前智能家居系统中存在的通信协议主要可以分为无线和有线两大领域。传统上比较倾向采用有线网络技术，比如：X-10技术、Insteon技术，采用这种技术安装，信号相对稳定，但布线过程复杂、施工麻烦、系统造价成本高，而且不便于后期新增设备的融入。后来兴起的无线通信技术解决之前布线难扩展不方便的问题，比如：蓝牙(Bluetooth)技术、WiFi技术、ZigBee技术和Z-wave技术，但是无线网络也受带宽的限制，而且需要付出高额的通信费用，文献[11]综合分析了典型无线通信技术的基本特点，如表1所示。
表1 典型无线通信技术比较
而文献[12]则基于IEEE 802.15.4e标准的无线自组织、终端自适应网络，并与智能家居有线网络相结合，搭建了一个较完整的现代智能家居系统。研究表明试验过程中通过上层界面、智能终端等对传感器节点进行环境、体征的实时监控及下行控制，可以使智能家居网络稳定、低能耗的运行，从而满足现代智能家居的实际应用需要。
但是随着无线网络技术不断成熟和普及，尤其是最近刚刚推出的5G网络，T-Mobile已经宣布意欲成为在美国第一家建立5G网络的无线运营商，但在更早之前AT&T也曾宣布计划成为第一家在美国建立5G网络的无线运营商，意图打压Verizon。这日趋激烈的商业竞争说明，全球都在为打造更加快速流畅的无线网络技术做贡献。所以在这样的时代背景下，无线网络技术在智能家居领域将成为今后主要的趋势。
鉴于无线网络技术具有无需布线、可动态扩展等优势，近年来许多团队针对无线传感器网络技术进行深入研究，并应用于智能家居领域。例如，Sandeep Pirbhulal、Heye Zhang等人应用分布式的无线传感器作为节点，建立家庭无线网络，可根据家庭环境及需求进行扩展，并提出了有效的密钥生成机制，保障用户使用安全[13]。而Murad Khan、Bhagya Nathali Silva等人则提出了一个基于物联网的新型传感器网络，从传感器采集数据发送至网络，并采用有代表性的状态转移架构将智能设备集成到家庭网络中[14]。实现家庭设备之间连接的目的是采集各种家庭环境信息，而如何利用这些信息实现满足用户需求的控制方法则应采用不同的控制策略及方法。
3 控制策略与实现方法
智能家居系统具有很强的异构性，其控制策略的研究涉及到目标数据感知、异构数据融合以及系统模型优化控制等几个方面的内容。
为了改善智能家居系统的控制效果，许多研究都在关注如何从目标数据的感知层面提高传感数据的准确性[15-19]。文献[15]指出智能家居的许多服务和应用都以室内定位技术为基础，同时提出了一套室内定位技术的分类方法，即利用可定位设备如手机、电子标签等，或非定位设备如相机、传感器网络等进行室内定位实现，并深入地分析了每种室内定位方法的特征、优点和缺点。文献[16]则面向服务机器人高精度的定位需求，提出一种利用包括RFID标签、智能物品、通信网关在内的智能空间信息对家庭服务机器人进行精准定位的新方法，可有效地提升服务机器人在复杂家庭动态环境中执行各种操作的能力。
随着智能家居产业的快速发展，用户的个性化需求和行为感知的不确定性已经成为当前智能家居控制技术发展的瓶颈所在。文献[17]提出利用位置传感器、运动传感器和生物传感器等可穿戴设备，在线感知用户的随机行为和个性化需求。文献[18]提出一种利用热释电红外传感器作为探测器，动态判定有无人体目标、目标方向及距离的新方法，借此提高此类传感器的感知范围和精确度，从而提升其在智能家居系统中的应用效果。为了改善因传感器异常事件影响智能家居生活中关键状况的准确判定，文献[19]提供了一种不依赖于特定训练数据的传感器异常事件检测新技术，将传感器的感知数据与基于统计的异常值检测方法相结合，不仅成功地检测出传感器的异常情况，还有效地提高关键活动的识别精度，该方法已在4类不同智能家居环境来源的数据集中得到科学地验证。
在异构数据的融合方面，智能家居系统的复杂化使得系统内部和子系统间的资源交互、数据关联和推理变得更加困难，如何针对不同智能设备产生的孤立、异构的感知数据，消除数据融合的壁垒，许多研究者提出了新方法，并进行了深入地探讨。文献[20]针对智能家居供暖温控系统中数据异构的问题，采用语义Web技术，建立了一种数据融合机制，通过数据语义标签的建立、多源数据间的语义关联和语义推理实现智能决策。文献[21]则将语义技术与物联网技术相结合，通过本体模型构建、设备抽象化、数据采集预测、指令查询响应的一系列处理实现对家居生活的智能化管理。
除此之外，近年来智能家居系统的目标已经逐渐地从智能设备互联转向智能家电能耗的优化控制和用户舒适度提升这两个方面。文献[17]将采集用户不确定的生活习惯数据，应用到基于空调、热水器等可调控节能设备的能耗控制模型中，在保证用户舒适度的前提下优化用电设备的控制策略达到节能环保、降低生活费用的效果，如图2所示。该方法已在智能家居仿真平台及其能源优化系统中得到成功地验证，并呈现出良好的市场应用前景。
图2 基于模型预测的智能家居的能源优化方法
4 智能家居的功能设计
智能家居控制功能的实现将经历三个阶段，即第一阶段满足传统家庭生活自动化，第二阶段实现互联互通的家庭生活管理，第三阶段个性化感知的智能家居生活。在第一阶段，人们将家庭生活涉及到的各项功能划分为8个子系统进行实现，分别为：家居布线系统、家庭网络系统、智能家居(中央)控制管理系统、家居照明控制系统、家庭安防系统、背景音乐系统、家庭影院与多媒体系统、家庭环境控制系统，以智能家居控制管理系统为中心实现家庭生活自动化。第二阶段与第一阶段比较则更为智能化，实现动态、交互、自学习的智能家居生活。到了第三阶段，家庭生活将拥有人工智能管理“大脑”，从而实现用户生活的个性化感知控制。
现今针对智能家居功能设计的研究主要面向3个方向：家庭环境管理、用户健康监控及用户使用习惯。文献[22]主要针对家庭能耗管理系统进行功能设计，将家电设备分为不可调度设备及可调度设备，从而根据动态电价、新能源储能等情况进行合理使用分配，其典型功能如下图3所示。而文献[23]则将图像识别技术应用于智能家居能耗管理系统。文献[24]则主要通过摄像设备采集老人的面部表情，通过构建数学模型进行分析，判断老人是否处于健康状态。文献[25]与文献[26]则对用户每日的行为习惯进行数据采集，通过几种变量的相关性及出现概率判断是否作为用户的日常习惯。
现阶段智能家居功能的设计实现处于第二阶段，由于家庭环境动态复杂，家庭成员结构多样，用户习惯差异性强等因素的存在，使得智能家居的功能设计无法以一种统一的定式满足用户的使用需求。据此，智能家居控制功能的设计实现则应以用户为中心，实现对家庭生活的控制与管理。如图3所示。
图3 家庭能耗管理系统的典型功能
5 人机交互技术的发展
人机交互是用户和智能家居系统沟通的方式，随着用户对家居便捷性、高效性的要求越来越高，人机交互技术成了智能家居科学研究中的重中之重。
人机交互技术的发展经历了以下几个阶段：手工作业阶段、作业控制语言与交互命令语言阶段、图形用户界面(GUI)阶段、网络用户界面，目前已经发展到多通道、多媒体的智能人机交互阶段。在众多的人机交互方式中，手机交互是当前智能家居人机交互方式的主流，用户可通过手机APP远程控制和定时开关相关的家居设备。手机交互通常采用图形用户界面的交互模式，陈列几项控制功能以供用户控制。文献[27]便设计了针对智能家居系统的移动客户端以及简单的人机交互界面，手机可通过互联网实现对服务器的远程访问，服务器将对下达的控制指令进行解析，根据设备不同的ID及操作指令代码，判断并实现控制功能。文献[28]基于Arduino Nano设计实现了智能家居远程人机交互的控制实验，可应用遥控器进行家庭生活的远程开/关控制，易于学习且操作简单。
新兴的交互方式也正不断地涌现，如体感交互、头部跟踪、语音交互、生物识别等，这些交互方式都应用了大量传感器对用户进行信息采集，通过对采集信息的算法实现或解析处理满足用户的控制功能，既解决了特殊人群(如残疾人、老年人等)的不便，又优化了家庭生活方式。文献[29-30]应用无线电信号或摄像设备采集用户的手势信号，通过数据预处理、特征量提取、信息分类与处理、手势识别4个步骤识别特定的手势，进而进行功能控制。文献[31]使用微软语音识别引擎作为输入源，进行智能家居无线语音控制，用户首先应说出设定语音，激活语音识别系统，之后再进行语音分类识别，下达控制指令。但是这类交互方式存在着使用识别率低、范围局限性大、功能机械等问题，如Siri、Cortana、GoogleNow这类智能助手，都还无法达到可以让人毫无障碍、随心所欲地和智能设备交流的水平。
文献[32]提到，由于用户需求因个体特征、设备特征和环境状况的不同而千差万别，因此研究一种能应对多种环境满足用户个体需要的自适应用户界面显得尤为重要。在文献[32]和[33]中，作者将自适应用户界面技术应用到了个性化家居定制系统，实验结果表明，自适应用户界面模型相比于传统自适应模型，更关注用户的交互历史经验，可为用户提供更自然流畅的交互方式和交互次序，减少用户认知负担和交互行为。自适应用户界面技术可根据用户的个性化需求和应用环境主动裁剪定制系统的显示和交互行为，极其适用于智能家居系统的应用需求，将成为今后智能家居人机交互技术的研究热点和发展趋势。
6 云服务技术应用前景
在云计算、云控制和云服务技术快速发展的今天，连接云环境的智能家居技术的应用将是未来的发展方向。现今云服务技术在智能家居方面的应用主要分为三个方向：(1)由于云服务遵循一对多的模型，因此可采集目标信息实现资源分配、融合及共享[34-35]。(2)可面向大量数据进行高效地信息处理与趋势预测[36-37]。(3)云物联技术的有效应用也将实现物与物、物与人、人与人之间的数据传输与信息交换，从而更好地服务于用户[38-39]。
文献[34]提出一种云服务平台，通过对社区和家庭的智能家居系统的信息融合来管理整个系统，另外通过联合平台的全球服务为系统提供全面的增值和扩展服务。文献[36]将消息云推送以及图像云存储等技术应用于智能家居系统，进行大量数据的采集、存储与管理，实现“云+端”智能家居模式。文献[38]提出了基于云平台的智能家居环境(CASE)架构的基本概念，适用于设计和开发优化的复杂智能家居应用。综上可知，云服务技术可融合多种技术，增强家庭生活的可拓展性、多样性与交互性，将是未来的发展方向。
因智能家居还存在安全、交互方式等方面的问题[40-41]，用户接受智能家居生活方式仍需一定的时间，但智能家居行业的进一步融合与发展将是未来趋势，并将覆盖至与用户生活相关的各方面。每个家庭都将存在一个“家庭管家”，对每个家庭的生活信息进行采集、记录，经过分析、比较与计算，为不同用户推送不同信息及相应安装包，并根据不同用户的使用习惯自动为用户提供相应服务，并不断进行相应的动态修正。用户也可通过手机等设备自动从云端下载个性化元件包、情景包等添加至“家庭管家”，如图4所示。
图4 未来智能家居结构图
7 总结
本文首先对智能家居行业现状进行介绍，进而提出建立一套完整的智能家居控制技术体系将对行业未来的发展融合至关重要。因此，本文分别对智能家居控制系统的组成结构、通信方式、控制策略、功能设计、人机交互及云服务技术的应用进行详细阐述。通过各环节的阐述不难看出，智能家居现阶段已基本实现家庭生活的自动化。但与此同时，智能设备的异构性、通信手段的多样性、行业保护等方面的技术壁垒，阻碍了智能家居的进一步发展，加之该领域发展至今仍未有较权威的行业规范得以普及，这也使得“多元化”问题越来越严重。未来智能家居将进一步融合各类先进技术，设备间的通信方式将朝着无线化方向发展，人机交互方式将向更加人性化的自动感应方向转变，智能单品的APP控制方式也将逐步被平台化控制所取代，实现更加智能化、人性化的“家庭管家”式服务。
作者：张 琦，陈新楚，郑 松，李晓倩 (福州大学 电气工程与自动化学院，福建 福州 350100)
