李 毅， 王 強， 張 帥， 華顯陽

(北京維拓時代建筑設計股份有限公司，北京 100025)

0 引言

國家“十四五”規(guī)劃綱要(中華人民共和國國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十四個五年規(guī)劃和2035 年遠景目標綱要)以較大篇幅對“加快數(shù)字化發(fā)展建設數(shù)字中國”作出了部署。 在專欄“數(shù)字化應用場景”中特別列出智慧家居應用場景:“應用感應控制、語音控制、遠程控制等技術手段，發(fā)展智能家電、智能照明、智能安防監(jiān)控、智能音箱、新型穿戴設備、服務機器人等”。 其滿足人們對美好生活追求的同時，另外一個優(yōu)勢是節(jié)能減排，使居住建筑節(jié)能、居家生活節(jié)能更便捷、更容易實現(xiàn)，從而為我國的“雙碳”目標實現(xiàn)做出貢獻。

建筑設計院作為建筑設計、系統(tǒng)集成設計及多資源整合方，不應“缺席”智慧家居系統(tǒng)設計的研究，筆者從住宅建筑電氣設計的角度，對智慧家居系統(tǒng)相關問題進行了分析、探討，提出一些觀點、方案供同行參考。

1 智慧家居系統(tǒng)特征分析

1.1 “智慧家居”概念

“智慧家居”與“智能家居”相比是比較新的概念，相關的技術與產(chǎn)品仍處于發(fā)展階段，其融入了智能家電、智能手機及更多的家庭智能設備，融入了更新的無線通信網(wǎng)絡技術、云計算、語音控制、人工智能等先進技術，可以認為“智慧家居”是“智能家居”的高級發(fā)展階段，代表了居住建筑電氣領域最新的技術發(fā)展方向。

1.2 智慧家居系統(tǒng)特征

“智慧家居”除了具備“智能家居”的基本功能以外，還具有以下特征。

1.2.1 個性化特征

與傳統(tǒng)的智能家居系統(tǒng)相同戶型、相同配置及功能的“千篇一律”不同，未來智慧家居系統(tǒng)的配置是開放的、“柔性”的、自然生長的。 隨著居住者不斷購置新的設備、設施，并根據(jù)自己的喜好、習慣，設定、改變控制程序，每家的設備配置和實現(xiàn)的功能各不相同，具有個性化特征。

1.2.2 “DIY”特征

傳統(tǒng)的智能住宅或智能家居系統(tǒng)是在房屋建造時一次完成的，是根據(jù)設計師的圖紙進行施工安裝，一旦完成很難改變。 而新一代的智慧家居系統(tǒng)具有可進化特征，可逐步構建的同時，使用者也可參與構建(“DIY”特征)。 對于新建住宅，建造時只需設置基礎設施，如網(wǎng)絡、網(wǎng)關、必要的智能開關及傳感器等，后期可根據(jù)需要逐步增加設備。 當使用者不滿意或有更高的期望時，可以替換、刪除、增補、演變，不需要推倒重來。

以智能照明系統(tǒng)舉例，傳統(tǒng)智能照明控制系統(tǒng)的控制面板布置、線路敷設及控制程序的嵌入，由施工單位或?qū)I(yè)公司完成，其功能基本被固化。 如果床頭柜位置未設置照明開關，想后期增加1 個控制開關是非常困難的。 智慧家居系統(tǒng)控制燈具可以采用無線控制開關，開關可以隨意放置。 總體來說，“智慧家居”系統(tǒng)構建及實現(xiàn)的功能是“柔性”的，而不是“剛性”的。

1.2.3 “人性化”特征

智慧家居系統(tǒng)可以根據(jù)使用者的生活習慣、操作習慣進行調(diào)整，既能滿足使用者的功能訴求，又能滿足使用者的心理需求。

以智能照明系統(tǒng)舉例，傳統(tǒng)的智能照明面板設置了模式按鍵，使用者按照已經(jīng)確定的模式按鍵進行操作，無論你是否喜歡都無法改變，具有“強迫”的性質(zhì)。 智慧家居系統(tǒng)的燈開關面板與傳統(tǒng)面板具有相同的操作方法，但是否開啟其智能功能由使用者決定。 使用者可以開啟感應控制、遠端控制、語音控制、聯(lián)動控制，也可以仍選擇習慣的機械方式控制，可以由使用者“隨心所欲”調(diào)整或改變。

基于以上特征分析，智慧家居與傳統(tǒng)智能家居系統(tǒng)的設備配置與系統(tǒng)構建方式有一定的不同，筆者根據(jù)目前的技術發(fā)展現(xiàn)狀，對兩者的不同之處進行了分析，詳見表1 所示。

表1 智慧家居系統(tǒng)設備配置與系統(tǒng)構建特點分析表

2 智慧家居構建與發(fā)展的關鍵要素分析

智慧家居概念的演變及發(fā)展并非來自于頂層設計，而是隨著科技產(chǎn)品的不斷涌現(xiàn)、發(fā)展，越來越多的智能產(chǎn)品進入家庭，特別是隨著網(wǎng)絡技術的發(fā)展、人工智能技術的發(fā)展、產(chǎn)品的數(shù)字化趨勢以及人們對于美好生活的追求，促進了智慧家居系統(tǒng)的構建與形成。

(1)住宅建筑智能產(chǎn)品的發(fā)展及進步是智慧家居構建的基礎條件

隨著智能產(chǎn)品技術水平的提升及制造成本的降低，住宅建筑智能產(chǎn)品不斷的豐富與普及，為智慧家居的構建創(chuàng)造了基礎條件。

如1)家庭專用型智能照明開關產(chǎn)品逐步得到應用，其操控方式符合居住者的操控習慣，方便使用者隨意構建家庭智能照明場景。 2)智能電源插座內(nèi)嵌控制模塊、通信模塊，也可以嵌入電能計量模塊，通過手機App 與家庭無線網(wǎng)關連接，實現(xiàn)電源開、關的定時控制及聯(lián)動控制。 3)智能音箱產(chǎn)品的完善及普及，使語音控制成為可能。 4)家庭傳感器、測量儀不斷豐富，可以方便實現(xiàn)感應控制。 5)以智能手表為代表的智能穿戴設備越來越普及，并融入智慧家居系統(tǒng)，豐富了智慧家概念的內(nèi)涵。

(2)智能家電的發(fā)展及融入使智慧家居更貼近人們的生活

隨著家庭電器智能化率的提升，智能家用電器越來越多的進入家庭，如智能電視、智能空調(diào)、智能清掃機器人、智能洗衣機、智能電飯鍋等，未來家庭“一切皆智能”。 智慧家居不再僅僅局限于智能照明、智能窗簾、智能安防等，已經(jīng)覆蓋居住、生活的各個方面，使得更多的人接受、喜愛。

(3)智能手機(App)極簡交互界面促進了智慧家居的普及應用

智能手機作為一種數(shù)字化設備已經(jīng)成為人的機體的“外掛設備”，智能手機作為智慧家居系統(tǒng)的核心設備，無可替代。 實際上，正是由于智能手機的普及促進了智能家居、智慧家居的發(fā)展，因為智能手機App 是目前實現(xiàn)人機交互的最佳方式。

家庭智能主機操控屏、PC 機操控界面、操控面板均存在操控不方便的問題，對于非專業(yè)人士難以掌握，讓使用者“望而卻步”。 智能手機(App)的菜單式觸屏界面最符合人的使用習慣、最人性化。 由于手機是隨身攜帶的，可以隨時、隨地操作，成為人與物交互難以替代的最佳媒介。

3 智慧家居系統(tǒng)框架設計探討

從住宅建筑電氣設計的視角，智慧家居系統(tǒng)可以分為3 層結(jié)構:基礎設備層、建筑設備層、生活設備層。 建筑電氣設計時應考慮基礎設備層、建筑設備層的設計，同時應關注整個“智慧家居”系統(tǒng)框架及構建內(nèi)容，關注生活設備層的條件預留(電源、網(wǎng)絡需求)。 “智慧家居”系統(tǒng)框架圖見圖1 所示。

圖1 “智慧家居”系統(tǒng)框架示意圖

3.1 基礎設備層

建筑電氣設計者不應局限于家庭弱電箱預留、通信網(wǎng)絡接口預留，應對智慧家居核心設備作出合理安排、布置。 基礎設備包括家庭網(wǎng)絡設備、核心控制設備、語音控制設備等。

3.1.1 家庭網(wǎng)絡設備

傳統(tǒng)的住宅建筑電氣設計將通信光纖引入家庭弱電箱，主要房間設置網(wǎng)絡通信插座，其他工作交給用戶和通信公司完成。 目前，家庭成員的生活和娛樂完全離不開無線網(wǎng)絡，戶內(nèi)無線信號的強度、均勻度往往成為困擾人們的一個問題。

Wi-Fi 信號覆蓋是實現(xiàn)遠端控制、云服務器控制的基本條件。 智慧家居的建筑電氣設計要整體考慮戶內(nèi)無線網(wǎng)絡覆蓋的方式以及設備、管線的布置。

3.1.2 核心控制設備

智慧家居最主要核心控制設備為智能家庭主機、家庭智能網(wǎng)關、手機(App)。

(1)智能家庭主機

采用設有智能家庭主機的方案，系統(tǒng)設備連接一般采用有線、無線混合方式(即1+2+N 模式:家庭主機+有線和無線+智能終端)。 對于高檔住宅、大戶型住宅(如別墅項目、大平層項目等)可以采用家庭主機系統(tǒng)，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，但成本相對較高，靈活性弱。 對于普通住宅項目宜采用無家庭主機系統(tǒng)(需設置家庭智能網(wǎng)關)，構建靈活、成本低，缺點是穩(wěn)定性相對弱。

(2)家庭智能網(wǎng)關

家庭智能網(wǎng)關是智慧家居的中樞，應成為基本配置。 住宅建筑作為城市物聯(lián)網(wǎng)的1 個基本單元，將實現(xiàn)物與物的連接、物與人的連接，設備之間的聯(lián)動及人與設備的互動。 家庭智能網(wǎng)關的設置應考慮滿足家庭智能設備的互聯(lián)、互通要求，考慮通信信號的類型、兼容性(宜兼容Wi-Fi、Zigbee、藍牙等通信協(xié)議)。 設置位置應考慮設備通信的距離，宜靠近房間中間，預留電源及網(wǎng)絡接口。

(3)手機(App)

通過手機(App)可實現(xiàn)云端服務器控制，手機(App)無疑是智慧家居系統(tǒng)的重要核心設備之一。手機與智能設備的連接有以下3 種方案。

方案1:手機(App)+智能終端。 使用手機可以對智能終端進行控制程序設定，實現(xiàn)遠程通信和遠程控制，但功能相對較弱。

方案2:手機(App)+無線智能網(wǎng)關+智能終端。方案2 除實現(xiàn)方案1 的功能外，可實現(xiàn)不同智能終端之間的聯(lián)動，擴展性強、宜推廣，但穩(wěn)定性弱。

方案3:手機(App)+智能家庭主機+無線智能網(wǎng)關+智能終端。 方案3 的穩(wěn)定性高、實現(xiàn)難度大、成本高、擴展性弱。

3.1.3 語音控制設備

實現(xiàn)語音控制是智慧家居的一大亮點，智能音箱應成為智慧家居的基本配置。 智能音箱具備接受語音指令、音樂播放、語音提示、語音報警能力。AI 智能音箱具有一定的對話能力，智能音箱的應用提升用戶的體驗感及使用樂趣。 應根據(jù)戶型面積大小及平面布局，合理配置智能音箱(1 個或多個)，客廳、主臥室宜設置智能音箱。

3.2 建筑設備層

建筑設備層主要滿足建筑功能與建筑環(huán)境的需求，大部分內(nèi)容屬于建筑電氣、弱電智能化的設計范疇，包括照明控制、電源控制、環(huán)境控制、安防報警等。

3.2.1 照明控制

智能照明開關將逐步被取代傳統(tǒng)照明開關，家庭照明智能化將成為智慧家居的基本配置。 智能照明開關應采用家庭專用型，不宜采用公共建筑使用的傳統(tǒng)的智能照明控制面板。 傳統(tǒng)的智能照控制面板上有若干個模式按鍵，固化了燈具控制模式，不適合功能擴展、不方便操作。 智能照明開關操控方式應符合居住者的操控習慣，方便使用者隨意構建家庭智能照明場景。

3.2.2 電源控制

智能電源插座宜逐步取代傳統(tǒng)電源插座(這里指建筑墻面上安裝的電源插座)。 傳統(tǒng)的電源插座只是提供電源插頭插拔功能的裝置，智能電源插座內(nèi)嵌控制模塊、通信模塊，也可以嵌入電能計量模塊。 可以通過手機App 與家庭無線網(wǎng)關連接，實現(xiàn)電源開關控制、定時控制、聯(lián)動控制。 電視墻、書房、衛(wèi)生間等處有許多用電設備處于長期的待機耗電狀態(tài)，宜采用智能電源插座供電，可減少待機耗電并提高用電安全。

3.2.3 環(huán)境控制

集中式環(huán)境設備包括集中空調(diào)、集中新風、集中供暖等設備，控制系統(tǒng)應設置與智慧家居通信協(xié)議匹配的接口，融入智慧家居系統(tǒng)，可以與其他智能設備聯(lián)動，通過手機App 進行操控。

獨立式的環(huán)境設備包括分體空調(diào)、新風機、電暖氣等設備，一般具有獨立的控制功能。 應融入智慧家居系統(tǒng)，可以實現(xiàn)感應控制(配合環(huán)境傳感器，包括溫度、濕度及PM2.5、甲醛、CO2等空氣質(zhì)量測量)、語音控制(配合智能音箱)、遠距離控制(配合手機App)等功能。

3.2.4 安防控制

住宅建筑戶內(nèi)應安裝安防對講機、緊急報警按鈕、燃氣報警器、外窗幕簾探測器等(各地規(guī)范、標準要求有所不同)，此部分內(nèi)容可以稱為建筑安防。建筑安防系統(tǒng)是在房屋建造過程中被固化的系統(tǒng)，信號接入小區(qū)安防控制室，由物業(yè)人員管理。

對于智慧家居系統(tǒng)，用戶可以根據(jù)需要后期自行添加智能安防設備(如煙霧探測器、燃氣探測器、門窗探測器、水浸探測器、人體傳感器、無線報警按鈕、攝像頭等)，并連接到家庭智能網(wǎng)關、用戶手機，用戶可以在任何有網(wǎng)絡的地方查看家中安全狀況，方便及時處理緊急情況。 此部分內(nèi)容可以稱為家居安防，作為建筑安防的補充。

3.3 生活設備層

生活設備主要指智能家電、智能生活設施、娛樂設施，是智慧家居最豐富、滿足用戶美好體驗的重要部分。 生活設備層不屬于傳統(tǒng)建筑電氣設計范疇，在設計時應考慮常用智能電器、智能設施的電源預留(如智能馬桶、智能窗簾、智能晾衣桿、掃地機器人等)。

以智能電視為例，其本身自帶智能功能，通過網(wǎng)絡連接融入智慧家居系統(tǒng)，可以與燈光、窗簾音箱等設備聯(lián)動、構建智能場景。 可以認為智慧家居是一種群智能系統(tǒng)，每個智能設備是1 個基本單元，各設備之間構成網(wǎng)狀連接，場景的構建不依賴中央控制器，呈現(xiàn)去中心化趨勢。

4 智慧家居與常規(guī)住宅在電氣設計的區(qū)別分析

對比《住宅建筑電氣設計規(guī)范》JGJ 242—2011要求，對常規(guī)住宅建筑電氣設計與智慧家居電氣設計的區(qū)別進行了分析，主要區(qū)別詳見表2。

表2 常規(guī)住宅建筑電氣設計與智慧家居電氣設計不同要求對照表

根據(jù)表2 的分析，智慧家居電氣設計與常規(guī)住宅電氣設計有很大的不同，需要設計人員有創(chuàng)新思維、全盤考慮、精細化設計。

5 智慧家居對實現(xiàn)“雙碳”目標的作用

根據(jù)有關研究報告[6]數(shù)據(jù)，2019 年城鎮(zhèn)住宅能耗(不含北方供暖)為2.42 億tce，占建筑總商品能耗的24%，其中電力消耗5 374 億kWh。 可見，減少住宅電力能耗是實現(xiàn)“雙碳”目標的重要一環(huán)。《住宅建筑電氣設計規(guī)范》JGJ 242—2011 在9.5 條照明節(jié)能章節(jié)中，僅對住宅建筑公共空間的照明節(jié)能作出規(guī)定，對于戶內(nèi)電氣節(jié)能并未提出要求。 因此，戶內(nèi)家庭電氣節(jié)能標準還有待提高。

減少家庭無效能耗是降低住宅電力能耗的有效措施之一。 通過對家庭電耗構成的剖析，發(fā)現(xiàn)造成家庭無效能耗的主要原因有兩類:一類是持續(xù)加熱類電器，如電熱水器、廚寶、飲水機、智能馬桶圈，這些電器由于長時間待機并反復加熱，全年耗電量不容小覷。 第二類就是各類電器的待機能耗，家庭大部分電器在不使用時都處于待機狀態(tài)，如空調(diào)機、充電器、電飯煲、音箱、電視機頂盒等，單獨看每個電器的待機電耗都不大，但積少成多也變成家庭電耗中不容忽視的構成成分(電器一年的待機功耗累加可達100kWh 左右)。

智慧家居系統(tǒng)對于戶內(nèi)電氣節(jié)能的實現(xiàn)具有一定優(yōu)勢，通過定時控制、感應控制、聯(lián)動控制，可以使家庭電器設備處于經(jīng)濟運行狀態(tài)、減少無效耗能，從而達到家庭節(jié)電的目的。 例如，電視機頂盒、儲水式電熱水器等電源插座宜采用智能電源插座，實現(xiàn)夜間、家庭無人時間段自動關閉；衛(wèi)生間排風扇與人體感應探測器聯(lián)動，實現(xiàn)人離開后延時自動關閉；在夏天氣候炎熱的情況下，窗簾會自動關上，避免屋內(nèi)過熱，減少空調(diào)系統(tǒng)的能源消耗。

智慧家居技術可以通過簡潔的控制方式促進人們的行為節(jié)能，促進人們向低碳生活方式轉(zhuǎn)變，促進“雙碳”目標實現(xiàn)。

6 結(jié)束語

智慧家居的概念及內(nèi)涵仍處于不斷的發(fā)展與演變的過程中，市場端的需求旺盛(特別是住宅裝修市場)，一些新建住宅項目也在進行著各種嘗試與探索。 相信隨著科技進步與發(fā)展及人們對美好生活的追求越來越高，智慧家居必然不斷的豐富與發(fā)展，越來越多的智慧家居產(chǎn)品未來將由“可選項”成為“必選項”。 目前，智慧家居相關的建筑電氣設計規(guī)范、標準相對滯后，傳統(tǒng)的設計方法、表達方式遇到“挑戰(zhàn)”。 本文只是拋磚引玉，希望推動相關領域的研究不斷深入。