智慧家居系統電氣設計探討

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”規劃綱要(中華人民共和國國民經濟和社會發展第十四個五年規劃和2035 年遠景目標綱要)以較大篇幅對“加快數字化發展建設數字中國”作出了部署。 在專欄“數字化應用場景”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，發展智能家電、智能照明、智能安防監控、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，另外一個優勢是節能減排，使居住建筑節能、居家生活節能更便捷、更容易實現，從而為我國的“雙碳”目標實現做出貢獻。

建筑設計院作為建筑設計、系統集成設計及多資源整合方，不應“缺席”智慧家居系統設計的研究，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，相關的技術與產品仍處于發展階段，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”的高級發展階段，代表了居住建筑電氣領域最新的技術發展方向。

1.2 智慧家居系統特征

“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

與傳統的智能家居系統相同戶型、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的功能各不相同，具有個性化特征。

1.2.2 “DIY”特征

傳統的智能住宅或智能家居系統是在房屋建造時一次完成的，是根據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，如網絡、網關、必要的智能開關及傳感器等，后期可根據需要逐步增加設備。 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。

以智能照明系統舉例，傳統智能照明控制系統的控制面板布置、線路敷設及控制程序的嵌入，由施工單位或專業公司完成，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”系統構建及實現的功能是“柔性”的，而不是“剛性”的。

1.2.3 “人性化”特征

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

以智能照明系統舉例，傳統的智能照明面板設置了模式按鍵，使用者按照已經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。 智慧家居系統的燈開關面板與傳統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”調整或改變。

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

表1 智慧家居系統設備配置與系統構建特點分析表

2 智慧家居構建與發展的關鍵要素分析

智慧家居概念的演變及發展并非來自于頂層設計，而是隨著科技產品的不斷涌現、發展，越來越多的智能產品進入家庭，特別是隨著網絡技術的發展、人工智能技術的發展、產品的數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的構建與形成。

(1)住宅建筑智能產品的發展及進步是智慧家居構建的基礎條件

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

如1)家庭專用型智能照明開關產品逐步得到應用，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 與家庭無線網關連接，實現電源開、關的定時控制及聯動控制。 3)智能音箱產品的完善及普及，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，豐富了智慧家概念的內涵。

(2)智能家電的發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、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字化設備已經成為人的機體的“外掛設備”，智能手機作為智慧家居系統的核心設備，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、智慧家居的發展，因為智能手機App 是目前實現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 智慧家居系統框架設計探討

從住宅建筑電氣設計的視角，智慧家居系統可以分為3 層結構: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”系統框架及構建內容，關注生活設備層的條件預留(電源、網絡需求)。 “智慧家居”系統框架圖見圖1 所示。

圖1 “智慧家居”系統框架示意圖

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絡設備、核心控制設備、語音控制設備等。

3.1.1 家庭網絡設備

傳統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絡，戶內無線信號的強度、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無線網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，提高系統的穩定性，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(需設置家庭智能網關)，構建靈活、成本低，缺點是穩定性相對弱。

(2)家庭智能網關

家庭智能網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網的1 個基本單元，將實現物與物的連接、物與人的連接，設備之間的聯動及人與設備的互動。 家庭智能網關的設置應考慮滿足家庭智能設備的互聯、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，預留電源及網絡接口。

(3)手機(App)

通過手機(App)可實現云端服務器控制，手機(App)無疑是智慧家居系統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)+無線智能網關+智能終端。方案2 除實現方案1 的功能外，可實現不同智能終端之間的聯動，擴展性強、宜推廣，但穩定性弱。

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

3.1.3 語音控制設備

實現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境的需求，大部分內容屬于建筑電氣、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的智能照明控制面板。 傳統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電源插座(這里指建筑墻面上安裝的電源插座)。 傳統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 與家庭無線網關連接，實現電源開關控制、定時控制、聯動控制。 電視墻、書房、衛生間等處有許多用電設備處于長期的待機耗電狀態，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 環境控制

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

獨立式的環境設備包括分體空調、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，可以實現感應控制(配合環境傳感器，包括溫度、濕度及PM2.5、甲醛、CO2等空氣質量測量)、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(各地規范、標準要求有所不同)，此部分內容可以稱為建筑安防。建筑安防系統是在房屋建造過程中被固化的系統，信號接入小區安防控制室，由物業人員管理。

對于智慧家居系統，用戶可以根據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關、用戶手機，用戶可以在任何有網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，通過網絡連接融入智慧家居系統，可以與燈光、窗簾音箱等設備聯動、構建智能場景。 可以認為智慧家居是一種群智能系統，每個智能設備是1 個基本單元，各設備之間構成網狀連接，場景的構建不依賴中央控制器，呈現去中心化趨勢。

4 智慧家居與常規住宅在電氣設計的區別分析

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

表2 常規住宅建筑電氣設計與智慧家居電氣設計不同要求對照表

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

5 智慧家居對實現“雙碳”目標的作用

根據有關研究報告[6]數據，2019 年城鎮住宅能耗(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“雙碳”目標的重要一環?！蹲≌ㄖ姎庠O計規范》JGJ 242—2011 在9.5 條照明節能章節中，僅對住宅建筑公共空間的照明節能作出規定，對于戶內電氣節能并未提出要求。 因此，戶內家庭電氣節能標準還有待提高。

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，發現造成家庭無效能耗的主要原因有兩類:一類是持續加熱類電器，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，如空調機、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)。

智慧家居系統對于戶內電氣節能的實現具有一定優勢，通過定時控制、感應控制、聯動控制，可以使家庭電器設備處于經濟運行狀態、減少無效耗能，從而達到家庭節電的目的。 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，實現夜間、家庭無人時間段自動關閉；衛生間排風扇與人體感應探測器聯動，實現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，避免屋內過熱，減少空調系統的能源消耗。

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能，促進人們向低碳生活方式轉變，促進“雙碳”目標實現。

6 結束語

智慧家居的概念及內涵仍處于不斷的發展與演變的過程中，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展，越來越多的智慧家居產品未來將由“可選項”成為“必選項”。 目前，智慧家居相關的建筑電氣設計規范、標準相對滯后，傳統的設計方法、表達方式遇到“挑戰”。 本文只是拋磚引玉，希望推動相關領域的研究不斷深入。