智慧家居系統(tǒng)電氣設(shè)計(jì)探討

國家“十四五”規(guī)劃綱要（中華人民共和國國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展第十四個五年規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要）以較大篇幅對“加快數(shù)字化發(fā)展建設(shè)數(shù)字中國”作出了部署。在專欄９“數(shù)字化應(yīng)用場景”中特別列出智慧家居應(yīng)用場景：“應(yīng)用感應(yīng)控制、語音控制、遠(yuǎn)程控制等技術(shù)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(shè)備、服務(wù)機(jī)器人等”。智慧家居應(yīng)用場景滿足了人們對美好生活的追求，實(shí)現(xiàn)居家生活的更舒適、更健康、更安全目標(biāo)。

智慧家居的另外一個優(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(shí)現(xiàn)，從而為我國的“雙碳目標(biāo)”實(shí)現(xiàn)做出貢獻(xiàn)。

建筑設(shè)計(jì)院作為建筑設(shè)計(jì)、系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)及多資源整合方不應(yīng)“缺席”智慧家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)的研究，筆者從住宅建筑電氣設(shè)計(jì)的角度，對智慧家居系統(tǒng)相關(guān)問題進(jìn)行了分析、探討，提出一些觀點(diǎn)、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(guān)的技術(shù)與產(chǎn)品仍處于發(fā)展階段，其融入了智能家電、智能手機(jī)及更多的家庭智能設(shè)備，融入了更新的無線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、云計(jì)算、語音控制、人工智能等先進(jìn)技術(shù)，可以認(rèn)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(lǐng)域最新的技術(shù)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個性化特征傳統(tǒng)的智能家居系統(tǒng)按照一套設(shè)計(jì)圖紙施工、建造，相同的戶型的智能家居系統(tǒng)的設(shè)備配置及系統(tǒng)功能是一樣的，是“千篇一律”的。未來的智慧家居系統(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(shè)備、設(shè)施，并根據(jù)自己的喜好、習(xí)慣，設(shè)定、改變控制程序，每家的設(shè)備配置和實(shí)現(xiàn)的功能是各不相同的，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(shè)計(jì)師的圖紙進(jìn)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(jìn)化特征，智慧家居系統(tǒng)可逐步構(gòu)建，使用者參與構(gòu)建（“DIY”特征）。對于新建住宅，建造時只需設(shè)置基礎(chǔ)設(shè)施，如網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)關(guān)、必要的智能開關(guān)及傳感器等，后期可根據(jù)需要逐步增加設(shè)備。當(dāng)使用者不滿意或有更高的期望時，不需要推倒重來，可以替換、刪除、增補(bǔ)、演變。以智能照明系統(tǒng)舉例，傳統(tǒng)的智能照明控制系統(tǒng)的控制面板布置、線路敷設(shè)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(shè)置照明開關(guān)，想后期增加1個控制開關(guān)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(guān)，開關(guān)可以隨意放置?！爸腔奂揖印毕到y(tǒng)構(gòu)建及實(shí)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(xí)慣、操作習(xí)慣進(jìn)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(shè)置了模式按鍵，使用者按照已經(jīng)確定的模式按鍵進(jìn)行操作，無論你是否喜歡都無法改變，具有“強(qiáng)迫”的性質(zhì)。智慧家居系統(tǒng)的燈開關(guān)面板與傳統(tǒng)面板具有相同的操作方法，是否開啟其智能功能由使用者決定。使用者可以開啟感應(yīng)控制、遠(yuǎn)端控制、語音控制、聯(lián)動控制，也可以仍選擇習(xí)慣的機(jī)械方式控制，可以由使用者“隨心所欲”調(diào)整或改變。智慧家居實(shí)現(xiàn)人與設(shè)備的交互、體現(xiàn)人的意志與愿望。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(shè)備配置與系統(tǒng)構(gòu)建方式有一定的不同，筆者根據(jù)目前的技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，對兩者的不同之處進(jìn)行了分析，詳見表1所示。2智慧家居構(gòu)建與發(fā)展的關(guān)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(shè)計(jì)，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(jìn)入家庭，特別是網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展、人工智能技術(shù)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(jìn)了智慧家居系統(tǒng)的構(gòu)建與形成。(1)住宅建筑智能產(chǎn)品的發(fā)展及進(jìn)步是智慧家居構(gòu)建的基礎(chǔ)條件隨著智能產(chǎn)品技術(shù)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(gòu)建創(chuàng)造了基礎(chǔ)條件。家庭專用型智能照明開關(guān)產(chǎn)品逐步得到應(yīng)用，其操控方式符合居住者的操控習(xí)慣，方便使用者隨意構(gòu)建家庭智能照明場景。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(jì)量模塊，可以通過手機(jī)APP與家庭無線網(wǎng)關(guān)連接，可以實(shí)現(xiàn)電源開、關(guān)的定時控制及聯(lián)動控制。智能音箱產(chǎn)品的完善及普及，使語音控制成為可能。家庭傳感器、測量儀不斷豐富，可以方便實(shí)現(xiàn)感應(yīng)控制。以智能手表為代表的智能穿戴設(shè)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(jìn)入家庭，如智能電視、智能空調(diào)、智能清掃機(jī)器人、智能洗衣機(jī)、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(jī)（APP）極簡交互界面促進(jìn)了智慧家居的普及應(yīng)用智能手機(jī)作為一種數(shù)字化設(shè)備已經(jīng)成為人的機(jī)體的“外掛設(shè)備”，智能手機(jī)作為智慧家居系統(tǒng)的核心設(shè)備，無可替代。實(shí)際上，正是由于智能手機(jī)的普及促進(jìn)了智能家居、智慧家居的發(fā)展，因?yàn)橹悄苁謾C(jī)APP是目前實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互的最佳方式。家庭智能主機(jī)操控屏、PC機(jī)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(jī)（APP）的菜單式觸屏界面最符合人的使用習(xí)慣、最人性化。由于手機(jī)是隨身攜帶的，可以隨時、隨地操作，可以就地控制，也可以遠(yuǎn)程控制，智慧生活盡在“掌握”。智慧家居應(yīng)是以人為核心，智能手機(jī)是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(shè)計(jì)探討從住宅建筑電氣設(shè)計(jì)的視角，智慧家居系統(tǒng)可以分為3層結(jié)構(gòu)：基礎(chǔ)設(shè)備層、建筑設(shè)備層、生活設(shè)備層。建筑電氣設(shè)計(jì)時應(yīng)考慮基礎(chǔ)設(shè)備層、建筑設(shè)備層的設(shè)計(jì)，同時應(yīng)關(guān)注整個“智慧家居”系統(tǒng)框架及構(gòu)建內(nèi)容，關(guān)注生活設(shè)備層的條件預(yù)留（電源、網(wǎng)絡(luò)需求）?！爸腔奂揖印毕到y(tǒng)框架圖見圖1所示。3.1基礎(chǔ)設(shè)備層建筑電氣設(shè)計(jì)者不應(yīng)局限于家庭弱電箱預(yù)留、通信網(wǎng)絡(luò)接口預(yù)留，應(yīng)對智慧家居核心設(shè)備作出合理安排、布置?；A(chǔ)設(shè)備包括家庭網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、核心控制設(shè)備、語音控制設(shè)備等。3.1.1家庭網(wǎng)絡(luò)設(shè)備傳統(tǒng)的住宅建筑電氣設(shè)計(jì)將通信光纖引入戶弱電箱，主要房間設(shè)置網(wǎng)絡(luò)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(luò)，戶內(nèi)無線信號的強(qiáng)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(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)端控制、云服務(wù)器控制的基本條件。智慧家居的建筑電氣設(shè)計(jì)要整體考慮戶內(nèi)無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋的方式以及設(shè)備、管線的布置。3.1.2

核心控制設(shè)備智慧家居最主要核心控制設(shè)備為智能家庭主機(jī)、家庭智能網(wǎng)關(guān)、手機(jī)（APP）。（1）智能家庭主機(jī)

采用設(shè)有智能家庭主機(jī)的方案，系統(tǒng)設(shè)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(jī)＋有線和無線＋智能終端）。對于高檔住宅、大戶型住宅（如別墅項(xiàng)目、大平層項(xiàng)目等）可以采用家庭主機(jī)系統(tǒng)，可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，但成本相對較高，靈活性弱。對于普通住宅項(xiàng)目宜采用無家庭主機(jī)系統(tǒng)（需設(shè)置家庭智能網(wǎng)關(guān)），構(gòu)建靈活、成本低，缺點(diǎn)是穩(wěn)定性相對弱。（２）家庭智能網(wǎng)關(guān)

家庭智能網(wǎng)關(guān)是智慧家居的中樞，應(yīng)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(shí)現(xiàn)物與物的連接、物與人的連接，設(shè)備之間的聯(lián)動及人與設(shè)備的互動依賴于家庭網(wǎng)關(guān)。家庭智能網(wǎng)關(guān)的設(shè)置應(yīng)考慮滿足家庭智能設(shè)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(lán)牙等通信協(xié)議）。設(shè)置位置應(yīng)考慮設(shè)備通信的距離，宜靠近房間中間位置，預(yù)留電源及網(wǎng)絡(luò)接口。（３）手機(jī)（APP）

通過手機(jī)（APP）可實(shí)現(xiàn)云端服務(wù)器控制，手機(jī)（APP）無疑是智慧家居系統(tǒng)的重要核心設(shè)備之一。手機(jī)與智能設(shè)備的連接有以下3種方案。

方案1：手機(jī)（APP）＋智能終端。使用手機(jī)可以對智能終端進(jìn)行控制程序設(shè)定，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程通信和遠(yuǎn)程控制，可實(shí)現(xiàn)的功能相對較弱。

方案2：手機(jī)（APP）＋無線智能網(wǎng)關(guān)＋智能終端。方案2除實(shí)現(xiàn)方案1的功能外，可實(shí)現(xiàn)不同智能終端之間的聯(lián)動，擴(kuò)展性強(qiáng)、宜于推廣，但穩(wěn)定性弱。

方案3：手機(jī)（APP）＋智能家庭主機(jī)＋無線智能網(wǎng)關(guān)＋智能終端。方案3的穩(wěn)定性高、實(shí)現(xiàn)難度大、成本高、擴(kuò)展性弱。3.1.3

語音控制設(shè)備實(shí)現(xiàn)語音控制是智慧家居的一大亮點(diǎn)，智能音箱應(yīng)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(bào)警能力。AI智能音箱具有一定的對話能力，智能音箱的應(yīng)用提升用戶的體驗(yàn)感及使用樂趣。應(yīng)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(shè)置智能音箱。3.2建筑設(shè)備層建筑設(shè)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(shè)計(jì)范疇，包括照明控制、電源控制、環(huán)境控制、安防報(bào)警等。3.2.1

照明控制智能照明開關(guān)將逐步被取代傳統(tǒng)照明開關(guān)，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(guān)應(yīng)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(kuò)展、不方便操作。智能照明開關(guān)操控方式應(yīng)符合居住者的操控習(xí)慣，方便使用者隨意構(gòu)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（這里說的電源插座是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(jì)量模塊?？梢酝ㄟ^手機(jī)APP與家庭無線網(wǎng)關(guān)連接，可以實(shí)現(xiàn)電源開關(guān)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(shè)備處于長期的待機(jī)耗電狀態(tài)，宜采用智能電源插座供電，可減少待機(jī)耗電并提高用電安全。3.2.3

環(huán)境控制集中式環(huán)境設(shè)備（包括集中空調(diào)、集中新風(fēng)、集中供暖等設(shè)備），控制系統(tǒng)應(yīng)設(shè)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(shè)備聯(lián)動，可以通過手機(jī)APP進(jìn)行操控。

獨(dú)立式的環(huán)境設(shè)備（包括分體空調(diào)、新風(fēng)機(jī)、電暖氣等設(shè)備），一般具有獨(dú)立的控制功能。應(yīng)融入智慧家居系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)感應(yīng)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(yuǎn)距離控制（配合手機(jī)APP）等功能。3.2.4

安防控制住宅建筑戶內(nèi)應(yīng)安裝安防對講機(jī)、緊急報(bào)警按鈕、燃?xì)鈭?bào)警器、外窗幕簾探測器等（各地規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)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)，用戶可以后期根據(jù)需要自行添加智能安防設(shè)備，如煙霧探測器、燃?xì)馓綔y器、門窗探測器、水浸探測器、人體傳感器、無線報(bào)警按鈕、攝像頭等，智能安防設(shè)備的監(jiān)測信號、報(bào)警信號可以發(fā)送到家庭智能網(wǎng)關(guān)、用戶手機(jī)，用戶可以在任何有網(wǎng)絡(luò)的地方查看家中安全狀況、接受報(bào)警信號，方便及時處理緊急情況。此部分內(nèi)容可以稱為家居安防，家居安防可以作為建筑安防的補(bǔ)充。3.3生活設(shè)備層生活設(shè)備主要指智能家電、智能生活設(shè)施、娛樂設(shè)施，是智慧家居最豐富、滿足用戶美好體驗(yàn)的重要部分。對于生活設(shè)備層，不屬于傳統(tǒng)建筑電氣設(shè)計(jì)范疇。建筑電氣設(shè)計(jì)應(yīng)考慮常用智能電器、智能設(shè)施的電源預(yù)留，如智能馬桶、智能窗簾、智能晾衣桿、掃地機(jī)器人等。以智能電視為例，其本身自帶智能功能，通過網(wǎng)絡(luò)連接融入智慧家居系統(tǒng)，可以與燈光、窗簾音箱等設(shè)備聯(lián)動、構(gòu)建智能場景。可以認(rèn)為智慧家居是一種群智能系統(tǒng)，每個智能設(shè)備是1個基本單元，各設(shè)備之間構(gòu)成網(wǎng)狀連接，場景的構(gòu)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(shè)計(jì)的區(qū)別分析對比《住宅建筑電氣設(shè)計(jì)規(guī)范》JGJ242—2011要求，對常規(guī)住宅建筑電氣設(shè)計(jì)與智慧家居電氣設(shè)計(jì)的區(qū)別進(jìn)行了分析，主要區(qū)別詳見表2所示。根據(jù)表2的分析，對于智慧家居電氣設(shè)計(jì)，與常規(guī)的住宅電氣設(shè)計(jì)有很大的不同，需要設(shè)計(jì)人員有創(chuàng)新思維、全盤考慮、精細(xì)化設(shè)計(jì)。

5智慧家居對實(shí)現(xiàn)“雙碳目標(biāo)”的作用根據(jù)清華大學(xué)建筑節(jié)能研究中心發(fā)布的《中國建筑節(jié)能年度發(fā)展研究報(bào)告》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5374億kWh。2019年各終端用電量增長至2001年的4倍?？梢?，減少住宅電力能耗是實(shí)現(xiàn)“雙碳目標(biāo)”的重要一環(huán)?！蹲≌ㄖ姎庠O(shè)計(jì)規(guī)范》JGJ242—2011僅在9.5條照明節(jié)能章節(jié)中，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(biāo)準(zhǔn)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(gòu)成的剖析，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(jī)、智能馬桶圈，這些電器由于長時間待機(jī)并反復(fù)加熱，全年耗電量不容小覷。第二類就是各類電器的待機(jī)能耗，家庭大部分電器在不使用時都處于待機(jī)狀態(tài)，如空調(diào)機(jī)、充電器、電飯煲、音響、電視機(jī)頂盒等，單獨(dú)看每個電器的待機(jī)電耗都不大，但積少成多也變成家庭電耗中不容忽視的構(gòu)成成分（電器的待機(jī)功耗加總，一年可達(dá)100kWh左右）。智慧家居系統(tǒng)對于戶內(nèi)電氣節(jié)能的實(shí)現(xiàn)具有先天的優(yōu)勢，智慧家居系統(tǒng)可以很容易實(shí)現(xiàn)定時控制、感應(yīng)控制、聯(lián)動控制，可以通過傳感器使家庭電器設(shè)備處于經(jīng)濟(jì)運(yùn)行狀態(tài)、減少無效耗能，從而達(dá)到家庭節(jié)電的目的。例如，電視機(jī)頂盒、儲水式電熱水器等電源插座宜采用智能電源插座，實(shí)現(xiàn)夜間、家庭無人時間段自動關(guān)閉電源；實(shí)現(xiàn)衛(wèi)生間排風(fēng)扇與人體感應(yīng)探測器聯(lián)動，人離開后延時自動關(guān)閉等節(jié)能控制方式。在夏天氣候炎熱