文/李詩(shī)濛 李俊青 王斌 王飛躍
在最近的數(shù)十年間，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展帶來(lái)了巨大的社會(huì)進(jìn)步，主要體現(xiàn)在人類的生產(chǎn)活動(dòng)中。因特網(wǎng)的出現(xiàn)帶來(lái)了信息傳輸與獲取的便利，人類節(jié)約了大量的時(shí)間與金錢(qián)成本。最近幾年，大數(shù)據(jù)、人工智能技術(shù)在生產(chǎn)領(lǐng)域的應(yīng)用也逐漸普及并發(fā)揮效果。然而，對(duì)比之下，在生產(chǎn)領(lǐng)域之外的生活領(lǐng)域，人類的居家方式至今并沒(méi)有發(fā)生很大的改變。家庭——作為社會(huì)組成的基本單元，幾乎成為“到處都算，什么都連”的信息時(shí)代孤島，發(fā)展大為落后[1，2]。
智能家居的概念于1984年起源于美國(guó)聯(lián)合科技公司，其意義是將建筑設(shè)備信息化、整合化，與配套的軟件和設(shè)備相結(jié)合，以達(dá)到一個(gè)理想的居住環(huán)境。智能家居相關(guān)技術(shù)的發(fā)展對(duì)人類生活方式的進(jìn)步有著重要意義。智能家居的最主要功能是對(duì)家居環(huán)境進(jìn)行安全、衛(wèi)生清潔、硬件維護(hù)、作息、個(gè)人健康等全方面的管理，進(jìn)而將人從繁瑣重復(fù)的家居勞動(dòng)中解脫出來(lái)，利用大數(shù)據(jù)技術(shù)，為人們創(chuàng)造更好的生活方式。現(xiàn)階段，智能家居技術(shù)著重于解決系統(tǒng)設(shè)計(jì)、用電規(guī)劃、家庭物聯(lián)網(wǎng)與通信、圖像與語(yǔ)音識(shí)別、室內(nèi)環(huán)境控制、數(shù)據(jù)安全與隱私保護(hù)等[3~5]問(wèn)題。目前看來(lái)，智能家居技術(shù)國(guó)內(nèi)外發(fā)展各有特點(diǎn)，國(guó)內(nèi)側(cè)重應(yīng)用技術(shù)，國(guó)外側(cè)重基礎(chǔ)技術(shù)。2018年，科大訊飛發(fā)表了智能物聯(lián)云“AIoT”技術(shù)，并在2019年宣布與德國(guó)摩根攜手深耕智能家居領(lǐng)域[6~8]。AIoT的概念是，由物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)生的龐大繁雜的數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)于云端、邊緣端，交由人工智能來(lái)實(shí)現(xiàn)快速的自我學(xué)習(xí)，提升識(shí)別能力，而通過(guò)大數(shù)據(jù)分析以及更高形式的人工智能，也能使得物聯(lián)網(wǎng)本身實(shí)現(xiàn)萬(wàn)物數(shù)據(jù)化和智聯(lián)化[9]。與科大訊飛同樣處于領(lǐng)先地位的是華為的“全屋智能”技術(shù)，依靠鴻蒙系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)接口進(jìn)行智能化互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)全場(chǎng)景分布式OS，帶來(lái)生態(tài)共享[10，11]。相比之下，國(guó)外的智能家居服務(wù)商在設(shè)備建模和連接以及安防等單一功能的實(shí)現(xiàn)（如快思聰、塞萬(wàn)特、谷歌等公司）方面有更多的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，而對(duì)于人工智能和大數(shù)據(jù)的應(yīng)用并不普及，目前僅亞馬遜在AI語(yǔ)音助手（Alexa）方面有所應(yīng)用[12]。
目前，中國(guó)的智能家居生態(tài)尚處于孵化過(guò)程中，產(chǎn)品在國(guó)內(nèi)外面臨諸多問(wèn)題。這種情況不僅僅是文化環(huán)境差異產(chǎn)生的，智能家居相關(guān)技術(shù)的不成熟也是非常重要的原因之一。現(xiàn)有的智能家居技術(shù)的主要問(wèn)題包括：（1）人機(jī)交互體驗(yàn)較差；（2）沒(méi)有真正的用戶剛需場(chǎng)景；（3）產(chǎn)品之間聯(lián)動(dòng)性差。業(yè)內(nèi)停留在“為了智能而智能”的階段，最終導(dǎo)致用戶不愿意為非需求功能提升而產(chǎn)生的產(chǎn)品溢價(jià)買(mǎi)單[13~15]。無(wú)論從整個(gè)系統(tǒng)角度來(lái)看，還是從單個(gè)產(chǎn)品來(lái)看，智能家居技術(shù)還有很大的發(fā)展和進(jìn)步空間。因此，本文將基于整個(gè)智能家居系統(tǒng)與用戶場(chǎng)景需求，對(duì)于當(dāng)前智能家居的重要技術(shù)及其發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行分析，指出發(fā)展方向，并對(duì)智能家居未來(lái)整體的發(fā)展及應(yīng)用進(jìn)行展望。
本文共分為4個(gè)部分：第一部分為引言；第二部分介紹了智能家居系統(tǒng)的通用技術(shù)；第三部分提出新一代的“6S”智慧家居系統(tǒng)及主要場(chǎng)景需求，闡述其演化過(guò)程，著重描述“社區(qū)耦合”與“聯(lián)邦”兩種全新的生態(tài)的構(gòu)成與應(yīng)用；第四部分展望了智能家居的未來(lái)，將機(jī)器人技術(shù)引入智能家居技術(shù)，闡述了機(jī)器人技術(shù)在智能家居環(huán)境中作為功能性拓展的重要性。
智能家居系統(tǒng)的通用技術(shù)
目前，應(yīng)用在智能家居系統(tǒng)中的技術(shù)包括通信/物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、傳感與控制技術(shù)、語(yǔ)音語(yǔ)義識(shí)別技術(shù)、圖像識(shí)別技術(shù)、云計(jì)算與邊緣計(jì)算技術(shù)等。
（1） 通信/物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)
物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是智能家居系統(tǒng)最基礎(chǔ)的部分，每一種智能家居產(chǎn)品都需要通過(guò)家庭智能網(wǎng)關(guān)相互連接。智能網(wǎng)關(guān)是智能家居系統(tǒng)的控制核心，應(yīng)用技術(shù)包括互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、總線通信技術(shù)、廣域/局域網(wǎng)技術(shù)、射頻通信技術(shù)等。目前，智能家居系統(tǒng)中所應(yīng)用的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)種類繁多，包括CEBus、Havi、HomePNA、ZigBee、RS485等[16，17]。種類繁多的通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)也給智能家居產(chǎn)品的通用性和推廣帶來(lái)了困難。
（2） 傳感與控制技術(shù)
智能家居的傳感與控制技術(shù)主要應(yīng)用在家居內(nèi)部光照、溫度和濕度等環(huán)境參數(shù)的控制上。傳感方面包括溫/濕度傳感器、雨滴傳感器、風(fēng)力傳感器、氣壓傳感器、人體心率傳感器、光強(qiáng)度傳感器等，將室內(nèi)溫度和濕度、室外溫度和濕度、天氣狀況、人體生理狀態(tài)等數(shù)據(jù)通過(guò)家居聯(lián)網(wǎng)輸入控制器，用以對(duì)室內(nèi)空調(diào)、加濕器、窗戶、晾衣架、燈光、電風(fēng)扇等智能家居產(chǎn)品進(jìn)行智能調(diào)節(jié)，保證住戶在健康、適宜的環(huán)境下進(jìn)行家居生活[18，19]。
此外，在光照、溫度、濕度的基本家居環(huán)境要求的基礎(chǔ)上，劉劍飛[14]提出了家居“五恒”系統(tǒng)。除了恒溫恒濕，劉劍飛還在研究中加入了恒氧、恒凈、恒潔的標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)家居環(huán)境的含氧量、空氣污染物、微生物等方面提出了進(jìn)一步的要求。
（3） 語(yǔ)音語(yǔ)義識(shí)別技術(shù)
語(yǔ)音語(yǔ)義識(shí)別是讓智能設(shè)備能聽(tīng)懂人類的語(yǔ)音，本質(zhì)是一種基于語(yǔ)音特征參數(shù)的模式識(shí)別，利用一部分自然語(yǔ)言處理技術(shù)，讓系統(tǒng)把輸入的語(yǔ)音按識(shí)別模式區(qū)分，進(jìn)而通過(guò)判定準(zhǔn)則獲得最佳的匹配效果。智能家居的語(yǔ)音識(shí)別模塊包括語(yǔ)音識(shí)別器、自然語(yǔ)言解析器、問(wèn)題求解器，搭載語(yǔ)音交互功能的產(chǎn)品還包括語(yǔ)言生成器、語(yǔ)言合成器和對(duì)話管理器[20~24]。其中，對(duì)住戶的話語(yǔ)進(jìn)行理解的自然語(yǔ)言處理（Natural Language Processing, NLP）是最難以實(shí)現(xiàn)的。
自然語(yǔ)言理解所依靠的是語(yǔ)義模型的建立和應(yīng)用，語(yǔ)義模型則具有高度的社會(huì)屬性。為此，王飛躍[25，26]在平行應(yīng)急管理系統(tǒng)中提出了基于人工社會(huì)的語(yǔ)義BDI智能體結(jié)構(gòu)，在原有BDI智能體結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上添加了語(yǔ)義生成器、語(yǔ)義推理機(jī)和語(yǔ)義解釋器等構(gòu)件。其中，語(yǔ)義生成器將感知信息（如語(yǔ)音、環(huán)境參數(shù)、用戶身體狀態(tài)等）轉(zhuǎn)換為語(yǔ)義描述信息，輸出新的信念和外部事件。外部事件促使新目標(biāo)的產(chǎn)生,以及對(duì)已存在目標(biāo)的追求；語(yǔ)義推理機(jī)查詢目標(biāo)集和信念集，理解目標(biāo)和信念的語(yǔ)義描述，根據(jù)計(jì)劃選擇函數(shù)進(jìn)行推理，從計(jì)劃集中確定目標(biāo)計(jì)劃；語(yǔ)義解釋器對(duì)目標(biāo)計(jì)劃進(jìn)行解釋，并將解釋后的子行為和子目標(biāo)傳遞給執(zhí)行器執(zhí)行。
當(dāng)前，智能家居語(yǔ)音語(yǔ)義識(shí)別技術(shù)的應(yīng)用遇到的主要困難在于——幾乎每個(gè)用戶使用的語(yǔ)言習(xí)慣都不同，并且在家庭生活中往往是由官方語(yǔ)言?shī)A雜本地語(yǔ)言進(jìn)行交流的。這給語(yǔ)音語(yǔ)義識(shí)別系統(tǒng)快速、正確地反應(yīng)帶來(lái)了一定的困難。
（4） 圖像識(shí)別技術(shù)
在智能家居系統(tǒng)中，圖像識(shí)別技術(shù)的應(yīng)用集中在居家安全方面，包括基于人臉識(shí)別的門(mén)禁監(jiān)控防盜系統(tǒng)，以及家居監(jiān)控防災(zāi)系統(tǒng)上。圖像識(shí)別技術(shù)的主要工作原理是通過(guò)對(duì)監(jiān)視攝像頭所得圖像信息的采集，與數(shù)據(jù)庫(kù)中的圖像進(jìn)行比對(duì)，對(duì)訪客身份、事故發(fā)生位置、類型、嚴(yán)重程度等信息進(jìn)行識(shí)別[27，28]。
（5） 云計(jì)算與邊緣計(jì)算技術(shù)
云計(jì)算是通過(guò)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的強(qiáng)大連接能力，將電腦和服務(wù)器在數(shù)據(jù)中心匯集共同計(jì)算，使智能家居系統(tǒng)在算力和存儲(chǔ)能力方面得到保障與進(jìn)化。云計(jì)算在智能家居系統(tǒng)中的應(yīng)用意義在于數(shù)據(jù)的集中化和管理的智能化。然而，其中的問(wèn)題在于：1）對(duì)于用戶隱私數(shù)據(jù)的保護(hù)還不夠；2）云端本身帶寬和算力上的負(fù)荷使得難以對(duì)家居場(chǎng)景實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)。
為了解決云計(jì)算在智能家居應(yīng)用中的現(xiàn)存問(wèn)題，本文在云計(jì)算的基礎(chǔ)上加入了邊緣計(jì)算。邊緣計(jì)算的概念興起于2016年，是為了解決集中式云計(jì)算在處理海量數(shù)據(jù)時(shí)所遇到的帶寬和算力問(wèn)題，降低云端的負(fù)荷，將數(shù)據(jù)資料、應(yīng)用程序與服務(wù)的運(yùn)算由網(wǎng)絡(luò)邏輯上的中心節(jié)點(diǎn)移至邊緣節(jié)點(diǎn)，使之更加靠近用戶終端的新型計(jì)算模型[29，30]。通過(guò)在云計(jì)算網(wǎng)絡(luò)中加入邊緣計(jì)算，可以有效加快資料的傳輸與處理速度，提高系統(tǒng)的響應(yīng)能力。除此之外，通過(guò)邊緣節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，相比于單純使用云計(jì)算可以更有效地保證用戶的數(shù)據(jù)安全及隱私問(wèn)題。一方面，用戶對(duì)數(shù)據(jù)管理有更多的自主權(quán)；另一方面，智能家居系統(tǒng)場(chǎng)景應(yīng)用可以更加貼近用戶個(gè)人的需求。
“6S”智慧家居系統(tǒng)及演化過(guò)程
（1） “6S”智慧家居系統(tǒng)及其主要場(chǎng)景需求
王飛躍在2020年提出了“6S”智慧家居概念。“6S”包括物理安全（Safety）、信息安全（Security）、可持續(xù)發(fā)展（Sustainability）、個(gè)性化需求（Sensitivity）、服務(wù)（Service），以及智慧（Smartness）。相比之下，傳統(tǒng)的智能家居系統(tǒng)對(duì)物理安全以外的“5S”的支持是較為不足的，尤其體現(xiàn)在個(gè)性化需求以及智慧方面。一個(gè)較為完整的“6S”智慧家居系統(tǒng)的組成案例如圖1所示。圖1中所示系統(tǒng)及功能模塊，其中一部分，如門(mén)禁、智能鎖、照明、娛樂(lè)系統(tǒng)等屬于現(xiàn)階段比較成熟的技術(shù)；另一部分，如語(yǔ)義識(shí)別模塊、情緒識(shí)別模塊、智能廚師等技術(shù)雖然還不夠成熟，但都具有比較好的發(fā)展前景，在將來(lái)有很高的可能性被整合到“6S”智慧家居系統(tǒng)中。
圖1 “6S”智慧家居系統(tǒng)的組成案例
“6S”智慧家居的提出是基于近未來(lái)人類社會(huì)對(duì)于家居生活的更高層次的場(chǎng)景需求。家居的概念對(duì)于人類來(lái)說(shuō)，從遠(yuǎn)古時(shí)代的“遮風(fēng)擋雨”的需要，到現(xiàn)代的“溫馨港灣”的比喻，進(jìn)而到由于當(dāng)代都市中越來(lái)越快的生活節(jié)奏，包括最近的新冠肺炎疫情的壓力下所引發(fā)的“家居辦公一體化”的趨勢(shì)，實(shí)際上是在基礎(chǔ)需求不動(dòng)搖的前提下，不斷向著更多的拓展需求進(jìn)化[6~10]。“6S”智慧家居系統(tǒng)作為面向近未來(lái)人類家庭生活需要的智能家居系統(tǒng)，在已有的智能家居系統(tǒng)的場(chǎng)景需求上進(jìn)行更全面和更深層次的拓展。“6S”智慧家居系統(tǒng)的場(chǎng)景需求主要包括通用場(chǎng)景需求、會(huì)客場(chǎng)景需求、娛樂(lè)場(chǎng)景需求、休息場(chǎng)景需求、家務(wù)場(chǎng)景需求、飲食場(chǎng)景需求、工作場(chǎng)景需求、私密場(chǎng)景需求、緊急場(chǎng)景需求9種場(chǎng)景需求。其中，通用場(chǎng)景需求所需系統(tǒng)及功能模塊，包括安防、智能、照明、水循環(huán)等，時(shí)常處于活躍狀態(tài)。其他場(chǎng)景需求所需系統(tǒng)及模塊會(huì)依照智能模塊的實(shí)時(shí)監(jiān)聽(tīng)、判斷，選擇性進(jìn)入或解除活躍狀態(tài)。例如，當(dāng)家中有人來(lái)訪時(shí)，智能家居系統(tǒng)通過(guò)識(shí)別模塊判斷是否是家庭成員。如果來(lái)訪者是非家庭成員，智能家居系統(tǒng)則通過(guò)主人的授權(quán)與否選擇是否打開(kāi)門(mén)禁。在極端情況下，例如來(lái)客試圖破壞門(mén)禁，智能家居系統(tǒng)會(huì)進(jìn)入緊急場(chǎng)景需求的活躍狀態(tài)，進(jìn)行報(bào)警、蜂鳴、電擊等防御性操作；如果來(lái)訪者通過(guò)主人邀請(qǐng)，則進(jìn)入會(huì)客場(chǎng)景需求的活躍狀態(tài)，進(jìn)行機(jī)器人引導(dǎo)、泡茶操作，在用餐時(shí)間也可以選擇進(jìn)入飲食場(chǎng)景需求的活躍狀態(tài)。
王飛躍提出，“6S”智慧家居系統(tǒng)將以認(rèn)知家居作為科學(xué)基礎(chǔ)，平行系統(tǒng)作為技術(shù)方法，聯(lián)邦生態(tài)及聯(lián)邦家居與社會(huì)家居+作為組織形態(tài)[25，26，33，38]。其中，認(rèn)知家居的作用在于賦予底層數(shù)據(jù)人性化和個(gè)性化，平行系統(tǒng)的作用在于提供整個(gè)復(fù)雜家居環(huán)境的智能控制手段，聯(lián)邦生態(tài)的作用在于實(shí)現(xiàn)智能家居的社會(huì)性。這三者在“6S”智慧家居系統(tǒng)中可以獨(dú)立存在，也可以相互兼容協(xié)作。從技術(shù)方面來(lái)看，隨著5G技術(shù)、邊緣計(jì)算技術(shù)以及區(qū)塊鏈技術(shù)的落地應(yīng)用與推廣，可以預(yù)見(jiàn)到聯(lián)邦生態(tài)在“6S”智慧家居系統(tǒng)中是較為接近實(shí)現(xiàn)的。然而，這一目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)也需要逐步的演化，這一演化過(guò)程將在下文中詳細(xì)描述。
（2） 從物聯(lián)網(wǎng)到智聯(lián)網(wǎng)——5G與邊緣計(jì)算的應(yīng)用
智能家居系統(tǒng)是面向場(chǎng)景應(yīng)用的系統(tǒng)。Robert Scoble[15]提出，場(chǎng)景中有5種技術(shù)力量，被稱為“場(chǎng)景五力”，包括移動(dòng)設(shè)備、社交網(wǎng)絡(luò)、大數(shù)據(jù)、傳感器以及定位系統(tǒng)。物聯(lián)網(wǎng)是“場(chǎng)景五力”結(jié)合的一大體現(xiàn)。具體來(lái)說(shuō)，智能家居系統(tǒng)通過(guò)傳感器將家居環(huán)境中的溫度、濕度、亮度、音量等數(shù)據(jù)收集起來(lái)，通過(guò)控制中樞判斷這些變量是否滿足要求，進(jìn)而協(xié)調(diào)執(zhí)行器進(jìn)行場(chǎng)景動(dòng)作。這些組件之間的通訊由通信網(wǎng)絡(luò)支持，并通過(guò)移動(dòng)設(shè)備作為人機(jī)接口接受用戶的指令以及將信息反饋給用戶。這是目前的智能家居系統(tǒng)所能夠做到的[31，32]。一言蔽之，當(dāng)前的智能家居系統(tǒng)對(duì)于“場(chǎng)景五力”的利用并不充分，相關(guān)產(chǎn)品基本停留在“物聯(lián)”的水平，并沒(méi)有實(shí)現(xiàn)有機(jī)互動(dòng)的“智聯(lián)”。所謂智聯(lián)網(wǎng)，是以互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為前序的基礎(chǔ)科技。在此之上，以知識(shí)自動(dòng)化系統(tǒng)為核心系統(tǒng)，以知識(shí)計(jì)算為核心技術(shù)，以獲取知識(shí)、表達(dá)知識(shí)、交換知識(shí)、關(guān)聯(lián)知識(shí)為關(guān)鍵任務(wù)，進(jìn)而建立包含人機(jī)物在內(nèi)的智能實(shí)體之間語(yǔ)義層次的聯(lián)結(jié)，實(shí)現(xiàn)各智能體所擁有的知識(shí)之間的互聯(lián)互通。這正是“6S”智慧家居系統(tǒng)中的“智慧”部分[33]。由此可知，從物聯(lián)網(wǎng)到智聯(lián)網(wǎng)的升級(jí)是智能家居系統(tǒng)擺脫“為了智能而智能”的階段，邁向真正智能的必經(jīng)之路。
從物聯(lián)網(wǎng)升級(jí)到智聯(lián)網(wǎng)需要掌握4個(gè)關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用，包括以5G技術(shù)為代表的新一代通信技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)、邊緣計(jì)算技術(shù)和聯(lián)邦/平行智能技術(shù)。其中，5G技術(shù)不僅提供了足夠的網(wǎng)絡(luò)上行速率、即時(shí)性、覆蓋范圍與帶寬，并且可以解決不同智能家居產(chǎn)品之間的連接障礙問(wèn)題，為家居大數(shù)據(jù)的傳輸提供了先決條件；大數(shù)據(jù)技術(shù)在智能家居系統(tǒng)中主要被用于建立用戶的行為偏好預(yù)測(cè)模型。此外，智能家居系統(tǒng)還可以通過(guò)上級(jí)網(wǎng)絡(luò)（邊緣端網(wǎng)絡(luò)、云端網(wǎng)絡(luò)）實(shí)現(xiàn)知識(shí)層面上的聯(lián)通，借助機(jī)械智能的連結(jié)形成更高層次的智能家居生態(tài)[34，35]。
（3） 從單一生態(tài)到耦合生態(tài)——結(jié)合MEC的智能社區(qū)服務(wù)
對(duì)于邊緣計(jì)算而言，5G時(shí)代的到來(lái)意味著可以利用無(wú)線接入網(wǎng)絡(luò)就近提供電信用戶IT所需服務(wù)和云端計(jì)算功能，而創(chuàng)造出一個(gè)具備高性能、低延遲與高帶寬的電信級(jí)服務(wù)環(huán)境，我們稱之為移動(dòng)邊緣計(jì)算（MEC）[36]。
進(jìn)一步地，我們可以將MEC與社區(qū)服務(wù)在智能家居系統(tǒng)中結(jié)合起來(lái)。社區(qū)服務(wù)本就與家居生活有著非常緊密的關(guān)系，尤其在物理安全、能源管控等方面，在家居生活中與鄰居、其他社區(qū)住戶之間的互動(dòng)也是必不可少的。然而，一直以來(lái)，在智能家居系統(tǒng)概念中，關(guān)于社區(qū)服務(wù)與家居生活的關(guān)系和如何結(jié)合的問(wèn)題極少有深層次的研究和討論。在新時(shí)代的“6S”智慧家居系統(tǒng)中，社區(qū)生活同樣是場(chǎng)景需求的重要組成部分。因此，我們提出了以MEC作為技術(shù)基礎(chǔ)，將智能社區(qū)生態(tài)融入智能家居生態(tài)，形成“智能社區(qū)聯(lián)合——智能社區(qū)——智能家居”對(duì)應(yīng)“云計(jì)算服務(wù)——邊緣計(jì)算服務(wù)——家居終端計(jì)算服務(wù)”的“6S”智慧家居耦合生態(tài)體系，如圖2所示。
圖2 “6S”智慧家居社區(qū)耦合生態(tài)體系
在圖2中，“6S”智慧家居社區(qū)耦合生態(tài)體系在物理維度和虛擬維度上平行對(duì)應(yīng)。物理維度產(chǎn)生數(shù)據(jù)，將信息傳達(dá)到虛擬維度；而虛擬維度通過(guò)數(shù)據(jù)生成決策，通過(guò)服務(wù)的形式回饋到物理維度。在家庭端，各種智能家居終端產(chǎn)品負(fù)責(zé)人的家庭生活，并采集住戶個(gè)人數(shù)據(jù)，原則上由住戶自行選擇上傳數(shù)據(jù)種類。例如，面部和體態(tài)的圖像數(shù)據(jù)、語(yǔ)音數(shù)據(jù)、社會(huì)關(guān)系數(shù)據(jù)等。這些數(shù)據(jù)的上傳和管理對(duì)于物理安全來(lái)說(shuō)是必要的，但如果將這些數(shù)據(jù)直接上傳至云端，會(huì)帶來(lái)較大的信息安全風(fēng)險(xiǎn)。為此而生的解決辦法，是上傳至邊緣端進(jìn)行加密并交由社區(qū)管理，生成社區(qū)局部大數(shù)據(jù)，再將加密后的數(shù)據(jù)上傳至云端形成社區(qū)聯(lián)合大數(shù)據(jù)。因?yàn)樵趪?guó)內(nèi)的社區(qū)生活文化中，“遠(yuǎn)親不如近鄰”，人和人之間在物理上距離較近，生活行為和圈子有較多重疊之處，對(duì)于很多生活信息的分享不如對(duì)社區(qū)外的人敏感，所以較容易構(gòu)成相互信賴的關(guān)系。另外，社區(qū)本身對(duì)于住戶生活進(jìn)行一定程度管理的情況普遍存在，且由于目前中國(guó)大多是封閉/半封閉式社區(qū)。在這種情況下，家居安全與社區(qū)安全在物理層面可以近乎等同。如此，就在物理安全和信息安全之間找到了一個(gè)兩全其美的平衡點(diǎn)。此外，社區(qū)局部大數(shù)據(jù)還有兩個(gè)用途。一是作為智能社區(qū)管理與服務(wù)平臺(tái)建設(shè)的基礎(chǔ)，具體可執(zhí)行水、電、煤氣、采暖、寵物、垃圾分類、噪聲、車輛管理、遷入遷出、業(yè)余活動(dòng)等服務(wù)和管理，構(gòu)建更為和諧、衛(wèi)生、方便的社區(qū)生活環(huán)境；二是將部分住戶生活數(shù)據(jù)和社區(qū)內(nèi)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為整體的社區(qū)管理數(shù)據(jù)，此數(shù)據(jù)可上傳至管理社區(qū)聯(lián)合數(shù)據(jù)的云端服務(wù)器，便于對(duì)于各個(gè)社區(qū)進(jìn)行應(yīng)急控制和資源分配。
將智能家居MEC與社區(qū)服務(wù)結(jié)合還有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：1）邊緣端部署位置的選擇可與社區(qū)建設(shè)與改造規(guī)劃相互配合，縮短通信距離，有利于降低數(shù)據(jù)傳輸成本，提高傳輸速度；2）在物理安全方面，有利于社區(qū)警務(wù)信息的全方面采集與整合，提高基層警務(wù)工作效率，提高社區(qū)和家居環(huán)境的安全性；3）在信息安全方面，使得用戶信息管理更加方便，同時(shí)明確了信息安全責(zé)任，讓用戶權(quán)益更加有保障；4）促進(jìn)鄰里互助互信，提升人民生活幸福感；5）社區(qū)聯(lián)合形成智慧社會(huì)，成為中國(guó)現(xiàn)代化征程和偉大復(fù)興的宏偉藍(lán)圖戰(zhàn)略部署的重大目標(biāo)之一[37]。
（4） 從強(qiáng)中心化到弱中心化——“6S”智慧家居聯(lián)邦生態(tài)體系
在結(jié)合了MEC與智能社區(qū)服務(wù)的“6S”智慧家居社區(qū)耦合生態(tài)體系的基礎(chǔ)上，更進(jìn)一步地，加入聯(lián)邦智能和基于區(qū)塊鏈技術(shù)的應(yīng)用，可以將“6S”智慧家居社區(qū)耦合生態(tài)體系進(jìn)化至“6S”智慧家居聯(lián)邦生態(tài)體系。聯(lián)邦生態(tài)指在分布式的聯(lián)邦節(jié)點(diǎn)間，以基于區(qū)塊鏈的聯(lián)邦安全、聯(lián)邦共識(shí)、聯(lián)邦激勵(lì)、聯(lián)邦合約為支撐技術(shù)，以聯(lián)邦數(shù)據(jù)、聯(lián)邦控制、聯(lián)邦管理、聯(lián)邦服務(wù)為核心的面向隱私保護(hù)和數(shù)據(jù)安全、資源協(xié)同管理的統(tǒng)一整體。聯(lián)邦生態(tài)最大的優(yōu)點(diǎn)在于完全實(shí)現(xiàn)隱私可控，住戶的信息安全與數(shù)據(jù)隱私可以得到更加有效的保護(hù)。住戶、社區(qū)、服務(wù)人員及設(shè)備作為聯(lián)邦區(qū)塊鏈的終端參與者，通過(guò)安全加密的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，使用區(qū)塊鏈作為數(shù)據(jù)管理和有效性驗(yàn)證工具，并以之為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)、服務(wù)、管理等一系列功能的聯(lián)邦化，即“6S”智慧家居聯(lián)邦生態(tài)體系。更進(jìn)一步地，借助人工智能和大數(shù)據(jù)技術(shù)實(shí)現(xiàn)群體智能，可以驅(qū)動(dòng)整個(gè)智能家居生態(tài)的創(chuàng)新和進(jìn)步[38]。
圖3 “6S”智慧家居聯(lián)邦生態(tài)體系
“6S”智慧家居聯(lián)邦生態(tài)體系的結(jié)構(gòu)如圖3所示。與“6S”智慧家居社區(qū)耦合生態(tài)體系不同的是，分布式的邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)形成邊緣網(wǎng)絡(luò)，代替云計(jì)算節(jié)點(diǎn)，而原本負(fù)責(zé)社區(qū)聯(lián)合管理與維護(hù)的企業(yè)或政府部門(mén)，在這里作為可信的第三方，無(wú)需中介、自我驗(yàn)證、自動(dòng)執(zhí)行的智能合約的撰寫(xiě)、更新及發(fā)布，由此形成數(shù)據(jù)與管理方面的弱中心化[39]。在“6S”智慧家居聯(lián)邦生態(tài)體系中，智能合約的鏈接對(duì)象不僅包含社區(qū)與住戶，也包含智能家居供應(yīng)商、服務(wù)人員以及各類智能家居設(shè)備本體。經(jīng)多方共同協(xié)定，智能合約通過(guò)If-Then和What-If語(yǔ)句預(yù)置合約條款的相應(yīng)觸發(fā)場(chǎng)景和響應(yīng)規(guī)則[40]。合約代碼通過(guò)智能家居設(shè)備獲取可靠的數(shù)據(jù)，從而判斷合約觸發(fā)條件并嚴(yán)格執(zhí)行。
在“6S”智慧家居聯(lián)邦生態(tài)體系中，由于在現(xiàn)實(shí)維度智能家居產(chǎn)品的應(yīng)用，一些有效的激勵(lì)機(jī)制也可以此為基礎(chǔ)創(chuàng)造出來(lái)。在聯(lián)邦區(qū)塊鏈中，通常的節(jié)點(diǎn)資源包括數(shù)據(jù)與算力，而在聯(lián)邦智能家居區(qū)塊鏈中，節(jié)點(diǎn)資源還可包括能源以及住戶行為等。例如，用以實(shí)現(xiàn)群體智能所需要的住戶數(shù)據(jù)以及住戶設(shè)備的算力，通過(guò)住戶自愿的貢獻(xiàn)，可以相應(yīng)地在智能家居產(chǎn)品服務(wù)上獲得一定程度的優(yōu)惠。這樣可以在保障用戶數(shù)據(jù)所有權(quán)和控制權(quán)的基礎(chǔ)上，既促進(jìn)住戶更積極地參與“6S”智慧家居聯(lián)邦生態(tài)的維護(hù)和管理，又推動(dòng)聯(lián)邦生態(tài)體系的發(fā)展。同時(shí)，住戶通過(guò)對(duì)自家周邊地區(qū)進(jìn)行衛(wèi)生管理及綠化的行為，可以獲得社區(qū)停車位租賃上的優(yōu)惠。再例如，住戶在居家過(guò)程中產(chǎn)生較大噪聲的行為會(huì)給自家的用電額度造成一定的扣除，而扣除部分則分發(fā)給受到影響的鄰居。這種激勵(lì)機(jī)制的優(yōu)勢(shì)是顯而易見(jiàn)的：1）住戶的積極參與使得“6S”智慧家居聯(lián)邦生態(tài)的維護(hù)成本降低，使得“6S”智慧家居產(chǎn)品的價(jià)格下降，同時(shí)住戶在參與維護(hù)的過(guò)程中能得到實(shí)惠，使得產(chǎn)品更容易推廣；2）推動(dòng)住戶進(jìn)行社區(qū)環(huán)境建設(shè)，提高社區(qū)生活質(zhì)量，降低社區(qū)管理成本，有助于社區(qū)住戶之間的互助互信；3）基于可信聯(lián)邦區(qū)塊鏈，自動(dòng)化的激勵(lì)和管理模式可以有效解決鄰里的糾紛問(wèn)題，有益于塑造和諧的社區(qū)氛圍，規(guī)范公民的家居行為，提高住戶的生活幸福感；4）為聯(lián)邦生態(tài)的發(fā)展和進(jìn)化提供充足動(dòng)力，使之進(jìn)入良性循環(huán)。
機(jī)器人與“6S”智慧家居的未來(lái)
（1） 智能家居機(jī)器人是“6S”智慧家居重要的功能性拓展
智能家居之所以被稱為智能家居，是因?yàn)槠湓O(shè)備可以在無(wú)人為干預(yù)的前提下自動(dòng)進(jìn)行感知、判斷、執(zhí)行，對(duì)住戶的家居生活與環(huán)境進(jìn)行管理和輔助。所以，未來(lái)在“6S”智慧家居系統(tǒng)的總體生態(tài)發(fā)展更加完善的同時(shí)，在具體的技術(shù)和功能上也需要更深層次地拓展。單從執(zhí)行層面來(lái)講，當(dāng)前智能家居產(chǎn)品的智能化程度還較為有限，例如智能晾衣架、智能照明裝置等，實(shí)現(xiàn)的功能較為單一[41，42]。
之所以要將機(jī)器人引入“6S”智慧家居系統(tǒng)，是因?yàn)闄C(jī)械臂比起其他自動(dòng)化設(shè)備，在自由度和靈活性上具有絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)，能夠完成多種復(fù)雜的工作，對(duì)于一些現(xiàn)有的智能家居產(chǎn)品可以做到替代，并發(fā)展出之前所無(wú)法實(shí)現(xiàn)的功能。例如，在掃地機(jī)器人上加裝機(jī)械臂以及對(duì)應(yīng)的智能模塊，不僅可以起到清掃地面灰塵雜物的功能，還可以進(jìn)行對(duì)應(yīng)的垃圾分類以及地面物品的擺放；在廚房加裝機(jī)械臂用來(lái)幫廚，可以通過(guò)對(duì)語(yǔ)音命令的識(shí)別，執(zhí)行為廚師傳遞食材、調(diào)味品、清洗蔬菜等工作，即“打下手”，在相關(guān)技術(shù)更加成熟后機(jī)器人也能做到自行烹飪，為住戶準(zhǔn)備一日三餐，成為真正的“智能廚師”；臥室及書(shū)房的機(jī)械臂會(huì)將辦公、生活用品自動(dòng)整理至房間高處擺放架上，有需要時(shí)將其傳遞至住戶手中。這樣不僅給住戶提供了便利，而且有效利用了室內(nèi)的高處空間，使得住戶生活區(qū)域更加寬敞舒適。
需要強(qiáng)調(diào)的是，本文所提到的智能家居機(jī)器人與當(dāng)前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上所謂的“智能家居機(jī)器人”是完全不同的概念，后者著眼于兒童教育和語(yǔ)音交互，在功能上更加類似于智能教育終端。然而，隨著未來(lái)的技術(shù)發(fā)展，這兩者可以有機(jī)地結(jié)合在一起，成為功能更加強(qiáng)大的可移動(dòng)式“智能機(jī)器人管家”。未來(lái)，智能機(jī)器人管家將以人形機(jī)器人的形態(tài)出現(xiàn)于家居生活當(dāng)中，集成“6S”智慧家居系統(tǒng)中UI以及多任務(wù)執(zhí)行器的部分，通過(guò)與其他家居終端共享智能模塊進(jìn)行分工合作，通過(guò)內(nèi)置的語(yǔ)音合成模塊與住戶進(jìn)行對(duì)話交流，以及通過(guò)機(jī)械臂進(jìn)行泡茶、打掃、整理等工作。
（2） 智能家居機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)
本文認(rèn)為，要想將上述智能家居機(jī)器人進(jìn)行市場(chǎng)化并推廣，需要解決的最主要的問(wèn)題有3個(gè)：空間、成本以及安全。當(dāng)前的標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)機(jī)械臂和協(xié)作機(jī)械臂的體積和重量較大，能耗較高，安裝和維護(hù)費(fèi)用也很高，不適合作為智能家居產(chǎn)品。理想的智能家居機(jī)器人應(yīng)該是由輕型材料制成結(jié)構(gòu)，由微型電機(jī)和微型減速器作為關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)單元，可自動(dòng)更換末端執(zhí)行器，能耗和成本較低，可折疊的超小型機(jī)械臂。機(jī)械臂末端安裝攝像頭和力反饋傳感器，同時(shí)接收室內(nèi)攝像頭數(shù)據(jù)，由此賦予一定的感知能力，可有效避免損壞物品和人身傷害。
目前，類似的超小型機(jī)械臂主要應(yīng)用于空間探測(cè)和醫(yī)療等高端領(lǐng)域，關(guān)鍵技術(shù)包括視覺(jué)技術(shù)、力反饋控制技術(shù)、新型材料以及伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)[43~46]。其中，視覺(jué)技術(shù)和力反饋控制技術(shù)是當(dāng)今機(jī)器人領(lǐng)域的常見(jiàn)課題，通過(guò)計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)于目標(biāo)和障礙位置的判斷，以此規(guī)劃?rùn)C(jī)器人的行動(dòng)路線，通過(guò)力傳感器或電流反饋判斷是否與物體接觸與接觸力大小，進(jìn)行拾取、抓握等操作。新型材料及伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)是智能家居機(jī)器人小型化與廉價(jià)化的關(guān)鍵，目的是在降低成本與重量的同時(shí)，讓機(jī)器人本體維持必要的強(qiáng)度和可靠性，通過(guò)一些新型材料在驅(qū)動(dòng)裝置上的應(yīng)用，還可以讓機(jī)器人本身具有柔性，從而可以更加安全、靈活地與環(huán)境和住戶互動(dòng)，達(dá)到人機(jī)協(xié)作的效果。
機(jī)器人是多領(lǐng)域技術(shù)交叉融合的產(chǎn)物，未來(lái)能否在智能家居中應(yīng)用，取決于一些關(guān)鍵技術(shù)在近期內(nèi)能否取得突破。例如，機(jī)器人減速器技術(shù)，作為機(jī)器人中的關(guān)鍵技術(shù)，決定了未來(lái)的智能家居機(jī)器人能否順利小型化、微型化。一直以來(lái)，國(guó)內(nèi)及國(guó)際機(jī)器人減速器市場(chǎng)由少數(shù)幾家廠商壟斷，而國(guó)產(chǎn)機(jī)器人減速器由于國(guó)內(nèi)的材料與制造工藝所限一直難以突破技術(shù)壁壘。如國(guó)內(nèi)在諧波減速器的仿制上處于先進(jìn)地位的綠的諧波，雖然在一些減速器型號(hào)的部分參數(shù)上達(dá)到了國(guó)外廠商同等水平，但始終無(wú)法仿制直徑小于70mm的產(chǎn)品。如此一來(lái)，智能家居機(jī)器人依然需要依賴國(guó)外減速器，無(wú)法控制成本和產(chǎn)能，應(yīng)用也無(wú)從談起。
總結(jié)
本文從技術(shù)和應(yīng)用角度出發(fā)，闡述了面向近未來(lái)的“6S”智慧家居系統(tǒng)的主要場(chǎng)景需求。為了滿足這些需求，引入移動(dòng)邊緣計(jì)算及區(qū)塊鏈技術(shù)，本文提出了“6S”智慧家居社區(qū)耦合生態(tài)體系與“6S”智慧家居聯(lián)邦生態(tài)體系，將社區(qū)服務(wù)與建設(shè)、信息與物理安全、產(chǎn)品智能化與推廣有機(jī)地結(jié)合在一起。最后，本文將智能家居機(jī)器人的應(yīng)用作為功能性拓展引入“6S”智慧家居系統(tǒng)。
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