物聯(lián)網(wǎng)智能家居中人機(jī)交互的研究分析

鄔天浩

（珠海科技學(xué)院電子信息工程學(xué)院 廣東省珠海市 519041）

20所示后期以來(lái)，隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)蓬勃發(fā)展，各類以改善生活質(zhì)量、居家服務(wù)能力為目標(biāo)的新技術(shù)、新設(shè)備得到運(yùn)用。1984年，美國(guó)建成了第一棟現(xiàn)代意義上的智能建筑，并投入生活服務(wù)，收效良好。其后該理念（即智能建筑）快速向其他國(guó)家、地區(qū)推廣，加拿大、德國(guó)、澳大利亞、新加坡等國(guó)家也開始嘗試智能建筑建設(shè)[1]。我國(guó)則予20所示末開始相關(guān)研究，取得了一定積極進(jìn)展。物聯(lián)網(wǎng)智能家居是智能家居的新階段、新模式，其對(duì)人機(jī)交互系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、功能實(shí)現(xiàn)要求較高。為保證其發(fā)展質(zhì)量，我國(guó)在《中共中央國(guó)務(wù)院關(guān)于加快建設(shè)全國(guó)統(tǒng)一大市場(chǎng)的意見》中明確提出“推動(dòng)統(tǒng)一智能家居、安防等領(lǐng)域標(biāo)準(zhǔn),探索建立智能設(shè)備標(biāo)識(shí)制度?！边@為物聯(lián)網(wǎng)智能家居發(fā)展提供了思路和方向，在此背景下研究其人機(jī)交互的特點(diǎn)、設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)方法，具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

1 物聯(lián)網(wǎng)智能家居與人機(jī)交互簡(jiǎn)述

1.1 物聯(lián)網(wǎng)智能家居

智能家居（Smart Home）也稱智能家園、智能居家系統(tǒng)，一般借助計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)、智能云端控制等現(xiàn)代手段，將用戶需求和家居系統(tǒng)內(nèi)各類設(shè)計(jì)設(shè)備融為一體，使后者功能得到更有效的發(fā)揮，屬于一種服務(wù)性較強(qiáng)的生活系統(tǒng)。目前能夠?qū)崿F(xiàn)智能化的居家服務(wù)設(shè)備包括安防、燈光控制、窗簾控制、煤氣閥控制、信息家電、場(chǎng)景聯(lián)動(dòng)、地板采暖、健康保健、衛(wèi)生防疫等，用戶可完成居家情況下的自我管理，也可以作為一個(gè)節(jié)點(diǎn)，接入社區(qū)物聯(lián)網(wǎng)中，與服務(wù)部門進(jìn)行高效的實(shí)時(shí)聯(lián)動(dòng)，接受更多服務(wù)和必要管理[2]。

1.2 人機(jī)交互

人機(jī)交互即人員和機(jī)器的交互行為。在物聯(lián)網(wǎng)智能家居模式下，盡管很多服務(wù)是智能提供的，仍需要根據(jù)來(lái)自人員的主動(dòng)指令，以保證服務(wù)符合人員具體需要。早期的物聯(lián)網(wǎng)智能家居在人機(jī)交互方面關(guān)注直接性，以手動(dòng)控制的方式接受人員指令，再由系統(tǒng)辨識(shí)、服從、執(zhí)行，現(xiàn)代人機(jī)交互更多實(shí)現(xiàn)了間接化，可在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的支持下，在較遠(yuǎn)距離以設(shè)備替代單純的人員操作，如一鍵交互、遠(yuǎn)程請(qǐng)求等，進(jìn)一步提升了物聯(lián)網(wǎng)智能家居的服務(wù)能力[3]。

2 物聯(lián)網(wǎng)智能家居中人機(jī)交互的特點(diǎn)

2.1 實(shí)時(shí)性

物聯(lián)網(wǎng)智能家居中人機(jī)交互的基本特點(diǎn)在于實(shí)時(shí)性。如安防系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要發(fā)揮安全防護(hù)、消防管理方面的作用，在非異常情況下，系統(tǒng)處于實(shí)時(shí)作業(yè)狀態(tài)，當(dāng)其服務(wù)區(qū)域附近出現(xiàn)消防隱患、安保問題時(shí)，系統(tǒng)應(yīng)能夠快速投入動(dòng)作，發(fā)出警報(bào)、應(yīng)急處理消防隱患[4]。人員在此過程中無(wú)需過多操作，只需通過人機(jī)交互為系統(tǒng)設(shè)定符合個(gè)人需求的工作指令即可。實(shí)時(shí)性則保證了安防系統(tǒng)功能的履行質(zhì)量，做到消防于未然。

2.2 全面性

全面性，是指物聯(lián)網(wǎng)智能家居中人機(jī)交互應(yīng)覆蓋前者功能的所有方面，且在系統(tǒng)功能優(yōu)化后仍具有可擴(kuò)展的空間。上文對(duì)當(dāng)前物聯(lián)網(wǎng)智能家居的覆蓋情況進(jìn)行了分析，一般包括安防、燈光控制、窗簾控制、煤氣閥控制、信息家電、場(chǎng)景聯(lián)動(dòng)、地板采暖、健康保健、衛(wèi)生防疫等多個(gè)方面，上述所有功能模塊均應(yīng)納入人機(jī)交互的范圍之內(nèi)，可通過人機(jī)交互直接獲取，如燈光的控制；或?qū)⒎?wù)請(qǐng)求發(fā)送至遠(yuǎn)程端，如健康服務(wù)等[5]。

2.3 服務(wù)性

服務(wù)性，是指物聯(lián)網(wǎng)智能家居中人機(jī)交互強(qiáng)調(diào)以用戶需求為中心，一切以滿足用戶群體共性需要和個(gè)性需要為目標(biāo)。如人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)上應(yīng)力求簡(jiǎn)練，以滿足老年人的使用需要，使其能夠通過簡(jiǎn)單學(xué)習(xí)了解系統(tǒng)操作方法，當(dāng)老年人突發(fā)急癥時(shí)，可以快速通過人機(jī)交互尋求遠(yuǎn)程服務(wù)，挽救其生命安全。針對(duì)未成年兒童則應(yīng)考慮設(shè)計(jì)童鎖，避免其誤操作的情況。大部分成年人則以一般性的功能模塊設(shè)計(jì)提供服務(wù)，滿足人機(jī)交互的基本需要。

2.4 便捷性

便捷性，是指物聯(lián)網(wǎng)智能家居中人機(jī)交互應(yīng)保證性能可靠、設(shè)計(jì)合理，以保證用戶能夠以簡(jiǎn)單交互完成指令下達(dá)、請(qǐng)求發(fā)送。包括上文所述的老年人健康服務(wù)請(qǐng)求、普通用戶的燈光控制需要、空調(diào)調(diào)溫需要等。在保證設(shè)計(jì)能夠滿足一般交互特點(diǎn)的情況下，應(yīng)在條件允許的情況下借助集成技術(shù)、傳感器技術(shù)等，使交互工作進(jìn)一步簡(jiǎn)練化，便捷的為所有用戶提供服務(wù)。

3 物聯(lián)網(wǎng)智能家居中人機(jī)交互設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 基本設(shè)計(jì)框架與功能模塊

3.1.1 基本設(shè)計(jì)框架

物聯(lián)網(wǎng)智能家居中，人機(jī)交互以人員主動(dòng)操作為起點(diǎn)，以通信活動(dòng)、智能模塊進(jìn)行操作指令的精準(zhǔn)辨識(shí)，以管理終端提供具體服務(wù)。物聯(lián)網(wǎng)為各個(gè)功能模塊提供了統(tǒng)一的作業(yè)平臺(tái)，完成大量、不同信息的分別讀取和處理。物聯(lián)網(wǎng)下人機(jī)交互系統(tǒng)的基本設(shè)計(jì)框架如圖1所示。

圖1：物聯(lián)網(wǎng)智能家居中人機(jī)交互系統(tǒng)基本設(shè)計(jì)框架

該系統(tǒng)下，不同用戶借助其家庭工作系統(tǒng)，向智能家居各模塊發(fā)送請(qǐng)求信息，保羅安防服務(wù)、健康保健等，這些服務(wù)信息通過有線、無(wú)線等通信方式傳輸至響應(yīng)系統(tǒng)處，如果用戶下達(dá)的指令比較簡(jiǎn)單，則由響應(yīng)系統(tǒng)在其家庭服務(wù)范圍內(nèi)直接給出響應(yīng)，如燈光調(diào)控、空調(diào)溫度控制等；如果用戶提出的服務(wù)請(qǐng)求較復(fù)雜，則由響應(yīng)系統(tǒng)傳輸給管理中心，再由管理中心給予回應(yīng)、安排服務(wù)，如用戶提出的健康服務(wù)請(qǐng)求等。

3.1.2 功能模塊

系統(tǒng)功能大致分為四個(gè)模塊，一是執(zhí)行模塊，二是通信管理模塊，三是交互模塊，四是遠(yuǎn)程管理模塊。

執(zhí)行模塊也是各類家用電器、工作設(shè)備，如燈具、空調(diào)、消防器材等，這些設(shè)備接入物聯(lián)網(wǎng)后，可由用戶進(jìn)行控制，使其快速根據(jù)用戶指示完成一般性的操作，包括調(diào)溫、應(yīng)急消防等，此外，報(bào)警器等終端設(shè)備也歸屬于執(zhí)行模塊。通信管理模塊包括物聯(lián)網(wǎng)通信系統(tǒng)，也包括物聯(lián)網(wǎng)的外延部分，在物聯(lián)網(wǎng)常規(guī)通信的基礎(chǔ)上，將用戶家庭、家庭內(nèi)的各類設(shè)備納入到通信系統(tǒng)范圍內(nèi)，作為一個(gè)節(jié)點(diǎn)，以通信系統(tǒng)與管理處、服務(wù)端實(shí)現(xiàn)連接，實(shí)時(shí)完成服務(wù)響應(yīng)和指令下達(dá)。

交互模塊包括用戶端交互系統(tǒng)，也包括管理端交互系統(tǒng)，物聯(lián)網(wǎng)智能家居主要考慮用戶端交互系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，該模塊主要響應(yīng)用戶下達(dá)的各類實(shí)時(shí)指令，如“燈具啟閉、健康服務(wù)”等，遠(yuǎn)程管理端的交互以常規(guī)計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)提供服務(wù)即可。遠(yuǎn)程管理模塊即物聯(lián)網(wǎng)智能家居的管理端，以物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)的管理者為中心，假定物聯(lián)網(wǎng)覆蓋本社區(qū)，社區(qū)管理部門即為遠(yuǎn)程管理模塊的負(fù)責(zé)人，負(fù)責(zé)響應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)內(nèi)用戶的服務(wù)請(qǐng)求，并根據(jù)其請(qǐng)求類別提供必要服務(wù)，包括上門服務(wù)和遠(yuǎn)程服務(wù)兩大類。

3.2 操作界面設(shè)計(jì)

物聯(lián)網(wǎng)智能家居中人機(jī)交互主要集中于用戶一端，也即通常所說(shuō)的服務(wù)終端，終端操作界面的設(shè)計(jì)，原則上關(guān)注其功能全覆蓋，也應(yīng)保證簡(jiǎn)潔性和易用性，建議采用三層服務(wù)模式，并設(shè)置必要的一鍵服務(wù)模塊。該設(shè)計(jì)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2：物聯(lián)網(wǎng)智能家居中人機(jī)交互界面拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

在三級(jí)界面模式下，人機(jī)交互的一級(jí)界面為主界面，主界面只提供其他分項(xiàng)服務(wù)的入口，以及具有核心價(jià)值的一鍵服務(wù)。一鍵服務(wù)包括“緊急呼救”、“童鎖”兩個(gè)部分，當(dāng)用戶因突發(fā)惡性疾病、受到火災(zāi)、安全威脅時(shí)，可直接一鍵向遠(yuǎn)程端發(fā)送服務(wù)請(qǐng)求，遠(yuǎn)程端管理人員立即組織上門管理，以保證快速響應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)智能家居用戶請(qǐng)求，童鎖則可避免兒童的誤操作，可一鍵鎖定、一鍵解除，應(yīng)設(shè)計(jì)在兒童不宜碰觸的邊緣地帶。點(diǎn)擊主界面的入口即可進(jìn)入各類二級(jí)界面，包括安全、健康保健等服務(wù)，點(diǎn)擊任意入口可進(jìn)入三級(jí)界面，以健康保健為例，三級(jí)界面包括血壓測(cè)量、信息讀取、信息錄入等，可由用戶根據(jù)需要自行確定服務(wù)內(nèi)容。三級(jí)界面便于覆蓋所有服務(wù)內(nèi)容，使用不同界面予以分層呈現(xiàn)，也能比較清晰的完成功能分區(qū)管理，便捷性可靠。

3.3 重點(diǎn)實(shí)現(xiàn)技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)智能家居中人機(jī)交互系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)，依賴各類現(xiàn)代技術(shù)提供支持，包括物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、信息通信技術(shù)、傳感器技術(shù)、智能技術(shù)等，這些技術(shù)又需要以集成技術(shù)完成共同管理，以PLC 邏輯控制技術(shù)保證管理邏輯的清晰化，以CAN 總線技術(shù)保證通信質(zhì)量以及必要的擴(kuò)展空間。不同技術(shù)在系統(tǒng)內(nèi)的作用各有差別，除物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)揮核心價(jià)值外，其他技術(shù)大多發(fā)揮輔助作用。如通信技術(shù)為例，物聯(lián)網(wǎng)智能家居中人機(jī)交互終端主要采用無(wú)線通信技術(shù)，終端和服務(wù)端則以有線通信的形式進(jìn)行連接。其作業(yè)模式如圖3所示。

圖3：物聯(lián)網(wǎng)智能家居中人機(jī)交互終端的通信模式

用戶一端的操作可分為兩類，一類為常規(guī)的簡(jiǎn)單服務(wù)，如智能家居共工作終端的參數(shù)調(diào)節(jié)，包括空調(diào)的溫度、燈光強(qiáng)度等，這些操作可借助遙控設(shè)備進(jìn)行簡(jiǎn)單的管理，均采用無(wú)線通信模式提供服務(wù)。另一類為復(fù)雜的遠(yuǎn)程服務(wù)，這一類服務(wù)難以由用戶在家庭內(nèi)管理單獨(dú)完成，包括用戶信息的錄入、處理，管理程序的擴(kuò)展等，需要在有線通信服務(wù)的支持下，與遠(yuǎn)程管理終端進(jìn)行實(shí)時(shí)交互，并由遠(yuǎn)程端明確響應(yīng)才能完成，有線通信可保證信息傳輸?shù)男?、質(zhì)量，從而保證通信效果和智能家居的總體服務(wù)能力。

3.4 典型應(yīng)用流程

物聯(lián)網(wǎng)智能家居中人機(jī)交互的應(yīng)用方式比較明確，以遠(yuǎn)程交互為例，對(duì)其應(yīng)用流程進(jìn)行分析。假定用戶A為老年用戶，患有慢性疾病，其使用了物聯(lián)網(wǎng)智能家居系統(tǒng)后，作為一個(gè)整體節(jié)點(diǎn)接入到社區(qū)服務(wù)系統(tǒng)中，A用戶的日常人機(jī)交互可管理家庭內(nèi)的各類智能設(shè)備。在此基礎(chǔ)上，A 完成了信息錄入，并得到遠(yuǎn)程端（社區(qū)）響應(yīng)，完成個(gè)人信息的錄入，包括住址、病情簡(jiǎn)況等。在非發(fā)病情況下，A 不需要與社區(qū)進(jìn)行交互，但A 突然發(fā)病且無(wú)法快速有效自救時(shí)，可在人機(jī)交互界面通過一鍵服務(wù)發(fā)送“緊急呼救”請(qǐng)求，在有線通信模式下，該信息通過通信服務(wù)快速得到社區(qū)管理人員的收集，后者可根據(jù)A 此前錄入的住址信息和病情信息等，快速根據(jù)A 病情需要組織上門施救，并撥打120 為A 的后續(xù)搶救工作提供支持。與此相似，其他智能家居服務(wù)也采用類似方法開展，以簡(jiǎn)明的人機(jī)交互界面、系統(tǒng)，為其功能履行提供保障。

4 物聯(lián)網(wǎng)智能家居中人機(jī)交互的未來(lái)發(fā)展方向

4.1 智能化

物聯(lián)網(wǎng)智能家居中人機(jī)交互的未來(lái)發(fā)展將更趨智能化，這一趨勢(shì)在歐美發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)初見端倪，主要表現(xiàn)在三個(gè)方面，一是人機(jī)交互的簡(jiǎn)練化，二是交互設(shè)備的輕量、便捷化，三是智能管理中心功能的延伸化。人機(jī)交互的簡(jiǎn)練化，主要是指將原本較復(fù)雜的功能設(shè)計(jì)集成到一個(gè)系統(tǒng)中，以一鍵服務(wù)的形式替代復(fù)雜的多樣操作。如燈光服務(wù)模式，此前亮度、光照模式等指令被分別設(shè)置為多種組合，包括自然光、陽(yáng)光、沙灘日光、月光等，可一鍵完成光照強(qiáng)度、方式的切換，較此前的智能家居人機(jī)交互方式更為智能便捷。

交互設(shè)備的變更最早在日本得到關(guān)注，日本大城市居住用地緊張、住宅建設(shè)受限，因此加大了技術(shù)研究的力度，使用一些便攜式的操作設(shè)備取代較大的安裝時(shí)設(shè)備，如老年人使用的智能手環(huán)，可以用于智能家居設(shè)備管理，也可以提供其他服務(wù)，包括遠(yuǎn)程呼救等。智能管理中心功能的延伸化，則強(qiáng)調(diào)在智能家居的服務(wù)終端加強(qiáng)智能設(shè)備、技術(shù)的運(yùn)用，管理中心只做集中管理，具體管理工作可分散到用戶一端，進(jìn)而提升服務(wù)的針對(duì)性和交互效率。

4.2 標(biāo)準(zhǔn)化

標(biāo)準(zhǔn)化，是指物聯(lián)網(wǎng)智能家居中人機(jī)交互在技術(shù)層面會(huì)趨向標(biāo)準(zhǔn)化，以便大范圍使用、大范圍管理。標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)的理念最早提出于歐美發(fā)達(dá)國(guó)家，在智能建筑、節(jié)能建筑研究的過程中，德國(guó)巴伐利亞、慕尼黑科學(xué)家統(tǒng)一進(jìn)行建筑設(shè)計(jì)和建設(shè)實(shí)驗(yàn)，認(rèn)為標(biāo)準(zhǔn)化的建設(shè)模式大大簡(jiǎn)化了工作流程和管理難度，使一些復(fù)雜的工作得以重復(fù)進(jìn)行，用戶提出的請(qǐng)求也可以通過相同的人機(jī)交互形式予以實(shí)現(xiàn)，只需要在用戶端通過微操（如密碼設(shè)計(jì)）組織差異化管理即可。

未來(lái)我國(guó)的智能家居系統(tǒng)建設(shè)也會(huì)更趨標(biāo)準(zhǔn)化，包括技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的明確化、技術(shù)適用性的提升等，這一趨勢(shì)的核心優(yōu)勢(shì)在于便于管理，用戶可以清晰了解購(gòu)買的智能家居服務(wù)是否符合使用需要和質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，即便出現(xiàn)質(zhì)量問題、更換需要，也可以就近選取非原廠服務(wù)者，進(jìn)行質(zhì)量問題處理和部件更換，保證物聯(lián)網(wǎng)智能家居中人機(jī)交互系統(tǒng)的使用更趨便利。

4.3 安全性

物聯(lián)網(wǎng)智能家居中人機(jī)交互系統(tǒng)存在一定的安全隱患，包括信息泄露隱患、網(wǎng)絡(luò)攻擊隱患以及基本的線下使用安全隱患等。包括我國(guó)在內(nèi)，各國(guó)均在嘗試通過網(wǎng)絡(luò)技術(shù)保證用戶信息安全，同時(shí)提升基于節(jié)點(diǎn)獨(dú)立防護(hù)的系統(tǒng)防護(hù)能力，在用戶一端建設(shè)防火墻、互聯(lián)網(wǎng)防護(hù)機(jī)制，避免網(wǎng)絡(luò)攻擊或減少網(wǎng)絡(luò)攻擊帶來(lái)的損失。線下防護(hù)則關(guān)注人機(jī)交互設(shè)備的安全性，如避免漏電、減少輻射等。目前該技術(shù)的進(jìn)展情況比較理想，通過加強(qiáng)質(zhì)量管理、企業(yè)內(nèi)部管理的方式，可以提升物聯(lián)網(wǎng)智能家居中人機(jī)交互系統(tǒng)的性能，減少一般性的安全隱患。

5 結(jié)論

綜上所述，物聯(lián)網(wǎng)智能家居中，人機(jī)交互具有其個(gè)性化特點(diǎn)，要求能做到實(shí)時(shí)、全面，且服務(wù)性強(qiáng)、便捷性高。現(xiàn)有技術(shù)可以支持物聯(lián)網(wǎng)智能家居中的人機(jī)交互活動(dòng)，框架設(shè)計(jì)上強(qiáng)調(diào)功能區(qū)域明確、服務(wù)方式簡(jiǎn)練，以智能技術(shù)、通信設(shè)計(jì)等作為實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)，其應(yīng)用過程主要強(qiáng)調(diào)通過內(nèi)置計(jì)算機(jī)完成對(duì)人員指令的精準(zhǔn)辨識(shí)，指導(dǎo)系統(tǒng)的具體作業(yè)。未來(lái)物聯(lián)網(wǎng)智能家居中人機(jī)交互會(huì)更趨智能化，也會(huì)進(jìn)一步趨向標(biāo)準(zhǔn)化、提升安全性，優(yōu)化智能家居的綜合性能。