文/李詩濛 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)展帶來了巨大的社會進步，主要體現(xiàn)在人類的生產(chǎn)活動中。因特網(wǎng)的出現(xiàn)帶來了信息傳輸與獲取的便利，人類節(jié)約了大量的時間與金錢成本。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有發(fā)生很大的改變。家庭——作為社會組成的基本單元，幾乎成為“到處都算，什么都連”的信息時代孤島，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，以達到一個理想的居住環(huán)境。智能家居相關(guān)技術(shù)的發(fā)展對人類生活方式的進步有著重要意義。智能家居的最主要功能是對家居環(huán)境進行安全、衛(wèi)生清潔、硬件維護、作息、個人健康等全方面的管理，進而將人從繁瑣重復(fù)的家居勞動中解脫出來，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、用電規(guī)劃、家庭物聯(lián)網(wǎng)與通信、圖像與語音識別、室內(nèi)環(huán)境控制、數(shù)據(jù)安全與隱私保護等[3~5]問題。目前看來，智能家居技術(shù)國內(nèi)外發(fā)展各有特點，國內(nèi)側(cè)重應(yīng)用技術(shù)，國外側(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)，存儲于云端、邊緣端，交由人工智能來實現(xiàn)快速的自我學(xué)習(xí)，提升識別能力，而通過大數(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)本身實現(xiàn)萬物數(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)接口進行智能化互聯(lián)，實現(xiàn)全場景分布式OS，帶來生態(tài)共享[10，11]。相比之下，國外的智能家居服務(wù)商在設(shè)備建模和連接以及安防等單一功能的實現(xiàn)（如快思聰、塞萬特、谷歌等公司）方面有更多的實踐經(jīng)驗，而對于人工智能和大數(shù)據(jù)的應(yīng)用并不普及，目前僅亞馬遜在AI語音助手（Alexa）方面有所應(yīng)用[12]。
目前，中國的智能家居生態(tài)尚處于孵化過程中，產(chǎn)品在國內(nèi)外面臨諸多問題。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)的主要問題包括：（1）人機交互體驗較差；（2）沒有真正的用戶剛需場景；（3）產(chǎn)品之間聯(lián)動性差。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)品溢價買單[13~15]。無論從整個系統(tǒng)角度來看，還是從單個產(chǎn)品來看，智能家居技術(shù)還有很大的發(fā)展和進步空間。因此，本文將基于整個智能家居系統(tǒng)與用戶場景需求，對于當(dāng)前智能家居的重要技術(shù)及其發(fā)展趨勢進行分析，指出發(fā)展方向，并對智能家居未來整體的發(fā)展及應(yīng)用進行展望。
本文共分為4個部分：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)及主要場景需求，闡述其演化過程，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，將機器人技術(shù)引入智能家居技術(shù)，闡述了機器人技術(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)、語音語義識別技術(shù)、圖像識別技術(shù)、云計算與邊緣計算技術(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)通過家居聯(lián)網(wǎng)輸入控制器，用以對室內(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)品進行智能調(diào)節(jié)，保證住戶在健康、適宜的環(huán)境下進行家居生活[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)，對家居環(huán)境的含氧量、空氣污染物、微生物等方面提出了進一步的要求。
（3） 語音語義識別技術(shù)
語音語義識別是讓智能設(shè)備能聽懂人類的語音，本質(zhì)是一種基于語音特征參數(shù)的模式識別，利用一部分自然語言處理技術(shù)，讓系統(tǒng)把輸入的語音按識別模式區(qū)分，進而通過判定準(zhǔn)則獲得最佳的匹配效果。智能家居的語音識別模塊包括語音識別器、自然語言解析器、問題求解器，搭載語音交互功能的產(chǎn)品還包括語言生成器、語言合成器和對話管理器[20~24]。其中，對住戶的話語進行理解的自然語言處理（Natural Language Processing, NLP）是最難以實現(xiàn)的。
自然語言理解所依靠的是語義模型的建立和應(yīng)用，語義模型則具有高度的社會屬性。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的語義BDI智能體結(jié)構(gòu)，在原有BDI智能體結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上添加了語義生成器、語義推理機和語義解釋器等構(gòu)件。其中，語義生成器將感知信息（如語音、環(huán)境參數(shù)、用戶身體狀態(tài)等）轉(zhuǎn)換為語義描述信息，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,以及對已存在目標(biāo)的追求；語義推理機查詢目標(biāo)集和信念集，理解目標(biāo)和信念的語義描述，根據(jù)計劃選擇函數(shù)進行推理，從計劃集中確定目標(biāo)計劃；語義解釋器對目標(biāo)計劃進行解釋，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，智能家居語音語義識別技術(shù)的應(yīng)用遇到的主要困難在于——幾乎每個用戶使用的語言習(xí)慣都不同，并且在家庭生活中往往是由官方語言夾雜本地語言進行交流的。這給語音語義識別系統(tǒng)快速、正確地反應(yīng)帶來了一定的困難。
（4） 圖像識別技術(shù)
在智能家居系統(tǒng)中，圖像識別技術(shù)的應(yīng)用集中在居家安全方面，包括基于人臉識別的門禁監(jiān)控防盜系統(tǒng)，以及家居監(jiān)控防災(zāi)系統(tǒng)上。圖像識別技術(shù)的主要工作原理是通過對監(jiān)視攝像頭所得圖像信息的采集，與數(shù)據(jù)庫中的圖像進行比對，對訪客身份、事故發(fā)生位置、類型、嚴(yán)重程度等信息進行識別[27，28]。
（5） 云計算與邊緣計算技術(shù)
云計算是通過計算機網(wǎng)絡(luò)的強大連接能力，將電腦和服務(wù)器在數(shù)據(jù)中心匯集共同計算，使智能家居系統(tǒng)在算力和存儲能力方面得到保障與進化。云計算在智能家居系統(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，其中的問題在于：1）對于用戶隱私數(shù)據(jù)的保護還不夠；2）云端本身帶寬和算力上的負荷使得難以對家居場景實現(xiàn)快速響應(yīng)。
為了解決云計算在智能家居應(yīng)用中的現(xiàn)存問題，本文在云計算的基礎(chǔ)上加入了邊緣計算。邊緣計算的概念興起于2016年，是為了解決集中式云計算在處理海量數(shù)據(jù)時所遇到的帶寬和算力問題，降低云端的負荷，將數(shù)據(jù)資料、應(yīng)用程序與服務(wù)的運算由網(wǎng)絡(luò)邏輯上的中心節(jié)點移至邊緣節(jié)點，使之更加靠近用戶終端的新型計算模型[29，30]。通過在云計算網(wǎng)絡(luò)中加入邊緣計算，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，通過邊緣節(jié)點進行數(shù)據(jù)處理，相比于單純使用云計算可以更有效地保證用戶的數(shù)據(jù)安全及隱私問題。一方面，用戶對數(shù)據(jù)管理有更多的自主權(quán)；另一方面，智能家居系統(tǒng)場景應(yīng)用可以更加貼近用戶個人的需求。
“6S”智慧家居系統(tǒng)及演化過程
（1） “6S”智慧家居系統(tǒng)及其主要場景需求
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)對物理安全以外的“5S”的支持是較為不足的，尤其體現(xiàn)在個性化需求以及智慧方面。一個較為完整的“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，如門禁、智能鎖、照明、娛樂系統(tǒng)等屬于現(xiàn)階段比較成熟的技術(shù)；另一部分，如語義識別模塊、情緒識別模塊、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人類社會對于家居生活的更高層次的場景需求。家居的概念對于人類來說，從遠古時代的“遮風(fēng)擋雨”的需要，到現(xiàn)代的“溫馨港灣”的比喻，進而到由于當(dāng)代都市中越來越快的生活節(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，實際上是在基礎(chǔ)需求不動搖的前提下，不斷向著更多的拓展需求進化[6~10]。“6S”智慧家居系統(tǒng)作為面向近未來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)的場景需求上進行更全面和更深層次的拓展。“6S”智慧家居系統(tǒng)的場景需求主要包括通用場景需求、會客場景需求、娛樂場景需求、休息場景需求、家務(wù)場景需求、飲食場景需求、工作場景需求、私密場景需求、緊急場景需求9種場景需求。其中，通用場景需求所需系統(tǒng)及功能模塊，包括安防、智能、照明、水循環(huán)等，時常處于活躍狀態(tài)。其他場景需求所需系統(tǒng)及模塊會依照智能模塊的實時監(jiān)聽、判斷，選擇性進入或解除活躍狀態(tài)。例如，當(dāng)家中有人來訪時，智能家居系統(tǒng)通過識別模塊判斷是否是家庭成員。如果來訪者是非家庭成員，智能家居系統(tǒng)則通過主人的授權(quán)與否選擇是否打開門禁。在極端情況下，例如來客試圖破壞門禁，智能家居系統(tǒng)會進入緊急場景需求的活躍狀態(tài)，進行報警、蜂鳴、電擊等防御性操作；如果來訪者通過主人邀請，則進入會客場景需求的活躍狀態(tài)，進行機器人引導(dǎo)、泡茶操作，在用餐時間也可以選擇進入飲食場景需求的活躍狀態(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)邦家居與社會家居+作為組織形態(tài)[25，26，33，38]。其中，認知家居的作用在于賦予底層數(shù)據(jù)人性化和個性化，平行系統(tǒng)的作用在于提供整個復(fù)雜家居環(huán)境的智能控制手段，聯(lián)邦生態(tài)的作用在于實現(xiàn)智能家居的社會性。這三者在“6S”智慧家居系統(tǒng)中可以獨立存在，也可以相互兼容協(xié)作。從技術(shù)方面來看，隨著5G技術(shù)、邊緣計算技術(shù)以及區(qū)塊鏈技術(shù)的落地應(yīng)用與推廣，可以預(yù)見到聯(lián)邦生態(tài)在“6S”智慧家居系統(tǒng)中是較為接近實現(xiàn)的。然而，這一目標(biāo)的實現(xiàn)也需要逐步的演化，這一演化過程將在下文中詳細描述。
（2） 從物聯(lián)網(wǎng)到智聯(lián)網(wǎng)——5G與邊緣計算的應(yīng)用
智能家居系統(tǒng)是面向場景應(yīng)用的系統(tǒng)。Robert Scoble[15]提出，場景中有5種技術(shù)力量，被稱為“場景五力”，包括移動設(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“場景五力”結(jié)合的一大體現(xiàn)。具體來說，智能家居系統(tǒng)通過傳感器將家居環(huán)境中的溫度、濕度、亮度、音量等數(shù)據(jù)收集起來，通過控制中樞判斷這些變量是否滿足要求，進而協(xié)調(diào)執(zhí)行器進行場景動作。這些組件之間的通訊由通信網(wǎng)絡(luò)支持，并通過移動設(shè)備作為人機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)對于“場景五力”的利用并不充分，相關(guān)產(chǎn)品基本停留在“物聯(lián)”的水平，并沒有實現(xiàn)有機互動的“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，以知識自動化系統(tǒng)為核心系統(tǒng)，以知識計算為核心技術(shù)，以獲取知識、表達知識、交換知識、關(guān)聯(lián)知識為關(guān)鍵任務(wù)，進而建立包含人機物在內(nèi)的智能實體之間語義層次的聯(lián)結(jié)，實現(xiàn)各智能體所擁有的知識之間的互聯(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)升級到智聯(lián)網(wǎng)需要掌握4個關(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)測模型。此外，智能家居系統(tǒng)還可以通過上級網(wǎng)絡(luò)（邊緣端網(wǎng)絡(luò)、云端網(wǎng)絡(luò)）實現(xiàn)知識層面上的聯(lián)通，借助機械智能的連結(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)
對于邊緣計算而言，5G時代的到來意味著可以利用無線接入網(wǎng)絡(luò)就近提供電信用戶IT所需服務(wù)和云端計算功能，而創(chuàng)造出一個具備高性能、低延遲與高帶寬的電信級服務(wù)環(huán)境，我們稱之為移動邊緣計算（MEC）[36]。
進一步地，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。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)住戶之間的互動也是必不可少的。然而，一直以來，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)合的問題極少有深層次的研究和討論。在新時代的“6S”智慧家居系統(tǒng)中，社區(qū)生活同樣是場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”對應(yīng)“云計算服務(wù)——邊緣計算服務(wù)——家居終端計算服務(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應(yīng)。物理維度產(chǎn)生數(shù)據(jù)，將信息傳達到虛擬維度；而虛擬維度通過數(shù)據(jù)生成決策，通過服務(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)品負責(zé)人的家庭生活，并采集住戶個人數(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)、語音數(shù)據(jù)、社會關(guān)系數(shù)據(jù)等。這些數(shù)據(jù)的上傳和管理對于物理安全來說是必要的，但如果將這些數(shù)據(jù)直接上傳至云端，會帶來較大的信息安全風(fēng)險。為此而生的解決辦法，是上傳至邊緣端進行加密并交由社區(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)。因為在國內(nèi)的社區(qū)生活文化中，“遠親不如近鄰”，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，對于很多生活信息的分享不如對社區(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)本身對于住戶生活進行一定程度管理的情況普遍存在，且由于目前中國大多是封閉/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兩全其美的平衡點。此外，社區(qū)局部大數(shù)據(jù)還有兩個用途。一是作為智能社區(qū)管理與服務(wù)平臺建設(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，便于對于各個社區(qū)進行應(yīng)急控制和資源分配。
將智能家居MEC與社區(qū)服務(wù)結(jié)合還有以下幾個優(yōu)點：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，同時明確了信息安全責(zé)任，讓用戶權(quán)益更加有保障；4）促進鄰里互助互信，提升人民生活幸福感；5）社區(qū)聯(lián)合形成智慧社會，成為中國現(xiàn)代化征程和偉大復(fù)興的宏偉藍圖戰(zhàn)略部署的重大目標(biāo)之一[37]。
（4） 從強中心化到弱中心化——“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)點間，以基于區(qū)塊鏈的聯(lián)邦安全、聯(lián)邦共識、聯(lián)邦激勵、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)點在于完全實現(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。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，通過安全加密的方式進行數(shù)據(jù)交換，使用區(qū)塊鏈作為數(shù)據(jù)管理和有效性驗證工具，并以之為基礎(chǔ)實現(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。更進一步地，借助人工智能和大數(shù)據(jù)技術(shù)實現(xiàn)群體智能，可以驅(qū)動整個智能家居生態(tài)的創(chuàng)新和進步[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，分布式的邊緣計算節(jié)點形成邊緣網(wǎng)絡(luò)，代替云計算節(jié)點，而原本負責(zé)社區(qū)聯(lián)合管理與維護的企業(yè)或政府部門，在這里作為可信的第三方，無需中介、自我驗證、自動執(zhí)行的智能合約的撰寫、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If-Then和What-If語句預(yù)置合約條款的相應(yīng)觸發(fā)場景和響應(yīng)規(guī)則[40]。合約代碼通過智能家居設(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)實維度智能家居產(chǎn)品的應(yīng)用，一些有效的激勵機制也可以此為基礎(chǔ)創(chuàng)造出來。在聯(lián)邦區(qū)塊鏈中，通常的節(jié)點資源包括數(shù)據(jù)與算力，而在聯(lián)邦智能家居區(qū)塊鏈中，節(jié)點資源還可包括能源以及住戶行為等。例如，用以實現(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，通過住戶自愿的貢獻，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，既促進住戶更積極地參與“6S”智慧家居聯(lián)邦生態(tài)的維護和管理，又推動聯(lián)邦生態(tài)體系的發(fā)展。同時，住戶通過對自家周邊地區(qū)進行衛(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，住戶在居家過程中產(chǎn)生較大噪聲的行為會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。這種激勵機制的優(yōu)勢是顯而易見的：1）住戶的積極參與使得“6S”智慧家居聯(lián)邦生態(tài)的維護成本降低，使得“6S”智慧家居產(chǎn)品的價格下降，同時住戶在參與維護的過程中能得到實惠，使得產(chǎn)品更容易推廣；2）推動住戶進行社區(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，自動化的激勵和管理模式可以有效解決鄰里的糾紛問題，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)展和進化提供充足動力，使之進入良性循環(huán)。
機器人與“6S”智慧家居的未來
（1） 智能家居機器人是“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，是因為其設(shè)備可以在無人為干預(yù)的前提下自動進行感知、判斷、執(zhí)行，對住戶的家居生活與環(huán)境進行管理和輔助。所以，未來在“6S”智慧家居系統(tǒng)的總體生態(tài)發(fā)展更加完善的同時，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，實現(xiàn)的功能較為單一[41，42]。
之所以要將機器人引入“6S”智慧家居系統(tǒng)，是因為機械臂比起其他自動化設(shè)備，在自由度和靈活性上具有絕對的優(yōu)勢，能夠完成多種復(fù)雜的工作，對于一些現(xiàn)有的智能家居產(chǎn)品可以做到替代，并發(fā)展出之前所無法實現(xiàn)的功能。例如，在掃地機器人上加裝機械臂以及對應(yīng)的智能模塊，不僅可以起到清掃地面灰塵雜物的功能，還可以進行對應(yīng)的垃圾分類以及地面物品的擺放；在廚房加裝機械臂用來幫廚，可以通過對語音命令的識別，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”；臥室及書房的機械臂會將辦公、生活用品自動整理至房間高處擺放架上，有需要時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。
需要強調(diào)的是，本文所提到的智能家居機器人與當(dāng)前國內(nèi)市場上所謂的“智能家居機器人”是完全不同的概念，后者著眼于兒童教育和語音交互，在功能上更加類似于智能教育終端。然而，隨著未來的技術(shù)發(fā)展，這兩者可以有機地結(jié)合在一起，成為功能更加強大的可移動式“智能機器人管家”。未來，智能機器人管家將以人形機器人的形態(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，通過與其他家居終端共享智能模塊進行分工合作，通過內(nèi)置的語音合成模塊與住戶進行對話交流，以及通過機械臂進行泡茶、打掃、整理等工作。
（2） 智能家居機器人的關(guān)鍵技術(shù)
本文認為，要想將上述智能家居機器人進行市場化并推廣，需要解決的最主要的問題有3個：空間、成本以及安全。當(dāng)前的標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)機械臂和協(xié)作機械臂的體積和重量較大，能耗較高，安裝和維護費用也很高，不適合作為智能家居產(chǎn)品。理想的智能家居機器人應(yīng)該是由輕型材料制成結(jié)構(gòu)，由微型電機和微型減速器作為關(guān)節(jié)驅(qū)動單元，可自動更換末端執(zhí)行器，能耗和成本較低，可折疊的超小型機械臂。機械臂末端安裝攝像頭和力反饋傳感器，同時接收室內(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，類似的超小型機械臂主要應(yīng)用于空間探測和醫(yī)療等高端領(lǐng)域，關(guān)鍵技術(shù)包括視覺技術(shù)、力反饋控制技術(shù)、新型材料以及伺服驅(qū)動技術(shù)[43~46]。其中，視覺技術(shù)和力反饋控制技術(shù)是當(dāng)今機器人領(lǐng)域的常見課題，通過計算機視覺技術(shù)實現(xiàn)對于目標(biāo)和障礙位置的判斷，以此規(guī)劃機器人的行動路線，通過力傳感器或電流反饋判斷是否與物體接觸與接觸力大小，進行拾取、抓握等操作。新型材料及伺服驅(qū)動技術(shù)是智能家居機器人小型化與廉價化的關(guān)鍵，目的是在降低成本與重量的同時，讓機器人本體維持必要的強度和可靠性，通過一些新型材料在驅(qū)動裝置上的應(yīng)用，還可以讓機器人本身具有柔性，從而可以更加安全、靈活地與環(huán)境和住戶互動，達到人機協(xié)作的效果。
機器人是多領(lǐng)域技術(shù)交叉融合的產(chǎn)物，未來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，機器人減速器技術(shù)，作為機器人中的關(guān)鍵技術(shù)，決定了未來的智能家居機器人能否順利小型化、微型化。一直以來，國內(nèi)及國際機器人減速器市場由少數(shù)幾家廠商壟斷，而國產(chǎn)機器人減速器由于國內(nèi)的材料與制造工藝所限一直難以突破技術(shù)壁壘。如國內(nèi)在諧波減速器的仿制上處于先進地位的綠的諧波，雖然在一些減速器型號的部分參數(shù)上達到了國外廠商同等水平，但始終無法仿制直徑小于70mm的產(chǎn)品。如此一來，智能家居機器人依然需要依賴國外減速器，無法控制成本和產(chǎn)能，應(yīng)用也無從談起。
總結(jié)
本文從技術(shù)和應(yīng)用角度出發(fā)，闡述了面向近未來的“6S”智慧家居系統(tǒng)的主要場景需求。為了滿足這些需求，引入移動邊緣計算及區(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地結(jié)合在一起。最后，本文將智能家居機器人的應(yīng)用作為功能性拓展引入“6S”智慧家居系統(tǒng)。
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