生态智能家居网络设计

生态智能家居网络的概念

斋藤N.庆应义塾大学，日本东京港区

1.1 引言

在这个科技时代，全球经济已发展到使我们的生活方式变得极为现代化和发达。
在某些方面，现代社会似乎已在经济发展、科技进步以及自然环境利用等多个领域达到了最先进的状态。然而，重要的是要考虑一些方法，使人类能够在地球上更长久地生存，同时享受充实而安宁的日常生活。

在本章中，首先描述了人类生存环境的历史变迁，并探讨了这一发展过程中存在的一些问题。接着列出了智能家居的设计方法，以及这些设计中存在的问题组件。然后讨论了实现智能家居设计所需的技术组件，并分析了其实施中的困难。由于地球资源有限，尤其是物理材料有限，因此可持续性对于人类享受现代先进生活至关重要。鉴于实现可持续性对人类极为重要，相关问题也进行了探讨。

1.2 历史变迁

1.2.1 古代

人类在地球上的历史始于40万年前，而现代人类则始于4万年前。纵观历史，自然一直支撑着人类的生活。人类与周围自然之间存在着大量的相互作用。我们的祖先从环境中获取食物和能源，以维持他们的生存。

与其他生活在地球上的动物相比，我们的祖先具有一定程度的智力。他们制造工具，使生活更加丰富和便利。他们还使用语言来促进与其他人类的有用交流。据称，人类与其他动物的主要区别在于使用语言的能力。

我们的祖先开始组成家庭，从而有了后代。随后，他们将多个家庭组织成村庄或其他生活空间。随着规模的扩大，他们的组织越强大，其行为就越强势。如果组织之间发生冲突，较强的组织可以征服较弱的组织。我们的祖先开始开垦地球，种植各种植物以提供可靠的食物来源。他们还系统地狩猎野生动物以获取食物，或饲养有用的家养动物以满足多种需求。我们的祖先发明了各种用于食物准备、狩猎动物以及植物种植与收获的工具和设备。尽管一些动物能够使用石头和树枝制造设备，但人类发明了复杂的工具和机器，甚至发明了用于制造其他工具的设备（即元工具）。

大约一万年前，我们的祖先开始在埃及及其周边地区形成国家并发展出灿烂的文化。古埃及的人口不断增长，文化与文明也随之发展。当时有强大的国王来治理这些国家及其人民。此时，人类的智慧已显著进步，并发展出了许多技术。埃及的技术包括土地测量、日星观测、建筑建造（包括金字塔）、河流管理、造纸、出版书籍等。

所谓西方文化大约在2500年前始于希腊和罗马。古希腊人擅长哲学并发展了思维方式，而罗马人则擅长技术。这些特点成为 subsequent 西方文化与社会的核心，并一直影响着人类历史的整个进程。

中世纪时期，人类智能和知识的发展进展不大。然而，在十八世纪中期，西方世界发生了一次突变——“工业革命”，这极大地影响了人类的地位和行为。全球人口在十八世纪中期为8亿，到1945年已增长至超过20亿。大约在1930年左右，随着机械化出现了另一次工业革命。人类智能集中于发明许多新机制——即所谓的“现代技术”。该技术成为许多新兴企业和产业的基础，并带来了巨大的利润。

1.2.2 现代时期

第二次世界大战结束后，信息与通信技术（ICT）开始变得实用，甚至在某些领域得到广泛应用。计算机本质上旨在模拟人脑，尽管现实情况远未达到真正人脑的能力。尽管如此，信息与通信技术仍是一个崭新且具有创新性的技术领域，如图1.2所示。材料科学和能源技术是最早发展的领域之一，甚至在第二次世界大战之前就已开始发展。

起初，计算机主要用于计算数值数据；即便如此，它们在处理复杂数学数据（如人口普查数据）方面也很有用。计算机还被用于存储和检索商业活动中的大量数据，并开发（且普及）了大规模企业管理系统。这些计算机系统被称为电子数据处理器。

一个特别重要的进步带来了当前的信息技术状态：半导体技术发展。晶体管由肖克利及其同事在20世纪50年代发明，这一元件在微型化、便携式和定制计算机系统的发展中起到了关键作用。另一个关键的发展是网络技术，它促成了互联网和网络系统的诞生。

第二次世界大战后，其他技术发展相继出现。汽车技术不断进步，车辆变得更快、更舒适。如今每年生产的汽车数量超过1500万辆。汽车行业的未来将集中在电动汽车和自动驾驶汽车上。

能源行业也取得了进步，不仅因为汽车需要消耗大量汽油。因此，随着汽车数量的增加，石油消耗也随之上升。此外，现代房屋使用电力，因此也有必要增加电力生产。电力生产有多种方式，包括化石燃料发电、水力发电、原子能发电、太阳能发电、风能发电和地热发电。无论如何，建设高效的发电厂都是必要的。

信息与通信技术还能够支持典型的企业管理和组织管理需求。通过使用适当的软件程序，可以基于计算机提供的信息来支持决策。信息与通信技术不仅能解决产品制造中的问题以及决策中的问题。因此，信息与通信技术能够支持与人类智能相关的活动。信息与通信技术还可以通过精心设计的网络连接，利用大规模数据库和高速数据交换来支持金融业务。人们可以使用高速网络买卖股票，也可以通过在线账户访问使用银行服务。在线购物在各年龄段人群的日常生活中也十分普遍。

社交网络服务（SNS），如Facebook和LinkedIn，如今支持SNS成员之间复杂的交流。这些社交网络为许多服务成员提供了辅助性的交流机制。

现代社会中的行为在许多方面都与经济密切相关并受到经济的支持。现代工业需要资本投资；为了追求最大利润，企业需要金融业的大力支持。因此，金融业是先进技术发展和整体经济增长的强大推动力。

由现代技术支撑的产品需要消耗大量能源和材料，这些主要来源于自然。如果经济发展继续沿着这条道路前进，地球自然资源可能会枯竭。此外，自然环境可能受到污染（例如空气污染、水污染）。大约1960年，严重的环境污染开始对人们的生活造成深远损害。国际上已采取措施努力减少全球范围内的污染，但要解决我们的环境问题仍然非常困难。

1.2.3 未来

我们的技术和经济知识的进步对全世界所有人来说都至关重要。我们必须改变思维方式，以实现未来人类幸福的更好的解决方案。

社会的目标是为所有公民提供幸福和平的生活，因此家庭单位应受到尊重并得到良好支持。经济发展可能很重要，但它应与自然资源消耗相协调。

“生态学”是维护地球现状的关键概念。如果我们无限期地继续使用配备汽油发动机的汽车，地球上的所有化石燃料储量都将耗尽。为了避免这种灾难，有必要用使用非汽油燃料的新类型发动机来取代现有的汽油发动机。当化石燃料用于建筑物或独立住宅等居住空间的供暖时，生态考虑将最大限度地减少供暖所需的燃料消耗。理想情况下，燃料消耗应尽可能接近于零。

尽管先进技术将使我们的日常生活更加便利，但仍需考虑如何使我们的生活与地球的生态学相协调。例如，现代家庭中的电子设备数量：各种用途的电力供应、供水、空调、烹饪电器、热水系统、电话和互联网的通信系统、家庭娱乐系统、点播娱乐、安全系统等等。随着这些设备变得越来越实惠，越来越多的人将其引入家庭以提高生活质量。

因此，有必要思考我们正在前进的方向。我们的智力可能创造了这些现代技术，使生活更加便利，但这并不一定符合地球的生态需求。我们需要思考如何运用我们的智力，以促进地球和人类未来的福祉。技术与生态的协调或许可称为一种“智能”的考量——这是人类需要比过去更加智慧的必要条件。

1.3 迈向可持续性

有必要思考图1.2和图1.3之间的差异。这三个基本组件在图1.3中的交互区域比在图1.2中更大。需要更详细地考虑这一重叠区域，注意到未来解决方案（图1.3）比当前情况（图1.2）更为复杂。可以将图1.3中的重叠区域称为“可持续性”。例如，如果一座建筑的空调系统由于采用了先进的供暖和制冷设备而实现零能源排放，那么该系统将不会损害地球自然资源，并且有可能永久运行。

然而，这在现实生活中并不会发生。大多数现代生活方式都会以某种方式消耗一定量的自然资源。因此，这个问题需要更复杂的策略。

在当前和未来的社会中，人类能够并且将会使用多种技术来尽可能地促进经济增长，同时通过最大化舒适享受、便利性和舒适度来提升生活质量。然而，有必要以智能或受限的方式使用这些技术，以实现可持续性。可持续性意味着自然资源的使用方式能够确保后代同样享有这些资源。生物资源可以再生，但矿产资源无法再生，因此有必要发明矿产资源的替代品。石油和煤炭无法再生，因此有必要发明人造石油或汽油；如果这不方便或不可行，则有必要发明燃油汽车的替代品。

可持续性是我们社会和技术的一个重要概念和良好目标。维持地球的可持续性是非常明智的。由于人类智能与其他生物的智力存在显著差异，正如之前所讨论的，我们有责任保护我们的世界免受潜在灾难的威胁。智能家居就是实现这一目标的一种方式。

1.4 技术要素

本节简要介绍了可支持实现智能家居的技术。同时概述了必要的环境，特别关注生态考虑和可持续性。

1.4.1 网络、相关环境和设备

智能家居利用高级信息与通信技术及相关技术进行设计和建造。其中最重要的技术是网络，因为网络对于在家庭内部及居住者之间利用信息至关重要。家庭中各处都会产生信息，而这些信息能够快速无延迟地交换，是运行智能家居系统的最关键组成部分。

必要的技术要素将在以下章节中简要描述。

1.4.1.1 无线网络和移动电话

无线网络如今已高度发展，现今大多数计算机都通过无线网络连接。基本的网络设施是局域网（LAN），其标准为IEEE802系列（IEEE 802.3）。例如，典型的有线局域网以太网被定义为IEEE802.3。无线局域网则被定义为IEEE802.11。随着无线通信日益普及，另一个标准组织——Wi‐Fi联盟（Wi-Fi Alliance）成立，旨在促进不同IEEE802.11通信设备之间的互操作性；这种无线通信标准被称为Wi‐Fi。该名称源自音频设备中使用的缩写词Hi‐Fi。

从20世纪90年代开始，移动电话逐渐流行起来，如今它们遍布全球。2013年，全球大约生产了18亿部手机，全球使用手机的人数超过50亿。

无线电话服务技术相当先进，电话设备设计精良且制造精密。所谓的智能手机（例如iPhone）已受到各年龄段人群的广泛欢迎。如今，智能手机本质上已具备手持计算机的功能。用户可以通过智能手机上的浏览器轻松访问互联网，因此可通过这些设备便捷地使用各种应用程序。通过使用网络共享服务，手机通信服务可用于互联网连接服务。

在智能家居中，有许多可用的应用程序，而手机是这些应用程序的接口和操作设备之一。当然，有必要将智能家居中的数据发送给应用服务提供商；因此，手机成为智能家居居住者的重要设备。

手机的通信标准是IEEE 802.11系列，支持3G、3.9G LTE和4G。对于手机而言，目前的通信速度已超过每秒千兆字节。因此，智能手机在连接互联网环境时可用作手持计算机。

1.4.1.2 传感器及其网络

在智能家居中收集各种信息非常重要，有时这些信息是通过多种传感器自动获取的。温度、湿度、运动方向、声音等通常通过专为特定目的设计的传感器设备进行测量。例如，运动方向可以通过应变计自动检测。传感器设备的材料可能不仅包括金属，还包括生物材料或化学材料。生物传感器未来可能会变得非常有用，预计将会开发出更先进的传感器设备。

传感器收集的信息应尽可能易于访问。可以使用几种简单的网络机制来实现从传感器设备的数据传输。

例如，蓝牙（Bluetooth, 2005）的数据传输范围可达数米至数十米。现在已有低功耗蓝牙，仅需小型电池即可工作，可用于连接音频设备和用户。ZigBee（ZigBee 802.15.4）和IrDA（红外数据协会）是用于传感器网络的其他机制。IrDA的覆盖范围为50厘米至1米，是一种小型设备与计算机之间连接的相当简单的方法。

在智能房屋中，手机具有多种用途。手机可以配备传感器设备（例如应变计），因为通过手机连接发送这些传感器数据非常方便。也可以通过蓝牙或ZigBee将传感器数据发送到手机，然后通过手机的数据连接将数据传送到指定的服务中心。集成电路卡或近场通信（FeliCa O18092）可被集成到手机中，作为节点来收集并发送集成电路卡数据至特定的互联网节点。

1.4.1.3 物联网

有一个与互联网相关的新领域——“物联网”（IOT）（霍勒、齐亚奇斯、穆里根和阿维桑德，2014）。有必要将互联网连接扩展到不仅限于计算机（以及人类）之间，还包括普通物品（物体）之间。据估计，已有超过100亿个“物体”连接到互联网，同时有50亿部手机连接到互联网。当计算机连接到互联网时，接收计算机可以响应发送计算机，从而促进发送方和接收方计算机上的用户之间的交流。这是基于人类在一般通信模式中的习惯。然而，在物联网中情况有所不同，接收方的物体本身（而非人类）需要对发送方的物体（而非人类）作出响应。这种交流方式可能不同，并会产生新的行为和情况。这一相同的理念被称为机器对机器通信（M2M）。万维网联盟已提出成立一个新的工作组，即物联网络（WOT）（万维网联盟）。

当然，通过网络机制将所有设备连接到互联网以进行管理、使用、控制、忽略等操作是非常方便的。汽车、机器人、飞机、火车、船舶以及其他移动物体可以通过物联网相互连接。此外，房屋、建筑物、桥梁、隧道、道路和其他建筑结构也可以连接到互联网。智能家居本身也是需要接入互联网的对象，以便使家庭的管理和控制更加便捷和高效。

1.4.1.4 电力线网络

在设计智能家居时，考虑生态原则非常重要。主要原则是通过考虑施工方法、部件、部件成本等因素来降低智能家居的建造成本。在考虑智能家居网络时，可以选择适当的方法和技术以降低成本并解决潜在的生态问题。在网络基础设施方面存在多种选择，包括电力线网络结构。

通常，现代家庭需要使用电力。因此，电线遍布家庭的各个房间和设施，以便向家庭中的任何地方供应电力。通常，基本电力通过电力公司引入，尽管最近人们开始使用自己的太阳能电池系统。未来，通过电池系统利用电动汽车向家庭供应电力可能会变得流行。

可以利用家庭中的室内电源线作为家庭局域网基础设施。无需在家庭中安装专门用于交流的线路。这可以降低成本并节省一些材料，例如铜。因此，这种方法有助于减少地球上的生态问题。

本书第2章对电力线技术进行了详细讨论。该技术非常适合智能家居网络的生态设计。

1.4.1.5 毫微微小区

为了提供高质量的无线通信波，使用了毫微微小区（小型蜂窝论坛）。在每个房屋或办公楼中，每个房间或办公室都安装有毫微微小区。毫微微小区本身可以连接到有线互联网电缆，为智能房屋或办公楼中的用户提供卓越的无线通信服务。

1.4.1.6 家庭网络网关

智能家居需要使用家庭外部提供的各种服务，例如互联网交流、电话和手机通信、电视和无线电广播、家庭安全服务以及自然灾害应急通信。智能家居用户可能会逐一整合这些不同类型的通信方式，这既耗时又昂贵。因此，将这些通信连接集中到一个集成网关中更为理想。这种通信枢纽被称为“家庭网关”（HGW）（家庭网关倡议）。目前，家庭网关设备尚未实现最优设计，但在不久的将来，将实现一定程度的标准化。

1.4.2 软件：平台和用户界面

使用上述硬件组件时，采用先进的系统软件对于实现智能家居的生态设计策略至关重要。

1.4.2.1 操作系统

多个系统作为构建智能家居及其网络的基本组件。借助这些设计良好且广泛使用的操作系统（OS），可以为每个目标系统选择合适的操作系统。Linux、安卓和iOS就是一些典型的操作系统（OS）。

1.4.2.2 智能家居网络平台

智能家居网络通过组合和连接多个组件（如基线网络、传感器网络、家庭网关设备和专用网络）构建而成。将这些组件集成到智能家居网络平台中至关重要，以便各组件之间能够无缝地进行交流。

1.4.2.3 用户界面、用户交互和操作

智能家居中的用户通常是家庭成员，年龄和经验各不相同。因此，使这些系统尽可能易于使用非常重要，一个设计良好的用户界面至关重要。键盘、按钮、语音界面和声音界面对于操作的便捷性都非常重要。

1.4.2.4 安全与隐私管理

智能家居网络支持所有家庭成员，因此在网络中传输着大量来自这些家庭成员的私人信息。因此，防范安全入侵并确保每位家庭成员的隐私至关重要。

1.4.2.5 家庭网络的标准化

未来，智能家居将变得越来越普及，对设计良好的智能家居网络的需求也在不断增长。因此，建立智能家居网络的标准非常重要。通过这些标准，构建复杂的智能家居及其网络将变得更加容易。第3章给出了此类标准化的一个示例。

1.4.3 智能家居中的能源管理

1.4.3.1 家庭能源管理系统

从生态角度来看，设计一种无需太多 effort 即可减少日常能源消耗的智能家居非常重要。家庭能源管理系统（HEMS）是这一领域的重要概念。HEMS 包括通过家庭能源管理系统电表对电力使用进行自动控制等。

可以将这一概念应用于公寓楼或社区内的多户房屋。在这种情况下，可以使用智能电网（Smart Grid），这是一种用于在大范围内为家庭节约电力的新技术。

家用电器能源管理的标准在第6章中给出。

1.4.3.2 电动汽车

当前的汽车技术旨在使电动汽车更加实用和便捷，以便任何人都能在任何地方使用电动汽车。电动汽车是汽车社会与自然环境生态之间的一种妥协目标。与电动汽车相关的汽车技术有望在不久的将来得到极大发展。

电动汽车配备了燃料电池，当电动汽车停在车库时，可以向智能家居输送电力。

太阳能电池也可用于此目的。可以优化智能家居的操作和电动汽车的驾驶。

1.4.3.3 家用设备的远程控制

在智能家居中，可以通过家庭外的移动设备远程开关空调等家电。ECONET Lite 是日本原创的家庭网络标准（参见第6章），已定义了家用电器的远程控制方案。多家家用电器制造商提供基于 ECONET Lite 的空调、洗衣机和照明系统，并配备远程控制开关，可支持节能功能。

1.4.4 集成应用

智能家居网络可以包含多种面向家庭居住者的应用程序，其中可能包括相当复杂且集成的应用程序。本节介绍了一些此类应用程序的示例（吴和斋藤，2013）。

1.4.4.1 家庭影院中的内容管理

智能家居必须配备高质量视频屏幕和高保真音响设备。家庭成员可以将这些设备用作高质量的家庭影院。可以通过互联网、移动设备或家庭网关设备（HGW）从家庭外部获取媒体内容，并对多媒体内容进行精细化管理。为了顺畅地管理这些内容，有必要安装高速网络。详细描述见第7章。

1.4.4.2 人体活动识别、个人行为监控和管理

在未来几年，全球老年人口将增加。有必要照顾老年人，使他们能够在其日常生活中保持幸福和安全。信息与通信技术及相关技术可用于老年人的照护。

在智能家居中，房间可以配备摄像机，从而实现对家庭成员在房屋内活动的监控。还可以利用模式识别技术对视频图像进行分析；当房屋内发生危险情况时，可向监控站发送报警信号。高质量的模式识别技术、高质量的图像分析技术、高质量的摄像机以及可靠的网络安全网络可以协同工作，照看智能房屋中的老年人，如图1.5所示。

1.4.4.3 健康护理和医疗护理

也可以利用信息与通信技术（ICT）来监测个人的健康状况。与健康相关的设备（如体重计（称为健康测量仪）、血压计和心电图仪）的发展前景十分广阔。

这些测量数据可以通过传感器网络和中间件基础设施自动发送到卫生服务站（参见第3章）。

还可以根据这些每日健康数据，将送餐服务与健康饮食菜单进行协调。配备高质量智能网络的智能房屋可以在帮助人们过上健康生活方面将非常重要，同时也有助于降低医疗护理成本。

1.5 设计考虑因素

在构思智能房屋或家庭网络时，必须为项目的组件定义规格。在此决策过程中，如果某项规格满足给定的需求，则可选择该规格，然后考虑其他若干条件和物体。以下各节重点说明设计过程中需要考虑的需求。

1.5.1 功能需求

首先，房屋的设计应为其居住者提供舒适和便利的生活。这些是基本的功能需求，一些用户可能希望增加其他功能，例如供暖和空调、家庭影院系统、健身设施等。

家庭网络还旨在满足用户对网络需求和性能的要求。家庭网关设备（HGW）提供的功能对于更好的家庭网络安装至关重要。

1.5.2 建造成本和进度

在构建智能房屋时，考虑成本非常重要。引入新技术可能会导致成本增加。需要在两者之间做出权衡。

预算成本和期望技术可能是必需的。此外，施工进度表对用户来说也很重要。

1.5.3 易用性与安全考虑

对于智能房屋的用户而言，核心问题是功能需求，这些需求应被完整地安装和实现。居住者能够无障碍地使用这些功能非常重要。对用户来说，智能房屋易于维护和管理也极为重要。

此外，智能房屋应保障安全的日常生活，并具备防范自然灾害或事故的安全措施。抗震设计是必要的，尤其是在地震频发地区。防火系统也非常重要。

1.5.4 美学与舒适享受

人们往往喜欢美观或漂亮的物体。因此，他们希望自己的房屋设计精良，具有艺术视角。

1.5.5 生态考虑和可持续性

还有另一种思维方式需要考虑：生态需求与可持续性。例如，能源消耗与供应在设计决策中是极为重要的考量因素。通过家庭能源管理系统进行能源管理可能成为一个难点。有时，对便利性的需求与生态限制之间可能存在冲突。

建造房屋所使用的材料也应深入考虑。木材材料易于使用，但作为天然材料可能在数量上受到限制。钢材、塑料和混凝土材料也均来自地球的自然资源。

材料科学未来可能会带来新的理想材料，以实现更佳的生态解决方案。

生态考虑可能会增加建筑成本，而用户可能更倾向于选择简单且低成本的材料。然而，生态设计不必与所需技术相冲突。如果生态实施的成本增加，说明相关技术可能尚未充分发展。我们需要努力开发支持生态设计和实施的技术，以便我们的社会能够享受地球的可持续性。

1.6 未来趋势

本章介绍了智能家居网络的生态设计，总结了我们社会的历史发展。现代社会享受着技术的先进发展，但有必要考虑我们环境的未来。这里的关键是我们星球的可持续性。

通过使用高端信息与通信技术（ICT）或智能家居网络，可以使居住环境——家庭——变得智能化且符合生态要求。智能家居将发展为智能建筑，未来还可能进一步发展为智慧城市甚至智能国家。