邬天浩

（珠海科技学院电子信息工程学院 广东省珠海市 519041）

20所示后期以来，随着互联网技术蓬勃发展，各类以改善生活质量、居家服务能力为目标的新技术、新设备得到运用。1984年，美国建成了第一栋现代意义上的智能建筑，并投入生活服务，收效良好。其后该理念（即智能建筑）快速向其他国家、地区推广，加拿大、德国、澳大利亚、新加坡等国家也开始尝试智能建筑建设[1]。我国则予20所示末开始相关研究，取得了一定积极进展。物联网智能家居是智能家居的新阶段、新模式，其对人机交互系统的设计、功能实现要求较高。为保证其发展质量，我国在《中共中央国务院关于加快建设全国统一大市场的意见》中明确提出“推动统一智能家居、安防等领域标准,探索建立智能设备标识制度。”这为物联网智能家居发展提供了思路和方向，在此背景下研究其人机交互的特点、设计和实现方法，具有一定的现实意义。

1 物联网智能家居与人机交互简述

1.1 物联网智能家居

智能家居（Smart Home）也称智能家园、智能居家系统，一般借助计算机技术、网络通讯技术、智能云端控制等现代手段，将用户需求和家居系统内各类设计设备融为一体，使后者功能得到更有效的发挥，属于一种服务性较强的生活系统。目前能够实现智能化的居家服务设备包括安防、灯光控制、窗帘控制、煤气阀控制、信息家电、场景联动、地板采暖、健康保健、卫生防疫等，用户可完成居家情况下的自我管理，也可以作为一个节点，接入社区物联网中，与服务部门进行高效的实时联动，接受更多服务和必要管理[2]。

1.2 人机交互

人机交互即人员和机器的交互行为。在物联网智能家居模式下，尽管很多服务是智能提供的，仍需要根据来自人员的主动指令，以保证服务符合人员具体需要。早期的物联网智能家居在人机交互方面关注直接性，以手动控制的方式接受人员指令，再由系统辨识、服从、执行，现代人机交互更多实现了间接化，可在物联网技术的支持下，在较远距离以设备替代单纯的人员操作，如一键交互、远程请求等，进一步提升了物联网智能家居的服务能力[3]。

2 物联网智能家居中人机交互的特点

2.1 实时性

物联网智能家居中人机交互的基本特点在于实时性。如安防系统，该系统主要发挥安全防护、消防管理方面的作用，在非异常情况下，系统处于实时作业状态，当其服务区域附近出现消防隐患、安保问题时，系统应能够快速投入动作，发出警报、应急处理消防隐患[4]。人员在此过程中无需过多操作，只需通过人机交互为系统设定符合个人需求的工作指令即可。实时性则保证了安防系统功能的履行质量，做到消防于未然。

2.2 全面性

全面性，是指物联网智能家居中人机交互应覆盖前者功能的所有方面，且在系统功能优化后仍具有可扩展的空间。上文对当前物联网智能家居的覆盖情况进行了分析，一般包括安防、灯光控制、窗帘控制、煤气阀控制、信息家电、场景联动、地板采暖、健康保健、卫生防疫等多个方面，上述所有功能模块均应纳入人机交互的范围之内，可通过人机交互直接获取，如灯光的控制；或将服务请求发送至远程端，如健康服务等[5]。

2.3 服务性

服务性，是指物联网智能家居中人机交互强调以用户需求为中心，一切以满足用户群体共性需要和个性需要为目标。如人机交互界面设计上应力求简练，以满足老年人的使用需要，使其能够通过简单学习了解系统操作方法，当老年人突发急症时，可以快速通过人机交互寻求远程服务，挽救其生命安全。针对未成年儿童则应考虑设计童锁，避免其误操作的情况。大部分成年人则以一般性的功能模块设计提供服务，满足人机交互的基本需要。

2.4 便捷性

便捷性，是指物联网智能家居中人机交互应保证性能可靠、设计合理，以保证用户能够以简单交互完成指令下达、请求发送。包括上文所述的老年人健康服务请求、普通用户的灯光控制需要、空调调温需要等。在保证设计能够满足一般交互特点的情况下，应在条件允许的情况下借助集成技术、传感器技术等，使交互工作进一步简练化，便捷的为所有用户提供服务。

3 物联网智能家居中人机交互设计与实现

3.1 基本设计框架与功能模块

3.1.1 基本设计框架

物联网智能家居中，人机交互以人员主动操作为起点，以通信活动、智能模块进行操作指令的精准辨识，以管理终端提供具体服务。物联网为各个功能模块提供了统一的作业平台，完成大量、不同信息的分别读取和处理。物联网下人机交互系统的基本设计框架如图1所示。

图1：物联网智能家居中人机交互系统基本设计框架

该系统下，不同用户借助其家庭工作系统，向智能家居各模块发送请求信息，保罗安防服务、健康保健等，这些服务信息通过有线、无线等通信方式传输至响应系统处，如果用户下达的指令比较简单，则由响应系统在其家庭服务范围内直接给出响应，如灯光调控、空调温度控制等；如果用户提出的服务请求较复杂，则由响应系统传输给管理中心，再由管理中心给予回应、安排服务，如用户提出的健康服务请求等。

3.1.2 功能模块

系统功能大致分为四个模块，一是执行模块，二是通信管理模块，三是交互模块，四是远程管理模块。

执行模块也是各类家用电器、工作设备，如灯具、空调、消防器材等，这些设备接入物联网后，可由用户进行控制，使其快速根据用户指示完成一般性的操作，包括调温、应急消防等，此外，报警器等终端设备也归属于执行模块。通信管理模块包括物联网通信系统，也包括物联网的外延部分，在物联网常规通信的基础上，将用户家庭、家庭内的各类设备纳入到通信系统范围内，作为一个节点，以通信系统与管理处、服务端实现连接，实时完成服务响应和指令下达。

交互模块包括用户端交互系统，也包括管理端交互系统，物联网智能家居主要考虑用户端交互系统的设计，该模块主要响应用户下达的各类实时指令，如“灯具启闭、健康服务”等，远程管理端的交互以常规计算机操作系统提供服务即可。远程管理模块即物联网智能家居的管理端，以物联网服务的管理者为中心，假定物联网覆盖本社区，社区管理部门即为远程管理模块的负责人，负责响应物联网内用户的服务请求，并根据其请求类别提供必要服务，包括上门服务和远程服务两大类。

3.2 操作界面设计

物联网智能家居中人机交互主要集中于用户一端，也即通常所说的服务终端，终端操作界面的设计，原则上关注其功能全覆盖，也应保证简洁性和易用性，建议采用三层服务模式，并设置必要的一键服务模块。该设计的拓扑结构如图2所示。

图2：物联网智能家居中人机交互界面拓扑结构

在三级界面模式下，人机交互的一级界面为主界面，主界面只提供其他分项服务的入口，以及具有核心价值的一键服务。一键服务包括“紧急呼救”、“童锁”两个部分，当用户因突发恶性疾病、受到火灾、安全威胁时，可直接一键向远程端发送服务请求，远程端管理人员立即组织上门管理，以保证快速响应物联网智能家居用户请求，童锁则可避免儿童的误操作，可一键锁定、一键解除，应设计在儿童不宜碰触的边缘地带。点击主界面的入口即可进入各类二级界面，包括安全、健康保健等服务，点击任意入口可进入三级界面，以健康保健为例，三级界面包括血压测量、信息读取、信息录入等，可由用户根据需要自行确定服务内容。三级界面便于覆盖所有服务内容，使用不同界面予以分层呈现，也能比较清晰的完成功能分区管理，便捷性可靠。

3.3 重点实现技术

物联网智能家居中人机交互系统功能的实现，依赖各类现代技术提供支持，包括物联网技术、信息通信技术、传感器技术、智能技术等，这些技术又需要以集成技术完成共同管理，以PLC 逻辑控制技术保证管理逻辑的清晰化，以CAN 总线技术保证通信质量以及必要的扩展空间。不同技术在系统内的作用各有差别，除物联网技术发挥核心价值外，其他技术大多发挥辅助作用。如通信技术为例，物联网智能家居中人机交互终端主要采用无线通信技术，终端和服务端则以有线通信的形式进行连接。其作业模式如图3所示。

图3：物联网智能家居中人机交互终端的通信模式

用户一端的操作可分为两类，一类为常规的简单服务，如智能家居共工作终端的参数调节，包括空调的温度、灯光强度等，这些操作可借助遥控设备进行简单的管理，均采用无线通信模式提供服务。另一类为复杂的远程服务，这一类服务难以由用户在家庭内管理单独完成，包括用户信息的录入、处理，管理程序的扩展等，需要在有线通信服务的支持下，与远程管理终端进行实时交互，并由远程端明确响应才能完成，有线通信可保证信息传输的效率、质量，从而保证通信效果和智能家居的总体服务能力。

3.4 典型应用流程

物联网智能家居中人机交互的应用方式比较明确，以远程交互为例，对其应用流程进行分析。假定用户A为老年用户，患有慢性疾病，其使用了物联网智能家居系统后，作为一个整体节点接入到社区服务系统中，A用户的日常人机交互可管理家庭内的各类智能设备。在此基础上，A 完成了信息录入，并得到远程端（社区）响应，完成个人信息的录入，包括住址、病情简况等。在非发病情况下，A 不需要与社区进行交互，但A 突然发病且无法快速有效自救时，可在人机交互界面通过一键服务发送“紧急呼救”请求，在有线通信模式下，该信息通过通信服务快速得到社区管理人员的收集，后者可根据A 此前录入的住址信息和病情信息等，快速根据A 病情需要组织上门施救，并拨打120 为A 的后续抢救工作提供支持。与此相似，其他智能家居服务也采用类似方法开展，以简明的人机交互界面、系统，为其功能履行提供保障。

4 物联网智能家居中人机交互的未来发展方向

4.1 智能化

物联网智能家居中人机交互的未来发展将更趋智能化，这一趋势在欧美发达国家已经初见端倪，主要表现在三个方面，一是人机交互的简练化，二是交互设备的轻量、便捷化，三是智能管理中心功能的延伸化。人机交互的简练化，主要是指将原本较复杂的功能设计集成到一个系统中，以一键服务的形式替代复杂的多样操作。如灯光服务模式，此前亮度、光照模式等指令被分别设置为多种组合，包括自然光、阳光、沙滩日光、月光等，可一键完成光照强度、方式的切换，较此前的智能家居人机交互方式更为智能便捷。

交互设备的变更最早在日本得到关注，日本大城市居住用地紧张、住宅建设受限，因此加大了技术研究的力度，使用一些便携式的操作设备取代较大的安装时设备，如老年人使用的智能手环，可以用于智能家居设备管理，也可以提供其他服务，包括远程呼救等。智能管理中心功能的延伸化，则强调在智能家居的服务终端加强智能设备、技术的运用，管理中心只做集中管理，具体管理工作可分散到用户一端，进而提升服务的针对性和交互效率。

4.2 标准化

标准化，是指物联网智能家居中人机交互在技术层面会趋向标准化，以便大范围使用、大范围管理。标准化建设的理念最早提出于欧美发达国家，在智能建筑、节能建筑研究的过程中，德国巴伐利亚、慕尼黑科学家统一进行建筑设计和建设实验，认为标准化的建设模式大大简化了工作流程和管理难度，使一些复杂的工作得以重复进行，用户提出的请求也可以通过相同的人机交互形式予以实现，只需要在用户端通过微操（如密码设计）组织差异化管理即可。

未来我国的智能家居系统建设也会更趋标准化，包括技术标准的明确化、技术适用性的提升等，这一趋势的核心优势在于便于管理，用户可以清晰了解购买的智能家居服务是否符合使用需要和质量标准，即便出现质量问题、更换需要，也可以就近选取非原厂服务者，进行质量问题处理和部件更换，保证物联网智能家居中人机交互系统的使用更趋便利。

4.3 安全性

物联网智能家居中人机交互系统存在一定的安全隐患，包括信息泄露隐患、网络攻击隐患以及基本的线下使用安全隐患等。包括我国在内，各国均在尝试通过网络技术保证用户信息安全，同时提升基于节点独立防护的系统防护能力，在用户一端建设防火墙、互联网防护机制，避免网络攻击或减少网络攻击带来的损失。线下防护则关注人机交互设备的安全性，如避免漏电、减少辐射等。目前该技术的进展情况比较理想，通过加强质量管理、企业内部管理的方式，可以提升物联网智能家居中人机交互系统的性能，减少一般性的安全隐患。

5 结论

综上所述，物联网智能家居中，人机交互具有其个性化特点，要求能做到实时、全面，且服务性强、便捷性高。现有技术可以支持物联网智能家居中的人机交互活动，框架设计上强调功能区域明确、服务方式简练，以智能技术、通信设计等作为实现基础，其应用过程主要强调通过内置计算机完成对人员指令的精准辨识，指导系统的具体作业。未来物联网智能家居中人机交互会更趋智能化，也会进一步趋向标准化、提升安全性，优化智能家居的综合性能。