01、智能家居發展趨勢
智能家居是通過各種感知技術，接收探測信號並予以判斷後，給出指令讓家庭中各種與信息相關的通信設備、家用電器、家庭安防、照明等裝置做出相應的動作，以便更加有效服務用戶且減少用戶勞務量。在此基礎上，綜合利用計算機、網絡通訊、家電控制等技術，將家庭智能控制、信息交流及消費服務等家居生活有效地結合起來，保持這些家庭設施與住宅環境的和諧與協調，並創造出安全、舒適、節能、高效、便捷的個性化家居生活。未來智能家居可以感知用戶在家中做的任何事情，隨時能夠通過智能化的功能，給予用戶生活上的支持，同時針對用戶的及時性需求，提供智能化的服務[1]。
（1）智能家居發展階段
智能家居的發展經歷三個階段：以產品為中心的單品智能階段，以場景為中心的場景智能階段，和以用戶為中心的智慧家庭階段。
（A）單品智能階段
單品智能中智能音箱、智能門鎖、智能攝像頭、智能照明是當前最熱門的智能家居產品，未來可能包括智能門鈴、智能貓眼、智能晾衣機、智能傳感器等產品。隨著產品的演進，未來幾乎家裡的所有產品都可以能聽、會說、能懂。
智能音箱是普通音箱升級的產物，是家庭消費者用語音進行上網的一個工具，比如點播歌曲、上網購物，或是了解天氣預報，也可以用智能音箱對其它智能家居設備進行控制，比如打開窗簾、設置冰箱溫度、提前讓熱水器升溫等。
智能門鎖是指區別於傳統機械鎖的基礎上改進的，在用戶安全性、識別、管理性方面更加智能化簡便化的鎖具。例如智能指紋鎖，常見功能包括指紋、密碼、刷卡、機械鑰匙四合一開鎖方式。增加上聯網功能，可實現遠程操控。
智能攝像頭可主動捕捉異常畫面並自動發送警報，大大降低了用戶精力的投入，可實現即時且隨時隨地的監控。攝像頭可通過手機APP與手機相連，點開便可查看攝像頭即時拍攝的畫面；同時，當拍攝畫面出現異常動態或聲響時，攝像頭除了可自動捕捉異常並啟動雲錄像自動上傳，還可通過簡訊或手機APP向用戶發送警報信息，從而實現全天候智能監控。
智能照明是指利用分布式無線遙測、遙控、遙訊控制系統，來實現對家居照明設備甚至家居生活設備的智能化控制，具有燈光亮度的強弱調節、燈光軟啟動、定時控制、場景設置等功能。隨著物聯網的崛起，LED照明走向小型連網的數字照明，更進一步融合個人化、以人為本的智能照明正在成為未來產業發展重點。
（B）場景智能階段
場景智能將智能家居以區域空間進行劃分，涉及家庭居住空間的各個角落，如臥室場景、客廳場景、廚房場景、陽臺場景、浴室場景、門廊場景、樓梯場景、花園場景，每個不同的空間，都可以有相應的小區域場景匹配。而圍繞用戶生活需求的場景包括安全場景、健康場景、休息場景、娛樂場景、雨天場景、通風場景、節能場景、除溼場景、除甲醛場景、防霧霾場景、回家場景、離家場景、洗衣晾曬場景、洗浴場景等。
例如智能臥室中，床引入多種的健康功能，比如說按摩功能、健康指標檢測功能等；燈光可以自動完成調節，比如說回家模式、離家模式、睡眠模式和閱讀模式；窗戶下雨天會自動關閉。智能臥室在用戶晚上就寢時，所有燈光會自動關閉，窗簾閉合，智能床統計睡眠狀態，家庭安防系統自動布防。用戶早上起床，柔緩的背景音樂響起，窗簾緩慢打開。
（C）智慧家庭階段以用戶為中心的智慧家庭是智能家居終極發展目標，即為人們提供一個更為舒適、安全、方便和高效的生活。家居生活中存在的所有智能設備操作都離不開與用戶的互動，所有智能設備的運轉也離不開為用戶服務。人工智慧技術將在交互方式與執行決策兩個維度對智能家居行業產生著深刻影響。
在交互方式上，人工智慧對智能家居交互方式產生革命性影響。由按鍵/遙控的物理控制，延伸到觸摸面板與手機APP控制，再到全面的語音控制，隔空的體感控制與視覺控制，最終實現系統自學習後的無感體驗。2020年是智能語音到智慧視覺的可視化人機互動元年，更多基於視覺的交互將會誕生。視覺交互不僅符合非接觸式經濟，也是未來十年的主流趨勢。
在執行決策上，人工智慧提供了機器自我學習自主決策的實現路徑。這將使得個人身份識別、用戶數據收集、產品聯動在潛移默化中變成現實，未來家居生活場景將提供千人千面，家庭成員的個性化服務。
（2）智能家居通信技術
智能家居還會用到其它各種新技術，其中包括必不可少的通信技術，有無線技術Zigbee、Z-Wave、RF、藍牙、WIFI、EnOcean、UWB、NB-IoT、Lora等，和有線技術RS485、RS232、Modbus、KNX等。
Zigbee是一種短距離、低功耗的無線通信技術，其特點是近距離、低複雜度、自組織、低功耗、低數據速率。ZigBee底層採用IEEE 802.15.4標準規範的媒體訪問層與物理層，主要適合用於自動控制和遠程控制領域，可以嵌入各種設備。Zigbee的傳輸距離50米到300米，速率250kbps，功耗5mA，網絡節點數最大可達65000個。
Z-Wave也是一種基於基於射頻的低成本、低功耗、高可靠短距離無線通信技術。在技術面上，Z-Wave從原本的9.6Kbit/s提升到40Kbit/s。在節點數方面，一個Z-Wave網路可支持232個節點。
RF是一種非接觸式的自動識別技術。相對於傳統的磁卡及IC卡技術具有非接觸、閱讀速度快、無磨損、不受環境影響、壽命長、便於使用的特點和具有防衝突功能，能同時處理多張卡片。無線射頻技術在閱讀器和射頻卡之間進行非接觸雙向數據傳輸，以達到目標識別和數據交換的目的。
藍牙是一種無線技術標準，可實現固定設備、行動裝置和樓宇個人域網之間的短距離數據交換。藍牙傳輸距離2米到30米，速率1Mbps，功耗介於Zigbee和WIFI之間，主要應用在一些小型的智能硬體產品上。
WIFI是目前應用最廣泛的無線通信技術之一，傳輸距離在100米到300米，速率可達300Mbps，功耗10－50mA。
EnOcean是世界上唯一使用能量採集技術的無線國際標準。EnOcean能量採集模塊能夠採集周圍環境產生的能量，用來供給EnOcean超低功耗的無線通訊模塊。和同類技術相比，功耗最低，傳輸距離最遠，可以組網並且支持中繼等功能。無需電池，無線信號所需的電力是ZigBee的1／30～1／100。主要應用在一些無線無源智能家居和智能樓宇產品上。
UWB利用納秒至微微秒級的非正弦波窄脈衝傳輸數據。通過在較寬的頻譜上傳送極低功率的信號，UWB能在10米左右的範圍內實現數百Mbit／s至數Gbit／s的數據傳輸速率。
NB-IoT（Narrow Band Internet of Things）構建於蜂窩網絡，只消耗大約180kHz的帶寬，可直接部署於GSM網絡、UMTS網絡、LTE網絡或5G網絡，以降低部署成本、實現平滑升級。NB-IoT具備四大特點：一是廣覆蓋，在同樣的頻段下，NB-IoT比現有的網絡增益20dB，相當於提升了100倍覆蓋區域的能力；二是具備支撐連接的能力，NB-IoT一個扇區能夠支持10萬個連接，支持低延時敏感度、超低的設備成本、低設備功耗和優化的網絡架構；三是更低功耗，NB-IoT終端模塊的待機時間可長達10年；四是更低的模塊成本。
Lora（Long Range Radio）主要工作在全球免費頻段運行（即非授權頻段），包括433、868、915 MHz等。LoRa網絡構架由終端節點、網關、網絡伺服器和應用伺服器四部分組成，應用數據可雙向傳輸。因LoRa功耗低、傳輸距離遠、組網靈活等諸多特性與物聯網碎片化、低成本、大連接的需求十分的契合。
RS485又名TIA-485-A, ANSI/TIA/EIA-485或TIA/EIA-485。RS485有兩線制和四線制兩種接線方式，四線制只能實現點對點通信，很少採用，現在多採用兩線制接線方式。這種接線方式為總線式拓撲結構，在同一總線上最多可以掛接32個節點。很多主流有線智能家居廠家採用的都是RS485協議。
RS232是個人計算機上的通訊接口之一，由電子工業協會制定的異步傳輸標準接口。通常接口以9個引腳或是25個引腳型態出現。一般個人計算機上會有兩組RS-232接口，分別稱為COM1和COM2。少數的智能家居產品會採用這種協議。
Modbus是一個工業通信系統，由帶智能終端的可編程序控制器和計算機通過公用線路或局部專用線路連接而成，支持247個遠程從屬控制器。
KNX總線是獨立於製造商和應用領域的系統。通過所有的總線設備連接到 KNX介質上，這些介質包括雙絞線、射頻、電力線或IP/Ethernet。總線設備可以是傳感器也可以是執行器，用於控制樓宇管理裝置如：照明、遮光/百葉窗、保安系統、能源管理、供暖、通風、空調系統、信號和監控系統、服務界面及樓宇控制系統、大型家電等。所有這些功能通過一個統一的系統就可以進行控制、監視和發送信號，不需要額外的控制中心。
02、智能家居邊緣計算現狀
（1）智能家居網關
目前智能家居主要是通過雲平臺來連接和控制家中的智能設備，很多家庭區域網內的設備互動也通過雲平臺來實現。但設備過度依賴雲平臺會帶來很多問題，例如家裡出現網絡故障，設備很難進行控制。另外，通過雲平臺控制家中設備，有時響應速度慢，會帶來很強的延遲感，並且隨著智能家居單品品類的增加這種不良體驗會越來越頻繁。
在智能家居中，邊緣計算的應用越來越廣泛。智能家居網關是家居智能化的心臟，通過它實現系統信息的採集、信息輸入、信息輸出、集中控制、遠程控制、聯動控制等功能，它是邊緣計算的重要載體。
一方面，智能家居網關有了邊緣計算的支持，對智能家居設備的控制，可以直接通過邊緣計算進行。對於在同一網關內的智能組件，網關可以處理這些組件收到的信息並根據用戶設置或者習慣做出決策，控制執行組件執行相應動作。
對於能夠實現邊緣計算的智能家居組件，在用戶外網斷開的時候，可以不受影響，這就避免了在用戶斷網時候造成的智能家居系統癱瘓問題。
另一方面，在智能家居不同產品的互動場景中，邊緣計算也將充當網管或中控系統，通過雲計算與邊緣計算的協同，來實現設備之間的互聯互通、場景控制等需求。
智能家居網關，對內連接家庭內豐富的家居及傳感器，對外連接雲平臺。智能家居網關提供計算、存儲、網絡、虛擬化等基礎設施資源，同時提供設備自身配置、監控、維護、優化等生命周期API。邊緣計算要求支持即插即用、多AP自動配置連接、南向管理家庭中攝像頭、門禁、溫溼度傳感器等外設、南向接口豐富性，如網線、電力線、同軸電纜、Zigbee、藍牙、WiFi等，同時還可以對大量異構數據進行處理，再將處理後的數據統一上傳到雲平臺。
用戶不僅僅可以通過網絡連接邊緣計算節點，對家庭智能終端進行控制，還可以通過訪問雲平臺，實現邊緣家庭網關全生命周期管理，包括網絡大數據分析提供相關資源優化決策建議，實現家庭網絡的可管可運營。
用戶可以選擇智能化主動服務的家庭生活，或自己定製家居業務的編排，由智能網關統一進行管理控制。在用戶的授權下，雲邊協同的智能家居系統將主動學習用戶的生活使用習慣，不斷優化智能模型，更好的為用戶提供智能化服務：客廳、臥室、衛浴、廚房內的家居根據用戶的定製化需求，結合晨起、離家、下午歸家、休閒、入睡等不同場景，自動智能幫助用戶完成一系列的家庭事務。早晨，臥室可以自動音樂喚醒、開窗、衛浴自動準備洗漱用具，廚房開始自動烤麵包；離家時會自動關閉空調等電器，會根據天氣選擇是否關閉窗戶等；下午歸家時，安全開門並激活回家模式，自動開燈、推薦食譜、烹飪教學、自動下單購買日常需要等；晚飯後機器人自動打掃衛生、自動開啟電視並切換至相應節目等；睡覺前會自動檢查並關閉門窗和電器[2]。
（2）人工智慧應用
將邊緣計算和人工智慧深度結合，可以實現智能家居邊緣智能，從全面的語音控制，到隔空的體感控制與視覺控制，到最終實現系統自學習後的無感體驗。
（A）語音控制科技讓生活更智能，語音讓交互更便捷、快捷。不管品牌與技術多麼先進，人機互動界面多麼友善，都沒有語音交互控制來的簡便直接。以蘋果智慧型手機為代表的Siri率先提出了語音控制的概念，而隨後智能語音控制技術快速蓬勃發展，亞馬遜Echo智能音箱設備成為除手機之外，讓語音助理作用於控制智能家居設備的第一批裝置。而以谷歌、微軟等為代表的網際網路巨頭也相繼跟進，探索語音控制技術在智能化家居設備的應用。一般的智能家居產品（例如電燈、電視、音樂播放器等設備)基本都能通過語音控制實現其功能。
但是語音控制依舊面臨諸多挑戰，例如用戶能隨意用語音控制智能家居的一個必要條件就是無論你在客廳哪個角落發出指令，設備都能準確識別，語音識別技術必須突破距離的障礙。目前室內的語音交互受到背景噪音、其他人聲幹擾、回聲、混響等多重複雜因素影響，導致識別率低甚至無法使用，只能在相對安靜、近距離的環境下使用。
另外，中國語音及語言博大精深，中國真正掌握標準普通話的人群比例比較低，口音現象紛繁複雜，甚至會出現同城市中有不同口音的情況。因此，當這些帶有或輕或重口音的人群在使用語音輸入時，如果按通常的方法使用標準普通話數據進行模型的訓練，就會產生很嚴重的適配問題，從而影響語音輸入時的識別效果。
因此，智能家居語言控制必須更加智能，只會識別一些基本詞句顯然是遠遠不夠的，它們必須要更懂人類。懂人類的口音、語速、方言、口頭禪以及時不時蹦出的專業詞彙等。這就是智能家居語言控制要實現個性化識別。即語音識別系統具備自動學習並適應用戶使用習慣的能力，你用的越多，它越懂你。一般來說，個性化識別包括發音和語言兩方面。其中發音個性化主要是指系統對用戶口音、語速等發音習慣的學習，而語言個性化主要是指系統可以對用戶的特定詞彙（例如人名、地名、口頭禪、專業詞彙等）具備更好的辨識性。
（B）體感控制與視覺控制體感控制指人們可以直接使用肢體動作，與周邊的裝置或環境互動，而無需使用任何複雜的控制設備，便可讓人們身歷其境地與內容做互動的一種做法。例如人站在一臺電視機前方，假使有某個體感設備可以偵測到人手部的動作，此時若是人將手部分別向上、向下、向左及向右揮，可以用來控制電視臺的快轉、倒轉、暫停以及終止等功能。
依照體感方式與原理的不同，主要可分為三大類：慣性感測、光學感測以及慣性及光學聯合感測。慣性感測主要是以慣性傳感器為主，例如用重力傳感器，陀螺儀以及磁傳感器等來感測使用者肢體動作的物理參數，分別為加速度、角速度以及磁場，再根據這些物理參數來求得使用者在空間中的各種動作。
光學感測使用雷射及攝像頭（RGB）來獲取人體影像信息，捕捉人體3D全身影像和動作。普通的2D視覺有視頻通話、網絡攝像頭、2D識別等初級應用。2D識別只能讓終端「看見」，在智能避障和識別方面能力不足。比如搭載2D視覺的掃地機器人不夠聰明，無法識別前面是垃圾還是障礙，導致清掃效果和線路規劃不能令人滿意。隨著3D視覺技術的發展，打破了以往2D視覺的局限。3D視覺技術可獲取深度信息，捕捉物體3D數據，賦能智能終端活體檢測識別、手勢識別等能力，實現"看懂"世界。
3D視覺應用在門鎖上，相比傳統基於指紋識別和2D識別門鎖更為可靠。當然安防和控制僅僅是智能家居最基本層面的應用，隨著未來智慧家庭對終端智能化程度的需求越來越高，3D視覺技術亦可應用於更深層次的家庭生活當中。3D視覺催生的骨骼識別技術可捕捉人物動態，實現3D體感遊戲、3D體感健身等品質生活方式；結合AR幫助家長實現更沉浸的幼兒教育，真正做到寓教於樂[3]。
（C）無感體驗真正的智能家居應該是根據用戶的生活習慣進行自動調節，提供無感的體驗，也就是說，智能家居融入你我的生活，但不會造成幹擾。例如智能空調能夠通過內置傳感器，監測室內的溫度、溼度、光線以及恆溫器周圍的環境變化，判斷房間中是否有人，記錄用戶的溫度調節習慣，並以此決定是否開啟溫度調節設備。不是用戶告訴它應該調節成多少溫度，而是讓用戶壓根想不起來調節溫度，因為溫度已經由智能空調自動幫用戶調整好了，用戶根本意識不到需要調節什麼。又例如智能冰箱，要能告訴用戶某樣食物是哪天放進去的，裡邊有多少，什麼時候會過期，具備思想和數據分析能力。這種智能家居的「思想」，是通過數據分析出用戶需求，並想方設法滿足這些需求。
實現無感體驗，一方面需要藉助視覺+溫感+嗅覺+體感+語音等的多模態融合應用，另外一方面需要系統具備自學習能力。