可持续智能家庭与家庭自动化：大数据分析方法

1. 引言

近几十年来，新型电器的增多导致用电量上升。电网不断扩展，燃料消耗也随之增加。与此同时，全球水资源日益减少，水价不断上涨，促使住宅居民采取节能策略（1）。因此，政治家提出了新政策，环保人士建议可行的解决方案，研究人员探索新技术，以减少水电资源的使用。现代居民呼吁建设现代住宅设施，在提升社会福祉的同时降低成本。毫无疑问，智能家居设备应运而生，为家庭用户提供了可持续的解决方案。

智能家居经常与家庭自动化这一概念一起被讨论。它通过无线网络向电器和信息分发指令和信息，通过普适家庭网络（1），实现设备和其他基于互联网的应用的连接。居内什和阿克达什（2）承认，家庭自动化系统允许用户控制安全、照明、通风和温度。巴拉苏布拉马尼安和切拉托格鲁（3）提出，家庭自动化可以节约用电并保护住户免受入侵者侵害。雷兹（4）发现，友好的用户界面可提高家庭自动化效率。本曼索尔、布查希亚（5）认为，我们需要考虑智能家居中住户的数量和类型。科洛塔和保（6）主张，应用低功耗蓝牙来管理能源，可通过降低高峰负荷能源需求提升消费者舒适度，并允许更多电器同时运行。

2. 智能家居技术的三代

近年来，已提出多种计算方法以推动和开发智能家居环境的复杂控制系统（7）。智能空调、安全设备、手机和家庭影院将理论上的智能家居付诸实践（8）。其中许多技术利用了人工智能（AI）、多智能体系统和自动控制技术。

2.1 第一代智能家居：无线技术与代理服务器家庭自动化方法

第一代智能家居设备用于监控住户活动，并按照预设模式操作电器。例如，高级计量基础设施会向居民家中的智能电表发送随时间变化的电价信息，智能电表则发出指令以调整用电量（8）。此外，智能家居还可为瘫痪病人提供支持（9）。为了开发和改进家庭服务，研究人员通过引入蓝牙家庭自动化系统，将家用电器连接到一个蓝牙子控制器，从而推动家庭自动化的发展。该系统利用无线技术减少了电线需求和侵入式电气安装。然而，大量设备共享单一蓝牙连接常导致访问延迟，因此提出了基于ZigBee的家庭自动化网络。该网络需要本地代理服务器来实现电器与互联网之间的通信。另一种可能的解决方案是物联网（IoT），它基于低功耗有损网络IPv6路由（RoLL）提供全IP解决方案（10）。

除了象牙研究外，私营部门也意识到智能家居的潜力，并推出了大量相关的新技术和产品。例如，三星推出了SmartThings中心，用户可通过安卓和苹果 iPhone远程监控和控制家用电器（11）。努布赖特推出了Touchpoint一体化智能家居控制台，可通过Touchpoint控制灯开关，并可通过不同的安卓和iPhone设备操控NuBryte应用程序。它还具备多种灯光模式，包括就寝模式和调光模式。努布赖特还配备广角摄像头，当有入侵者时可让其他手机收到即时警报。此外，它还能更新天气信息、日历、事件和能耗监测（12）。

智能设备不仅包括能够控制其他智能产品的设备，还可以向用户发送提醒。Quirky Egg Minder Wink应用程序启用的智能蛋托可通知用户冰箱中鸡蛋的数量以及鸡蛋是否已变质。该蛋托还配有LED灯，用于区分哪些鸡蛋是最陈旧的（13）。

2.2 智能家居的第二代：人工智能控制电器设备

它已发展为智能家居环境（SHE）的概念。SHE 通过在传统家庭自动化系统中引入新的“智能功能”，展现出多种形式的“人工智能”，从而提高了舒适度，降低了运营成本，并增强了安全性。众多计算方法已被提出，用于在自动化、人工智能（AI）和多智能体系统的支持下，设计并开发智能家居环境（SHE）的复杂控制系统（14）。

2015年之前，尽管人们普遍认为智能家居与人工智能关系密切，但此类技术主要在实验室中运行，而非家庭日常使用（15）。其中一个例子是埃塞克斯大学的iSpace。它配备了智能设备，可检测并学习用户行为，并根据用户需求提供建议。这些设备能够相互通信、协调操作，并通过互联网和全球移动通信系统实现远程访问（16）。

2014年，互联网书店巨头亚马逊推出了亚马逊 Echo。这是一款复杂的产品，与其他仅接受用户指令的智能家居设备不同，它能够聆听用户的问题并作出回答。它可以报告交通和天气信息，提供新闻、体育比分以及用户日程的更新。此外，它还能控制灯光、恒温器和开关。而且，随着用户与其互动，它将变得越来越智能，并具备学习能力（17）。

2.3 第三代智能家居：能够与人类互动的机器人Bubby “who” can Interacts with人类

服务机器人与智能家居系统的集成是当前的趋势（18）。价格适中的机器人配备了人工智能，可以通过语音识别响应人类的需求。例如，Zenbo 可连接到智能家居设备，在家庭中自由独立移动，通过其相机观察环境，进行视频通话，识别人脸，并拍摄照片和视频。此类机器人不仅能控制智能设备，还可被视为能与人类互动的伙伴“Zenbo”（19）。

机器人Rovio是一款配备有网络摄像头、麦克风和扬声器的移动机器人，是集成化革命的象征之一。为将Rovio集成到智能家居中所采用的中间件方法是即插即用协议（UPnP），该协议此前已在其他研究中用于类似目的。Rovio可以与其他 UPnP设备连接，例如智能家居系统或其他服务机器人（如Roomba）。将Rovio集成到UPnP环境中，展示了服务机器人在智能家居中实现便捷集成并开发新型高级服务的可能性，体现了智能家居中互操作性的优势（18）。

无论哪一代智能家居，它们都能提升人们的生活质量。此外，一些专家认为，智能家居系统可以帮助残障人士过上更美好、更便利的生活。科斯塔，卡尔巴拉（20）指出，人们尤其是残障人士的生活在家庭自动化的存在下变得更加便利。

3. 智能家居研究中先前使用的研究方法

在智能家居研究中采用了民族志方法、调查和访谈（21）。在受访者家庭中进行的实地研究包括情境访谈，并结合角色扮演、讲故事和实物演示活动（22）。其他用于智能家居的新颖研究方法记录在下表中。

研究方法	该研究方法的结果/优点	参考文献
日记	• 向参与者提供日记以记录他们的体验和观点，当他们使用该系统时。 • 参与者记录他们的与系统的互动。 • It成功参与参与者在过程 of 评估。	(21)
摄影研究	• 请求智能家居用户拍摄自己家庭的照片。 • 参与者收到了任务包以在家庭中完成任务。 • 它提供了关于如何智能家居技术被使用 and识别 the角色 of 技术在人们的日常生活中在未来。	(21)
焦点小组	• 焦点小组允许研究参与者讨论他们的使用后的需求和观点智能家居系统。 • 参与者资料包正在计划中 and传播 for the 设备管理 in 家庭试验。 • 他们使用资源包来记录他们的体验日记，互动记录和照片用于试验。 • 参与者被给予A5螺旋装订记录本 ,便利贴垫子、情绪贴纸和一个相机记录他们的想法 , 观点和心态。 • 这些手册中收集的数据 can提供一个广泛的 各种信息来自 家庭，供每位研究人员在每次家访时使用。 • The手册记录 the 研究人员之间的互动 和参与者即时地。	(21)
计量经济学预测方法	• 它预测家庭温度使用传感器。 • 结果显示，超过三个小时，准确性在一度以内五分之一摄氏度，而当超过六小时时，准确性将保持在半度摄氏度以内基于一小时或数小时的历史数据。	(23)
双调度建模	• 它分析了最大功率消耗在智能 grid 基于环境的在两个上调度模型：在线和离线。 • It采用负载模型 with 动态定价过程 • 研究消费者激励在电力消耗减少。	(24)

3.1 大数据分析

在本论文中，我们采用大数据分析方法，以研究2004年至2016年期间智能家居与家庭自动化在全球不同地区的普及情况。在本节中，我们首先简要介绍数据分析，然后介绍大数据分析。

数据分析是利用数据收集和分析来优化决策(25)。它通过审查大量原始且无序的数据，识别出有助于组织或决策者更好理解行为模式的规律。它是获取有关信息、情感以及观点生成方式有意义洞察的有效工具(26)。此外，分析还能识别并确定市场中的主流趋势和问题。如今，组织经常使用数据分析从社交媒体内容中推断商业智能（BI），以支持决策并为决策者制定各种商业策略。数据分析为商业智能创造了机会，为决策者提供了更好地了解业务绩效的平台。商业智能涵盖了用于获取及时且有价值业务洞察的过程和技术。然而，数据分析和商业智能仅仅是辅助人们进行决策的工具，决策者应在获得数据分析结果后，结合自身的分析思维能力进行判断，而不应盲目依据数据分析结果做出决策。

然而，数据分析仍面临挑战。其中一个主要挑战是数据可用性，包括数据分析的相关性和完整性（27）。对于许多管理者和组织而言，他们可能不具备获取数据的能力，例如缺乏计算机技能和知识，或者数据中包含噪声，存在信息不对称问题（28）即使数据可以轻松提供，并且决策者拥有完全访问权限，他们也必须考虑数据的完整性（27）、完整性、歧义或数据质量。

大数据分析（BDA）应用了数据分析的理念，旨在处理大量数据以识别趋势、模式并获取宝贵的发现。大数据分析通常结合使用Oracle的大数据设备和 Cloudera的Hadoop（29）。

4. 研究结果

通过揭示2004年至2016年的关键词搜索，谷歌上关于智能家居和家庭自动化的兴趣变化如下图所示。图中显示，智能家居的兴趣随时间逐渐增加，而家庭自动化的兴趣则呈下降趋势。在谷歌搜索引擎中，智能家居搜索量最多的国家主要来自菲律宾、美国和德国，其中搜索量最多的城市分别为菲尼克斯（美国）、奎松市（菲律宾）和奥斯汀（美国）。

关于家庭自动化，搜索次数最多的国家来自南非、印度和阿拉伯联合酋长国。关键词搜索次数最多的城市来自班加罗尔、海得拉巴和金奈。这三个城市均位于印度，以其信息技术发展而闻名。班加罗尔被称为印度硅谷，金奈被视为另一个印度硅谷（30），而海得拉巴是谷歌、苹果、Facebook、微软印度的所在地。这些结果在一定程度上推翻了外行人的观点，即家庭自动化和智能家居只是富人和富裕国家感兴趣的奢侈事物。结果表明，计算机知识与对智能家居技术的兴趣之间的关系比经济发展更为密切。

在研究研究的第二部分，我们的目标是回顾目前市场上可销售的各种智能家居技术，这些技术可能实现可持续发展的目标（智能家庭机器人尚未包含在本研究中，因为包括Zenbo在内的许多产品直到2016年底才在市场上销售）。可持续发展的理念可以指“既满足当代人的需求，又不损害后代人满足其自身需求能力的发展” (32–34)。它聚焦于社会、环境和经济学的共同发展。

事实上，市场上的许多智能家居设备都能节约电能或优化发电过程。例如，EIB-I总线使我们能够更多地利用自然光以减少能源消耗，并随时随地控制产品（35）。因此，它能够实现环境发展（减少用电）、经济发展（节省消费者开支）以及社会发展（可随处控制）的目标。

除了节能和发电设备外，其中一些设备还能节约用水。例如，惠而浦的光学水传感器可确定用水和能耗情况，使用户能够调整能源消耗（36）。为了在消防测试期间节约用水，区域检查住宅提供了流量切换测试，避免了雇佣承包商的需求并节省了成本（37）。然而，与电相关的智能家居设备相比，与节水相关的智能家居设备选择要少得多。表2展示了可能具有可持续性应用的各种智能家居设备。

5. 结论

智能家居设备已经发展了几十年。然而，由于成本高昂且安装困难，大多数产品并未普及。2016年，一些科技巨头意识到智能家居设备的潜在价值，开始开发尖端设备。根据大数据分析结果，我们预计智能家居设备的采用率将有所上升。部分原因是智能家居技术所能实现的功能远不止家庭自动化，其能力远超仅仅实现房屋自动化，因此对后者的搜索量正在减少。事实上，第三代智能家居设备甚至可以讲故事、拍照，并在家庭中自由移动。它们不仅能控制电器，还能提升生活质量。

研究结果还表明，目前市场上可购买的许多设备有助于实现社会、经济学和环境发展三赢的目标。然而，其中大多数设备关注的是电而非水。我们推测，这主要是经济动机所致：在世界上许多地方，电比水更昂贵。因此，货币费用仍然是推动家庭智慧生活的主要动机之一。

总的来说，这篇论文具有学术的、实践的和政策方面的贡献。学术上，这是首次采用大数据分析作为代理手段，研究全球智能家居与家庭自动化相对普及程度的同类研究。实际上，该论文推翻了许多外行人的观点，即认为智能家居和家庭自动化只是富人的游戏。这也为政策制定者在实施智慧城市政策时提供了有用的信息。

销售公司	名称的智能 home 设备	可持续性
阿凡科技 (35)	EIB-I总线	• 经济学：自动化系统降低了运行和管理成本。 • 社会：用户可以随时控制产品任何地方。 • 环境：最大限度利用自然光以减少能源消耗
奇特 (13)	Aros	• 经济学：阿罗斯会记录制冷方面的支出每月并根据用户的预算提供设置并随后报告。 • 社会：阿罗斯学习用户的制冷模式。它能够预测不同条件下的温度，包括唤醒状态起床，离家上班并返回家中
GE (13)	GE Link	• 经济学：GE Link灯泡可以使用超过22年（每天3小时） • 社会：用户可以控制 GE Link灯泡 anywhere，可设置在用户醒来时开启，用户离开时关闭，或到睡觉时间时调暗。 • 环境：与传统灯泡相比，最多可节省80%的电力 compared with other traditional light bulbs
瑜伽 (38)	瑜伽系统	• 环境：当房间无人时，灯光自动关闭。它通过使用智能插座、恒温器和电表来集成能源和供暖管理，调控温度和能源消耗。 • 社会：远程控制照明系统以改进安全 • 社会：有不同的照明风格包括从派对到宁静 • 社会：当用户到家时，它会自动打开灯光设定一个模仿的日常模式，以给外界留下印象用户不在镇上时，仍有人在家中。 • 社会：温度可根据家庭位置的实时天气和用户行为进行调节。
惠而浦 (36)	智能系统 Nest系统	• 环境：Nest系统管理能源消耗并控制洗涤周期。 • 经济学：自动延迟洗衣或干燥周期在能源使用高峰期。因此，它可以节省一些地方的电费。 • 社会：洗碗机配备光学水传感器以确定水和能源的使用，并让用户改变能源使用方式从一个周期到另一个周期。 • 环境：冰箱变化能源使用根据家庭内外的温度和湿度。它提供有关能源消耗的能源报告。
LG	智能ThinkQ	• 社会：无需预热更快烹饪20% • 社会：洗衣机可以下载自定义程序并让用户自定义最佳洗衣程序 • 环境：智能ThinkQ可以检测并调整功耗至最低水平。它拥有七个传感器用于监测温差以最佳功率模式
德尔塔帕拉马克（13）	太阳能跟踪系统	• 环境：太阳能跟踪天窗由高反射镜面板持续移动根据太阳位置。通过调整位置太阳的光线，镜子将光线反射到下方的空间否则会失去。 • 经济学：持续时间更长，且可产生高达4倍的光亮降低了初始成本和持续费用 • 社会：它提供了一个舒适的环境
德尔塔帕拉马克（13）	Zone检查住宅的	• 经济学：否定该需求的流量切换测试，提供了维护效益并节省了雇佣承包商的成本。 • 环境：Zonecheck 节省了作为废水排放的 100% 的水，并减少碳足迹。 • 社会：整个系统由中央管理可配置用于自动消防测试的位置根据客户的需求。它简化了测试和可选的Zonecheck打印机提供带有检查记录的测试记录带有时间和日期戳。
德尔塔帕拉马克（13）	步骤3	• 经济学：与…相比，可节省30%至50%的成本类似产品。 • 社会: STEP3 是一个提供的自动化系统中央空调和建筑自动化直接数字控制器（DDC）。它有助于工程师检查其设计。在线固化 的 DDC 可以被下载。
电讯盈科 (38)	飞利浦 Hue家居照明系统	• 社会：可以根据个人设置定时器习惯。远程控制照明系统改进了安全。宜人的图片和灯光场景、照片和彩色灯光装饰房间。4 种预设的灯光设置根据人体生物影响进行设定。最佳光色和变化的亮度使用户充满活力，并帮助我们放松和集中注意力。