欧洲家电市场——智能家居和智能家电（下）

文/英国索尔福德大学 纪迎春

（接2020年第4期39页）

4.4 智能家电和互联设备市场

在欧盟，智能设备和互联设备仍然是一个相对较新的市场，近期，市场份额方面的数据还未被完全统计。在过去，尽管对智能设备的销售量已有研究，但对整个连接设备市场进行更深入的研究和分析工作仍在进行中。

2015年发表的一篇论文讨论了欧盟有关智能家居和互联设备市场，并就智能家居市场的规模提供了参考数据。这项研究的重点是法国、德国和英国市场，并对这些国家/地区出售的智能联网设备的数量进行了深入分析。该论文讨论了智能家居中的大量已连接设备，比如智能电视以及其他娱乐设备，还有通信和控制设备以及家庭自动化和安全性的相关信息。如图7所示，智能家电（包括大家电和小家电）的数量相对还是很少的。

更具体地说，智能家居环境中的其他设备品类（如娱乐设备）有具体销售数字，但就智能家电而言，这个研究并没给出具体的销售数字。根据GFK研究显示，智能家电设备销量从2014年1月的80万（台/件）增长至2015年1月的610万（台/件），其销量增长迅猛，如图8所示。

尽管数据未将销售量像智能家居市场中的其他类别产品一样显示，但智能家用电器的销售额增长是显而易见的，销量最大的智能家居产品是具有自定义洗涤程序等功能的智能洗衣机，其次是智能冰箱。

4.5 标准化工作

在2017年欧盟委员会的“ICT标准化滚动计划”中，确定了五个标准化优先领域：数字单一市场的信息通讯技术（ICT）、5G云、网络安全、大数据和物联网。得益于这些数字技术的发展和应用，智能能源领域能够利用这些技术的发展取得长足的进步，进而得到广泛的应用。表2是国家/国际标准机构针对以上5个领域出台的一些系列相关标准的简要介绍。

5 智能家居和电器

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图8 英国、法国和德国不同类别的智能家用电器产品的月销量（2014年1月至2015年3月）

图7 2014年和2015年法国、德国和英国的智能家居相关产品销售量

欧盟委员会根据生态设计指令对智能电器进行了前期研究，并将智能电器定义为“能够支持灵活性需求的设备，该设备能够自动响应外部信息，例如：价格信息，直接控制信号和/或本地测量的参数（主要是电压和频率）”。这个定义不能与其他常用的“智能”定义相提并论，因为它不仅仅针对于智能电器，而且在智能设备、智能家居或智能城市等其他领域也都适用。就本报告而言，智能电器或连接的设备是具有嵌入式信息通信技术（ICT）的设备，可以通过电缆或无线方式连接其他设备或系统。

5.1 智能家电和智能家居技术

智能家居技术包含不同类型的智能电器和设备。每一个设备都具有不同的功能、用途、连接和交互的类型等。智能家居系统的主要特征包括用户界面、智能硬件和软件平台。

5.1.1 能源门户

能源门户网站是基于信息学的应用程序，传递对于用户而言通常是不易察觉的家庭能耗信息，并且信息传输方式友好，显示方式简单，有益于用户解释和理解信息。与传统的账单相比，这种类型的应用程序提供了更详细和直接的反馈，直观且更易理解。这通常是能源公共公司或实体为用户提供的一项服务。

主要功能：终端用户的能源数据收集和传输；

界面：智能手机，互联网应用程序，计算机软件；

通讯：无线网（Wi-Fi），局域网（LAN）；

交互：双向交互，允许和其他智能家居产品交互。

5.1.2 家用显示器

家用显示器拥有简单的用户界面，可为消费者提供即时的能耗信息反馈，并且还具有发送定价信号的能力。给出的信息类型通常非常简单直接。这些设备通过传统的普通电表连接到家庭能源网络，并通过家庭局域网与其他外围设备通信。

主要功能：为终端用户收集能源数据并实时传输；

界面：设备显示屏，外围设备显示屏；

通讯方式：无线通讯；

交互：从设备到用户的单向交互。

5.1.3 负载监控器

负载监控器会给出能耗设备的简单能耗信息。它们通常连接在电源插座和实际设备之间，用来采集和检测设备的能耗信息。如果用户估算了这些参数，则负载监控器提供的信息类型通常仅限于能耗，并且最终会计算与此能耗相关的成本信息。

主要功能：即时收集单个设备的能源数据；

界面：设备显示；

交流：通常仅显示视觉信息；

交互：从设备到用户的单向交互。

5.1.4 智能家电

在智能家电的“生态设计准备研究”中，智能家电被定义为“可以通信的家电”。该通信平台可用于提供多种功能，例如需求灵活性响应。在智能电器的能源方面，它们具有接收、解释和处理从能源供应商处接收到的信号并对其进行操作的能力，此外，还可以根据能源使用者（用户）选择的设置来调整其操作。

主要功能：具有与用户及其他平台通信的能力；

界面：设备显示屏、互联网应用程序、能源门户；

通讯：有线和无线通讯；

交互：用户和能源及公用事业之间的双向交互。

5.1.5 智能温控器

智能温控器具有与传统温控器相同的基本功能，比如控制暖通系统（HVAC）的温度参数等。与传统设备相比，这些智能设备的新增功能包括：允许编程、能耗模式的自学习算法，以及具有轻松用户体验的直观界面。

主要功能：温度控制、加热/冷却系统、HVAC系统；

界面：设备显示屏、互联网应用程序；

通讯：无线网（Wi-Fi）；

互动：双向交互。

5.1.6 智能灯

智能灯是将普通照明和嵌入式技术结合在一起的照明设备，可实现自动控制。这类智能产品配备了传感器和微处理器，可以检测环境光或使用情况，并根据用户定义的提示进行操作。智能灯允许用户通过安排时间来调整其照明需求，并减少过度照明，从而减少与照明相关的能耗。智能灯可以进行远程控制，甚至可以响应能源公司的输入来支持需求响应程序。

主要功能：具有连接功能，可实现远程和自动控制；

界面：网络用户界面和智能手机应用程序；

通讯：无线网（Wi-Fi）；

互动：双向交换。

5.1.7 智能插座

智能插座是介于电源插座和能耗设备之间的一种设备。这些设备具有内置的智能功能，具有将非智能设备变成智能设备的特性。智能插座允许对其连接的设备进行远程控制，并提供设备能耗的反馈。

主要功能：耗能设备的控制和反馈；

界面：网络用户界面和智能手机应用程序；

通讯：无线网（Wi-Fi）；

互动：双向交换。

5.1.8 智能集线器

智能集线器是在智能家居环境中整合多个智能连接设备的设备。智能集线器的主要目标是集成所有这些设备的功能，并在家庭网络中以协调一致的方式与所有设备进行通信。

主要功能：智能家居连接设备的连接和集成；

界面：集线器显示，网络界面和智能手机应用程序；

通讯：无线网（Wi-Fi）；

互动：双向交换。

5.1.9 智能加热器

智能加热器可将旧的燃气或电热水器转变为智能热水器，使用户能够通过智能手机或智能集线器进行控制，可实现在需要时加热水。这些智能热水器具有与其他暖通系统控制器耦合的能力，从而使整个系统变得智能。

主要功能：使热水器拥有智能功能；

界面：集线器显示，网络界面和智能手机应用程序；

通讯：无线网（Wi-Fi）；

互动：双向交换。

5.2 智能家居环境中的网络类型

智能家居的主要原理之一是使设备相互连接，允许家庭众多设备的通信和集成。家庭网络布局可以直接影响智能家庭生态系统的效率。智能家居环境中有几种常用的网络类型，各有优缺点。

5.2.1 总线网络

总线网络是网络节点通过电线直接连接到总线所组成的网络。这是家庭中存在的传统网络模式，其中所有设备都通过局域网（LAN）中的数据线连接。这种网络连接简单可靠，如果某个节点停止运行，网络的其余部分仍然可以正常运行并相互通信。总线网络的主要局限性是可能发生的电缆损耗。

5.2.2 环网

环网是节点以闭环连接的局域网。当某些节点直接连接时，其他节点则间接连接，并且数据应通过相邻节点到达目的节点。如果在环形网络内发生两个或多个中断，则可能导致网络中某些节点完全断开连接。带宽在网络的所有节点之间是共享的，这可能导致所有节点之间的通信滞后。尽管这种类型的网络可以用在小型网络中，但环形网络并不是一个非常可靠的网络连接布局。

5.2.3 分布式（星型）网络

分布式网络通常是指有线局域网，网络中央计算机（路由器）充当主要控制节点以接收和传输数据。网络中的每台计算机都连接到主集线器，即中央计算机，通过中央计算机与其他终端进行通信。这种类型的网络具有以下优点：如果网络中的一个或多个节点发生故障，则网络的其余部分仍然可以运行；如果主计算机发生故障，则会导致整个网络瘫痪。

5.2.4 网状网络

网状网络有望在物联网中扮演重要角色。网状网络是由分布在网状结构中的无线节点组成的通信网络。尽管可能有时是有线的，但网格网络在无线模式下具有更大优势。在无线模式下，网格网络转换为通过无线设备连接工作的路由器网络，无线下载和上传数据。每个节点同时充当接收器和发送器，传递需要发送的数据。这种类型的网络很特别，因为智能家居中的每个已连接设备都可以充当节点，从而使通信更加通畅。

5.3 智能家居无线技术

无线技术是家庭中常用的一种简单无间断通信解决方案，用于传输数据和发送工作命令。这种无线技术的安装和使用成本不高，而且对智能家居市场以及智能家电的应用至关重要。

5.3.1 蓝牙技术

蓝牙是一种技术标准，用于通过短波无线电波在短距离10米范围（±10 m）内交换数据。蓝牙技术能耗很低而且数据交换迅速，容易使用，安全性强，目前蓝牙技术是无线网络中非常流行的应用技术。

5.3.2 GSM——全球移动通讯系统

全球移动通讯系统或GSM的创建是用来描述数字蜂窝网络协议的。尽管它被称为移动无线系统，但它在智能家居中也具有用于设备通信的应用程序。GSM的优势是信息传输距离远，可以达到几公里的范围。这是一种被广泛采用的技术，具有低成本和高兼容性。

5.3.3 射频识别

射频识别（RFID）是使用电磁场的系统帮助机器或计算机识别对象，记录中继数据或通过无线电波来控制单个目标。RFID可以在低频（30 cm传输距离）、高频（1.5 m传输距离）或超高频率（高达15 m的传输距离）下运行。该技术已稳定成熟，在市场上被广泛使用。被动式RFID可从附近的RFID阅读器收集能量，主动式RFID则装有自主电源，可以远离RFID阅读器进行操作。

5.3.4 无线网（Wi-Fi）

Wi-Fi通常用于具有传统分布式（星型）网络结构的家庭局域网、移动电话或计算机中，其传输速度很快，是智能家居环境中的关键通信技术。设备能够通过无线局域网（WLAN）连接到互联网（Internet），信息传输范围可以是房间内的几米，或是信号畅通时的几百米。Wi-Fi的运行基于IEEE 802.11标准和IPv6网络协议。

5.3.5 无线局域网

无线局域网（WLAN）是使用扩频技术通过无线分配方法连接两个或多个设备的无线网络。WLAN具有比Wi-Fi更大的传输距离，也符合IEEE 802.11标准和网络协议IPv6。WLAN是一种更通用的无线网络，而Wi-Fi是WLAN的一种。

5.3.6 Z波

Z-Wave用于组建网状网络，通常用于家庭自动化。它是专有标准，旨在远程控制住宅和商业环境中的应用程序。Z-Wave具有简单的命令结构，并且不受其他网络的干扰。Z-Wave提供可靠的、低延迟小数据包传输，传输速率高达100 kbps，室外传输范围可达100 m。

5.3.7 ZigBee

ZigBee作为Z-Wave的一种，是用于家庭自动化的另一种常见通信协议，不同之处在于它的工作方式符合IEEE 802.15.4标准；它也可作为网状网络，用于个人局域网的小数据包传输。与其它无线网络标准相比，ZigBee设备通常具有较低的成本和较低的功耗。ZigBee在低信道带宽下工作，通讯有效距离平均可达10～30 m。与Wi-Fi相比，ZigBee的传输速度要低得多，与超过10 mps的Wi-Fi相比，传输速度仅为250 kbps。

5.3.8 低功耗无线个人局域网6LoWPAN

6LoWPAN是一项新技术，它允许IPv6数据包（Internet协议的第6版和最新版本）在IEEE 802.15.4标准定义的小型链层框架内传输，是低速个人局域网的操作的技术标准协议。6LoWPAN的传输距离可达200 m，同时能耗较低。

5.4 智能家居中的传感器类型

智能家居生态系统的主要组成部分是运行和发射感测建筑物内人类活动的信号所需的传感器。

智能家居生态系统的主要功能之一是家庭安全性，该功能是仅次于家庭娱乐的第二重要领域。随着家庭安全的需求，市场上出现了一些相应的传感器，例如检测门或窗户打开的接触式传感器，同时也有直接的环境传感器，例如二进制传感器。二进制传感器通过1或0值检测对象的存在/不存在或移动。智能家居中的二进制传感器通常包括移动检测、压力或接触传感器。移动检测传感器有多种类型，例如被动红外检测技术用于测量人体热量，通常用于家庭安全；微波传感器发出微波脉冲以测量移动物体的反射；双重技术运动传感器结合了不同传感器的技术，需要触发两个传感器来导致警报动作。其他传感器包括从发光二极管（LED）发出红外线的区域反射型传感器，发射超声波脉冲的超声波传感器，以及检测振动并可以通过加速度计或通过压电装置触发的振动传感器。

火灾和一氧化碳传感器是在安全范围内的家庭环境中使用的其他类型传感器，如果一氧化碳浓度到达危险等级，则将警告居家人员。除了一氧化碳探测器外，还有其他环境传感器可以评估传统的气象参数，例如温度、压力或湿度，以及环境参数，例如污染指数、空气质量、灰尘或花粉。除了传感器本身，还有一个非常重要的方面需要考虑，即用户可以根据智能家居系统的功能定义有用警示。例如，某些智能温控器可以检测用户在家的时间，并从建筑物的使用模式中学习，而其他智能温控器则取决于地理围栏（网络中的虚拟地理边界），这意味着当与智能手机上的应用程序连接时，当系统意识到用户从工作场所进入房屋，则将根据用户的设置开始为房屋供暖，而不是使用缺乏灵活性的预先定义变更系统。

6 智能电器的电力需求调节

智能电器可以自动避开电力使用高峰期，这对于可再生能源的电力系统而言非常重要，因为可再生能源发电量随外界条件变化很大。智能设备可以与电力系统进行通信，这其中的大多数动作必须自动完成。协调自动化取决于解决和协调多个智能电器和家庭电力需求的互通性。智能家电还将需要连接智能电表和接收动态电价信息，使真正的“需求响应”成为可能。尽管消费者似乎对智能电器持积极态度，但人们通常不愿意改变习惯，除非这种改变给他们带来可观的收益——比如节能，并且人们不倾向于处理过于复杂的控制界面。研究表明，人们也担心这些新技术的可靠性、隐私性和安全性。

当匹配电网中的供需、系统的短期平衡并减少能耗时，使用智能电器可以使电力系统受益。它可以减少对化石燃料备用的需求，并有利于增加风能的使用。尽管收益似乎很多，但成本并不明朗。欧盟委员会认识到智能设备的潜力，并提倡发展智能基础设施。欧洲议会认为，只要能使消费者受益并同时提供高信息数据应用和保护隐私，则欧洲议会也将对此表示认可。

6.1 需求调整的类型

能量需求调整可以用于“响应”或“灵活”负载，而不必在严格确定的时间运行。这有两种可能性，例如，推迟使用洗碗机、洗衣机和滚筒式烘干机等设备，可以在不改变能源消耗或持续时间的情况下灵活地安排时间表（在方便用户的时间）来执行任务。第二种是“中断”，可用于冰箱、电锅炉和热泵等电器。可以将它们设置为在较低的水平上运行，例如使用温控器降低温度设置，从而仅降低能耗。或者，可以在运行有限的时间内中断电源（通常一次不超过15至30分钟）。

6.2 自动化水平

智能电器可以在各种自动化级别上运行。例如延迟启动功能已广泛应用于许多家用电器，使用户可以预先手动设置家用电器的启动时间。但是，这并不是真正意义上的“智能”功能，现在人们已经认识到，纯粹的手动操作调控可能不会导致需求的重大调整，因为用户认为这过于繁琐且不方便使用。理想的情况将是智能的手动功能，可使用户根据具体情况设置完成任务的时间，然后将其留给设备来确定执行任务的最佳时间，这一时间将从智能电表中获取。“设完不管”的操作意味着，在设置过程中，系统会按照用户所提供的偏好自动执行任务。诸如智能冰箱和冰柜之类的一些全自动操作，用户几乎不了解也注意不到，并且这些操作也不允许用户进行修改。

6.3 能源管理系统

家庭能源管理系统（EMS）可实现智控制，也可与智能电表，以及家庭网络覆盖的所有智能家电通信，接收有关实时电价、实时可再生能源发电量和用户预设的信息，并相应地协调智能电器的运行。

家庭网关没有与电力系统的物理链接，也不需要一个房屋内部的物理设备，而是通过互联网连接智能电器，并对其进行远程控制和编程。尽管这一功能有可能被智能电表接管，但是否需要这样做仍然需要进一步讨论。

6.4 互通性

智能电器之间已经可以通过某种运作形式相互协作，这是因为许多智能电器都设置了相关专用应用程序，可进行编程和远程控制。目前智能电器之间的协作通常仅在同一生产商生产的设备之间才可能进行，这一点常常限制消费者的选择。为了克服产品间的互通性问题，欧盟委员会提供了相关财政援助，以鼓励和帮助创建智能设备的通用语言（“参考本体”）。这种智能电器参考（SAREF）本体在2015年成为欧洲标准能源相关数据的参考语言。这个通用语言和欧盟所有智能电器设备中使用的微芯片采用的语言一致，这使得智能电器设备可以和智能电表进行通信并根据电价和用户需求进行使用协调。许多家庭中的这些设备还可以由第三方（例如集合商，即电力系统运营商、电力零售商或独立服务提供商）进行远程操作，用户在有补偿的情况下为电力系统提供灵活性以便第三方能更好的管理电力系统。

6.5 需求响应

通常的需求响应有两种类型。委员会联合研究中心（JRC）表示，隐性或基于价格的需求响应，可促进终端用户根据电力价格随时间的变化而改变用电方式。这一办法对于芬兰或瑞典的终端用户而言是因降低用电量而减少电费。以动态定价的电价支付可以帮助用户节省15%至30%的电费。显性或基于奖励的需求响应则是在市场电价高企或电网可靠性受到威胁时，减少用电量。对于居民用户来说可因改变消费行为而直接受益。聚集者将汇集大量家庭的需求响应并将其置于各种能源市场。用户可以同时参与隐性和显性需求响应。

7 用户面临的问题

7.1 用户接受程度

尽管用户通常对智能家电和避开高峰用电持积极态度，但这种接受也是相对比较谨慎的。2013年英国的一项研究表明，用户愿意使自己的房屋自动化，但不希望改变自己的习惯或降低舒适度体验，除非房屋自动化可以帮助他们节省大笔资金。根据欧洲可持续能源系统智能家居设备（Smart A）项目，如果智能设备的价格比常规版本高25欧元，则用户预计最多可在三年内回收多余的投资。另一方面，在没有任何财务收益的前提下，用户通常愿意接受不高于25欧元的费用以换取更好的舒适性、安全性和易操作性。

7.2 用户疲劳

尽管人们普遍接受智能电器设备，但参与一个线性项目（一项在现实生活中记录了智能设备使用情况的大型研究）的用户会发现使用智能设备有时会非常繁琐，以至于必须改变很多习惯。这个项目的研究成果表明，为响应动态价格而手动调整需求实际上是行不通的，这是因为对日常生活不同程度的干扰导致了用户放弃。配备智能电器设备的研究参与者，除了那些遇到技术问题的人之外，他们感受使用疲劳的可能性相对更小。但是，人们对所有家用电器的容忍程度都不尽相同，例如电动汽车的放弃率最高是因为操控界面过于复杂。研究人员得出结论，为避免用户疲劳，用户因配置家用智能电器系统而花费的精力应该越小越好。

7.3 可靠性

2013年英国一项调查研究显示：用户和专家担心智能家居系统的可靠性，也担心用于打开和关闭智能设备的信号网络出现故障。专家认为，手动操作可以最大程度地降低这种风险。欧洲可持续能源系统智能家居设备（Smart A）项目研究证实，用户需要做到完全控制和自主优先选择，这两者缺一不可，以增强智能家居系统的可靠性。

7.4 隐私权与安全性

服务器或基于云服务上的网络攻击使智能电器设备的安全性受到严重关注。此类攻击可能会中断设备的正常功能，或将用户数据暴露给未经授权的访问者。例如，用户会担心隐私丢失，让陌生人知道他们的日常习惯或居家时间。

8 结论

本文从智能家居的定义、相关政策法规，以及智能家电和互联设备功能、市场情况等方面对欧洲智能家居和智能家电的生态系统进行了研究，重点阐述了智能家居系统与供需能源之间的关系。研究表明，智能电表的推出、智能电网的存在、畅通无阻的需求响应市场以及高速互联网，这些技术对于智能家居系统的发展和节约能源至关重要。与此同时，具体介绍了智能家居网络环境、无线互联技术、传感技术的应用对智能家电和智能家居信息通讯的影响，需要通过完善的标准体系和政策支撑以实现人机间、设备间更加安全便捷的通讯与交互。此外，对于智能家居的发展还应该充分考虑用户的接受程度，产品使用过程中存在的用户疲劳问题，产品的可靠性、信息的隐私性、安全性等方面，这些将是智慧家居未来发展中不可忽视的重点，值得行业技术人员继续深入探究。