基于触屏手机的家居设备监控的系统架构与优势

1.引言

在传统的家居环境中，家居设备的监控界面多是分离的，用户只能通过各个设备独立提供的监视（如电视显示屏）与控制界面（如红外遥控器）来实现对单一设备的监控，且监控距离受限（设备周边）；家居设备间的协作较少，且多是静态的协作关系（如在电视上显示有线连接的DVD 或电脑），用户无法动态的建立多个家居设备间的协作关系。

近年来，随着便捷舒适的智能数字家居概念的普及与发展，工业界与学术界涌现出了众多网络化的家居设备，如互联网电视、互联网冰箱等等。与此同时，家居网络基础设施（如家庭无线网关等）也逐步成为普通家庭的必备设施之一。网络化家居设备的出现与家庭网络基础设施的成功部署，使得用户在智能家居中通过集成的同一界面随时随地了解家居设备的状态、远程控制家居设备成为可能。在现有的方法中，工业界多从家居设备的网络化标准协议入手，促成家居设备的互联互通，较为着名的工作如诺基亚公司的Home ControlCenter1，OpenPeak 公司的Smart-Home-Phone2，UPnP 协议与闪联公司的IGRS 协议等；在学术界，相关研究[1,2,3,4,6]已开始着眼于如何将互联互通的各个设备上分散的监控接口集成起来，为用户提供一个家居设备通用监控器。现有的家居设备通用监控器虽各具特色，但在舒适性、便捷性以及直观性上仍有较大的发展空间，也因此成为本文的主要研究对象。

家居设备通用监控器需要一个合适的载体为用户所用。调研工作表明，用户在家居生活中更愿意使用手机而非传统计算机，因为手机在家居中更加便捷易得，可以方便他们随时随地的完成任务。随着手机的发展，触摸交互技术因其具有直接操作（DirectManipulation）的自然交互体验，逐渐成为主流的交互方式，如iPhone, gPhone, WindowsPhone 7 等。鉴于上述特点，本文认为，用户随身携带的触屏手机，是智能家居中监控各种网络化设备界面的理想载体。

因此，本文提出了一种基于触屏手机的家居设备监控器HouseGenie，如图1 所示。归纳而言，HouseGenie 具有如下三点特性：1）二维俯视家居全景图：在智能家居中，了解所有家居设备的实时状态是重要的需求之一。HouseGenie 提供的二维俯视家居全景图，使用户可以便捷全面的掌握家居设备的实时状态（如开启、关闭），也便于用户快速自然定位所需控制的家居设备图标并与之交互。2）直接操作体验的家居设备控制：在传统的智能家居中，每个设备都具有自己独立的控制器。当用户希望交替控制多种家居设备时，这种方式显得较为笨拙与不便。HouseGenie 以手指触摸为主要交互方式，用户通过“指点”即可调用家居设备的控制功能接口，并在界面上及时了解设备状态的反馈；提供的“拖拽”模式也较好的满足了用户对两台设备间的协作需求，如屏幕共享、文件播放等。3）随时随地的监控体验：HouseGenie 选择手机作为其交互界面的载体，使得用户可以在家居中、路途中、办公时随时随地的了解家居设备的状态，并依照需求远程控制各种网络化家居设备。

图1 智能家居中使用HouseGenie 的示意图（左为MID 手机版本，右为Android 手机版本）

2.现有相关通用控制器的优势与不足

罗技公司的Harmony3是较早较为成功的一款家居设备通用控制器，它可以集成控制具有红外遥控的家居设备，其最新版本采用了基于触摸的自然交互方式，但较为繁琐，且只限于单向控制，难以监视设备状态。CRISTAL创新性的使用多触点桌面作为家居控制界面，通过融合屋顶摄像头拍摄的实时家居俯视图与家居设备的虚拟操控界面，为用户提供了良好的客厅多媒体设备的协作体验。然而，CRISTAL 对多触点桌面的依赖，使得它并不能随时随地的完成家居设备控制的任务，其屋顶的摄像头也有暴露家居隐私等问题。

在使用手机或手持设备作为家居控制器方面，Join-the-Dots，OSCAR和RELATE.

允许用户建立环境中多个网络化设备间的协作关系。其中，使用了基于线的隐喻，利用在设备图标间“画线”建立设备间的协作关系；允许用户通过简单的界面配置，为常用的复合任务创建可重用的任务。的主要问题在于缺乏界面上的设备图标与设备所在的实际物理空间中位置的对应，导致当设备较多时用户可能会难以快速准确找到所希望控制的设备。通过引入相对位置模式解决了上述问题，它将设备资源的图标依照相对于当前设备的位置显示在屏幕的四个边界上。这种方法可以帮助用户快速的发现并使用临近的设备资源，但缺点在于其界面是时刻动态变化的（家居场景中多数设备的位置是固定的），增加了用户额外的认知负担。有代表性的提出了基于选择（Selective）和基于自然直接操作的两种交互方式，其中基于选择的交互方式以列表的模式显示出所有的家居设备，为本文提供了较好的参考；而基于自然直接操作的方式则利用手持设备的摄像头捕捉用户临近的设备，并实时在界面上生成出该设备的控制菜单。

3.HouseGenie 与智能家居中央服务器系统架构

如图2 所示，HouseGenie 通过轮询的方式从智能家居中央服务器获取当前的设备信息（包含设备状态、设备接口及设备间关系），并显示在交互式UI 界面上为用户所用。特别的，HouseGenie 的本地扩展服务模块为调用特殊的设备服务（如PC 屏幕共享提供的VNC服务）预留了扩展服务接口；而多模态识别扩展引擎则预留为后续识别用户的多模态输入。

智能家居中央服务器统一维护并管理智能家居中的所有网络化家居设备，其内部采用OSGi 框架集成各个功能模块（Bundle）。如图2 所示，用户的控制命令经“通用设备接口”。

发送至情境管理Bundle，后者针对情境将其转义为设备控制请求，并转发至“设备管理器”。

设备管理器通过调用不同类型的“设备适配器”，将最终的命令传递至网络化家居设备。 “设备识别器”实时动态的获取设备的当前状态，发送给“数据管理”，供“情境管理”等使用。

4.基于触屏的智能家居监控交互设计

通过对家居设备交互需求的分析（见表1），本文有针对性的完成了HouseGenie 的监控交互设计。考虑到部分触屏手机仍仅支持单触点交互（如Viliv S5），因此HouseGenie的交互主要依靠单触点方式而实现。而在支持多触点交互的触屏手机上（Android 手机），仅使用了少数较为通用的多触点手势（如双指缩放监控界面）。

如图3 所示，在监视方面，HouseGenie 实现了可调整显示比例的二维俯视家居全景图，以方便用户实时的了解家居的整体情况。特别的，若家居中包含多层结构，为保证家居状态的全局可见性、能够更好的建立多个设备间的协作关系， 我们将多层的家居场景平铺为一层供用户查看。同时，用户也可以通过设备列表只监视其感兴趣的设备。

在单个设备控制方面，HouseGenie 针对触摸交互特别进行了优化，用户最常用的“单击”触摸操作被映射为设备的Pie-Menu 快捷菜单，而“长按”则被定义为传统的全功能列表模式控制。如此的好处在于Pie-Menu 对于新用户具有良好的自解释性，而对于熟练用户则可以使用“点划”的方式快速选择常用命令。同时，Pie-Menu 对于手指操作有较好的适应性，并且其半透明的设计也可以让用户在选择功能前再次“隐式”确认所控制的设备及其状态变化。列表与Pie-Menu 结合的方式也满足了用户的多样性需求。

在多设备控制方面，HouseGenie 提供了多设备群体控制/配置方式，并利用“拖拽”隐喻来建立设备间的协作关系。目前所实现的协作关系包括屏幕共享（将具有显示能力的A设备拖拽至B 设备）以及文件播放（将A 设备上的文件拖拽至具有播放功能的B 设备）。

5.用户研究

本文邀请了10 名体验者（6 男4 女，年龄11-33 岁）在搭建的模拟环境中开展用户研究，共分三个阶段：1）用户在没有接受任何培训的状态下使用HouseGenie 完成任务；2）用户接受培训并再次完成任务；3）用户完成调查问卷，并交流使用中的体会。

图4 用户研究结果

如图4 用户研究结果所示，除去需要使用“拖拽”隐喻完成的复杂任务外（任务5/6），用户均能够在没有接受任何培训的情况下用较短时间完成所需任务；而在接受过培训后，用户则可以快速完成所有所需任务。这表明，HouseGenie 对于简单的家居控制具有良好的自然直观性（未培训情况下），对于常用的家居控制任务具有良好的可用性（培训后快速完成任务）。在最后的问卷中，用户对于HouseGenie 的各项功能特性均给出了较高的评价。

由此，用户研究较好验证了HouseGenie 的自然直观性与可用性。

6.结论与展望

本文提出了一种基于触屏手机的家居设备控制器HouseGenie，并详细论述了其设计思想、系统结构、以及交互方式。相比于以往的家居控制器，HouseGenie 提供了更自然、更直观、更便捷的随时随地的家居监控体验：

1）使用触屏手机作为监控界面；

2）通过二维俯视全景图监视设备实时状态；

3）Pie-Menu 与列表结合的设备灵活快速操控；

4）基于“拖拽”的设备协作建立。基于实验室的用户研究较好验证了HouseGenie 原型系统的自然性、直观性、可用性与有效性。在未来的工作中，我们会从配置界面及定制化任务、多人同时使用时协作与冲突、便捷部署等方面继续完善此工作。