基于觸屏手機(jī)的家居設(shè)備監(jiān)控的系統(tǒng)架構(gòu)與優(yōu)勢(shì)

1.引言

在傳統(tǒng)的家居環(huán)境中，家居設(shè)備的監(jiān)控界面多是分離的，用戶只能通過(guò)各個(gè)設(shè)備獨(dú)立提供的監(jiān)視（如電視顯示屏）與控制界面（如紅外遙控器）來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)單一設(shè)備的監(jiān)控，且監(jiān)控距離受限（設(shè)備周邊）；家居設(shè)備間的協(xié)作較少，且多是靜態(tài)的協(xié)作關(guān)系（如在電視上顯示有線連接的DVD 或電腦），用戶無(wú)法動(dòng)態(tài)的建立多個(gè)家居設(shè)備間的協(xié)作關(guān)系。

近年來(lái)，隨著便捷舒適的智能數(shù)字家居概念的普及與發(fā)展，工業(yè)界與學(xué)術(shù)界涌現(xiàn)出了眾多網(wǎng)絡(luò)化的家居設(shè)備，如互聯(lián)網(wǎng)電視、互聯(lián)網(wǎng)冰箱等等。與此同時(shí)，家居網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施（如家庭無(wú)線網(wǎng)關(guān)等）也逐步成為普通家庭的必備設(shè)施之一。網(wǎng)絡(luò)化家居設(shè)備的出現(xiàn)與家庭網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的成功部署，使得用戶在智能家居中通過(guò)集成的同一界面隨時(shí)隨地了解家居設(shè)備的狀態(tài)、遠(yuǎn)程控制家居設(shè)備成為可能。在現(xiàn)有的方法中，工業(yè)界多從家居設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)化標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議入手，促成家居設(shè)備的互聯(lián)互通，較為著名的工作如諾基亞公司的Home ControlCenter1，OpenPeak 公司的Smart-Home-Phone2，UPnP 協(xié)議與閃聯(lián)公司的IGRS 協(xié)議等；在學(xué)術(shù)界，相關(guān)研究[1,2,3,4,6]已開(kāi)始著眼于如何將互聯(lián)互通的各個(gè)設(shè)備上分散的監(jiān)控接口集成起來(lái)，為用戶提供一個(gè)家居設(shè)備通用監(jiān)控器。現(xiàn)有的家居設(shè)備通用監(jiān)控器雖各具特色，但在舒適性、便捷性以及直觀性上仍有較大的發(fā)展空間，也因此成為本文的主要研究對(duì)象。

家居設(shè)備通用監(jiān)控器需要一個(gè)合適的載體為用戶所用。調(diào)研工作表明，用戶在家居生活中更愿意使用手機(jī)而非傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)，因?yàn)槭謾C(jī)在家居中更加便捷易得，可以方便他們隨時(shí)隨地的完成任務(wù)。隨著手機(jī)的發(fā)展，觸摸交互技術(shù)因其具有直接操作（DirectManipulation）的自然交互體驗(yàn)，逐漸成為主流的交互方式，如iPhone, gPhone, WindowsPhone 7 等。鑒于上述特點(diǎn)，本文認(rèn)為，用戶隨身攜帶的觸屏手機(jī)，是智能家居中監(jiān)控各種網(wǎng)絡(luò)化設(shè)備界面的理想載體。

因此，本文提出了一種基于觸屏手機(jī)的家居設(shè)備監(jiān)控器HouseGenie，如圖1 所示。歸納而言，HouseGenie 具有如下三點(diǎn)特性：1）二維俯視家居全景圖：在智能家居中，了解所有家居設(shè)備的實(shí)時(shí)狀態(tài)是重要的需求之一。HouseGenie 提供的二維俯視家居全景圖，使用戶可以便捷全面的掌握家居設(shè)備的實(shí)時(shí)狀態(tài)（如開(kāi)啟、關(guān)閉），也便于用戶快速自然定位所需控制的家居設(shè)備圖標(biāo)并與之交互。2）直接操作體驗(yàn)的家居設(shè)備控制：在傳統(tǒng)的智能家居中，每個(gè)設(shè)備都具有自己獨(dú)立的控制器。當(dāng)用戶希望交替控制多種家居設(shè)備時(shí)，這種方式顯得較為笨拙與不便。HouseGenie 以手指觸摸為主要交互方式，用戶通過(guò)“指點(diǎn)”即可調(diào)用家居設(shè)備的控制功能接口，并在界面上及時(shí)了解設(shè)備狀態(tài)的反饋；提供的“拖拽”模式也較好的滿足了用戶對(duì)兩臺(tái)設(shè)備間的協(xié)作需求，如屏幕共享、文件播放等。3）隨時(shí)隨地的監(jiān)控體驗(yàn)：HouseGenie 選擇手機(jī)作為其交互界面的載體，使得用戶可以在家居中、路途中、辦公時(shí)隨時(shí)隨地的了解家居設(shè)備的狀態(tài)，并依照需求遠(yuǎn)程控制各種網(wǎng)絡(luò)化家居設(shè)備。

圖1 智能家居中使用HouseGenie 的示意圖（左為MID 手機(jī)版本，右為Android 手機(jī)版本）

2.現(xiàn)有相關(guān)通用控制器的優(yōu)勢(shì)與不足

羅技公司的Harmony3是較早較為成功的一款家居設(shè)備通用控制器，它可以集成控制具有紅外遙控的家居設(shè)備，其最新版本采用了基于觸摸的自然交互方式，但較為繁瑣，且只限于單向控制，難以監(jiān)視設(shè)備狀態(tài)。CRISTAL創(chuàng)新性的使用多觸點(diǎn)桌面作為家居控制界面，通過(guò)融合屋頂攝像頭拍攝的實(shí)時(shí)家居俯視圖與家居設(shè)備的虛擬操控界面，為用戶提供了良好的客廳多媒體設(shè)備的協(xié)作體驗(yàn)。然而，CRISTAL 對(duì)多觸點(diǎn)桌面的依賴，使得它并不能隨時(shí)隨地的完成家居設(shè)備控制的任務(wù)，其屋頂?shù)臄z像頭也有暴露家居隱私等問(wèn)題。

在使用手機(jī)或手持設(shè)備作為家居控制器方面，Join-the-Dots，OSCAR和RELATE.

允許用戶建立環(huán)境中多個(gè)網(wǎng)絡(luò)化設(shè)備間的協(xié)作關(guān)系。其中，使用了基于線的隱喻，利用在設(shè)備圖標(biāo)間“畫線”建立設(shè)備間的協(xié)作關(guān)系；允許用戶通過(guò)簡(jiǎn)單的界面配置，為常用的復(fù)合任務(wù)創(chuàng)建可重用的任務(wù)。的主要問(wèn)題在于缺乏界面上的設(shè)備圖標(biāo)與設(shè)備所在的實(shí)際物理空間中位置的對(duì)應(yīng)，導(dǎo)致當(dāng)設(shè)備較多時(shí)用戶可能會(huì)難以快速準(zhǔn)確找到所希望控制的設(shè)備。通過(guò)引入相對(duì)位置模式解決了上述問(wèn)題，它將設(shè)備資源的圖標(biāo)依照相對(duì)于當(dāng)前設(shè)備的位置顯示在屏幕的四個(gè)邊界上。這種方法可以幫助用戶快速的發(fā)現(xiàn)并使用臨近的設(shè)備資源，但缺點(diǎn)在于其界面是時(shí)刻動(dòng)態(tài)變化的（家居場(chǎng)景中多數(shù)設(shè)備的位置是固定的），增加了用戶額外的認(rèn)知負(fù)擔(dān)。有代表性的提出了基于選擇（Selective）和基于自然直接操作的兩種交互方式，其中基于選擇的交互方式以列表的模式顯示出所有的家居設(shè)備，為本文提供了較好的參考；而基于自然直接操作的方式則利用手持設(shè)備的攝像頭捕捉用戶臨近的設(shè)備，并實(shí)時(shí)在界面上生成出該設(shè)備的控制菜單。

3.HouseGenie 與智能家居中央服務(wù)器系統(tǒng)架構(gòu)

如圖2 所示，HouseGenie 通過(guò)輪詢的方式從智能家居中央服務(wù)器獲取當(dāng)前的設(shè)備信息（包含設(shè)備狀態(tài)、設(shè)備接口及設(shè)備間關(guān)系），并顯示在交互式UI 界面上為用戶所用。特別的，HouseGenie 的本地?cái)U(kuò)展服務(wù)模塊為調(diào)用特殊的設(shè)備服務(wù)（如PC 屏幕共享提供的VNC服務(wù)）預(yù)留了擴(kuò)展服務(wù)接口；而多模態(tài)識(shí)別擴(kuò)展引擎則預(yù)留為后續(xù)識(shí)別用戶的多模態(tài)輸入。

智能家居中央服務(wù)器統(tǒng)一維護(hù)并管理智能家居中的所有網(wǎng)絡(luò)化家居設(shè)備，其內(nèi)部采用OSGi 框架集成各個(gè)功能模塊（Bundle）。如圖2 所示，用戶的控制命令經(jīng)“通用設(shè)備接口”。

發(fā)送至情境管理Bundle，后者針對(duì)情境將其轉(zhuǎn)義為設(shè)備控制請(qǐng)求，并轉(zhuǎn)發(fā)至“設(shè)備管理器”。

設(shè)備管理器通過(guò)調(diào)用不同類型的“設(shè)備適配器”，將最終的命令傳遞至網(wǎng)絡(luò)化家居設(shè)備。 “設(shè)備識(shí)別器”實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的獲取設(shè)備的當(dāng)前狀態(tài)，發(fā)送給“數(shù)據(jù)管理”，供“情境管理”等使用。

4.基于觸屏的智能家居監(jiān)控交互設(shè)計(jì)

通過(guò)對(duì)家居設(shè)備交互需求的分析（見(jiàn)表1），本文有針對(duì)性的完成了HouseGenie 的監(jiān)控交互設(shè)計(jì)。考慮到部分觸屏手機(jī)仍僅支持單觸點(diǎn)交互（如Viliv S5），因此HouseGenie的交互主要依靠單觸點(diǎn)方式而實(shí)現(xiàn)。而在支持多觸點(diǎn)交互的觸屏手機(jī)上（Android 手機(jī)），僅使用了少數(shù)較為通用的多觸點(diǎn)手勢(shì)（如雙指縮放監(jiān)控界面）。

如圖3 所示，在監(jiān)視方面，HouseGenie 實(shí)現(xiàn)了可調(diào)整顯示比例的二維俯視家居全景圖，以方便用戶實(shí)時(shí)的了解家居的整體情況。特別的，若家居中包含多層結(jié)構(gòu)，為保證家居狀態(tài)的全局可見(jiàn)性、能夠更好的建立多個(gè)設(shè)備間的協(xié)作關(guān)系， 我們將多層的家居場(chǎng)景平鋪為一層供用戶查看。同時(shí)，用戶也可以通過(guò)設(shè)備列表只監(jiān)視其感興趣的設(shè)備。

在單個(gè)設(shè)備控制方面，HouseGenie 針對(duì)觸摸交互特別進(jìn)行了優(yōu)化，用戶最常用的“單擊”觸摸操作被映射為設(shè)備的Pie-Menu 快捷菜單，而“長(zhǎng)按”則被定義為傳統(tǒng)的全功能列表模式控制。如此的好處在于Pie-Menu 對(duì)于新用戶具有良好的自解釋性，而對(duì)于熟練用戶則可以使用“點(diǎn)劃”的方式快速選擇常用命令。同時(shí)，Pie-Menu 對(duì)于手指操作有較好的適應(yīng)性，并且其半透明的設(shè)計(jì)也可以讓用戶在選擇功能前再次“隱式”確認(rèn)所控制的設(shè)備及其狀態(tài)變化。列表與Pie-Menu 結(jié)合的方式也滿足了用戶的多樣性需求。

在多設(shè)備控制方面，HouseGenie 提供了多設(shè)備群體控制/配置方式，并利用“拖拽”隱喻來(lái)建立設(shè)備間的協(xié)作關(guān)系。目前所實(shí)現(xiàn)的協(xié)作關(guān)系包括屏幕共享（將具有顯示能力的A設(shè)備拖拽至B 設(shè)備）以及文件播放（將A 設(shè)備上的文件拖拽至具有播放功能的B 設(shè)備）。

5.用戶研究

本文邀請(qǐng)了10 名體驗(yàn)者（6 男4 女，年齡11-33 歲）在搭建的模擬環(huán)境中開(kāi)展用戶研究，共分三個(gè)階段：1）用戶在沒(méi)有接受任何培訓(xùn)的狀態(tài)下使用HouseGenie 完成任務(wù)；2）用戶接受培訓(xùn)并再次完成任務(wù)；3）用戶完成調(diào)查問(wèn)卷，并交流使用中的體會(huì)。

圖4 用戶研究結(jié)果

如圖4 用戶研究結(jié)果所示，除去需要使用“拖拽”隱喻完成的復(fù)雜任務(wù)外（任務(wù)5/6），用戶均能夠在沒(méi)有接受任何培訓(xùn)的情況下用較短時(shí)間完成所需任務(wù)；而在接受過(guò)培訓(xùn)后，用戶則可以快速完成所有所需任務(wù)。這表明，HouseGenie 對(duì)于簡(jiǎn)單的家居控制具有良好的自然直觀性（未培訓(xùn)情況下），對(duì)于常用的家居控制任務(wù)具有良好的可用性（培訓(xùn)后快速完成任務(wù)）。在最后的問(wèn)卷中，用戶對(duì)于HouseGenie 的各項(xiàng)功能特性均給出了較高的評(píng)價(jià)。

由此，用戶研究較好驗(yàn)證了HouseGenie 的自然直觀性與可用性。

6.結(jié)論與展望

本文提出了一種基于觸屏手機(jī)的家居設(shè)備控制器HouseGenie，并詳細(xì)論述了其設(shè)計(jì)思想、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、以及交互方式。相比于以往的家居控制器，HouseGenie 提供了更自然、更直觀、更便捷的隨時(shí)隨地的家居監(jiān)控體驗(yàn)：

1）使用觸屏手機(jī)作為監(jiān)控界面；

2）通過(guò)二維俯視全景圖監(jiān)視設(shè)備實(shí)時(shí)狀態(tài)；

3）Pie-Menu 與列表結(jié)合的設(shè)備靈活快速操控；

4）基于“拖拽”的設(shè)備協(xié)作建立?；趯?shí)驗(yàn)室的用戶研究較好驗(yàn)證了HouseGenie 原型系統(tǒng)的自然性、直觀性、可用性與有效性。在未來(lái)的工作中，我們會(huì)從配置界面及定制化任務(wù)、多人同時(shí)使用時(shí)協(xié)作與沖突、便捷部署等方面繼續(xù)完善此工作。