1.引言

在傳統的家居環境中，家居設備的監控界面多是分離的，用戶只能通過各個設備獨立提供的監視（如電視顯示屏）與控制界面（如紅外遙控器）來實現對單一設備的監控，且監控距離受限（設備周邊）；家居設備間的協作較少，且多是靜態的協作關系（如在電視上顯示有線連接的DVD 或電腦），用戶無法動態的建立多個家居設備間的協作關系。

近年來，隨著便捷舒適的智能數字家居概念的普及與發展，工業界與學術界涌現出了眾多網絡化的家居設備，如互聯網電視、互聯網冰箱等等。與此同時，家居網絡基礎設施（如家庭無線網關等）也逐步成為普通家庭的必備設施之一。網絡化家居設備的出現與家庭網絡基礎設施的成功部署，使得用戶在智能家居中通過集成的同一界面隨時隨地了解家居設備的狀態、遠程控制家居設備成為可能。在現有的方法中，工業界多從家居設備的網絡化標準協議入手，促成家居設備的互聯互通，較為著名的工作如諾基亞公司的Home ControlCenter1，OpenPeak 公司的Smart-Home-Phone2，UPnP 協議與閃聯公司的IGRS 協議等；在學術界，相關研究[1,2,3,4,6]已開始著眼于如何將互聯互通的各個設備上分散的監控接口集成起來，為用戶提供一個家居設備通用監控器。現有的家居設備通用監控器雖各具特色，但在舒適性、便捷性以及直觀性上仍有較大的發展空間，也因此成為本文的主要研究對象。

家居設備通用監控器需要一個合適的載體為用戶所用。調研工作表明，用戶在家居生活中更愿意使用手機而非傳統計算機，因為手機在家居中更加便捷易得，可以方便他們隨時隨地的完成任務。隨著手機的發展，觸摸交互技術因其具有直接操作（DirectManipulation）的自然交互體驗，逐漸成為主流的交互方式，如iPhone, gPhone, WindowsPhone 7 等。鑒于上述特點，本文認為，用戶隨身攜帶的觸屏手機，是智能家居中監控各種網絡化設備界面的理想載體。

因此，本文提出了一種基于觸屏手機的家居設備監控器HouseGenie，如圖1 所示。歸納而言，HouseGenie 具有如下三點特性：1）二維俯視家居全景圖：在智能家居中，了解所有家居設備的實時狀態是重要的需求之一。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備的實時狀態（如開啟、關閉），也便于用戶快速自然定位所需控制的家居設備圖標并與之交互。2）直接操作體驗的家居設備控制：在傳統的智能家居中，每個設備都具有自己獨立的控制器。當用戶希望交替控制多種家居設備時，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“指點”即可調用家居設備的控制功能接口，并在界面上及時了解設備狀態的反饋；提供的“拖拽”模式也較好的滿足了用戶對兩臺設備間的協作需求，如屏幕共享、文件播放等。3）隨時隨地的監控體驗：HouseGenie 選擇手機作為其交互界面的載體，使得用戶可以在家居中、路途中、辦公時隨時隨地的了解家居設備的狀態，并依照需求遠程控制各種網絡化家居設備。

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

2.現有相關通用控制器的優勢與不足

羅技公司的Harmony3是較早較為成功的一款家居設備通用控制器，它可以集成控制具有紅外遙控的家居設備，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，難以監視設備狀態。CRISTAL創新性的使用多觸點桌面作為家居控制界面，通過融合屋頂攝像頭拍攝的實時家居俯視圖與家居設備的虛擬操控界面，為用戶提供了良好的客廳多媒體設備的協作體驗。然而，CRISTAL 對多觸點桌面的依賴，使得它并不能隨時隨地的完成家居設備控制的任務，其屋頂的攝像頭也有暴露家居隱私等問題。

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

允許用戶建立環境中多個網絡化設備間的協作關系。其中，使用了基于線的隱喻，利用在設備圖標間“畫線”建立設備間的協作關系；允許用戶通過簡單的界面配置，為常用的復合任務創建可重用的任務。的主要問題在于缺乏界面上的設備圖標與設備所在的實際物理空間中位置的對應，導致當設備較多時用戶可能會難以快速準確找到所希望控制的設備。通過引入相對位置模式解決了上述問題，它將設備資源的圖標依照相對于當前設備的位置顯示在屏幕的四個邊界上。這種方法可以幫助用戶快速的發現并使用臨近的設備資源，但缺點在于其界面是時刻動態變化的（家居場景中多數設備的位置是固定的），增加了用戶額外的認知負擔。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備的攝像頭捕捉用戶臨近的設備，并實時在界面上生成出該設備的控制菜單。

3.HouseGenie 與智能家居中央服務器系統架構

如圖2 所示，HouseGenie 通過輪詢的方式從智能家居中央服務器獲取當前的設備信息（包含設備狀態、設備接口及設備間關系），并顯示在交互式UI 界面上為用戶所用。特別的，HouseGenie 的本地擴展服務模塊為調用特殊的設備服務（如PC 屏幕共享提供的VNC服務）預留了擴展服務接口；而多模態識別擴展引擎則預留為后續識別用戶的多模態輸入。

智能家居中央服務器統一維護并管理智能家居中的所有網絡化家居設備，其內部采用OSGi 框架集成各個功能模塊（Bundle）。如圖2 所示，用戶的控制命令經“通用設備接口”。

發送至情境管理Bundle，后者針對情境將其轉義為設備控制請求，并轉發至“設備管理器”。

設備管理器通過調用不同類型的“設備適配器”，將最終的命令傳遞至網絡化家居設備。 “設備識別器”實時動態的獲取設備的當前狀態，發送給“數據管理”，供“情境管理”等使用。

4.基于觸屏的智能家居監控交互設計

通過對家居設備交互需求的分析（見表1），本文有針對性的完成了HouseGenie 的監控交互設計。考慮到部分觸屏手機仍僅支持單觸點交互（如Viliv S5），因此HouseGenie的交互主要依靠單觸點方式而實現。而在支持多觸點交互的觸屏手機上（Android 手機），僅使用了少數較為通用的多觸點手勢（如雙指縮放監控界面）。

如圖3 所示，在監視方面，HouseGenie 實現了可調整顯示比例的二維俯視家居全景圖，以方便用戶實時的了解家居的整體情況。特別的，若家居中包含多層結構，為保證家居狀態的全局可見性、能夠更好的建立多個設備間的協作關系， 我們將多層的家居場景平鋪為一層供用戶查看。同時，用戶也可以通過設備列表只監視其感興趣的設備。

在單個設備控制方面，HouseGenie 針對觸摸交互特別進行了優化，用戶最常用的“單擊”觸摸操作被映射為設備的Pie-Menu 快捷菜單，而“長按”則被定義為傳統的全功能列表模式控制。如此的好處在于Pie-Menu 對于新用戶具有良好的自解釋性，而對于熟練用戶則可以使用“點劃”的方式快速選擇常用命令。同時，Pie-Menu 對于手指操作有較好的適應性，并且其半透明的設計也可以讓用戶在選擇功能前再次“隱式”確認所控制的設備及其狀態變化。列表與Pie-Menu 結合的方式也滿足了用戶的多樣性需求。

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

5.用戶研究

本文邀請了10 名體驗者（6 男4 女，年齡11-33 歲）在搭建的模擬環境中開展用戶研究，共分三個階段：1）用戶在沒有接受任何培訓的狀態下使用HouseGenie 完成任務；2）用戶接受培訓并再次完成任務；3）用戶完成調查問卷，并交流使用中的體會。

圖4 用戶研究結果

如圖4 用戶研究結果所示，除去需要使用“拖拽”隱喻完成的復雜任務外（任務5/6），用戶均能夠在沒有接受任何培訓的情況下用較短時間完成所需任務；而在接受過培訓后，用戶則可以快速完成所有所需任務。這表明，HouseGenie 對于簡單的家居控制具有良好的自然直觀性（未培訓情況下），對于常用的家居控制任務具有良好的可用性（培訓后快速完成任務）。在最后的問卷中，用戶對于HouseGenie 的各項功能特性均給出了較高的評價。

由此，用戶研究較好驗證了HouseGenie 的自然直觀性與可用性。

6.結論與展望

本文提出了一種基于觸屏手機的家居設備控制器HouseGenie，并詳細論述了其設計思想、系統結構、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、更便捷的隨時隨地的家居監控體驗：

1）使用觸屏手機作為監控界面；

2）通過二維俯視全景圖監視設備實時狀態；

3）Pie-Menu 與列表結合的設備靈活快速操控；

4）基于“拖拽”的設備協作建立。基于實驗室的用戶研究較好驗證了HouseGenie 原型系統的自然性、直觀性、可用性與有效性。在未來的工作中，我們會從配置界面及定制化任務、多人同時使用時協作與沖突、便捷部署等方面繼續完善此工作。