基于物聯(lián)網(wǎng)的智能家居系統(tǒng)構(gòu)建分析

引 言

物聯(lián)網(wǎng)（InternetofThings，IoT）是以互聯(lián)網(wǎng)為核心，對互聯(lián)網(wǎng)延伸和擴展的網(wǎng)絡(luò)，物聯(lián)網(wǎng)中連接的對象不僅僅包含計算機和移動設(shè)備，而且已經(jīng)延伸擴展到了各種物體之間，在相關(guān)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的控制下，可以實現(xiàn)物體之間的信息交換和通信。物聯(lián)網(wǎng)可以簡單地稱為 物物相連 的網(wǎng)絡(luò)，也可以理解為互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與其他多種技術(shù)的應用集成，其中最為典型的技術(shù)有射頻識別技術(shù)、傳感器與檢測技術(shù)、全球定位技術(shù)、激光掃描技術(shù)等，并按照相關(guān)網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，將任何物體連接到互聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)物體之間的通信和信息交換，完成物體或場景識別、管理和控制等操作，從而滿足實際應用需求。

為了讓人們更加形象地理解物聯(lián)網(wǎng)，業(yè)界通常以智能家居的生活場景來討論分析。所謂 智能家居系統(tǒng) 就是住宅的智能化，構(gòu)建高效的家居設(shè)施與家庭生活管理系統(tǒng)，以提升家居生活的安全性、便利性、舒適性，實現(xiàn)環(huán)保節(jié)能的全新家居生活體驗。系統(tǒng)構(gòu)建需要合理分析規(guī)劃，綜合考慮人們的個性需求，利用多種技術(shù)，如綜合布線技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)與通信技術(shù)、安全防范技術(shù)、傳感器與檢測技術(shù)、自動控制技術(shù)、音頻視頻處理技術(shù)等，將與家居生活有關(guān)的設(shè)施連接并集成， 通過網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)智能控制和管理。智能家居系統(tǒng)應用通常包括與人們生活息息相關(guān)的家居安全防范、生活家電使用、燈光控制、窗簾開閉、煤氣泄露檢測、三表信息的采集、生活娛樂場景的聯(lián)動、家庭成員的健康保健、安防保安等。

1 智能家居簡介

智能家居的應用可以追溯到 1984 年世界上第一幢智能建筑，隨后一些經(jīng)濟較為發(fā)達的國家和地區(qū)紛紛提出了各種智能家居方案。在智能家居系統(tǒng)研發(fā)方面，美國一直處于領(lǐng)先地位，典型的家庭智能化系統(tǒng)包括微軟公司推出的 夢幻之家 、IBM 公司研發(fā)的 家庭主任 、摩托羅拉公司創(chuàng)建的 居所之門 等。新加坡、日本、澳大利亞、西班牙、韓國等在智能家居系統(tǒng)研發(fā)和應用方面都有實質(zhì)性的進展。此后，新的智能家居平臺、產(chǎn)品、服務等不斷涌現(xiàn)，主要代表有德國電信聯(lián)合一些公司共同構(gòu)建的智能家居業(yè)務平臺Qivicon、Verizon 公司推出的智能家居系統(tǒng)、AT&T 聯(lián)合思科和高通公司推出的全數(shù)字無線家庭網(wǎng)絡(luò)監(jiān)視業(yè)務系統(tǒng)、蘋果公司發(fā)布的Homekit 平臺、三星推出的 Smart Home 智能家居平臺以及由Google 收購的Nest 智能家居平臺等。后來包括霍尼韋爾（Honeywell）、 Control4、西門子（Siemens）等一些世界知名電氣公司也涉足智能家居行業(yè)，開展了智能家居產(chǎn)品研發(fā)和相關(guān)服務。

隨著人們對智能家居認識的提高、居家生活理念的改變以及智能家居相關(guān)技術(shù)的發(fā)展成熟，我國一些傳統(tǒng)家電廠商和從事互聯(lián)網(wǎng)的公司開始關(guān)注智能家居行業(yè)，并紛紛登陸智能家居領(lǐng)域。經(jīng)歷了萌芽期、開創(chuàng)期、徘徊期、融合演變期后， 各大廠商開始依托自身核心優(yōu)勢密集布局智能家居，推出了相關(guān)的智能家居產(chǎn)品。典型代表有中國移動研發(fā)的靈犀語音助手， 中國電信的 悅 me ，基于阿里云 OS 的智能電視、天貓魔盒、智能空調(diào)、智能熱水器等產(chǎn)品， 海爾 U-Home 智慧家居、QQ 物聯(lián)、百度智家、小米智能家庭套裝、樂視超級電視、美的智能電器、格力智能家電等。

不難看出，國外廠商主要集中在智能家居系統(tǒng)的研發(fā)和平臺應用方面，而國內(nèi)廠商更加突出智能家居個性化產(chǎn)品的研發(fā)和豐富。

2 智能家居系統(tǒng)設(shè)計的目標及原則

2.1 智能家居系統(tǒng)的設(shè)計目標

智能家居系統(tǒng)設(shè)計的最終目的是讓家庭生活更加安全、舒適、方便及符合環(huán)保要求。智能家居系統(tǒng)的本質(zhì)是為人們提供一種居住環(huán)境，必須 以人為本 ，以住宅為平臺?？梢娭悄芗揖酉到y(tǒng)是家庭生活智能化的應用與提升，使人們可以享受輕松的生活。

2.2 智能家居系統(tǒng)的設(shè)計原則

構(gòu)建智能家居系統(tǒng)應滿足以下原則：安裝簡單；可擴展性； 經(jīng)濟合理；實用性；便利性；可靠性；標準性；數(shù)據(jù)安全性等。

3 智能家居系統(tǒng)的設(shè)計

3.1 物聯(lián)網(wǎng)的三層體系結(jié)構(gòu)

從技術(shù)架構(gòu)和功能角度來看，物聯(lián)網(wǎng)層次結(jié)構(gòu)自底向上分為感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應用層，如圖 1 所示。

感知層位于物聯(lián)網(wǎng)層次結(jié)構(gòu)的最底層，該層用到的技術(shù)包括傳感器與檢測技術(shù)、RFID 與識別技術(shù)、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、嵌入式及智能芯片技術(shù)等，其功能是實現(xiàn)對環(huán)境和物體的智能感知識別、前端信息采集處理以及對應用對象的自動控制。網(wǎng)絡(luò)層位于感知層之上，該層的主要技術(shù)包括移動通信技術(shù)、以太網(wǎng)技術(shù)、無線網(wǎng)絡(luò)等網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)和云計算平臺等，其主要功能是完成信息的傳遞、實現(xiàn)路由和控制，達到交互共享和有效處理的目的。應用層位于物聯(lián)網(wǎng)層次結(jié)構(gòu)的最高層，該層在感知層和網(wǎng)絡(luò)層的支撐下與行業(yè)需求相結(jié)合， 實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的智能應用與物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的根本目標。

在物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)應用領(lǐng)域，智能家居系統(tǒng)被確定為物聯(lián)網(wǎng)的十大應用之一。

3.2 智能家居系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)

智能家居系統(tǒng)包含的子系統(tǒng)有家庭能源管理系統(tǒng)、家居照明控制系統(tǒng)、家庭安防系統(tǒng)、背景音樂系統(tǒng)、家庭環(huán)境控制系統(tǒng)、家庭娛樂管理系統(tǒng)、家庭網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、家庭信息管理等， 如圖 2所示。

3.3 智能家居系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)分析

3.3.1 智能家居系統(tǒng)之感知層

物聯(lián)網(wǎng)的感知層將多種傳感器、RFID、二維碼等通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)連接起來以感知周圍的各種信息。智能家居系統(tǒng)感知層主要應用各種傳感器節(jié)點，實現(xiàn)對室內(nèi)外的實時監(jiān)控，包括對家庭環(huán)境的監(jiān)控、安防等。感知層工作原理如圖 3 所示。

其中，防盜設(shè)備、安防探測設(shè)備和溫濕度探測設(shè)備等是智能家居的感知設(shè)備。

(1) 光線傳感器

光線傳感器通常采用集成光電開關(guān)的方式代替?zhèn)鹘y(tǒng)開關(guān)面板，利用無線傳感網(wǎng)控制實現(xiàn)開關(guān)、調(diào)光等指令，便于用戶遠程操控和集中控制調(diào)節(jié)，滿足人們對光的生理匹配。

(2) 無線探測器

無線傳感器通過網(wǎng)絡(luò)和電子技術(shù)組成防盜報警系統(tǒng)，可自動探測監(jiān)控區(qū)域是否存在入侵行為。防盜報警系統(tǒng)主要由探測器、報警控制器和報警裝置三部分構(gòu)成。其中，探測器是防盜報警系統(tǒng)的核心，是基于物理和化學原理的傳感器，用于分析信息并聯(lián)動觸發(fā)報警器發(fā)出聲音。按照探測器采用的原理和技術(shù)，防盜報警設(shè)備主要有熱感紅外型、微波物體移動型、紅外微波型、玻璃破碎型、超聲波物體移動型、紅外對射探頭型、激光型、磁控開關(guān)型、視頻運動檢測型、聲音探測型等。當發(fā)生異常情況時，會觸發(fā)探測器，收集信號發(fā)生變化，報警控制器進行分析并控制報警裝置發(fā)出聲音或聯(lián)動其他系統(tǒng)， 從而報警。

(3) 溫濕度傳感器

溫濕度傳感器主要用于探測室內(nèi)溫度和濕度及其變化。除空調(diào)本身的溫濕度探測功能外，還可以利用溫濕度探測器確切獲得室內(nèi)的實時溫濕度。即使用戶外出也能非常方便地遠程操控家中設(shè)備，如提前啟動空調(diào)來調(diào)節(jié)溫度，回家后便可以享受到宜人的溫度和濕度。

(4) 空氣質(zhì)量傳感器

空氣質(zhì)量傳感器主要用于探測室內(nèi)的空氣是否混濁，從而判斷室內(nèi)空氣是否會影響健康，如果需要改變，可以通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)啟動新風系統(tǒng)或其他設(shè)備，調(diào)節(jié)、優(yōu)化室內(nèi)空氣質(zhì)量。

(5) 安防探測器

主要利用煙霧探測器來實現(xiàn)智能家居中的家庭安全防護。煙霧探測器的核心部件是煙霧傳感器，用于感知煙霧的濃度， 實現(xiàn)報警。當出現(xiàn)異常情況如煤氣泄漏、火災等時，安防探測設(shè)備就會感知現(xiàn)場的情況并報警及時通知用戶。

(6) 無線門磁、窗磁

該類設(shè)備用于防止入侵行為的發(fā)生。通過布防，一旦有人觸動就會通知應用端并發(fā)出報警信息，家人在家時可以撤防， 避免無故報警。同時，不僅可以進行現(xiàn)場布防、撤防，還可以利用傳感器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)進行遠程控制，達到保護家庭人身、財產(chǎn)安全的目的。

(7) 可視對講系統(tǒng)

主要利用光傳感器節(jié)點采集前端圖像視頻，通過網(wǎng)絡(luò)傳輸傳遞至室內(nèi)機或移動終端，結(jié)合實際情況完成相應的對講、門禁開啟等操作。

3.3.2 智能家居系統(tǒng)之網(wǎng)絡(luò)層

由于多數(shù)智能家居系統(tǒng)采用綜合布線方式，因此需要借助一定的網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)來完成信息的傳輸任務。這些技術(shù)主要包括電力載波技術(shù)、以太網(wǎng)技術(shù)、WiFi 技術(shù)、移動通信技術(shù)、藍牙技術(shù)、紅外通信技術(shù)等。

家庭網(wǎng)關(guān)是一種簡單、智能、標準化、靈活的網(wǎng)絡(luò)接口單元，是智能家居內(nèi)部系統(tǒng)與外部系統(tǒng)的鏈接單元，也是智能家居系統(tǒng)的核心部分，負責處理智能家居中的信息，實現(xiàn)信息的接收與轉(zhuǎn)發(fā)。其工作原理如圖 4 所示。

3.3.3 智能家居系統(tǒng)之應用層

物聯(lián)網(wǎng)的應用層面向行業(yè)實際應用以滿足用戶需求，主要完成數(shù)據(jù)的管理、處理和應用分析等。應用層包含的技術(shù)主要有云計算技術(shù)、軟件開發(fā)技術(shù)、圖像處理與解析技術(shù)、信息防護與安全技術(shù)等。智能家居系統(tǒng)的家電控制子系統(tǒng)主要基于云計算平臺監(jiān)控和管理家電的工作狀態(tài) ：空調(diào)可以根據(jù)家庭環(huán)境溫度自動調(diào)節(jié)，智能窗簾系統(tǒng)可以根據(jù)室外天氣變化自動開啟或關(guān)閉。各種設(shè)備主要通過無線網(wǎng)絡(luò)操作控制，使物與物、物與人之間實現(xiàn)更加有效的互動，通過這些設(shè)備為家居主人的生活提供更加貼心的服務。因為智能家居系統(tǒng)中運用了互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、移動網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等，所以可以通過計算機或移動設(shè)備實現(xiàn)全天候、隨時隨地掌握家中各類電器、安防設(shè)備的工作運行狀態(tài)，用戶可以根據(jù)自己的意愿去控制終端設(shè)備。這些終端設(shè)備都需要集成終端控制器，用戶通過觸摸屏發(fā)出控制信息，控制信息通過服務器傳輸?shù)娇蛻舳?，使用可靠傳輸協(xié)議連接到中央控制器，結(jié)合專用或通用協(xié)議獲取被控制的設(shè)備信息并轉(zhuǎn)發(fā)給中央控制器，從而實現(xiàn)開門、視頻監(jiān)控、內(nèi)部呼叫、安全檢測、照明控制、空調(diào)溫度調(diào)節(jié)、風扇開啟、窗簾開合、電視、音響等的控制功能。其工作原理如圖 5 所示。

(1) 室內(nèi)終端

室內(nèi)終端是一種室內(nèi)帶觸摸屏的智能家居控制端，可以固定在室內(nèi)的某個位置，也可以是PDA 設(shè)備。該設(shè)備通過家庭交換機與家庭網(wǎng)關(guān)和智能家居服務器相連接，通過智能家居協(xié)調(diào)器（家庭網(wǎng)關(guān)）與家庭內(nèi)的各種前端設(shè)備如家電、窗簾、傳感器等進行信息交互，達到控制室內(nèi)設(shè)備的目的。

(2) 移動終端

移動終端采用智能手機作為控制終端，真正做到可以在任何時候、任何地點控制智能家居設(shè)備。隨著智能手機的普及及應用能力的提升，不斷增強用戶體驗。

移動終端可實現(xiàn)多種功能，為用戶帶來更多便利，譬如可視對講功能、家電設(shè)備控制功能、安防報警功能、留言留影記錄與查詢功能、視頻監(jiān)控、電子商務等功能。

3.4 智能家居系統(tǒng)的設(shè)備

3.4.1 從現(xiàn)有市場選擇

雖然目前市場上可供選擇的智能家居設(shè)備品牌、種類非常豐富，但缺少統(tǒng)一的技術(shù)規(guī)范，各種品牌的產(chǎn)品設(shè)備都有各自的技術(shù)和應用特點，導致在實際選擇智能家居產(chǎn)品時很難進行橫向比較。所以進行系統(tǒng)設(shè)計時從應用實際需求出發(fā)，多角度綜合分析考察，把握好系統(tǒng)穩(wěn)定性、功能集成度、系統(tǒng)簡潔性、系統(tǒng)適用性、系統(tǒng)擴展性、系統(tǒng)安全性等原則。

3.4.2 DIY制作

專業(yè)技術(shù)用戶也可以依照智能家居系統(tǒng)規(guī)劃的結(jié)構(gòu)，細化所包含的模塊，按照以家庭網(wǎng)關(guān)為中心，綜合運用軟件開發(fā)、嵌入式系統(tǒng)開發(fā)、無線通信等與物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)的技術(shù)，進行各種智能模塊或設(shè)備的設(shè)計制作，親手搭建起屬于自己的個性化、定制化的智能家居系統(tǒng)。

4 結(jié) 語

物聯(lián)網(wǎng)的應用非常廣泛，涉及各行各業(yè)。其中智能家居系統(tǒng)的應用體驗最為直接，因此得到越來越多相關(guān)企業(yè)及用戶的關(guān)注。本文基于物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)來設(shè)計和分析智能家居，目的是給出較為完善的智能家居系統(tǒng)設(shè)計方案，便于人們參照，從而設(shè)計搭建自己的智能家居系統(tǒng)。