物聯(lián)網(wǎng)時代的智能家居系統(tǒng)

引言

智能家居概念的起源很早，但一直未有具體的建筑案例出現(xiàn)，直到1984年1月美國聯(lián)合科技集團(tuán)UTBS公司將美國康涅狄格州福德市的舊金融大廈改建成都市大廈(CityPlace)，才有了世界上公認(rèn)的第一座智能建筑。與傳統(tǒng)的建筑不同的是，在該大廈中安裝了計算機、移動交換機等當(dāng)時較先進(jìn)的辦公設(shè)備和高速信息通信設(shè)施，同時大廈的暖通、給排水、防火防盜系統(tǒng)、供配電系統(tǒng)、電梯系統(tǒng)均由計算機控制。這棟大廈除了提供舒適、安全、方便的辦公環(huán)境外，還具有極高的靈活性和經(jīng)濟(jì)性。這種新型的大廈很快引起各國的重視，“智能型建筑”由此興起。正是這棟大廈為日后智能家居的誕生指明了一個初步的方向，從此也揭開了全世界爭相建造“智能型建筑”的序幕。

20世紀(jì)80年代末，隨著通信與信息技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了對住宅中各種通信、家電、安保設(shè)備通過總線技術(shù)進(jìn)行監(jiān)視、控制與管理的商用系統(tǒng)，這在美國稱為SmartHome，也就是現(xiàn)在智能家居的原型。在中國香港和臺灣等地區(qū)，還有數(shù)碼家庭、數(shù)碼家居等稱法。

1智能家居

通常認(rèn)為，智能家居就是以住宅為平臺，兼?zhèn)浣ㄖ⒕W(wǎng)絡(luò)通信、信息家電、設(shè)備自動化，集系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)、服務(wù)、管理為一體的高效、舒適、安全、便利、環(huán)保的居住環(huán)境。它是通過采用先進(jìn)的計算機、通信、布線和控制技術(shù)，建立一個由家庭安全防護(hù)、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)和家庭自動控制等系統(tǒng)組成的家庭綜合服務(wù)與管理集成系統(tǒng)，從而實現(xiàn)全面的安全防護(hù)、便利的通信網(wǎng)絡(luò)以及舒適的居住環(huán)境的家庭住宅。

物聯(lián)網(wǎng)智能家居與普通家居相比，智能家居不僅具有傳統(tǒng)的居住功能，提供舒適安全、高品位且宜人的家庭生活空間，還由原來的被動靜止結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂心軇又腔鄣墓ぞ?，提供全方位的信息交換功能，幫助家庭與外部保持信息交流暢通,優(yōu)化人們的生活方式，幫助人們有效安排時間，增強家居生活的安全性，甚至為各種能源消費節(jié)約資金。

2智能家居系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展趨勢

智能家居系統(tǒng)在經(jīng)歷了早期混亂的概念紛爭之后，目前已經(jīng)逐漸進(jìn)入理性時代，并逐漸深入到國民的生活之中，不斷地影響著人們的工作和生活。智能家居產(chǎn)品發(fā)展至今，在技術(shù)上也越來越成熟，功能開發(fā)上也更加趨于人性化，更加注重以市場需求為導(dǎo)向。雖然目前智能家居還沒有處于大規(guī)模的市場應(yīng)用期，但隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷進(jìn)步、智能家居概念的日益普及和推廣，人們對智能家居的需求也將日益增長。

智能家居系統(tǒng)是一個多功能技術(shù)的綜合系統(tǒng)，受到傳輸媒體、網(wǎng)絡(luò)平臺、集成系統(tǒng)等技術(shù)發(fā)展的影響，其相關(guān)技術(shù)具有以下幾方面發(fā)展趨勢。

2.1硬件平臺的處理能力日益增強

早期的智能中控器采用8位單片機作為核心處理單元,功能比較簡單、純粹，往往只具備安防、三表采集、簡單文字信息發(fā)布和簡單的家電控制功能。近幾年很多廠家為了使自己的產(chǎn)品功能更全面、顯示更美觀，采用了處理能力更強的單片機或使用多顆單片機協(xié)同工作。這個時期的產(chǎn)品操作界面有比較大的改善，往往采用彩色LCD，大多帶有觸摸功能，集成了樓宇對講、家電控制等相對豐富的功能。目前，有一些國內(nèi)外廠家采用32位的處理器結(jié)合先進(jìn)的嵌入式開發(fā)平臺，開發(fā)出了更為先進(jìn)的產(chǎn)品?；谠摷夹g(shù)的產(chǎn)品處理能力顯著提升,以往無法處理的多媒體信息和增值服務(wù)都可以得以實現(xiàn)。由于采用專門的顯示引擎，所以界面更加豐富、美觀，家電控制功能也趨于完善。

2.2智能家居平臺日益成為一個綜合平臺

起初，用戶依據(jù)對家居系統(tǒng)不同功能需求，往往是安裝了幾個彼此獨立的子系統(tǒng)，這無疑增加了安裝和使用的復(fù)雜性。隨著行業(yè)間技術(shù)的整合，智能家居系統(tǒng)已發(fā)展成集網(wǎng)絡(luò)信息、安防門禁、照明控制、電器控制、遠(yuǎn)程控制等為一體的系統(tǒng)綜合平臺。與此同時，在電路的設(shè)計上大都實現(xiàn)功能的模塊化。智能模塊相當(dāng)于智能家居平臺中的執(zhí)行單元甚至是一個子系統(tǒng)，直接受控于控制系統(tǒng)，如同大腦和神經(jīng)末梢的關(guān)系一樣,協(xié)調(diào)動作才能完成整個控制過程。同時控制方式實現(xiàn)多樣化,隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的迅猛發(fā)展，實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制、智能遙控、隨時隨地遙控等將成為可能。

2.3由模擬向數(shù)字化轉(zhuǎn)變

如同模擬電視向數(shù)字電視、模擬手機向數(shù)字手機的逐步轉(zhuǎn)變一樣，智能家居平臺也正在經(jīng)歷著一場由模擬到數(shù)字的變革。現(xiàn)在是數(shù)字化的時代，數(shù)字信號比模擬信號所傳輸?shù)男畔⒘恳蠛芏?，而且不像模擬信號那樣因為信號容易受到干擾或者衰減而導(dǎo)致信號缺失。數(shù)字化技術(shù)正在日益廣泛地應(yīng)用到智能家居系統(tǒng)中來，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

在電路設(shè)計上采用越來越多的數(shù)字集成電路?，F(xiàn)在的智能家居產(chǎn)品中使用了大量的數(shù)字芯片，集成度和可靠性比之從前的模擬電路有了很大提高。

顯示數(shù)字化大大提升了顯示效果，簡化了控制流程,用戶操作方便易學(xué)。

傳輸方式逐步走向數(shù)字化和多網(wǎng)合一，安防、對講、門禁、抄表逐步走向統(tǒng)一的以太網(wǎng)聯(lián)結(jié)。多網(wǎng)合一大大減少了施工和維護(hù)的復(fù)雜度，而且數(shù)字化提高了傳輸速率、可靠性和保密性。

2.4組網(wǎng)技術(shù)從有線走向無線

智能家居系統(tǒng)的組網(wǎng)技術(shù)主要是解決各種信息家電之間的數(shù)據(jù)傳輸，能把外部連接傳入的數(shù)據(jù)傳輸?shù)较鄳?yīng)的家電上去，同時可以把內(nèi)部數(shù)據(jù)傳輸?shù)酵獠烤W(wǎng)絡(luò)。目前，智能家居內(nèi)部組網(wǎng)技術(shù)分為有線組網(wǎng)和無線組網(wǎng)兩種技術(shù)：有線組網(wǎng)技術(shù)主要有電話線、以太網(wǎng)、電力線等，它們都存在著擴展性能差、布線繁瑣、影響美觀等缺點；而相對于傳統(tǒng)的有線組網(wǎng)技術(shù)而言，無線組網(wǎng)技術(shù)在智能家居的應(yīng)用上更具有無須布線、安裝周期短、后期維護(hù)容易、網(wǎng)絡(luò)用戶容易遷移和功能擴展方便等優(yōu)勢。在無線通信技術(shù)快速發(fā)展的今天，將無線通信技術(shù)應(yīng)用于智能家居系統(tǒng)中已經(jīng)成為一種趨勢，無線通信技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，定將使得智能家居系統(tǒng)發(fā)展更為快速，功能上的實現(xiàn)也更加容易。最常見的有ZigBee技術(shù)、藍(lán)牙技術(shù)、WiFi技術(shù)、GPRS技術(shù)等。相信從有線走向無線的總趨勢無法逆轉(zhuǎn)。2.5家庭網(wǎng)關(guān)將成為技術(shù)核心

家庭網(wǎng)關(guān)是整個智能家居系統(tǒng)中的核心部分，一方面它將所有功能集成在一個統(tǒng)一的平臺之上，主要完成家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)中各子系統(tǒng)間數(shù)據(jù)的傳輸、交換、共享等功能；另一方面它又負(fù)責(zé)對指令是否合法進(jìn)行識別。由此可見家庭網(wǎng)關(guān)對網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部信息起交通樞紐和保護(hù)作用，故在今后的技術(shù)應(yīng)用中對網(wǎng)關(guān)的重視度將不斷提高。

3智能家居系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)

智能家居系統(tǒng)提供面向家庭設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)平臺，將各種與信息相關(guān)的通信設(shè)備、家用電器設(shè)備和安防裝置等通過有線或無線方式連接成網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行集中監(jiān)視與控制、異地監(jiān)視與控制和家庭事務(wù)管理，并通過設(shè)置各種組合條件控制，保持這些家庭設(shè)施與住宅環(huán)境的和諧與協(xié)調(diào)。其核心部分是家庭智能控制器、網(wǎng)絡(luò)家電與各種傳感器節(jié)點及各種控制模塊。從不同的角度分析智能家居，它可以劃分成不同的組織結(jié)構(gòu)。

3.1功能劃分

根據(jù)功能的不同，智能家居系統(tǒng)可以橫向劃分成三個主要子系統(tǒng)，包括安防報警子系統(tǒng)、家電控制子系統(tǒng)、環(huán)境信息服務(wù)子系統(tǒng)。每個子系統(tǒng)又可分成多個分子系統(tǒng)。圖1所示是一個智能家居的系統(tǒng)圖。

圖1  智能家居系統(tǒng)圖

智能家居系統(tǒng)中的安防報警子系統(tǒng)是一套負(fù)責(zé)家庭安全體系，這其中既包括人身和家庭財產(chǎn)的安全，也包括家庭設(shè)備的安全。為了實現(xiàn)這種安全體系，就需要配備相關(guān)的防衛(wèi)措施,例如電子門禁系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、紅外防盜系統(tǒng)、玻璃破碎報警系統(tǒng)、室內(nèi)跑水檢測報警系統(tǒng)、火災(zāi)報警系統(tǒng)以及室內(nèi)有毒、害氣體的檢測報警系統(tǒng)等。

智能家居系統(tǒng)中的家電控制子系統(tǒng)以智能家電及智能開關(guān)、插座為基礎(chǔ)，結(jié)合其他控制、傳輸系統(tǒng)，向用戶提供家電的統(tǒng)一管理和智能化應(yīng)用。其中包括智能家庭娛樂系統(tǒng)、自動廚衛(wèi)電器控制系統(tǒng)、多媒體信息服務(wù)系統(tǒng)以及室內(nèi)溫濕度控制系統(tǒng)等。

智能家居系統(tǒng)中的環(huán)境信息服務(wù)子系統(tǒng)主要提供針對家庭生活環(huán)境、節(jié)能環(huán)保、多媒體信息以及其他相關(guān)信息的收集、傳送和改善等功能，包括自動窗簾控制系統(tǒng)、智能背景音樂系統(tǒng)、智能照明系統(tǒng)、多表(水、電、煤氣、暖氣等)抄送系統(tǒng)、供電控制系統(tǒng)以及家庭醫(yī)療日常監(jiān)測系統(tǒng)等。

系統(tǒng)中的各子系統(tǒng)都配有家庭室內(nèi)無線和有線遙控、手機電話遠(yuǎn)程控制以及Internet遠(yuǎn)程監(jiān)控等功能，并結(jié)合其他系統(tǒng)為住戶提供一個溫馨舒適、安全節(jié)能、先進(jìn)易用的家居環(huán)境,讓住戶充分享受到現(xiàn)代科技給居家生活帶來的安全、舒適、便利與精彩。

3.2網(wǎng)絡(luò)層次的劃分

根據(jù)網(wǎng)絡(luò)層次的劃分，智能家居系統(tǒng)可以縱向分解成6個層次，包括信息采集感知層、命令執(zhí)行應(yīng)用層、內(nèi)部信息傳輸層、中央處理控制層、外部網(wǎng)絡(luò)傳輸層以及遠(yuǎn)程監(jiān)測控制層。圖2所示是智能家居系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)層次。

圖2中，信息采集感知層負(fù)責(zé)家庭各類基礎(chǔ)信息的收集、取樣，并通過傳輸層將信息傳送到處理控制層。主要設(shè)備包括以下幾方面：

溫度、濕度、光照、煙感、有害氣體、水位、玻璃破碎、紅外等各種傳感器；

水表、電表、煤氣表、熱表等；

各類視頻監(jiān)控攝像頭；

家庭醫(yī)療監(jiān)測設(shè)備；

指紋機、讀卡器、聲音識別器等。

命令執(zhí)行應(yīng)用層可根據(jù)傳輸層傳送來的操作命令，完成相關(guān)任務(wù)的執(zhí)行功能。主要設(shè)備包括以下幾方面：

紅外、煙感、喇叭等各種報警器；

空調(diào)、冰箱、音響、熱水器等智能家電；

各類智能開關(guān)(包括電、水、煤氣等)、電源插座；

自動窗簾、智能照明、攝像機云臺等控制設(shè)備；

門磁、窗磁等。

內(nèi)部信息傳輸層主要負(fù)責(zé)將采集感知層的信息傳送到處理控制層，再將處理控制層的操作命令傳輸?shù)綀?zhí)行應(yīng)用層。根據(jù)采用設(shè)備的不同，本層可以采用有線或無線技術(shù)進(jìn)行信息傳輸，也可以兩種技術(shù)混合使用。

中央處理控制層負(fù)責(zé)對采集感知層和外部網(wǎng)絡(luò)傳輸層傳送來的信息進(jìn)行分析、處理、存儲和分配，并根據(jù)系統(tǒng)預(yù)先設(shè)定的程序規(guī)則，向執(zhí)行應(yīng)用層發(fā)出任務(wù)指令。這部分主要設(shè)備包括：

中央控制器；

信息處理服務(wù)器；

智能網(wǎng)關(guān)；

各類路由、交換設(shè)備；

各類控制面板、無線遙控器等。

外部網(wǎng)絡(luò)傳輸層主要是指各類公共網(wǎng)絡(luò)或?qū)Ｓ镁W(wǎng)絡(luò)，如有線電視網(wǎng)、固定電話網(wǎng)、移動通信網(wǎng)以及小區(qū)局域網(wǎng)和供電網(wǎng)絡(luò)等。它的主要功能包括：

為家庭提供電視、電話、寬帶等多媒體信息服務(wù)；

將家庭相關(guān)信息傳送到有關(guān)部門，如醫(yī)療監(jiān)測數(shù)據(jù)、消費(水、電、煤氣、熱能等)信息等；

將遠(yuǎn)程監(jiān)控設(shè)備的控制命令傳送到中央處理控制層。

遠(yuǎn)程監(jiān)測控制層是現(xiàn)在智能家居系統(tǒng)的主要特色，實現(xiàn)了在任何時間、任何地點都可以監(jiān)測和控制家居環(huán)境和設(shè)備 的功能。主要包括手機、PDA、筆記本等無線監(jiān)控設(shè)備和計 算機、固話等有線監(jiān)控設(shè)備。

4結(jié)語

在許多人的概念里，智能家居這個詞離我們的生活似乎異 常遙遠(yuǎn)，只是存在于高科技展覽會里的表演，或是富豪們向人 們炫耀財富而展示的一種家居裝飾。事實上，近年來智能家居 已開始一步一步走進(jìn)越來越多的普通家庭。一套完整的智能家 居系統(tǒng)一般包括安防、監(jiān)控、影音、家電、照明等幾大子系統(tǒng), 價格上也可以被消費者所接受，我們完全可以根據(jù)自己的需要 和喜好選擇安裝子系統(tǒng)，以滿足自己居家的各種需求。

智能家居是一個多功能的技術(shù)系統(tǒng)，包含的內(nèi)容比較多, 家庭內(nèi)各子系統(tǒng)和設(shè)備都是通過智能的家庭網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化、智能化。相信不久的將來，甚至日常器具也可以通過增加其內(nèi) 在智能，在網(wǎng)絡(luò)上發(fā)送信息，為人們提供更豐富的智能服務(wù)。今后，統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和控制平臺，靈活的接入方式，高可 靠性和兼容性，低成本，提供舒適、安全和高效的家庭環(huán)境, 是智能家居發(fā)展的目標(biāo)。

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