物聯(lián)網(wǎng)時(shí)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(guó)聯(lián)合科技集團(tuán)UTBS公司將美國(guó)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(jì)算機(jī)、移動(dòng)交換機(jī)等當(dāng)時(shí)較先進(jìn)的辦公設(shè)備和高速信息通信設(shè)施，同時(shí)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(jì)算機(jī)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(guó)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(gè)初步的方向，從此也揭開(kāi)了全世界爭(zhēng)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(duì)住宅中各種通信、家電、安保設(shè)備通過(guò)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(guó)稱為SmartHome，也就是現(xiàn)在智能家居的原型。在中國(guó)香港和臺(tái)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(tái)，兼?zhèn)浣ㄖ⒕W(wǎng)絡(luò)通信、信息家電、設(shè)備自動(dòng)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(guò)采用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)、通信、布線和控制技術(shù)，建立一個(gè)由家庭安全防護(hù)、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)和家庭自動(dòng)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(shí)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(lái)的被動(dòng)靜止結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂心軇?dòng)智慧的工具，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(shí)間，增強(qiáng)家居生活的安全性，甚至為各種能源消費(fèi)節(jié)約資金。

2智能家居系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

智能家居系統(tǒng)在經(jīng)歷了早期混亂的概念紛爭(zhēng)之后，目前已經(jīng)逐漸進(jìn)入理性時(shí)代，并逐漸深入到國(guó)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(lái)越成熟，功能開(kāi)發(fā)上也更加趨于人性化，更加注重以市場(chǎng)需求為導(dǎo)向。雖然目前智能家居還沒(méi)有處于大規(guī)模的市場(chǎng)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(duì)智能家居的需求也將日益增長(zhǎng)。

智能家居系統(tǒng)是一個(gè)多功能技術(shù)的綜合系統(tǒng)，受到傳輸媒體、網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)、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(shì)。

2.1硬件平臺(tái)的處理能力日益增強(qiáng)

早期的智能中控器采用8位單片機(jī)作為核心處理單元,功能比較簡(jiǎn)單、純粹，往往只具備安防、三表采集、簡(jiǎn)單文字信息發(fā)布和簡(jiǎn)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(qiáng)的單片機(jī)或使用多顆單片機(jī)協(xié)同工作。這個(gè)時(shí)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(duì)講、家電控制等相對(duì)豐富的功能。目前，有一些國(guó)內(nèi)外廠家采用32位的處理器結(jié)合先進(jìn)的嵌入式開(kāi)發(fā)平臺(tái)，開(kāi)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(wú)法處理的多媒體信息和增值服務(wù)都可以得以實(shí)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(tái)日益成為一個(gè)綜合平臺(tái)

起初，用戶依據(jù)對(duì)家居系統(tǒng)不同功能需求，往往是安裝了幾個(gè)彼此獨(dú)立的子系統(tǒng)，這無(wú)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(tái)。與此同時(shí)，在電路的設(shè)計(jì)上大都實(shí)現(xiàn)功能的模塊化。智能模塊相當(dāng)于智能家居平臺(tái)中的執(zhí)行單元甚至是一個(gè)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(dòng)作才能完成整個(gè)控制過(guò)程。同時(shí)控制方式實(shí)現(xiàn)多樣化,隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的迅猛發(fā)展，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制、智能遙控、隨時(shí)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(jī)向數(shù)字手機(jī)的逐步轉(zhuǎn)變一樣，智能家居平臺(tái)也正在經(jīng)歷著一場(chǎng)由模擬到數(shù)字的變革。現(xiàn)在是數(shù)字化的時(shí)代，數(shù)字信號(hào)比模擬信號(hào)所傳輸?shù)男畔⒘恳蠛芏?，而且不像模擬信號(hào)那樣因?yàn)樾盘?hào)容易受到干擾或者衰減而導(dǎo)致信號(hào)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(lái)，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

在電路設(shè)計(jì)上采用越來(lái)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(jiǎn)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(duì)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(wú)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(shí)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(wú)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(kuò)展性能差、布線繁瑣、影響美觀等缺點(diǎn)；而相對(duì)于傳統(tǒng)的有線組網(wǎng)技術(shù)而言，無(wú)線組網(wǎng)技術(shù)在智能家居的應(yīng)用上更具有無(wú)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(kuò)展方便等優(yōu)勢(shì)。在無(wú)線通信技術(shù)快速發(fā)展的今天，將無(wú)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(shì)，無(wú)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(shí)現(xiàn)也更加容易。最常見(jiàn)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(wú)線的總趨勢(shì)無(wú)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(gè)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(gè)統(tǒng)一的平臺(tái)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(duì)指令是否合法進(jìn)行識(shí)別。由此可見(jiàn)家庭網(wǎng)關(guān)對(duì)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(duì)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(tái)，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(guò)有線或無(wú)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(guò)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(diǎn)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(gè)主要子系統(tǒng)，包括安防報(bào)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(gè)子系統(tǒng)又可分成多個(gè)分子系統(tǒng)。圖1所示是一個(gè)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(bào)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(cái)產(chǎn)的安全，也包括家庭設(shè)備的安全。為了實(shí)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(bào)警系統(tǒng)、室內(nèi)跑水檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)、火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)以及室內(nèi)有毒、害氣體的檢測(cè)報(bào)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(kāi)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(lè)系統(tǒng)、自動(dòng)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(duì)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(dòng)窗簾控制系統(tǒng)、智能背景音樂(lè)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(cè)系統(tǒng)等。

系統(tǒng)中的各子系統(tǒng)都配有家庭室內(nèi)無(wú)線和有線遙控、手機(jī)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(gè)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(lái)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(gè)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(cè)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(guò)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?cái)z像頭；

家庭醫(yī)療監(jiān)測(cè)設(shè)備；

指紋機(jī)、讀卡器、聲音識(shí)別器等。

命令執(zhí)行應(yīng)用層可根據(jù)傳輸層傳送來(lái)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(bào)警器；

空調(diào)、冰箱、音響、熱水器等智能家電；

各類智能開(kāi)關(guān)(包括電、水、煤氣等)、電源插座；

自動(dòng)窗簾、智能照明、攝像機(jī)云臺(tái)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(wú)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(duì)采集感知層和外部網(wǎng)絡(luò)傳輸層傳送來(lái)的信息進(jìn)行分析、處理、存儲(chǔ)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(wú)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(dòng)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(cè)數(shù)據(jù)、消費(fèi)(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(cè)控制層是現(xiàn)在智能家居系統(tǒng)的主要特色，實(shí)現(xiàn)了在任何時(shí)間、任何地點(diǎn)都可以監(jiān)測(cè)和控制家居環(huán)境和設(shè)備 的功能。主要包括手機(jī)、PDA、筆記本等無(wú)線監(jiān)控設(shè)備和計(jì) 算機(jī)、固話等有線監(jiān)控設(shè)備。

4結(jié)語(yǔ)

在許多人的概念里，智能家居這個(gè)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(huì)里的表演，或是富豪們向人 們炫耀財(cái)富而展示的一種家居裝飾。事實(shí)上，近年來(lái)智能家居 已開(kāi)始一步一步走進(jìn)越來(lái)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(jià)格上也可以被消費(fèi)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(gè)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(guò)智能的家庭網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化、智能化。相信不久的將來(lái)，甚至日常器具也可以通過(guò)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(tái)，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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