物联网技术在智能家居中的应用研究

摘要：介绍了智能家居发展的历史以及目前制约其发展的因素，概括了智能家居的8大子系统及其功能。从智能家居的角度介绍了物联网技术，并根据物联网的架构，阐述了物联网技术在智能家居中的应用，最后提出了其存在的问题及发展方向。
关键字：物联网；智能家居；信息技术；发展方向

0 引言
    随着国民经济和科学技术的发展，仅仅舒适安全的普通家居已经不能满足人们的期望。在当今这个电气技术、自动化技术、网络通讯技术被广泛应用的世纪，人们期望的是一个具有能动智慧的家庭环境，于是，智能家居(smart home)应运而生。1984年，美国联合科技首次将智能家居的概念应用于美国康乃狄克州哈特佛市的一座建筑，从此，全世界争相建造智能家居的序幕便被拉开。目前，发达国家的智能家居已经获得长足发展，如美国的x-10、CEBus和Lonwork，日本的HBS，欧洲的EIB和EHS，都在国际上比较有影响。国内的智能家居借助国外的智能家居技术也相继出现了北京博泰克的ehouse智能家居系统、上海奥卓电子的“智居时代”、天津瑞朗的专业X-10智能家居系统。虽然我国的智能家居经过了多年的发展，但是依然没有普及，这主要有以下几个原因：
    第一，尽管目前国内以电信为首的中国通信标准化协会(CCSA)、以联想为首的国内闪联信息设备资源共享协同服务(IGRS)和以海尔为首的e家佳等组织都各自提出了符合中国国情的智能家居协议标准，但是，行业内一直都没有很好的遵循过。由于产品通讯协议不统一，各厂商都按照不同的接口标准和协议进行生产，所以产品之间还不能实现互联、互通和互操作，各子系统之间的信息也不能交换，这些都使得很多家庭服务成为海市蜃楼。
    第二，智能家居产业在国内已经发展了10个年头，智能家居产品市场还主要集中在两个方面：安防报警和智能控制，产品种类有限。智能家居系统相关产品的研发多采用高新科技，更新换代快，风险较大，很多企业不愿意也没有足够的资金投入研发。
    第三是市场接受程度低。目前，大多数的普通居民还认识不到智能家居的便利，在对智能家居关注的人群中，比较关注的也只是一些与自己日常生活切身相关的安防、物业、家居服务等功能，而对一些超前的控制功能，如信息家电等感觉太遥远。此外，新技术的不成熟，问题多以及成本较高，也让一般客户望而却步。
    第四，智能家居系统在未来是一个多行业合作的平台，而目前我国的社会化合作体系还不够健全，各行业之间基于传统的经营理念和巨大的市场竞争压力，都想在自己的行业甚至别的相关行业抢占先机，扩大自己的市场份额而不愿公开自己的产品接口技术和相关的协议。除此之外，和智能家居相关的产业发展缓慢，产业链不完善，也是跨行业合作困难的一个原因。

1 智能家居系统
    智能家居是以住宅为平台，利用先进的计算机技术、网络通讯技术和综合布线技术，将与家居生活有关的各种子系统有机地结合在一起，并将与家庭生活有关的设备进行集成，以构建高效、舒适、安全的生活环境。除了提供舒适、安全、高品位的家庭生活空间外，智能家居还可将家居生活由原来被动静止的结构转变为具有能动智慧的工具，从而提供全方位的信息交换功能。事实上，智能家居系统是用于实现家居智能功能的设施，图1所示是一个智能家居系统功能示意图。

    图1所示的智能家居系统主要包括8个子系统。其中，智能照明控制系统可以实现灯光照明的多样控制、远程控制以及联动控制。其优越性：一是具有良好的节能效果，二是可延长光源寿命，三是可改善生活环境，四是可实现多种照明效果以及场景灯光控制。
    智能安防系统可以实时监控非法闯入、火灾、煤气泄漏、紧急呼救的发生。—旦发生警情，系统可以向预设的电话或者110报警，同时启动本地的声光报警，并使相关电器进入应急联动状态；如果是非法入侵，还可以通过视频保留证据，最大程度地保护住户的生命财产安全。
    家庭环境控制子系统可以集中控制家里的空调、采暖、热水供应以及水处理，实现环境的自动控制，提供一个舒适的生活环境。
    背景音乐子系统就是在任何一间房子里，包括客厅、卧室、厨房以及卫生间，均可布上音乐线，通过1个或多个音源，使每个房间都可以听到美妙的背景音乐。
    家庭娱乐子系统可以集游戏、家庭影院、家庭KTV为一体，让用户足不出户就可以在家里体验全方位的家庭娱乐。
    家庭能量管理子系统主要就是实现电表、水表、燃气表的三表抄送，免去工作人员上门抄表的麻烦，同时，用户也可以实时监测家中水电燃气的使用情况。
    家庭信息处理子系统主要提供家庭信息服务，如接受小区信息、管理家庭信息以及和物业管理公司的联系。
    家庭网络子系统可将个人电脑、家用电器、三表、照明等安全防范系统与广域网相连接，从而实现智能家居的远程控制，让用户随时随地都可以通过网络智能控制家中的智能化设备。

2 物联网技术
    1999年，美国麻省理工学院首次提出了物联网的概念，国际电信联盟(ITU)在2005年的年度报告中对物联网的概念进行了扩展，认为物联网是通过射频识别(RFID)、红外感应、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按照约定的协议把任何物品与互联网连接起来，进行信息交换和通信，以实现对物品的智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。这样，在物联网时代，只要通过在各种各样的日常用品上嵌入一种短距离的移动收发器，世界上的所有物体都可以通过Internet进行信息交换。从智能家居的角度，可以通过一个例子形象地描述物联网。周末的早晨，当你还在熟睡的时候，你预定的闹铃响了，如果你按掉了闹铃，这个时候，闹钟会送出一个信息给咖啡机说：“先等一会，这个家伙又赖床了，15分钟后再煮咖啡。”咖啡机接到信息的同时又会发送一个信息给烤面包机等15分钟再烤面包，通过这样的物与物的交流，我们的居家生活将变得智能和有趣。
    物联网是通过许多技术实现的，从应用末端感知的核心技术角度，物联网技术可以分为以下三大类：
    第一，基于RFID的应用。在想要监控和管理的对象上嵌入RFID智能标签，这样，借助已有的网络技术、数据库技术、中间件技术，就可以构建一个由大量的读写器和无数移动的电子标签组成的物联网，也就是基于RFID的物联网。
    第二，基于传感器的应用。在想要控制和管理的对象周围布置大量的传感器节点，通过节点采集监控对象的信息，并将这些采集到的信息传送到信息处理中心，从而根据采集到的信息构建一个对“物”进行监控和管理的物联网。
    第三，基于M2M的应用。这里的M既可以是人(Man)，也可以是机器(Machine)，M2M泛指人、机器之间建立连接的所有手段和技术，涵盖了增强机器设备通信和网络能力的技术，其技术目标是促进设备的智能化。通过M2M技术，可以构建人对机器(Man to Machine)、机器对人(Mac hine toMan)、机器对机器(Machine to Machine)的物联网。

3 物联网在智能家居中的应用
    传统的智能家居大部分是通过有线的方式组成智能家居系统，这种方式不仅需要专业人员的参与、专门公司维护，而且施工周期长，系统灵活性差。而物联网智能家居则是将无线物联网技术和智能家居有机地融合在一起，从而构建一个安装简单、使用方便、维护容易、扩展随心所欲的智能家居系统。

    依据业内普遍认为的物联网体系架构，家居物联网可以分为感知层、网络层和应用层。图2所示是一个智能家居物联网的体系架构。
3．1 感知层
    全面感知是物联网技术的一个特征，即利用射频识别(RFID)、二维码、GPS、摄像头、传感器等感知、捕获、测量技术手段，随时随地地对感知对象进行信息采集和获取。在智能家居中，感知对象分为人们所生活的家庭环境和人本身，传统智能家居中的8大子系统可作为感知层的执行设备。除此之外，物联网智能家居系统还应用了许多典型的感知技术，比如无线温湿度传感器，无线门磁、窗磁，无线燃气泄漏传感器等。
3．2 网络层
    物联网中的网络层包括各种通信网络与互联网形成的融合网络，除此之外，还包括家居物联网管理中心、信息中心、云计算平台、专家系统等对海量信息进行智能处理的部分。在智能家居中，网络层不但要具备网络运营的能力，还要提升信息运营的能力，如对数据库的应用等。在网络层中，尤其要处理好可靠传送和智能处理这两个问题。
3．3 应用层
    应用层是将物联网技术和智能家居专业技术相结合来实现家居智能化应用的解决方案集。物联网通过应用层最终实现信息技术和传统家居的深度融合，这主要体现在智能电网应用、家庭医疗应用、多媒体娱乐应用、家庭安防应用和家庭控制应用等。除此之外，应用层还为家庭服务商提供有第三方借口，以提供便于人们生活的各种服务。

4 结语
    目前，严格地说，物联网在智能家居中的应用还主要集中在感知层的应用方面，只能说应用了物联网当中的某项技术，离一个真正意义上、无处不在的物联网智能家居还有一段距离，尤其是在应用层的融合方面，还需要多行业深度合作，才能提供一个全方位的智能家居。此外，标准不统一也是制约物联网智能家居发展的一大瓶颈。而在未来，物联网智能家居离开云是不可想象的，每一个家庭其实就是一个“云家”，不管你身在何地，家里的风吹草动对你都是透明的，所以，除了制定标准，推动多行业的深度合作外，云技术的研究和应用也是发展物联网智能家居的一个关键所在。