基于物联网的智能家居系统构建分析

引 言

物联网（InternetofThings，IoT）是以互联网为核心，对互联网延伸和扩展的网络，物联网中连接的对象不仅仅包含计算机和移动设备，而且已经延伸扩展到了各种物体之间，在相关网络协议的控制下，可以实现物体之间的信息交换和通信。物联网可以简单地称为 物物相连 的网络，也可以理解为互联网技术与其他多种技术的应用集成，其中最为典型的技术有射频识别技术、传感器与检测技术、全球定位技术、激光扫描技术等，并按照相关网络通信协议，将任何物体连接到互联网，实现物体之间的通信和信息交换，完成物体或场景识别、管理和控制等操作，从而满足实际应用需求。

为了让人们更加形象地理解物联网，业界通常以智能家居的生活场景来讨论分析。所谓 智能家居系统 就是住宅的智能化，构建高效的家居设施与家庭生活管理系统，以提升家居生活的安全性、便利性、舒适性，实现环保节能的全新家居生活体验。系统构建需要合理分析规划，综合考虑人们的个性需求，利用多种技术，如综合布线技术、网络与通信技术、安全防范技术、传感器与检测技术、自动控制技术、音频视频处理技术等，将与家居生活有关的设施连接并集成， 通过网络实现智能控制和管理。智能家居系统应用通常包括与人们生活息息相关的家居安全防范、生活家电使用、灯光控制、窗帘开闭、煤气泄露检测、三表信息的采集、生活娱乐场景的联动、家庭成员的健康保健、安防保安等。

1 智能家居简介

智能家居的应用可以追溯到 1984 年世界上第一幢智能建筑，随后一些经济较为发达的国家和地区纷纷提出了各种智能家居方案。在智能家居系统研发方面，美国一直处于领先地位，典型的家庭智能化系统包括微软公司推出的 梦幻之家 、IBM 公司研发的 家庭主任 、摩托罗拉公司创建的 居所之门 等。新加坡、日本、澳大利亚、西班牙、韩国等在智能家居系统研发和应用方面都有实质性的进展。此后，新的智能家居平台、产品、服务等不断涌现，主要代表有德国电信联合一些公司共同构建的智能家居业务平台Qivicon、Verizon 公司推出的智能家居系统、AT&T 联合思科和高通公司推出的全数字无线家庭网络监视业务系统、苹果公司发布的Homekit 平台、三星推出的 Smart Home 智能家居平台以及由Google 收购的Nest 智能家居平台等。后来包括霍尼韦尔（Honeywell）、 Control4、西门子（Siemens）等一些世界知名电气公司也涉足智能家居行业，开展了智能家居产品研发和相关服务。

随着人们对智能家居认识的提高、居家生活理念的改变以及智能家居相关技术的发展成熟，我国一些传统家电厂商和从事互联网的公司开始关注智能家居行业，并纷纷登陆智能家居领域。经历了萌芽期、开创期、徘徊期、融合演变期后， 各大厂商开始依托自身核心优势密集布局智能家居，推出了相关的智能家居产品。典型代表有中国移动研发的灵犀语音助手， 中国电信的 悦 me ，基于阿里云 OS 的智能电视、天猫魔盒、智能空调、智能热水器等产品， 海尔 U-Home 智慧家居、QQ 物联、百度智家、小米智能家庭套装、乐视超级电视、美的智能电器、格力智能家电等。

不难看出，国外厂商主要集中在智能家居系统的研发和平台应用方面，而国内厂商更加突出智能家居个性化产品的研发和丰富。

2 智能家居系统设计的目标及原则

2.1 智能家居系统的设计目标

智能家居系统设计的最终目的是让家庭生活更加安全、舒适、方便及符合环保要求。智能家居系统的本质是为人们提供一种居住环境，必须 以人为本 ，以住宅为平台。可见智能家居系统是家庭生活智能化的应用与提升，使人们可以享受轻松的生活。

2.2 智能家居系统的设计原则

构建智能家居系统应满足以下原则：安装简单；可扩展性； 经济合理；实用性；便利性；可靠性；标准性；数据安全性等。

3 智能家居系统的设计

3.1 物联网的三层体系结构

从技术架构和功能角度来看，物联网层次结构自底向上分为感知层、网络层和应用层，如图 1 所示。

感知层位于物联网层次结构的最底层，该层用到的技术包括传感器与检测技术、RFID 与识别技术、无线传感器网络技术、嵌入式及智能芯片技术等，其功能是实现对环境和物体的智能感知识别、前端信息采集处理以及对应用对象的自动控制。网络层位于感知层之上，该层的主要技术包括移动通信技术、以太网技术、无线网络等网络管理系统和云计算平台等，其主要功能是完成信息的传递、实现路由和控制，达到交互共享和有效处理的目的。应用层位于物联网层次结构的最高层，该层在感知层和网络层的支撑下与行业需求相结合， 实现物联网的智能应用与物联网发展的根本目标。

在物联网行业应用领域，智能家居系统被确定为物联网的十大应用之一。

3.2 智能家居系统的体系结构

智能家居系统包含的子系统有家庭能源管理系统、家居照明控制系统、家庭安防系统、背景音乐系统、家庭环境控制系统、家庭娱乐管理系统、家庭网络系统、家庭信息管理等， 如图 2所示。

3.3 智能家居系统相关技术分析

3.3.1 智能家居系统之感知层

物联网的感知层将多种传感器、RFID、二维码等通过无线传感器网络连接起来以感知周围的各种信息。智能家居系统感知层主要应用各种传感器节点，实现对室内外的实时监控，包括对家庭环境的监控、安防等。感知层工作原理如图 3 所示。

其中，防盗设备、安防探测设备和温湿度探测设备等是智能家居的感知设备。

(1) 光线传感器

光线传感器通常采用集成光电开关的方式代替传统开关面板，利用无线传感网控制实现开关、调光等指令，便于用户远程操控和集中控制调节，满足人们对光的生理匹配。

(2) 无线探测器

无线传感器通过网络和电子技术组成防盗报警系统，可自动探测监控区域是否存在入侵行为。防盗报警系统主要由探测器、报警控制器和报警装置三部分构成。其中，探测器是防盗报警系统的核心，是基于物理和化学原理的传感器，用于分析信息并联动触发报警器发出声音。按照探测器采用的原理和技术，防盗报警设备主要有热感红外型、微波物体移动型、红外微波型、玻璃破碎型、超声波物体移动型、红外对射探头型、激光型、磁控开关型、视频运动检测型、声音探测型等。当发生异常情况时，会触发探测器，收集信号发生变化，报警控制器进行分析并控制报警装置发出声音或联动其他系统， 从而报警。

(3) 温湿度传感器

温湿度传感器主要用于探测室内温度和湿度及其变化。除空调本身的温湿度探测功能外，还可以利用温湿度探测器确切获得室内的实时温湿度。即使用户外出也能非常方便地远程操控家中设备，如提前启动空调来调节温度，回家后便可以享受到宜人的温度和湿度。

(4) 空气质量传感器

空气质量传感器主要用于探测室内的空气是否混浊，从而判断室内空气是否会影响健康，如果需要改变，可以通过无线传感器网络启动新风系统或其他设备，调节、优化室内空气质量。

(5) 安防探测器

主要利用烟雾探测器来实现智能家居中的家庭安全防护。烟雾探测器的核心部件是烟雾传感器，用于感知烟雾的浓度， 实现报警。当出现异常情况如煤气泄漏、火灾等时，安防探测设备就会感知现场的情况并报警及时通知用户。

(6) 无线门磁、窗磁

该类设备用于防止入侵行为的发生。通过布防，一旦有人触动就会通知应用端并发出报警信息，家人在家时可以撤防， 避免无故报警。同时，不仅可以进行现场布防、撤防，还可以利用传感器网络网关进行远程控制，达到保护家庭人身、财产安全的目的。

(7) 可视对讲系统

主要利用光传感器节点采集前端图像视频，通过网络传输传递至室内机或移动终端，结合实际情况完成相应的对讲、门禁开启等操作。

3.3.2 智能家居系统之网络层

由于多数智能家居系统采用综合布线方式，因此需要借助一定的网络通信技术来完成信息的传输任务。这些技术主要包括电力载波技术、以太网技术、WiFi 技术、移动通信技术、蓝牙技术、红外通信技术等。

家庭网关是一种简单、智能、标准化、灵活的网络接口单元，是智能家居内部系统与外部系统的链接单元，也是智能家居系统的核心部分，负责处理智能家居中的信息，实现信息的接收与转发。其工作原理如图 4 所示。

3.3.3 智能家居系统之应用层

物联网的应用层面向行业实际应用以满足用户需求，主要完成数据的管理、处理和应用分析等。应用层包含的技术主要有云计算技术、软件开发技术、图像处理与解析技术、信息防护与安全技术等。智能家居系统的家电控制子系统主要基于云计算平台监控和管理家电的工作状态 ：空调可以根据家庭环境温度自动调节，智能窗帘系统可以根据室外天气变化自动开启或关闭。各种设备主要通过无线网络操作控制，使物与物、物与人之间实现更加有效的互动，通过这些设备为家居主人的生活提供更加贴心的服务。因为智能家居系统中运用了互联网技术、移动网络技术等，所以可以通过计算机或移动设备实现全天候、随时随地掌握家中各类电器、安防设备的工作运行状态，用户可以根据自己的意愿去控制终端设备。这些终端设备都需要集成终端控制器，用户通过触摸屏发出控制信息，控制信息通过服务器传输到客户端，使用可靠传输协议连接到中央控制器，结合专用或通用协议获取被控制的设备信息并转发给中央控制器，从而实现开门、视频监控、内部呼叫、安全检测、照明控制、空调温度调节、风扇开启、窗帘开合、电视、音响等的控制功能。其工作原理如图 5 所示。

(1) 室内终端

室内终端是一种室内带触摸屏的智能家居控制端，可以固定在室内的某个位置，也可以是PDA 设备。该设备通过家庭交换机与家庭网关和智能家居服务器相连接，通过智能家居协调器（家庭网关）与家庭内的各种前端设备如家电、窗帘、传感器等进行信息交互，达到控制室内设备的目的。

(2) 移动终端

移动终端采用智能手机作为控制终端，真正做到可以在任何时候、任何地点控制智能家居设备。随着智能手机的普及及应用能力的提升，不断增强用户体验。

移动终端可实现多种功能，为用户带来更多便利，譬如可视对讲功能、家电设备控制功能、安防报警功能、留言留影记录与查询功能、视频监控、电子商务等功能。

3.4 智能家居系统的设备

3.4.1 从现有市场选择

虽然目前市场上可供选择的智能家居设备品牌、种类非常丰富，但缺少统一的技术规范，各种品牌的产品设备都有各自的技术和应用特点，导致在实际选择智能家居产品时很难进行横向比较。所以进行系统设计时从应用实际需求出发，多角度综合分析考察，把握好系统稳定性、功能集成度、系统简洁性、系统适用性、系统扩展性、系统安全性等原则。

3.4.2 DIY制作

专业技术用户也可以依照智能家居系统规划的结构，细化所包含的模块，按照以家庭网关为中心，综合运用软件开发、嵌入式系统开发、无线通信等与物联网相关的技术，进行各种智能模块或设备的设计制作，亲手搭建起属于自己的个性化、定制化的智能家居系统。

4 结 语

物联网的应用非常广泛，涉及各行各业。其中智能家居系统的应用体验最为直接，因此得到越来越多相关企业及用户的关注。本文基于物联网体系结构来设计和分析智能家居，目的是给出较为完善的智能家居系统设计方案，便于人们参照，从而设计搭建自己的智能家居系统。