物联网时代的智能家居系统

引言

智能家居概念的起源很早，但一直未有具体的建筑案例出现，直到1984年1月美国联合科技集团UTBS公司将美国康涅狄格州福德市的旧金融大厦改建成都市大厦(CityPlace)，才有了世界上公认的第一座智能建筑。与传统的建筑不同的是，在该大厦中安装了计算机、移动交换机等当时较先进的办公设备和高速信息通信设施，同时大厦的暖通、给排水、防火防盗系统、供配电系统、电梯系统均由计算机控制。这栋大厦除了提供舒适、安全、方便的办公环境外，还具有极高的灵活性和经济性。这种新型的大厦很快引起各国的重视，“智能型建筑”由此兴起。正是这栋大厦为日后智能家居的诞生指明了一个初步的方向，从此也揭开了全世界争相建造“智能型建筑”的序幕。

20世纪80年代末，随着通信与信息技术的发展，出现了对住宅中各种通信、家电、安保设备通过总线技术进行监视、控制与管理的商用系统，这在美国称为SmartHome，也就是现在智能家居的原型。在中国香港和台湾等地区，还有数码家庭、数码家居等称法。

1智能家居

通常认为，智能家居就是以住宅为平台，兼备建筑、网络通信、信息家电、设备自动化，集系统、结构、服务、管理为一体的高效、舒适、安全、便利、环保的居住环境。它是通过采用先进的计算机、通信、布线和控制技术，建立一个由家庭安全防护、网络服务和家庭自动控制等系统组成的家庭综合服务与管理集成系统，从而实现全面的安全防护、便利的通信网络以及舒适的居住环境的家庭住宅。

物联网智能家居与普通家居相比，智能家居不仅具有传统的居住功能，提供舒适安全、高品位且宜人的家庭生活空间，还由原来的被动静止结构转变为具有能动智慧的工具，提供全方位的信息交换功能，帮助家庭与外部保持信息交流畅通,优化人们的生活方式，帮助人们有效安排时间，增强家居生活的安全性，甚至为各种能源消费节约资金。

2智能家居系统的技术发展趋势

智能家居系统在经历了早期混乱的概念纷争之后，目前已经逐渐进入理性时代，并逐渐深入到国民的生活之中，不断地影响着人们的工作和生活。智能家居产品发展至今，在技术上也越来越成熟，功能开发上也更加趋于人性化，更加注重以市场需求为导向。虽然目前智能家居还没有处于大规模的市场应用期，但随着物联网技术的不断进步、智能家居概念的日益普及和推广，人们对智能家居的需求也将日益增长。

智能家居系统是一个多功能技术的综合系统，受到传输媒体、网络平台、集成系统等技术发展的影响，其相关技术具有以下几方面发展趋势。

2.1硬件平台的处理能力日益增强

早期的智能中控器采用8位单片机作为核心处理单元,功能比较简单、纯粹，往往只具备安防、三表采集、简单文字信息发布和简单的家电控制功能。近几年很多厂家为了使自己的产品功能更全面、显示更美观，采用了处理能力更强的单片机或使用多颗单片机协同工作。这个时期的产品操作界面有比较大的改善，往往采用彩色LCD，大多带有触摸功能，集成了楼宇对讲、家电控制等相对丰富的功能。目前，有一些国内外厂家采用32位的处理器结合先进的嵌入式开发平台，开发出了更为先进的产品。基于该技术的产品处理能力显著提升,以往无法处理的多媒体信息和增值服务都可以得以实现。由于采用专门的显示引擎，所以界面更加丰富、美观，家电控制功能也趋于完善。

2.2智能家居平台日益成为一个综合平台

起初，用户依据对家居系统不同功能需求，往往是安装了几个彼此独立的子系统，这无疑增加了安装和使用的复杂性。随着行业间技术的整合，智能家居系统已发展成集网络信息、安防门禁、照明控制、电器控制、远程控制等为一体的系统综合平台。与此同时，在电路的设计上大都实现功能的模块化。智能模块相当于智能家居平台中的执行单元甚至是一个子系统，直接受控于控制系统，如同大脑和神经末梢的关系一样,协调动作才能完成整个控制过程。同时控制方式实现多样化,随着物联网技术的迅猛发展，实现远程控制、智能遥控、随时随地遥控等将成为可能。

2.3由模拟向数字化转变

如同模拟电视向数字电视、模拟手机向数字手机的逐步转变一样，智能家居平台也正在经历着一场由模拟到数字的变革。现在是数字化的时代，数字信号比模拟信号所传输的信息量要大很多，而且不像模拟信号那样因为信号容易受到干扰或者衰减而导致信号缺失。数字化技术正在日益广泛地应用到智能家居系统中来，主要表现在以下几个方面：

在电路设计上采用越来越多的数字集成电路。现在的智能家居产品中使用了大量的数字芯片，集成度和可靠性比之从前的模拟电路有了很大提高。

显示数字化大大提升了显示效果，简化了控制流程,用户操作方便易学。

传输方式逐步走向数字化和多网合一，安防、对讲、门禁、抄表逐步走向统一的以太网联结。多网合一大大减少了施工和维护的复杂度，而且数字化提高了传输速率、可靠性和保密性。

2.4组网技术从有线走向无线

智能家居系统的组网技术主要是解决各种信息家电之间的数据传输，能把外部连接传入的数据传输到相应的家电上去，同时可以把内部数据传输到外部网络。目前，智能家居内部组网技术分为有线组网和无线组网两种技术：有线组网技术主要有电话线、以太网、电力线等，它们都存在着扩展性能差、布线繁琐、影响美观等缺点；而相对于传统的有线组网技术而言，无线组网技术在智能家居的应用上更具有无须布线、安装周期短、后期维护容易、网络用户容易迁移和功能扩展方便等优势。在无线通信技术快速发展的今天，将无线通信技术应用于智能家居系统中已经成为一种趋势，无线通信技术的进一步发展，定将使得智能家居系统发展更为快速，功能上的实现也更加容易。最常见的有ZigBee技术、蓝牙技术、WiFi技术、GPRS技术等。相信从有线走向无线的总趋势无法逆转。2.5家庭网关将成为技术核心

家庭网关是整个智能家居系统中的核心部分，一方面它将所有功能集成在一个统一的平台之上，主要完成家庭内部网络中各子系统间数据的传输、交换、共享等功能；另一方面它又负责对指令是否合法进行识别。由此可见家庭网关对网络内部信息起交通枢纽和保护作用，故在今后的技术应用中对网关的重视度将不断提高。

3智能家居系统的组成结构

智能家居系统提供面向家庭设备的网络平台，将各种与信息相关的通信设备、家用电器设备和安防装置等通过有线或无线方式连接成网络，进行集中监视与控制、异地监视与控制和家庭事务管理，并通过设置各种组合条件控制，保持这些家庭设施与住宅环境的和谐与协调。其核心部分是家庭智能控制器、网络家电与各种传感器节点及各种控制模块。从不同的角度分析智能家居，它可以划分成不同的组织结构。

3.1功能划分

根据功能的不同，智能家居系统可以横向划分成三个主要子系统，包括安防报警子系统、家电控制子系统、环境信息服务子系统。每个子系统又可分成多个分子系统。图1所示是一个智能家居的系统图。

图1  智能家居系统图

智能家居系统中的安防报警子系统是一套负责家庭安全体系，这其中既包括人身和家庭财产的安全，也包括家庭设备的安全。为了实现这种安全体系，就需要配备相关的防卫措施,例如电子门禁系统、视频监控系统、红外防盗系统、玻璃破碎报警系统、室内跑水检测报警系统、火灾报警系统以及室内有毒、害气体的检测报警系统等。

智能家居系统中的家电控制子系统以智能家电及智能开关、插座为基础，结合其他控制、传输系统，向用户提供家电的统一管理和智能化应用。其中包括智能家庭娱乐系统、自动厨卫电器控制系统、多媒体信息服务系统以及室内温湿度控制系统等。

智能家居系统中的环境信息服务子系统主要提供针对家庭生活环境、节能环保、多媒体信息以及其他相关信息的收集、传送和改善等功能，包括自动窗帘控制系统、智能背景音乐系统、智能照明系统、多表(水、电、煤气、暖气等)抄送系统、供电控制系统以及家庭医疗日常监测系统等。

系统中的各子系统都配有家庭室内无线和有线遥控、手机电话远程控制以及Internet远程监控等功能，并结合其他系统为住户提供一个温馨舒适、安全节能、先进易用的家居环境,让住户充分享受到现代科技给居家生活带来的安全、舒适、便利与精彩。

3.2网络层次的划分

根据网络层次的划分，智能家居系统可以纵向分解成6个层次，包括信息采集感知层、命令执行应用层、内部信息传输层、中央处理控制层、外部网络传输层以及远程监测控制层。图2所示是智能家居系统的网络层次。

图2中，信息采集感知层负责家庭各类基础信息的收集、取样，并通过传输层将信息传送到处理控制层。主要设备包括以下几方面：

温度、湿度、光照、烟感、有害气体、水位、玻璃破碎、红外等各种传感器；

水表、电表、煤气表、热表等；

各类视频监控摄像头；

家庭医疗监测设备；

指纹机、读卡器、声音识别器等。

命令执行应用层可根据传输层传送来的操作命令，完成相关任务的执行功能。主要设备包括以下几方面：

红外、烟感、喇叭等各种报警器；

空调、冰箱、音响、热水器等智能家电；

各类智能开关(包括电、水、煤气等)、电源插座；

自动窗帘、智能照明、摄像机云台等控制设备；

门磁、窗磁等。

内部信息传输层主要负责将采集感知层的信息传送到处理控制层，再将处理控制层的操作命令传输到执行应用层。根据采用设备的不同，本层可以采用有线或无线技术进行信息传输，也可以两种技术混合使用。

中央处理控制层负责对采集感知层和外部网络传输层传送来的信息进行分析、处理、存储和分配，并根据系统预先设定的程序规则，向执行应用层发出任务指令。这部分主要设备包括：

中央控制器；

信息处理服务器；

智能网关；

各类路由、交换设备；

各类控制面板、无线遥控器等。

外部网络传输层主要是指各类公共网络或专用网络，如有线电视网、固定电话网、移动通信网以及小区局域网和供电网络等。它的主要功能包括：

为家庭提供电视、电话、宽带等多媒体信息服务；

将家庭相关信息传送到有关部门，如医疗监测数据、消费(水、电、煤气、热能等)信息等；

将远程监控设备的控制命令传送到中央处理控制层。

远程监测控制层是现在智能家居系统的主要特色，实现了在任何时间、任何地点都可以监测和控制家居环境和设备 的功能。主要包括手机、PDA、笔记本等无线监控设备和计 算机、固话等有线监控设备。

4结语

在许多人的概念里，智能家居这个词离我们的生活似乎异 常遥远，只是存在于高科技展览会里的表演，或是富豪们向人 们炫耀财富而展示的一种家居装饰。事实上，近年来智能家居 已开始一步一步走进越来越多的普通家庭。一套完整的智能家 居系统一般包括安防、监控、影音、家电、照明等几大子系统, 价格上也可以被消费者所接受，我们完全可以根据自己的需要 和喜好选择安装子系统，以满足自己居家的各种需求。

智能家居是一个多功能的技术系统，包含的内容比较多, 家庭内各子系统和设备都是通过智能的家庭网络实现网络化、智能化。相信不久的将来，甚至日常器具也可以通过增加其内 在智能，在网络上发送信息，为人们提供更丰富的智能服务。今后，统一的网络结构和控制平台，灵活的接入方式，高可 靠性和兼容性，低成本，提供舒适、安全和高效的家庭环境, 是智能家居发展的目标。

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