智能家居

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智能家居(Smart Home)

　　智能家居也称智能住宅，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。智能家居利用先进的计算机技术、网络通信技术、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，通过统筹管理，让家居生活更加舒适、安全。

　　与普通家居相比，智能家居不仅具有传统的居住功能，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，使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，甚至可节约各种能源费用。

　　家居智能的基本目标是：将家庭中各种与信息相关的通讯设备，家用电器和家庭保安装置通过家庭总线技术(HBS)连接到一个家庭智能化系统上进行集中的或者异地的监视、控制和家庭事务性管理，并保持这些家庭设施与住宅环境的和谐与协调。

　　智能家居系统致力于为用户营造一个更为安全、灵活、简便、时尚的数字化家居空间，带来全新的、高尚的、智能的生活体验。现将其系统功能介绍如下：

　　1)系统基于TCP/IP通信协议，以家庭智能网关为控制核心，将对讲、家电、照明、安保、娱乐等设备通过网络集成于一体，实现可视对讲、实时监视控制、灯光控制、电动窗帘控制、智能插座控制、红外电器控制、远程电脑控制、电话控制、门禁控制、安防报警、信息发布、背景音乐及多媒体娱乐等强大功能，综合布线简单，有效降低成本。

　　2)系统采用红外无线遥控、GPRS技术，引入人性化理念，赋予用户更多、更智能的操控方式，外观设计典雅、精致、大方。实时监控，安全保障，实时监控梯口、门口状况，防护房屋周界安全。

　　3)远程监视功能，确保时时获悉家中安全状况，并可监视小区其他活动区域。一键布防，守护全家。创新的防区智能化算法，有效减少误报。提供多防区的安防报警方案，允许用户根据自身需要连接红外、烟感、紧急按钮、门磁、窗磁等设备。警笛、短信、电话、管理中心呼叫等多种报警输出方式，报警记录自动生成方便查看。

　　4)智在生活，随心而控，带有实际状态反馈的家电控制技术，通过家庭控制终端或远程控制网页，可以真实反馈当前家电的工作状态，一目了然。

　　5)人性化的图形用户界面设计，独特的图形化报警与家电控制用户界面设计，支持多层户型图。支持多种控制操作界面，所有控制状态闭环反馈，确保控制指令有效执行。

　　6)场景幻化，随心而动，允许设置多处场景模式，在每一个场景模式中均包含了连接到系统的各个灯光家电设备，用户可调节不同的亮度状态并将状态组合，即成为一个场景模式。用户可以通过触摸屏、遥控器、电话远程控制等方式自由切换不同场景。

　　实现智能家居必须满足3个条件：具有家庭网络总线系统；能够通过这种网络(总线)系统提供各种服务功能；能与住宅外部相连接。通过总结各类智能家居系统，可以得出图1-1所示的体系结构图。从图可知整个系统通过家庭网络和外部网络来连接家庭设备、家庭网关/家庭服务中心和远程终端等3类设备，以便实现智能家居的功能。

　　　　　　　　　　图1-1 智能家居的体系结构

　　下面将重点介绍家庭内部的家庭网关和家庭网络。

　　作为智能家居系统的核心，家庭网关还没有形成统一的定义。以下列出一些有代表性的定义。

　　家庭网关论坛组织(Residential Gateway Group，RG)是一个在1995年建立的正式的工业论坛组织，它率先采用家庭网关来代表一个集中式智能接口，将家庭外部的接入网络和家庭内网络联系起来。RG将家庭网关定义为一种简单的、智能的、标准化的、灵活的整个家庭网络接口单元，它可以从不同的外部网络接收通信信号，通过家庭网络传递信号给某个消费设备。借助引入家庭网关的概念，希望能够为集成不同的外部网络和丰富新的应用提供一个有效的途径。

　　思科系统公司的家庭网关定义是：一个在家庭内的网络化信息设备与智能宽带接入网之间的智能化网关。美国2Wire公司的家庭网关定义是：一种将家庭网络无缝连接到宽带网络，使所有家庭内连网设备同时享有高速连接的设备。

　　上面这几种定义都认为家庭网关是一种将外部宽带网络与家庭内部网络连接的设备。而Parks Associates公司认为家庭网关应是：连接一个外部网络或多个接入网络，通过某种类型的家庭网络分配服务给一个或多个设备的设备，即一个集中式整个家庭的网关才能视为一个真正的网关。

　　家庭网络不同于纯粹的“家庭局域网/家庭内部网络”。人们常提到的“家庭局域网/家庭内部网络”是指连接家庭里的PC、各种外设及与因特网互连的网络系统，只是家庭网络的一个组成部分。中国通信标准化协会(CCSA)“家庭网络总体研究课题组”研究报告认为，家庭网络概念是一个变化的概念，它随着用户的需求、政策、技术、标准的发展而发展。目前不同行业(包括IT/家电业、通信业、小区物业)对家庭网络的不同理解都是根据不同的用户需求而来的。家庭网络包含四个要素：用户需求、设备、网络、业务与应用，每个要素对不同用户、不同时期是不同的。家庭网络从广义上理解是指在家庭内部通过一定的传输介质(如电力线、双绞线、同轴电缆、无线电、红外等)将各种电气设备和电气子系统连接起来，采用统一的通信协议，对内实现资源共享，对外能通过网关与外部网(如以太网，综合业务数字网，异步传输模式网等)互连进行信息交换。家庭网络作为家庭信息基础设施，将构筑以下三种网络，如图1-2所示。

　　　　　　　　图 1-2 家庭网络系统

　　1)家庭高速娱乐网络：用于连接各种娱乐。陀家用电器，如高清晰电视机、DVD、家庭影院等。

　　2)家庭数据通信网络：用于传递数据信息，如电话、计算机等，包括电子邮件的收发、web浏览器、网上购物等。

　　3)家庭低速控制网络：用于实现家用电器的远程监视和远程控制，以及家庭安防控制。

　　家庭网络最终的发展目标是：家庭网络不仅仅是一个为了完成家庭内部各种没备资源共享、协同工作的网络，还能通过与外部网络(电信网／互联网／社区网)的连接，实现家庭内部设备与外部网络信息交流的日的，通过丰富多彩的业务和应用使用户享受到舒适、便利、安全的新的生活体验。

　　家庭网络应该具备以下一些功能：

　　1)信息共享功能：共享互联网访问，共享微机外没，共享文件和应用。

　　2)家庭娱乐功能：对内实现多媒体设备之间的视频音频信号传输，对外实现可视电话、视频会议和视频点播等视频音频信息交流。

　　3)信息采集功能：收集住户家庭运行的各种参数，包括水表、电表、煤气表的计量数据以及居室温度、湿度等，实现自动抄表、提高住宅档次和物业管理水平。

　　4)信息服务：住户可以了解自己家庭运作的各种参数，如房间温度、湿度，各种计量表读数，被控家电状态等，同时可以通过网络进行各种交通的简单查询。

　　5)安全防范：通过住宅室内安装的各种报警探测器和禁忌按钮进行防盗、防火和防灾监控，能够及时处理各种警情。

　　6)智能化控制：根据周围环境的变化对家用电器进行智能化控制，从而建立舒适健康的生活环境。

　　7)其他增值功能：如家庭电子商务、申清社区服务等功能。

　　现今家庭网络向三大技术趋势发展：网络化发展；领先的无线移动；脱离PC。而推进这个发展趋势的正是网络技术、无线通信技术以及嵌入式系统的广泛应用。网络化的嵌入式

　　无线智能家居控制系统是未来智能家居的发展方向，它能够提供标准化接口和无线网络互连功能，而且可以通过嵌入式通信协议使得系统能够脱离传统PC，从而智能家居行业也将跨入“后PC时代”。正如计算机摆脱大型机进入PC才开始大发展，脱离了PC独立状态的智能家居才能有更大发展。未来家庭的数字设备将会通过无线技术连接起来，从而实现了家庭内每一个家用电器和设备都能上网和互操作。通过无线技术构建独立的家庭局域网，让“无线”自在的舒适生活成为现实，并通过互联网或GPRS连接到外网，进而实现通过计算机、手机或PDA来远程监测和控制家庭中的各种设备，真正实现家庭设备的信息化、网络化和智能化。

　　智能家居网络随着集成技术、通信技术、互操作能力和布线标准的实现而不断改进。它涉及对家庭网络内所有的智能家具、设备和系统的操作、管理以及集成技术的应用。其技术特点表现如下：

　　1．通过家庭网关及其系统软件建立智能家居平台系统

　　家庭网关是智能家居局域网的核心部分，主要完成家庭内部网络各种不同通信协议之间的转换和信息共享，以及与外部通信网络之间的数据交换功能，同时网关还负责家庭智能设备的管理和控制。

　　2．统一的平台

　　用计算机技术、微电子技术、通信技术，家庭智能终端将家庭智能化的所有功能集成起来，使智能家居建立在一个统一的平台之上。首先，实现家庭内部网络与外部网络之间的数据交互；其次，还要保证能够识别通过网络传输的指令是合法的指令，而不是“黑客”的非法入侵。因此，家庭智能终端既是家庭信息的交通枢纽，又是信息化家庭的“保护神”。

　　3．通过外部扩展模块实现与家电的互连

　　为实现家用电器的集中控制和远程控制功能，家庭智能网关通过有线或无线的方式，按照特定的通信协议，借助外部扩展模块控制家电或照明设备。

　　4．嵌入式系统的应用

　　以往的家庭智能终端绝大多数是由单片机控制的。随着新功能的增加和性能的提升，将处理能力大大增强的具有网络功能的嵌入式操作系统和单片机的控制软件程序做了相应的调整，使之有机地结合成完整的嵌入式系统。

　　一、家庭网络内部组网技术

　　家庭网络内部组网主要解决各种信息家电之间的数据传输，能把外部连接传人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连接。当前在家庭网络所采用的传输技术可以分为“有线”和“无线”两大类。有线方案主要包括：双绞线或同轴电缆连接、电话线连接、电力线连接等；无线方案主要包括：红外线连接、无线电连接、基于RF技术的连接和基于Pc的无线连接等。家庭网络相比起传统的办公网络来说，加入了很多家庭应用产品和系统，如家电设备、照明系统，因此相应技术标准也错综复杂。

　　二、家庭网络中间件技术

　　家庭网络必须是一个动态的环境，新设备加入到家庭网络里，可以被其他在网络中的设备识别，同时它也可以发现其他设备，并能相互协调工作；同时，以后将会出现专门开发家庭网络应用程序的公司，必须保证同一应用程序可以在采用不同的嵌入式操作系统的信息家电上运行。解决这些问题并不简单，因为家庭网络环境中的资源构成非常复杂，不仅有采用不同操作系统和硬件体系的设备，还有存在网络中的可以被使用的软件成员，甚至人也可以成为网络资源的一部分，这样就对设计信息家电以及家庭网络成员的开发人员造成了很大的困难；如何使开发人员可以忽略各种不同设备的底层信息，如何在设计家庭网络分布式应用使用通用接口，这就必须在家庭网络应用的开发中引入中间件技术。根据IDC的表述：中间件是一种独立的系统软件或服务程序，分布式应用软件借助这种软件在不同的技术之间共享资源，中间件位于客户机和服务器的操作系统之上，管理计算资源和网络通信。IDC对中间件的定义表明，中间件是一类软件，而非一种软件；中间件不仅仅实现互连，还要实现应用之间的互操作；中间件是基于分布式处理的软件，最突出的特点是其网络通信功能。

　　可以这样来定义面向家庭网络应用的中间件技术，运行在信息家电的操作系统之上，使用操作系统提供的功能，从各种信息家电产品的不同硬件体系构、操作系统和网络接入中抽象出一种逻辑上的通信能力，设计APIS接口为上层的家庭网络应用程序提供一系列服务，用于帮助建立和配置家庭网络中的分布式应用，它也是家庭网络的重要组成成员之一。如果与OSI七层网络模型相对应，中间件技术一般对应着是包括会话层及以上的表示层和应用层。利用中间件技术，信息家电的开发人员可以自由地选择底层通信技术和操作系统，信息家电产品可以选择电力线、无线、IEEE 1394等网络技术实现通信。

　　采用中间件设计信息家电可以完成如下功能，首先可以使信息家电具有在家庭网络中宣布自身存在的能力，信息家电可以自动发现网络中存在的设备，其次，信息家电可以相互描述自身所独具的功能，信息家电可以相互之间查询、理解所具有的功能，家庭网络无需人工参与，可以自动完成网络设置，信息家电之间可以进行无缝互操作。中间件出现在家庭网络市场中的时间并不很长，但是发展非常迅速。据估计，家庭网络的中间件市场将有几十亿美元的市场价值。为了获得市场，很多协会、团体开始向中间件市场推出了自己的产品，目前有OSGi、UPnP、JNI、HAVI、VESA、Interactive TV Software Provider、DVB、OPENCABLE等中间件技术。

　　三、智能家居远程控制技术

　　智能家居控制系统从结构上来说严格分为两部分：一是在家庭内部的控制系统，即内部控制系统；二是离家之后在异地环境下的控制系统，也即远程控制系统。内部控制系统与各种相关的家用电器和安保装置，通过家庭网络连接起来，方便家居的集中控制和监视，并保持这些家庭设施与住宅环境的和谐与协调。内部控制系统的不足之处在于其应用范围只能在家庭内部控制家电设备。而远程控制系统则扩展了智能家居控制系统的应用范围，真正让家居的控制走出了家门。通过各种不同的远程控制技术，人们可以随心所欲地控制家电设备，以及监视家里的情况。特别是随着现代家庭中家电设备的增多和通信线路的发展，利用现有的通信设备和线路对家电和仪表进行远程控制，已经成为未来家居发展的趋势，远程控制系统的出现使得人们可以通过手机或者鱼：联网在任何时候、任意地点对各种家电进行远程控制；也可以在下班途中，预先将家中的空调打开、热水器提前烧好热水。客观地说，正是因为有了远程控制系统，才让智能家居真正变得方便、自由、舒适，成为真正意义上的“遥控”。

　　作为吸引消费者眼球的一大闪光点，远程控制系统得到了很多公司的极大关注和研发投入。可以说，远程控制系统是现代智能家居控制系统中必不可少的一部分。远程控制终端可以通过不同的网络方式连入家居的控制中心，并实施控制命令。因此，如何有效地为不同终端提供统一的控制接口，保证控制操作的顺利进行，是远程控制系统首要解决的问题。下面主要介绍一些远程控制技术。

　　1．智能家居有线远程控制技术

　　有线远程控制技术，即对目标的控制是基于可见的各种线路传输。目前，有线网络控制一般分为两种：第一种是互联网控制，第二种是有线电话网络控制。

　　(1)互联网控制

　　随着网络技术的发展以及个人计算机的普及，互联网可谓是走人了家家户户，一般的居住小区或者家庭都已经提供了互联网接口。将互联网引入控制系统，打破了控制信息进行传递和交换时在时间和空间上的限制，互联网传输速率相当高，可达到lOMbit/s或lOOMbit/s，能够传输各种家电控制信息、视频、图像等信息。通过互联网进行远程控制的模型图如图1-3所示。

　　　　　　　图1-3 互联网远程控制模型

　　(2)有线电话网络控制

　　基于互联网的远程控制技术，组网成本较高而且复杂，技术难度大，对维护者的技术水平要求也较高，它适用于新建的中高档住宅。电话网络是一种技术成熟并且具有普及性的一种通信网络，利用公用电话网对家电进行控制，可以不用重新铺设线路，方便旧宅的改造。

　　利用电话的远程控制主要通过按键传送控制信息，通过语音提示返回相应的信息或进行操作的提示。家居控制器通过对按键信息的解释形成相应的控制信息，并传送给家里的各控制单元，从而实现远程控制。电话按键控制方式实现简单，控制灵活方便。

　　2．智能家居无线远程控制技术

　　一般来说，对家居的无线远程控制，有以下几种方式：

　　(1)GPRS控制

　　GPRs控制技术是通过手机GPRs无线网络实现无线远程控制的控制方式。该方式基于GPRs和Java技术，是目前控制距离最远的一种方式。只要是在有GPRs网络覆盖的环境下，就可以为用户提供基于GPRs手机终端的无线远程控制功能。

　　GPRS是通用分组无线业务(General Packet Radio service)的英文简称，它是现在GSM网络的扩展。随着互联网以及移动接入技术的发展，移动网络接入互联网已经成为一种需求，但是GSM为基于电路交换系统的网络，它阻碍了移动接人互联网的发展，因此必须由基于分组交换系统的GPRS网络来扩展它。GPRS可以简单地被描述为优化接人互联网的服务。目前我国已经基本实现GPRS的网络覆盖，为采用该技术的控制方式提供了传输平台，各种基于GPRs网络的工程应用层出不穷，应用范围也在不断扩展。

　　Java技术是一个开放、标准、通用的网络运算平台，由于其强大的兼容性，已经成为在互联网技术领域被广泛采用的一个成熟的技术平台。通过Java技术，手机能够实现UI界面显示和众多增值功能，能够直接从服务器上使用大量应用程序，这些应用程序可以包括娱乐(如游戏、屏幕保护及养宠物等)、股票、导游地图等。目前很多手机都支持GPRs及Java技术，因此为这项远程控制技术奠定了技术基础。

　　(2)wi—Fi控制

　　Wi—Fi全称Wireless Fidelity，是在无线局域网市场上符合IEEE 802.11协议产品的商业上的名称。它工作在2.4GHz的ISM频段，所支持的速度最高达54Mbit/s，传输速度比蓝牙快得多，并为用户提供了无线的宽带互联网访问，能够在数百英尺范围内支持互联网接入的无线电信号。Wi—Fi主要在搭建有Wi—Fi无线局域网的环境下应用，例如机场、车站、咖啡店、图书馆、写字楼、体育馆等场所，只要在这些人员较密集的地方设置AP(无线接人点)，并通过高速线路将因特网接入上述场所。这样，由于AP所发射出的电波可以达到距接入点半径数十米至100m的地方，用户只要将具有IEEE 802.1lb/g无线局域网技术的笔记本电脑或PDA(掌h电脑)拿到该区域内，即可高速接人因特网。用户控制终端上也预先安装控制程序，然后通过AP接人局域网或因特网，与网络型主控机实现各种远程控制功能。

　　随着智能化家居产品和产、吐的逐渐成熟，智能化家居系统在国内呈现出以下的发展特点：

　　1)市场潜力大，随着房地产业的快速发展，作为其下游产业，智能家居市场前景非常乐观。

　　2)智能家居产业处于引导期，没有一个领先品牌和领军企业，市场处于无序竞争期。这个产业各自为政，没有一个统一标准，各种技术力量重复投入，致使在这个基础上的家庭网络产品五花八门，但多数产品是大同小异，行业内各企业的竞争处于无序状态。

　　3)智能家居行业市场远未成熟，大规模的价格战、广告战和服务战还没有爆发，市场份额较为分散，市场的认知和接受程度较低，市场尚处于一个需要逐步培育和引导的阶段。与产品的服务供应商的争先恐后相比，智能家居产品进入用户终端的步伐略显迟缓。

　　4)面对着巨大智能家居市场的需求，市场区域也存在着不均衡的状态。以华东、华南等经济较发达的地区为主要的市场需求区域，而西南、西北地区的市场份额相对较低，这主要与居民的总体消费水平有关。

　　基于目前科技的发展情况和人们的消费理念，智能家居系统有以下5个发展方向：

　　1．向“一体化系统集成”方向发展

　　家居智能化需满足自动化管理、三表计量、安全防范监控、火灾报警、对讲呼叫、设备监控等6项内容，把6项内容的智能化功能集成，从而降低成本，是其未来发展的一个方向。

　　2．向节能环保方向发展

　　智能化的本质之一是降低成本和提高效率，节能是降低成本的关键技术，环保是全球的要求，智能家居如何结合现有技术降低功耗、减少对家庭和小区的环境污染，提高生活环境的质量，这些也是其未来发展必须考虑的因素。

　　3．向智能化、网络化、人性化方向发展

　　智能化是智能控制发展的必然趋势，它是当代高科技技术和生物学技术的高度综合和升华。因此，家居也必然向智能化方向发展；网络化是信息技术、通信技术和计算机技术发展的必然趋势，是智能化的一个重要条件；人性化体现了“以人为本”的思想，是科学技术发展的目的和最终归宿。因此，也是智能家居未来的一个发展方向。

　　4．向规范化、标准化方向发展

　　我国智能家居发展较晚，新技术、新产品层出不穷，标准和规范还在制定之中。产品的规范化、标准化方面仍存在着许多问题；还需考虑与国际接轨的问题；规范化、标准化是智能家居快速发展、走人国际市场的必由之路。

　　5．向具有“中国特色”的家居智能化方向发展

　　家居智能化系统需要大量的适合中国国情的产品和运行软件，目前开发的软硬件产品的种类较少，水平较低。因此，这一方面的研究开发急需加强。

　　随着家居控制技术的逐渐成熟，智能家居在国外越来越普及。不同国家的国情不同，因此智能家居的风格也不一样。美国智能家居偏重于豪华感，追求舒适和享受，但其能耗很大，不符合现阶段世界范围内低碳、环保的理念。德国的智能家居则继承了德国的一贯思想，注重基本的功能性，追求专项功能的开发与应用。

　　在澳大利亚，智能家居控制系统的特点是让房屋做到百分之百的自动化，而且不会看到任何手动的开关，例如一个用于推门的按钮，在内部装上一个模拟手指来自动激活。安全问题也是考验智能家居的标准之一．澳大利亚智能家居保安系统里的传感器数量更多，即使飞过一只小虫，系统都可以探测出来。日本的智能家居以人为本，注重功能，兼顾未来发展与环境保护，比较讲究充分利用空间和节省能源，大量采用新材料、新技术，充分利用信息、网络、控制与人工智能技术，实现住宅技术现代化。

　　日本的智能化家居除了实现室内的家用电器自动化连网之外，还通过生物认证实现了自动门识别系统，站在安装于入口处的摄像机前，用大约lS的时间，如果确认来人为公寓居民，大门就会打开。此外还考虑到了厕所，在厕所安装有很多使用的智能检测装置，为人们需要时提供必需的准备。韩国智能家居采取实用主义，政府对智能小区和智能家居采取多项政策扶持，规定在首尔等大城市的新建小区必须具有智能家居系统，目前韩国全国80％以上的新建项目采用智能家居系统。比如，韩国电信用4A描述他们的数字化家庭系统(HDS)的特征，即Any Device、Any Service、Any Where、Any Time，以此表示这套系统能让主人在任何时间、任何地点操作家里的任何用具、获得任何服务。

　　智能化的家用电器，配上监视系统，通过通信网络，人们使用手机即可远程监视和遥控，这就是韩国信息技术产业所描绘的未来数字化家庭生活。过去的10年内，韩国政府斥资数十亿美元，使其成为全球有线及无线网络普及率最高的国家。现如今韩国3/4的家庭都通过宽带接入互联网，80％的人在使用手机。为了使韩国数字家庭产业在全球范围内保持领先地位，韩国政府启动了新计划，欲使韩国信息技术业始终走在科技的前沿。

　　国内的智能化住宅和智能化家居虽然起步比较晚，但发展速度很快。1999年，建设部勘察设计司、建设部住宅产业化办公室联合组织实施全国住宅小区智能化技术示范工程，该示范工程的启动，标志着我国智能化家居的建设掀开历史性的一页。2000年左右智能家居的概念才逐步引入中国，随后有部分厂商加入到智能家居的开发和应用行业中来。2003～2009年逐步有中国自主研发生产的智能家居产品小规模应用于市场，但也形成了很多不同的标准。

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