蘇南地區智能家居解決方案設計

楊建華，聶章龍

（常州信息職業技術學院 江蘇 常州 213164）

近些年來，蘇南地區的經濟得到飛速發展，生活水平逐步提高，居民對住宅環境提出了更高的要求。智能家居，正因為滿足這一要求而逐漸被人們接受，一些有能力的居民已經開始考慮用科學技術裝飾家庭。基于智能家居基本要素，根據對蘇南地區的人文、地理環境和經濟發展進行充分調研后，提出了一種適合蘇南地區的智能家居解決方案，它的智能化程度總體上體現了智能家居概念中提出的要求，相信該方案的實現一定能提高該地區國民生活質量，為他們尋求一種更加舒適、方便、節能、環保的高度智能化的居住環境。其應用系統具有功能穩固、可個性化配置的特點，可以適用于該地區中、高層次居民對其居室進行現代化裝飾的需求。

1 方案架構

首先對智能家居的基本功能模塊做了系統的描述，然后在比較國內外模塊的優缺點的基礎上，確定方案的模塊選型，結合對江蘇南部地區人文、社會環境的調查，最終提出一套適合蘇南地區中高檔收入家庭的智能家居解決方案。

目前的智能家居行業[1]，首先，處于一個初始發展時期，國際社會暫時還沒有形成一個公認的標準；其次，智能家居的應用場所-家庭住宅或住宅小區，不同的實際環境也對智能家居提出了不同的要求與解決辦法；此外，居民都希望能夠對智能家居進行個性化配置，滿足自身的特殊需求。這樣的形勢，致使開發商在實施智能家居時的方式、范圍及側重點也不盡相同。有些用戶比較注重家電的智能控制，而有些用戶可能更加關心家庭安全防范，還有些用戶則希望建立相對全面的智能家居系統[2]，滿足多方面的需求。方案充分分析現有的智能家居解決方案，結合蘇南地區現狀，從中提取出四個最為基本的功能模塊：家庭對外通信模塊、家庭內部通信模塊、家庭安全防范模塊、家庭設備自動控制模塊，在此基礎上提出一套適合江蘇南部地區中高檔收入家庭的智能家居解決方案，功能模塊如圖1所示。

圖1 智能家居模塊結構Fig.1 Smart home block diagram

2 技術性分析

2.1 家庭對外通信模塊

智能家居的最終目的都是為“滿足人們對安全、舒適、方便、高效和符合綠色環境保護的需求”，其中“方便”要求家庭內部系統能夠通過家庭對外接口，實現家庭外部的遠程控制。家庭對外通信模塊的作用在于此，它在智能家居系統中扮演著非常重要的角色。具體來講，該模塊的功能是提供一個家庭內部與外部的通信鏈路，通信的內容是數據信息或指令信息，常用的通信媒介有電話、GSM短信、Internet等。

下文將分別介紹國外、國內的各種通信方式[3]，并在比較的基礎上，提出方案解決方案中所選擇的方式。

2.1.1 國外常用通信方式

1）Internet

Internet代表了家庭對外通信方式的最新潮流和未來發展方向[4]。遠程終端通過Internet訪問家用計算機，兩者之間信息的傳輸實現各種家庭設備的遠程控制。

基于Internet的家庭對外通信方式，首先要求Internet接入家庭，其次是遠程Internet終端，最后也是最重要的便是家庭網關。家庭計算機與Internet的連接一般都是基于TCP/IP協議的網絡通信，而家庭內部可以根據需求采用其他類型的通信方式。

作為最新潮流和未來發展方向，Internet有其自身的原因：首先，Internet正逐步走入普通百姓家庭，而且普及的速度非常快，歐美國家計算機普及率比較高，網絡用戶數量巨大，亞洲地區普及率不高，但在家上網的用戶數量在2005年也達到了超乎想象的1.45億；其次，Internet作為信息通道，有傳輸速度快、信息量大、準確可靠、交互性好等優點，文本、音頻、視頻信息都可以無障礙的高速通信；第三，信息家電是將來家用電器發展的方向，為了提高其智能化，越來越多的電器都帶有網絡接入功能，與遠程的廠商服務器聯系，實現遠程升級維護，與在線商店連接，實現遠程購物；最后，Internet是一個全球信息系統，不受時間和空間的限制，接入網絡后便可隨時隨地進行遠程操作。

目前，這種平臺還有許多不足，首先，它不能兼顧家庭里已經大量存在的非智能家電，不能兼顧有幾千萬人需要通過電視實現上網的群體；其次，寬帶網運營商、接入商、增值服務商、寬帶設備與寬帶應用軟件生產商，智能小區投資開發商、物業管理商等一系列商家的配合還尚需時日；第三，現階段有不同實際功能需求等因素，導致市場真正啟動還需要相當長的時間。最后，與我國居民住房情況（特別是經濟住房、舊房改造、單體別墅等）不太吻合。

2）電話

電話控制是基于DTMF技術的遠程通信系統。由于電話在全球范圍內獲得最廣泛的應用，并且DTMF信號的收發操作抗干擾能力強，信號傳輸穩定，基于此的通信系統操作簡便，是遠程控制的理想選擇。通常DTMF信號代表的內容是16個不同的數字按鍵或功能按鍵，電話撥號或者通信過程中的任何按鍵，都對應于一個獨立的DTMF信號。這樣的傳輸方式，顯然無法與Internet比擬，它更適合于遠程控制信息的傳送。例如通過遠程普通電話或手機，在系統語音的提示幫助下，輸入正確密碼后對家中的電熱水器、電燈、窗簾、電源等進行控制。

由于電話在世界范圍內都有相當普遍的使用，不論時間、地點，只要撥通家庭電話，就可以實現遠程控制，因此采用電話方式的遠程控制得到普遍的應用。但隨著居民對智能家居系統功能上要求的不斷提高，特別是醫療、教育等方面的需求，出現了電話在數據通信方面的瓶頸，相對于Internet和機頂盒，電話遠程通信無法滿足用戶對大量數據傳輸的需求。

2.1.2 國內常用通信方式

1）Internet

Internet通信方式不僅在國外流行，在國內也深受用戶歡迎；在將來一段時間內，它都代表了智能家居對外通信方式的發展趨勢。這主要有以下4個原因：1）Internet已經走進千家萬戶，而且將得到更大的普及；2）Internet在控制信息和數據信息的傳輸方面，都具備一定的能力和足夠的優勢；3）Internet的使用范圍可擴展到地球的任何角落；4）遠程計算機提供的Internet操作接口具有直觀明了、容易操作的特點。

2）電話

電話比Internet更具有普及性和方便性，這是中國國內行情；國內信息家電的發展落后于歐美發達國家，家庭中信息家電的數量少，無需Internet提供的寬帶數據通信鏈路；現階段家庭內部智能化方面的需求主要是開關量家庭設備，例如電燈、窗簾。因此，智能家居的遠程控制方面，電話通信具有更高的優越性。中國國內智能家居的研究開發，很多都將電話通信作為遠程控制的方式，而且，即使提供基于Internet的通信方式，很多解決方案還是將電話通信納入其中，以提供更加全面、方便、可靠的通信手段。

3）手機短信

GSM短信通信方式，利用GSM全球無線移動通訊網絡，實現短信數據的傳輸，完成遠程系統的控制，例如家庭、商店、辦公場所的控制和私家車的遠程監控等。GSM通訊網絡信號覆蓋面積廣的優點，使其具有低價優質的遠距離、超遠距離無線傳輸的特點，彌補了Internet網絡和固定電話有線控制的缺陷。GSM全球無線移動通訊網絡已在全世界普及，因此GSM短信控制系統可廣泛應用于單一家庭、小區物業、電力、交通、石油、煤炭、鐵道、市政、公安的安防裝置、數據監測以及遠程監控系統。國內吸取GSM短信的優勢，將其作為智能家居的遠程通信方式，作為家庭內外信息連接的橋梁。

GSM系統有幾項重要特點：防盜能力佳、網絡容量大、手機號碼資源豐富、通話清晰、穩定性強不易受干擾、信息靈敏、通話死角少、手機耗電量低。但明顯的缺點是一次通信的容量比較小，與電話通信類似。

2.1.3 本方案選擇的通信方式

本設計選擇電話作為智能家居遠程通信方式，主要基于以下幾點考慮：1）Internet在中國的普及程度有限，即使家庭內部、辦公場所都能方便登陸網絡，但是在回家途中、旅游景點等場所卻難以完成；2）電話在中國的普及率非常高，特別是手機，任何時間、地點都可以建立無障礙連接；3）國內智能家居通信的數據內容相對較少，基于電話的遠程通信方式在帶寬上已經足夠。

2.2 家庭內部通信模塊

家庭內部通信模塊的作用是，在家庭內部建立一個家庭通信網絡，對內連接包括家庭安防、計量、學習、娛樂等在內的所有家電設備與活動，對外與家庭外部通信模塊連接，建立對外通信接口，組建家庭網關。家庭內部通信模塊，與智能建筑的綜合布線有著最大的共同點，目的都是為了建立內部通信網絡，但區別是前者注重開發適合不同家居環境的多種通信方式，而后者則是采用以太網通信方式建立高層建筑、政府機關、公司總部、新聞機構、交通運輸的通信系統；家庭內部通信模塊，與現場總線技術也有著很多聯系。

2.2.1 國內外常用通信方式

1）以太網

國內比較常見的方式是以太網。網絡的普及以及在人們生活中體現出的重要性，逐步呈現在人們眼前，居民更多地去考慮或選擇家庭內部Internet網絡登陸的方便性，因此裝潢時在居室、客廳，甚至廚房、衛生間都布置網絡接點。硬件環境保證了基于家庭以太網的智能家居控制系統能夠得到普遍的應用。智能家居控制系統的主控制器與執行機構通過以太網連接，實現雙方數據信息、指令信息的通信[5]。一般家庭內部的通信主要采用10/100Base-T局域網技術。以太網通信的另外一個優點是網絡節點數的數量。一個網段內最多可以支持256個節點，通過路由器建立的多網段，可以支持更多的網絡節點。

2）無線通信

BlueTooth、ZigBee、普通無線通信模塊構成的家庭內部通信方式，成為居民追求的時尚。BlueTooth和ZigBee屬于無線網絡技術，可以組建相應無線網絡，而普通無線通信模塊更多的只是單一的點對點通信體系。BlueTooth支持IEEE802.15標準，工作頻率2.4 GHz，全雙工的工作方式，支持電路交換及分組交換業務，帶寬可達1 Mb/s，此類參數完全可以滿足智能家居系統的需求；然而10 m的有效距離，作為智能家居通信方式顯然不足。ZigBee支持IEEE802.14.4標準，是一種近距離、低復雜度、低功耗、低數據速率、低成本的雙向無線通信技術。具體參數有：有效距離10到75米，傳輸速率10 kB/s到250 kB/s，一般操作時間延時15 ms，一個ZigBee網絡可支持254個從設備和1個主設備。有效距離與速率是其不可忽略的弊端，目前還不適合智能家居系統中的應用。

無線通信比有線通信更具有優勢，具體體現在：①無線通信無需另外布線，特別適合智能家居系統對舊房的改造；②無線通信的輻射范圍可以涵蓋到家庭中任何一個角落，對家庭設備沒有任何位置方面的要求；③由于沒有物理連線，無線通信具有更高的可靠性。

優勢背后，無線通信也有其自身的弊端，主要體現在：①無線通信傳輸的有效距離和方向受墻壁影響；②無線通信的頻率易受外部信號影響形成串擾，阻斷無線傳輸；③無線相對于有線，成本更加高。

無線是將來發展的趨勢，具備傳輸距離遠、可靠性高，以及節點數目可擴展等特性的無線通信，將在智能家居和其他行業獲得廣泛應用。

2.2.2 本方案選擇的通信方式

本設計選擇以太網作為家庭內部通信的方式。主要基于以下考慮：首先，智能家居面向的對象是中高檔住宅，家庭中Internet網絡布線及接口必定周全、豐富，除了能夠滿足家庭網上沖浪的基本需求外，依然可以用于組建家庭內部通信網絡；其次，以太網的通信方式不受家庭環境的影響，可以覆蓋到家庭內部的任何一個位置；第三，以太網拓撲結構靈活，布置Hub和網線便能解決設備移位、裁減等問題；第四，家電發展的方向是信息化，其顯著特性是網絡接入功能，基于以太網的家庭內部通信方式，具有非常好的適用性；第五，無線網絡與電力線的通信實質上都是計算機網絡，以太網與兩者在兼容性方面有足夠的優勢，為混和使用提供很好的擴展空間；最后，綜合布線技術依托的技術是以太網，目前已經形成全面配套的行業標準，雙絞線、光纖是其主要傳輸介質，由于后者正迅速滲透到智能家居行業中，以太網的內部通信方式，為兩者的連接提供一種可能和一種廉價的接入方式。

2.3 家庭安全防范模塊

安全防范就是保障人們在生產、生活和一切社會活動中人身生命、財產和生產、生活設施不受侵犯，防止侵害行為的總稱[6]。智能家居在滿足人們舒適、方便生活的同時，也要求為家庭提供安全防范方面的保障。它包含的內容有防止入侵、盜竊、破壞、爆炸等，它的原則是“以防為主，打防并舉”，安全防范工作貫徹“人防、技防、物防”相結合的方針政策。因此，智能家居將家庭安全防范模塊定義為其4個基本要素之一。方案將安全防范的內容分為兩部分，分別是家庭內部環境安全、家庭對外非法入侵預防，這兩方面都體現了現代技術在智能家居中的應用。

2.3.1 家庭內部環境安全

家庭內部環境安全的目標是：環境檢測、判斷與遠程交互、報警。檢測的內容包括可燃氣體濃度、有毒氣體濃度、二氧化碳濃度、一氧化碳濃度、甲烷濃度、火警，高檔家居還配有噪音、濕度、溫度等檢測內容。所有對象數據都通過特定傳感器獲取，檢測的結果作為報警的依據，可以通過家庭網關將報警信息發送至用戶、小區物業或者相關部門，也可以通過電話直接報警。

2.3.2 家庭對外非法入侵預防

家庭安全防范模塊除了具備環境檢測功能外，還須具有防盜、防入侵、防破壞等功能。從其作用范圍來講，有庭院墻壁上的紅外探頭檢測報警系統；有住宅門附近的視頻或語音檢測報警系統，以及非法入侵檢測報警系統；有住宅窗戶磁檢測報警系統（有些系統包括門與窗）；有家庭內部緊急求助系統。當然，一些高檔住宅可能會配備更加全面的安防系統，例如指紋、視網膜檢測系統。

2.3.3 本方案選擇的解決方案

方案中，對于傳感器一級的檢測報警系統，都可以由智能家居系統留出的相關接口連接與處理，但對于需要特殊模塊處理的報警系統，暫時沒有給出具體解決方案，例如紅外探頭、視頻檢測系統。

2.4 家庭設備自動控制模塊

智能家居的初衷是解決家庭設備的自動控制問題，將更多的設備通過某種方式連接，達到統一、集中控制，為家庭生活帶來方便。因此，現代智能家居的最基本的功能需求體現在家庭設備的自動控制，家庭設備自動控制模塊也就成為其最基本的模塊。

2.4.1 家庭設備控制方式

不同類型的家庭設備，由于存在不同的操作方式，有些需要純手工控制，例如電燈開關、窗簾、電飯鍋；有些可以通過紅外線控制，例如電視機、空調；而有些則提供網絡接入功能，支持遠程平臺的智能控制，例如智能冰箱。隨著信息技術的發展，將來也許還會出現其他不同的方式，趨勢是更加智能化。目前，家庭設備控制中主要解決傳統家電的控制問題，例如，如何將人們從手工撥電燈開關、拉窗簾中解脫出來，如何實現電視機、空調的統一遙控等。

對于電燈、開關這一類型傳統家庭設備，一般的解決辦法是添加輔助控制器，通過聯入家庭以太網的輔助控制器間接控制家庭設備；對于電視機、空調等設備，通過其自身提供的紅外通信接口，采用帶有以太網接口的通用控制器統一遙控；帶網絡功能的信息家電，接入家庭以太網即可。

上述控制方式，在目前智能家居市場上具有極高的適用性和普遍性，能夠解決絕大多數傳統家庭設備遠程控制問題。

2.4.2 本方案選擇的解決方案

對不同的家庭設備，方案給出了不同的解決方案：1）對于電飯鍋、窗簾一類的開關量家庭設備，通過外接控制器接收指令，執行操作；2）對于電視機、空調一類提供紅外接口的家庭設備，通過統一的紅外控制器控制；3）對于信息家電，首先通過網絡接口接入家庭以太網，如果信息家電支持家電生產廠商的遠程服務，智能家居系統便可以減少對它的操作，如果不支持，則需要借助于信息家電提供的以太網交互命令，通知智能家居系統執行相關操作。考慮中國南方、北方的差異，家庭設備包含的內容會不一樣，例如北方有暖氣，而南方沒有，因此從這一點就可以反映出智能家居整體解決方案具有一個區域適用性。方案強調：解決方案適用于蘇南地區。

2.5 模塊組合-智能家居解決方案

方案提出的智能家居解決方案如表1所示。需要指出的是，方案給出的解決方案在“功能配置”方面還有很大的擴展空間，這里只是以客廳、臥室、廚房、衛生間和陽臺為例做出的說明。

表1 智能家居解決方案Tab.1 Smart home solutions

3 結 論

智能家居解決方案的提出，需要結合多方面的因素，首先是房源信息，房型將直接決定家庭以太網以及安全防范的布局；其次是客戶的功能需求，這將決定家庭四大模塊中各子模塊的取舍及選型；最后是地區特性，南方氣候溫暖，濕度較大，北方干燥嚴寒，環境因素對系統有適應性和功能方面的要求。方案給出的解決方案，是從多樣化的需求中提取出的整體解決方案，實現不同層次用戶的個性化選擇。

設計團隊成員的調查分析顯示，智能家居四個基本模塊涵蓋了當今絕大多數智能家居系統，是各系統不可或缺的組成部分。設計團隊成員認為方案對家居智能化程度的定義處于國內中高層次，與比爾?蓋茨的智能家居顯然沒有可比性，與國內武漢大學智能家居控制系統比，后者將防盜報警、可視對講、信息發布、短消息遙控等功能集成在控制系統中，而方案給出的解決方案更加體現出智能家居全面、完善的應用需求。

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