智能家居典型技術(shù)研究

黃帥

摘要：隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，人工智能開始進(jìn)入人們的視線，智能家居作為一種典型應(yīng)用也受到人們的重視。智能家居主要用到的技術(shù)有傳感器技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及無線通訊技術(shù)、人機(jī)交互技術(shù)、遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)等，它是基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用，對(duì)我們的生活狀態(tài)將會(huì)有很大益處。本文研究分析了智能家居典型技術(shù)。

關(guān)鍵詞：智能家居；傳感器技術(shù)；無線通訊技術(shù)

中圖分類號(hào)：TP277 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2017）11-0083-02

1 引言

智能家居是指一種自動(dòng)化的家庭生活方式，它將家居生活中的人和物通過網(wǎng)絡(luò)連接起來，建立一種智能化的信息交換平臺(tái)，從而使人生活地更為舒適化和智能化。智能化的關(guān)鍵是信息交換，為了實(shí)現(xiàn)更為人性化的信息交換，我們需要相關(guān)家居產(chǎn)品如家具家電可以感受信息并作出反應(yīng)，這是基于人工智能技術(shù)的現(xiàn)實(shí)應(yīng)用。智能家居技術(shù)起源于上世紀(jì)八十年代，大量電子設(shè)備的出現(xiàn)刺激了家庭自動(dòng)化的發(fā)展，使得智能家居概念出現(xiàn)在人們心中，近年來隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，人們?cè)絹碓较Ｇ笾悄芗揖幽鼙M早實(shí)現(xiàn)應(yīng)用。目前已經(jīng)出現(xiàn)了一些簡單的智能家居產(chǎn)品，如智能化窗簾，手機(jī)操控?zé)麸椉凹译姷取?/p>

智能家居涵蓋的技術(shù)非常廣泛，主要有感知層技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)層技術(shù)以及人機(jī)交互技術(shù)。依托于人工智能技術(shù)，智能家居的目的是實(shí)現(xiàn)人與家居產(chǎn)品及環(huán)境的完美和諧。首先它需要傳感元件來獲取信息，其次它需要一定的網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，在這個(gè)過程中，需要計(jì)算機(jī)系統(tǒng)為之提供結(jié)構(gòu)輔助，除此之外還需要建立和諧的人機(jī)交互，人機(jī)交互包括對(duì)相關(guān)家居產(chǎn)品的監(jiān)控、控制和維護(hù)。總體上來說，智能家居技術(shù)是一套較為復(fù)雜的系統(tǒng)。

2 智能家居典型技術(shù)

2.1 多傳感融合技術(shù)

傳感技術(shù)是用來模擬人的感官的，是任何智能技術(shù)中都必不可少的，對(duì)于智能家居也是如此。在日常生活中，我們需要把握溫度、濕度、亮度、氣體濃度等一系列物理指標(biāo)，有的是人們可以直接感受的，但有的必須用儀器來確定。而智能家居是建立在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)上的應(yīng)用，它不僅需要人作為感受主體，還需要家居產(chǎn)品具備感知能力，因此我們必須用到多傳感融合技術(shù)來獲取相關(guān)信息[1]。

傳感器一般是利用某些物理原理來檢測(cè)相關(guān)信息的，例如以前的體溫計(jì)是根據(jù)水銀對(duì)溫度的物理反應(yīng)而制成的。對(duì)于智能家居技術(shù)而言，需要利用計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)按時(shí)序獲得的傳感器的觀測(cè)信息在一定的準(zhǔn)則下加以自動(dòng)分析，優(yōu)化綜合，以完成所需的決策和估計(jì)任務(wù)而進(jìn)行的信息處理過程。信息融合的硬件基礎(chǔ)是多傳感器，加工對(duì)象是多源信息，信息融合的核心是協(xié)調(diào)優(yōu)化和綜合處理。但現(xiàn)今的融合技術(shù)還只是簡單的拼湊，它并沒有實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)優(yōu)化和綜合處理。在智能家居的發(fā)展中，我們需要將多傳感器融合技術(shù)集成化，使其在足夠精簡的結(jié)構(gòu)中實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的感知功能，例如利用一件感知設(shè)備對(duì)不同的家居產(chǎn)品進(jìn)行感知，獲取不同部位的相關(guān)信息。在這個(gè)過程中，我們要考慮的有兩點(diǎn)，一是建筑及環(huán)境層面的信息獲取，例如空間的一些信息（溫度、濕度、氣體濃度等），還有諸位位置之類的信息；另一方面是家居產(chǎn)品自身的信息獲取，常見的家電產(chǎn)品如電腦、空調(diào)等可以較為方便的連接到互聯(lián)網(wǎng)上，但是諸如沙發(fā)、桌子之類的傳統(tǒng)家居的相關(guān)信息及網(wǎng)絡(luò)連接就需要更復(fù)雜的感知設(shè)備來進(jìn)行信息獲取，比如要移動(dòng)它們時(shí)，我們應(yīng)該考慮到空間是否允許，地面壓力是否在允許范圍之內(nèi)，在這個(gè)過程中，我們需要高效可靠的多傳感融合技術(shù)來完成其智能化的操作[2]。

2.2 網(wǎng)絡(luò)及通信技術(shù)

智能家居是基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的，因此網(wǎng)絡(luò)和通信是關(guān)鍵技術(shù)，我們要實(shí)現(xiàn)智能化的家居生活，就必須要建立完善的、智能化的信息交換方式，而信息交換通常是利用網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)來實(shí)現(xiàn)的。可以說網(wǎng)絡(luò)是智能家居的核心[3]。

智能家居的網(wǎng)絡(luò)是基于物聯(lián)網(wǎng)的，它涵蓋了安防、家電等家居產(chǎn)品，為它們和人之間的信息交換提供了平臺(tái)，它的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

從上圖1我們可以看出，網(wǎng)絡(luò)是連接用戶和家居產(chǎn)品的媒介。現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)一般有以下幾種實(shí)現(xiàn)方式[4]：

（1）基于PC機(jī)的架構(gòu)系統(tǒng)，也就是以家用電腦為主控制器，通過傳統(tǒng)的總線方式連接各個(gè)設(shè)備，接入以太網(wǎng)，這時(shí)電腦充當(dāng)了一個(gè)處理器的角色，這種方式的優(yōu)勢(shì)在于控制方便，可以利用軟件來實(shí)現(xiàn)相關(guān)控制，但是依賴于PC機(jī)使得它不夠便捷，影響了用戶的體驗(yàn)。（2）基于單片機(jī)架構(gòu)的系統(tǒng)，這種架構(gòu)采用單片機(jī)作為核心處理器，輔助以相應(yīng)的硬件擴(kuò)展和軟件，它的實(shí)用性和替換性都比較高，而且相對(duì)來說價(jià)格便宜，并且它的功能較為單一，如果網(wǎng)絡(luò)控制較為復(fù)雜的話，就需要多片單片機(jī)聯(lián)合控制，這樣會(huì)造成電路設(shè)計(jì)復(fù)雜，影響體驗(yàn)。（3）基于嵌入式的控制系統(tǒng)，它是專門針對(duì)智能家居平臺(tái)開發(fā)的嵌入式處理器，這種處理器可以實(shí)現(xiàn)家居內(nèi)部、外部的網(wǎng)絡(luò)連接，以及家居產(chǎn)品和用戶之間的連接，對(duì)于復(fù)雜功能的實(shí)現(xiàn)也較為方便。另外嵌入式有其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，那就是擴(kuò)展能力強(qiáng)，功耗低，結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定，但是相對(duì)來說它的開發(fā)周期較長，而且市場(chǎng)價(jià)格較高，但是隨著它的不斷成熟，基于嵌入式的智能家居網(wǎng)絡(luò)控制前景是很可觀的。

2.3 語音控制及人機(jī)交互

語音控制是基于人工智能技術(shù)中的語音識(shí)別、自然語言處理和專家系統(tǒng)的一項(xiàng)控制手段，它的基本原理是讓聲音作為一種信息傳遞以實(shí)現(xiàn)對(duì)客體的控制，首先我們需要發(fā)出語音指令，比如說命令它開或關(guān)，其次我們要確保相關(guān)產(chǎn)品可以通過某種方式接受到我們的語音，例如電腦麥克風(fēng)可以接受我們的聲音，其次我們要確保產(chǎn)品可以識(shí)別語音中所表達(dá)的信息，這就需要用到語音識(shí)別技術(shù)和自然語言處理技術(shù)，現(xiàn)階段我們和計(jì)算機(jī)的交流是基于C語言之類的機(jī)器語言，這種交流方式需要相關(guān)代碼作為中間轉(zhuǎn)換，但是在語音控制的要求下，我們需要進(jìn)一步使用自然語言與之交流，比如漢語、英語等。自然語言處理是人工智能技術(shù)的一個(gè)難題，現(xiàn)在還沒有取得實(shí)質(zhì)上的進(jìn)展，目前我們已經(jīng)有較為智能化的智能客服，未來也將會(huì)在智能家居中使用。endprint

人機(jī)交互技術(shù)是智能家居中很重要的一點(diǎn)，它是直接體現(xiàn)智能化的環(huán)節(jié)。人機(jī)交互一般是基于計(jì)算機(jī)的多學(xué)科交互技術(shù)，如我們常見的鍵盤鼠標(biāo)就是人與電腦的直接交互。對(duì)于智能家居而言，人機(jī)交互的目的是確保交互系統(tǒng)的安全性、有用、有效、高效、可及性和可用性。智能化人機(jī)交互主要體現(xiàn)在人對(duì)家居產(chǎn)品的控制上以及智能環(huán)境中的溝通和社交上，這將會(huì)極大地改變我們傳統(tǒng)的家居交互方式，使我們的生活更為智能化。在相關(guān)的研究中，缺少用戶使用的單一焦點(diǎn)、交互設(shè)備的變動(dòng)配置、環(huán)境中遍布傳感器的特性、同時(shí)間多用戶的潛在性及多交互通道的可能性，已經(jīng)被認(rèn)為是影響交互構(gòu)架的因素。因此，現(xiàn)代的智能家居交互系統(tǒng)非常注重用戶的實(shí)際參與度，比如我們剛才提到的語音控制，其次比如相應(yīng)的圖像控制以及手勢(shì)控制等。此外，我們也在發(fā)展智能化記憶模式，使家居產(chǎn)品迎合主人的生活習(xí)慣，從而提高人機(jī)交互的和諧程度[5]。新型人機(jī)交互的信息處理模型圖2所示。

由上圖2我們可以看出，智能設(shè)備是如何感知并輸出信息被人接受和處理，然后轉(zhuǎn)化成反應(yīng)行為，知道設(shè)備進(jìn)行下一步操作的。在這個(gè)過程中，我們需要感知層獲取信息并將其傳遞至網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)上，并且將其與虛擬的世界信息連接起來，隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展，未來的人機(jī)交互技術(shù)將會(huì)更為智慧化，到時(shí)智能設(shè)備就可以自主地感知信息、自主地進(jìn)行事件的反應(yīng)和處理，將人機(jī)交互推向高度智能化的境界。

2.4 遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)

遠(yuǎn)程監(jiān)控是指人采用一定的網(wǎng)絡(luò)手段對(duì)家庭現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行監(jiān)視和控制，它一般需要先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、圖像處理技術(shù)以及自動(dòng)控制技術(shù)融為一體進(jìn)行相關(guān)操作。常用的監(jiān)控平臺(tái)是因特網(wǎng)，客戶端通過因特網(wǎng)對(duì)相關(guān)家居產(chǎn)品下達(dá)指令，指令通過某種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議傳輸至產(chǎn)品本身，從而使其產(chǎn)生一定的反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)我們對(duì)它的控制。這種模式是典型的瀏覽器/服務(wù)器模式，這種模式使用起來較為便捷，只需要用戶以及家具產(chǎn)品可以和網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)進(jìn)行有效連接，就可以遠(yuǎn)程對(duì)相關(guān)產(chǎn)品進(jìn)行監(jiān)控。這種系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)主要由三部分構(gòu)成：通過無線ZigBee模塊組網(wǎng)的家用電器、嵌入式Web服務(wù)器和客戶端電腦。

此外，智能家居監(jiān)控系統(tǒng)一般采用高性能的處理器，鑒于體積要求，一般選用嵌入式處理器，同時(shí)為了實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，必須將硬件處理器高效地接入家居內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)以及互聯(lián)網(wǎng)中，家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)可以采用ZigBee技術(shù)， 利用無線收發(fā)模塊實(shí)現(xiàn)無線通信。另外對(duì)于監(jiān)控硬件而言，它需要一系列的接口以滿足外部通信，比如常見的以太網(wǎng)接口及存儲(chǔ)設(shè)備接口，現(xiàn)在常用的存儲(chǔ)接口是Flash接口，通過它可以實(shí)現(xiàn)程序自動(dòng)讀寫，實(shí)現(xiàn)對(duì)邏輯電路等控制。另外對(duì)于用戶和網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)之間的連接，一般采用無線連接，比如常見的移動(dòng)數(shù)據(jù)通信或WIFE連接。

3 智能家居技術(shù)前景展望

現(xiàn)代社會(huì)是向著人工智能發(fā)展的，智能家居作為與人生活最貼近的智能應(yīng)用將會(huì)成為主流。從技術(shù)上說，從感知層到人機(jī)交互都會(huì)更為智能化，它們會(huì)幫助人與家居產(chǎn)品、環(huán)境建立更為和諧的關(guān)系，其次，人機(jī)交互將作為指標(biāo)體現(xiàn)出這種智能化的和諧。遠(yuǎn)程監(jiān)控將會(huì)更為成熟，借助于移動(dòng)端的便捷，在更為高效的網(wǎng)絡(luò)之中實(shí)現(xiàn)智能控制。另外智能家居將會(huì)和智能穿戴、智能交通等聯(lián)系在一起，共同促進(jìn)人生活的舒適度。

參考文獻(xiàn)

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Abstract：With the development of Internet technology， artificial intelligence began to enter people's eyes， smart home as a typical application has also been paid attention to. Smart home is mainly used in sensor technology， network structure and wireless communication technology， human-computer interaction technology， remote monitoring technology， etc.， it is based on the actual application of Internet of things technology， will be of great benefit to our living conditions. This paper analyzes and analyzes the typical technology of smart home.

Key Words：smart home； sensor technology； wireless communication technologyendprint