基于物聯(lián)網的智能家居系統(tǒng)構建分析

王飛

摘 要：隨著基于物聯(lián)網的智能家居系統(tǒng)的出現(xiàn)，人們對物聯(lián)網的關注逐漸從概念發(fā)展到了技術應用。文中從物聯(lián)網系統(tǒng)的三層體系結構出發(fā)，對智能家居系統(tǒng)加以分析，不僅理清了物聯(lián)網與智能家居系統(tǒng)的關系，而且明確了智能家居系統(tǒng)的體系結構、技術路線、設計原則等，為構建智能家居系統(tǒng)提供了參考方案。

關鍵詞：物聯(lián)網；智能家居；體系結構；技術路線

中圖分類號：TP399 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2018）02-00-03

0 引 言

物聯(lián)網（Internet of Things，IoT）是以互聯(lián)網為核心，對互聯(lián)網延伸和擴展的網絡，物聯(lián)網中連接的對象不僅僅包含計算機和移動設備，而且已經延伸擴展到了各種物體之間，在相關網絡協(xié)議的控制下，可以實現(xiàn)物體之間的信息交換和通信。物聯(lián)網可以簡單地稱為“物物相連”的網絡，也可以理解為互聯(lián)網技術與其他多種技術的應用集成，其中最為典型的技術有射頻識別技術、傳感器與檢測技術、全球定位技術、激光掃描技術等，并按照相關網絡通信協(xié)議，將任何物體連接到互聯(lián)網，實現(xiàn)物體之間的通信和信息交換，完成物體或場景識別、管理和控制等操作，從而滿足實際應用需求。

為了讓人們更加形象地理解物聯(lián)網，業(yè)界通常以智能家居的生活場景來討論分析。所謂“智能家居系統(tǒng)”就是住宅的智能化，構建高效的家居設施與家庭生活管理系統(tǒng)，以提升家居生活的安全性、便利性、舒適性，實現(xiàn)環(huán)保節(jié)能的全新家居生活體驗。系統(tǒng)構建需要合理分析規(guī)劃，綜合考慮人們的個性需求，利用多種技術，如綜合布線技術、網絡與通信技術、安全防范技術、傳感器與檢測技術、自動控制技術、音頻視頻處理技術等，將與家居生活有關的設施連接并集成，通過網絡實現(xiàn)智能控制和管理。智能家居系統(tǒng)應用通常包括與人們生活息息相關的家居安全防范、生活家電使用、燈光控制、窗簾開閉、煤氣泄露檢測、三表信息的采集、生活娛樂場景的聯(lián)動、家庭成員的健康保健、安防保安等。

1 智能家居簡介

智能家居的應用可以追溯到1984年世界上第一幢智能建筑，隨后一些經濟較為發(fā)達的國家和地區(qū)紛紛提出了各種智能家居方案。在智能家居系統(tǒng)研發(fā)方面，美國一直處于領先地位，典型的家庭智能化系統(tǒng)包括微軟公司推出的“夢幻之家”、IBM公司研發(fā)的“家庭主任”、摩托羅拉公司創(chuàng)建的“居所之門”等。新加坡、日本、澳大利亞、西班牙、韓國等在智能家居系統(tǒng)研發(fā)和應用方面都有實質性的進展。此后，新的智能家居平臺、產品、服務等不斷涌現(xiàn)，主要代表有德國電信聯(lián)合一些公司共同構建的智能家居業(yè)務平臺Qivicon、Verizon公司推出的智能家居系統(tǒng)、AT&T聯(lián)合思科和高通公司推出的全數(shù)字無線家庭網絡監(jiān)視業(yè)務系統(tǒng)、蘋果公司發(fā)布的Homekit平臺、三星推出的Smart Home智能家居平臺以及由Google收購的Nest智能家居平臺等。后來包括霍尼韋爾（Honeywell）、Control4、西門子（Siemens）等一些世界知名電氣公司也涉足智能家居行業(yè)，開展了智能家居產品研發(fā)和相關服務。

隨著人們對智能家居認識的提高、居家生活理念的改變以及智能家居相關技術的發(fā)展成熟，我國一些傳統(tǒng)家電廠商和從事互聯(lián)網的公司開始關注智能家居行業(yè)，并紛紛登陸智能家居領域。經歷了萌芽期、開創(chuàng)期、徘徊期、融合演變期后，各大廠商開始依托自身核心優(yōu)勢密集布局智能家居，推出了相關的智能家居產品。典型代表有中國移動研發(fā)的靈犀語音助手，中國電信的“悅me”，基于阿里云OS的智能電視、天貓魔盒、智能空調、智能熱水器等產品，“海爾U-Home”智慧家居、QQ物聯(lián)、百度智家、小米智能家庭套裝、樂視超級電視、美的智能電器、格力智能家電等。

不難看出，國外廠商主要集中在智能家居系統(tǒng)的研發(fā)和平臺應用方面，而國內廠商更加突出智能家居個性化產品的研發(fā)和豐富。

2 智能家居系統(tǒng)設計的目標及原則

2.1 智能家居系統(tǒng)的設計目標

智能家居系統(tǒng)設計的最終目的是讓家庭生活更加安全、舒適、方便及符合環(huán)保要求。智能家居系統(tǒng)的本質是為人們提供一種居住環(huán)境，必須“以人為本”，以住宅為平臺?？梢娭悄芗揖酉到y(tǒng)是家庭生活智能化的應用與提升，使人們可以享受輕松的生活。

2.2 智能家居系統(tǒng)的設計原則

構建智能家居系統(tǒng)應滿足以下原則：安裝簡單；可擴展性；經濟合理；實用性；便利性；可靠性；標準性；數(shù)據安全性等。

3 智能家居系統(tǒng)的設計

3.1 物聯(lián)網的三層體系結構

從技術架構和功能角度來看，物聯(lián)網層次結構自底向上分為感知層、網絡層和應用層，如圖1所示。

感知層位于物聯(lián)網層次結構的最底層，該層用到的技術包括傳感器與檢測技術、RFID與識別技術、無線傳感器網絡技術、嵌入式及智能芯片技術等，其功能是實現(xiàn)對環(huán)境和物體的智能感知識別、前端信息采集處理以及對應用對象的自動控制。網絡層位于感知層之上，該層的主要技術包括移動通信技術、以太網技術、無線網絡等網絡管理系統(tǒng)和云計算平臺等，其主要功能是完成信息的傳遞、實現(xiàn)路由和控制，達到交互共享和有效處理的目的。應用層位于物聯(lián)網層次結構的最高層，該層在感知層和網絡層的支撐下與行業(yè)需求相結合，實現(xiàn)物聯(lián)網的智能應用與物聯(lián)網發(fā)展的根本目標。

在物聯(lián)網行業(yè)應用領域，智能家居系統(tǒng)被確定為物聯(lián)網的十大應用之一。

3.2 智能家居系統(tǒng)的體系結構

智能家居系統(tǒng)包含的子系統(tǒng)有家庭能源管理系統(tǒng)、家居照明控制系統(tǒng)、家庭安防系統(tǒng)、背景音樂系統(tǒng)、家庭環(huán)境控制系統(tǒng)、家庭娛樂管理系統(tǒng)、家庭網絡系統(tǒng)、家庭信息管理等，如圖2所示。

3.3 智能家居系統(tǒng)相關技術分析

3.3.1 智能家居系統(tǒng)之感知層

物聯(lián)網的感知層將多種傳感器、RFID、二維碼等通過無線傳感器網絡連接起來以感知周圍的各種信息。智能家居系統(tǒng)感知層主要應用各種傳感器節(jié)點，實現(xiàn)對室內外的實時監(jiān)控，包括對家庭環(huán)境的監(jiān)控、安防等。感知層工作原理如圖3所示。endprint

其中，防盜設備、安防探測設備和溫濕度探測設備等是智能家居的感知設備。

（1）光線傳感器

光線傳感器通常采用集成光電開關的方式代替?zhèn)鹘y(tǒng)開關面板，利用無線傳感網控制實現(xiàn)開關、調光等指令，便于用戶遠程操控和集中控制調節(jié)，滿足人們對光的生理匹配。

（2）無線探測器

無線傳感器通過網絡和電子技術組成防盜報警系統(tǒng)，可自動探測監(jiān)控區(qū)域是否存在入侵行為。防盜報警系統(tǒng)主要由探測器、報警控制器和報警裝置三部分構成。其中，探測器是防盜報警系統(tǒng)的核心，是基于物理和化學原理的傳感器，用于分析信息并聯(lián)動觸發(fā)報警器發(fā)出聲音。按照探測器采用的原理和技術，防盜報警設備主要有熱感紅外型、微波物體移動型、紅外微波型、玻璃破碎型、超聲波物體移動型、紅外對射探頭型、激光型、磁控開關型、視頻運動檢測型、聲音探測型等。當發(fā)生異常情況時，會觸發(fā)探測器，收集信號發(fā)生變化，報警控制器進行分析并控制報警裝置發(fā)出聲音或聯(lián)動其他系統(tǒng)，從而報警。

（3）溫濕度傳感器

溫濕度傳感器主要用于探測室內溫度和濕度及其變化。除空調本身的溫濕度探測功能外，還可以利用溫濕度探測器確切獲得室內的實時溫濕度。即使用戶外出也能非常方便地遠程操控家中設備，如提前啟動空調來調節(jié)溫度，回家后便可以享受到宜人的溫度和濕度。

（4）空氣質量傳感器

空氣質量傳感器主要用于探測室內的空氣是否混濁，從而判斷室內空氣是否會影響健康，如果需要改變，可以通過無線傳感器網絡啟動新風系統(tǒng)或其他設備，調節(jié)、優(yōu)化室內空氣質量。

（5）安防探測器

主要利用煙霧探測器來實現(xiàn)智能家居中的家庭安全防護。煙霧探測器的核心部件是煙霧傳感器，用于感知煙霧的濃度，實現(xiàn)報警。當出現(xiàn)異常情況如煤氣泄漏、火災等時，安防探測設備就會感知現(xiàn)場的情況并報警及時通知用戶。

（6）無線門磁、窗磁

該類設備用于防止入侵行為的發(fā)生。通過布防，一旦有人觸動就會通知應用端并發(fā)出報警信息，家人在家時可以撤防，避免無故報警。同時，不僅可以進行現(xiàn)場布防、撤防，還可以利用傳感器網絡網關進行遠程控制，達到保護家庭人身、財產安全的目的。

（7）可視對講系統(tǒng)

主要利用光傳感器節(jié)點采集前端圖像視頻，通過網絡傳輸傳遞至室內機或移動終端，結合實際情況完成相應的對講、門禁開啟等操作。

3.3.2 智能家居系統(tǒng)之網絡層

由于多數(shù)智能家居系統(tǒng)采用綜合布線方式，因此需要借助一定的網絡通信技術來完成信息的傳輸任務。這些技術主要包括電力載波技術、以太網技術、WiFi技術、移動通信技術、藍牙技術、紅外通信技術等。

家庭網關是一種簡單、智能、標準化、靈活的網絡接口單元，是智能家居內部系統(tǒng)與外部系統(tǒng)的鏈接單元，也是智能家居系統(tǒng)的核心部分，負責處理智能家居中的信息，實現(xiàn)信息的接收與轉發(fā)。其工作原理如圖4所示。

3.3.3 智能家居系統(tǒng)之應用層

物聯(lián)網的應用層面向行業(yè)實際應用以滿足用戶需求，主要完成數(shù)據的管理、處理和應用分析等。應用層包含的技術主要有云計算技術、軟件開發(fā)技術、圖像處理與解析技術、信息防護與安全技術等。智能家居系統(tǒng)的家電控制子系統(tǒng)主要基于云計算平臺監(jiān)控和管理家電的工作狀態(tài)：空調可以根據家庭環(huán)境溫度自動調節(jié)，智能窗簾系統(tǒng)可以根據室外天氣變化自動開啟或關閉。各種設備主要通過無線網絡操作控制，使物與物、物與人之間實現(xiàn)更加有效的互動，通過這些設備為家居主人的生活提供更加貼心的服務。因為智能家居系統(tǒng)中運用了互聯(lián)網技術、移動網絡技術等，所以可以通過計算機或移動設備實現(xiàn)全天候、隨時隨地掌握家中各類電器、安防設備的工作運行狀態(tài)，用戶可以根據自己的意愿去控制終端設備。這些終端設備都需要集成終端控制器，用戶通過觸摸屏發(fā)出控制信息，控制信息通過服務器傳輸?shù)娇蛻舳耍褂每煽總鬏攨f(xié)議連接到中央控制器，結合專用或通用協(xié)議獲取被控制的設備信息并轉發(fā)給中央控制器，從而實現(xiàn)開門、視頻監(jiān)控、內部呼叫、安全檢測、照明控制、空調溫度調節(jié)、風扇開啟、窗簾開合、電視、音響等的控制功能。其工作原理如圖5所示。

（1）室內終端

室內終端是一種室內帶觸摸屏的智能家居控制端，可以固定在室內的某個位置，也可以是PDA設備。該設備通過家庭交換機與家庭網關和智能家居服務器相連接，通過智能家居協(xié)調器（家庭網關）與家庭內的各種前端設備如家電、窗簾、傳感器等進行信息交互，達到控制室內設備的目的。

（2）移動終端

移動終端采用智能手機作為控制終端，真正做到可以在任何時候、任何地點控制智能家居設備。隨著智能手機的普及及應用能力的提升，不斷增強用戶體驗。

移動終端可實現(xiàn)多種功能，為用戶帶來更多便利，譬如可視對講功能、家電設備控制功能、安防報警功能、留言留影記錄與查詢功能、視頻監(jiān)控、電子商務等功能。

3.4 智能家居系統(tǒng)的設備

3.4.1 從現(xiàn)有市場選擇

雖然目前市場上可供選擇的智能家居設備品牌、種類非常豐富，但缺少統(tǒng)一的技術規(guī)范，各種品牌的產品設備都有各自的技術和應用特點，導致在實際選擇智能家居產品時很難進行橫向比較。所以進行系統(tǒng)設計時從應用實際需求出發(fā)，多角度綜合分析考察，把握好系統(tǒng)穩(wěn)定性、功能集成度、系統(tǒng)簡潔性、系統(tǒng)適用性、系統(tǒng)擴展性、系統(tǒng)安全性等原則。

3.4.2 DIY制作

專業(yè)技術用戶也可以依照智能家居系統(tǒng)規(guī)劃的結構，細化所包含的模塊，按照以家庭網關為中心，綜合運用軟件開發(fā)、嵌入式系統(tǒng)開發(fā)、無線通信等與物聯(lián)網相關的技術，進行各種智能模塊或設備的設計制作，親手搭建起屬于自己的個性化、定制化的智能家居系統(tǒng)。

4 結 語

物聯(lián)網的應用非常廣泛，涉及各行各業(yè)。其中智能家居系統(tǒng)的應用體驗最為直接，因此得到越來越多相關企業(yè)及用戶的關注。本文基于物聯(lián)網體系結構來設計和分析智能家居，目的是給出較為完善的智能家居系統(tǒng)設計方案，便于人們參照，從而設計搭建自己的智能家居系統(tǒng)。

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