物聯網技術在智能家居環境中的應用研究

李志明

智能家居是以住宅為平臺，利用綜合布線技術、網絡通信技術、 安全防范技術、自動控制技術、音視頻技術將家居生活有關的設施集成，構建高效的住宅設施與家庭日程事務的管理系統，提升家居安全性、便利性、舒適性、藝術性，并實現環保節能的居住環境。從智能家居的這個定義上看，即是在住宅環境的整體背景之下，通過多種信息化數字化技術，來實現對于家庭環境中諸多物體的有效控制。而當前通信技術和網絡環境構建已經趨于成熟，因此智能家居的實現，在很大程度上，會呈現出對于物聯網技術的依賴特征。因此物聯網與智能家居的融合，成為未來應用的重要方向和必然趨勢。

一、物聯網技術在智能家居環境中的應用分析

想要深入了解智能家居領域中物聯網的應用價值，首先應當對其應用具體環境和著力點有一個比較深刻的了解，才能有的放矢地發現物聯網在這樣的體系之中扮演的角色價值。當前，安防控制系統、環境監測系統、燈光以及家電控制系統、能耗監控系統，和醫療監測系統是物聯網能夠在家居環境中發揮重要價值的幾個突出方面。

從功能實現的角度看，安防控制系統是智能家居體系中最為突出，應用最早也是受到關注最多的領域。該領域的應用主要是將家庭控制設備與報警裝置相連，并且通過對房屋門窗的持續監控，來實現安防功能。而環境檢測系統則更多關注室內環境的保持，利用溫濕度傳感器，以及空氣質量傳感器、光線傳感器等設備來確定出當前住居環境的相關狀態數據，并且形成對于空間狀態的整體判斷，為展開進一步的控制提供依據。環境監測系統不同于安防控制系統，安防系統更多是用以實現告警，觸發告警裝置，但是環境檢測系統需要實現對于環境的調節，因此對于溫濕度、光線等方面的數據獲取，主要用于實現對于空調、地暖、窗簾以及燈光等方面的控制。對于室內環境的諸多控制，其依據的基礎數據從環境監測系統中獲取，但是實現控制動作卻依賴于燈光以及家電控制系統。其中對于燈光的控制，多利用電力線及X-10傳輸協議，實現電話遠程控制、集中控制、無線遙控、計算機控制、手機控制、定時控制、網絡控制等多種控制方式。而對于家電方面的控制，則大多通過個人智能設備來實現。對于這兩個方面的控制，前者的操作更簡單，但是為了提供完善的室內照明環境，燈光的模式設置和記憶功能成為突出重點。而對于后者而言，則多通過個人智能設備實現對于相關家電的更復雜操作。除了對于燈光以及家電的控制以外，其他包括窗簾、窗戶以及供暖等方面的控制也應當包括在這一范圍內。而能耗監控系統，則負責承擔起居民住宅能耗的監督，并且綜合數據來在相關人類指令的幫助之下實現對于能耗的優化。最后，醫療監測系統，是智能家居發展的一個重要方向，迄今為止仍然在積極的嘗試和發展階段。這一方面主要是利用ZigBee 短距離無線通信技術，實現人體生理參數的定時或者連續監測，并且反饋到相應的數據接收端，對于家庭中有病人或者老人，無法獨立生活的情況具有不容忽視的積極意義。

通過上述分析可以發現，物聯網在智能家居中的應用十分廣泛，其價值主要聚集于兩個方面，即數據的獲取以及對具體環境的控制。只有將物實現聯網，物本身的狀態數據才能被測量和記錄，才能反饋在網絡環境中展開傳輸以及進一步的判斷，才能形成展開控制的依據。而同樣只有將物實現聯網，物本身才能接收到網絡環境中，來源于智能家居系統或者人類的相關指令，這些指令才能以數字的形式影響到家居環境中的物這一集合。

二、智能家居環境下的物聯網實現

物聯網在智能家居領域中，遵從數據獲取→數據傳輸→數據處理與決策→數據傳輸→控制的規則，實現周而復始的工作。從智能家居物聯網構建框架的角度看，可以大體分為五層，自下而上分別為感知層、接入層、傳輸層、服務管理層以及應用層。在這樣的框架之下，傳輸層服務管理層以及應用層基本保持了既有網絡環境的特征，即實現數據安全傳輸、有效對網絡資源以及應用軟件展開管理，以及面向人類實現交互，而感知層和接入層，則是物聯網重點發揮作用的兩個層面。

感知層的作用主要用于實現對于環境參數以及電氣設備工作狀態數據的獲取，同時接收對應的數據命令，實現對于相關物的控制。在智能家居環境中，理想狀態之下，基本所有的物品都可以處于控制和感知的范疇中，甚至于人類本身也可以被感知。比較典型的設備包括各類環境感知設備、智能開關以及插座、各類紅外遙控裝置、智能水電表等計量設備，以及煤氣探測、煙感探測等。這些設備均具有Zigbee無線接口與位于接入層的物聯網網關通信，除此以外，某些智能設備本身會將通信接口集成在設備內部，直接與互聯網框架之下的家庭路由設備實現數據傳輸。而接入層，其主要包括物聯網網關，負責將感知控制層的眾多終端接入互聯網。物聯網網關面向感知層，通過諸如Zigbee、Bluetooth以及射頻識別（RFID，Radio Frequency Identification）等相關接口保持數據傳輸，而面向傳輸層，則通過有以太網、Wi-Fi 或GPRS 等各種通信接口接入小區局域網，從而與遠程服務器通信。最為承上啟下的重要環節，物聯網網關可謂物聯網在智能家居領域中的靈魂所在。因此想要實現對智能家居應用領域之下物聯網技術的分析，物聯網網關成為首當其沖的核心所在。

首先對物聯網網關的主要職能進行確定，參見表1。

在物聯網網觀的實際選用方面，產品可以依據實際的需要進行選擇，但是對于處理器芯片，多采用Atmel 公司的AT91SAM7X256，并且為了能夠實現與ZigBee的數據傳輸，還需要外置一個AT86RF230配合工作。除此以外，因為物聯網網關本身需要執行多項任務，尤其是與多個不同的端口保持數據傳輸，因此多采用嵌入式操作系統μC/OS-II 作為其軟件平臺。表1中的優先級依據任務自身的重要程度，以及是否具有硬實時性來進行分配。例如某些數據必須立即傳輸出去才具有價值，一旦無法實現實時傳輸，就會被覆蓋或者降低其價值，諸如醫療監控系統等；又例如在通信任務重，以太網的傳輸速率最高，數據包長度也最長，因此其優先級別也較高。

三、結論

物聯網技術在智能家居環境中發揮著不容忽視的重要作用，上文中僅對其應用領域、工作框架展開了必要的分析，在職能方面僅僅討論了物聯網網關的配置和職能內容。實際工作中，物聯網建設的每一個細節都需要引起重視，除了物聯網網關以外，Web服務器以及相關的安全手段同樣不容忽視。當前物聯網的應用，在智能家居環境中還尚不成熟，很多電氣設備并未實現有效控制，尤其是醫療監控，也未能全面實現。未來的研究和技術應用，必然會圍繞這些細節展開，不斷推動物聯網應用的同時，完善智能家居體系構建，為人類打造更為理想的生活環境。