邢雪峰，谷宇靜 ，馬靖煊，朱玉榮

（1.地球信息探測(cè)儀器教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室吉林長(zhǎng)春130026；2.吉林大學(xué)儀器科學(xué)與電氣工程學(xué)院，吉林長(zhǎng)春130026）

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代家庭已經(jīng)不再簡(jiǎn)單地追求家居的美觀大方，而是崇尚更加舒適更加便利的生活環(huán)境，于是智能家居應(yīng)運(yùn)而生。智能家居是以住宅為平臺(tái)，綜合利用自動(dòng)控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)等技術(shù)創(chuàng)造一個(gè)高效、安全、便利、環(huán)保的居住環(huán)境。智能家居實(shí)現(xiàn)服務(wù)的4個(gè)步驟主要有：信息感知、人的行為識(shí)別與理解、服務(wù)決策和服務(wù)執(zhí)行[1]。所有步驟的實(shí)現(xiàn)都基于系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)，目前系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用的技術(shù)有無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、自動(dòng)化控制技術(shù)、傳感器技術(shù)、嵌入式技術(shù)和Android應(yīng)用技術(shù)等[2]。

與傳統(tǒng)家居相比，智能家居要求不僅具有傳統(tǒng)的居住功能，還要求其具備設(shè)備自動(dòng)化、遠(yuǎn)程控制、節(jié)約能源的特點(diǎn)；既能滿足日常的居住需求，也要對(duì)居住空間的功能作進(jìn)一步的擴(kuò)展。例如智能窗簾可以根據(jù)光照強(qiáng)度的不同和時(shí)間的早晚自動(dòng)控制窗簾的關(guān)閉和打開(kāi)；智能燈光控制系統(tǒng)通過(guò)一個(gè)集中控制器或者遙控器調(diào)整光的強(qiáng)弱，控制不同房間燈的亮滅及實(shí)現(xiàn)定時(shí)控制等功能；智能插座還可以通過(guò)Wi-Fi遠(yuǎn)程遙控其并使其供電斷電進(jìn)行切換與定時(shí)供電。智能家居系統(tǒng)通過(guò)技術(shù)的綜合應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了信息的采集、輸入、輸出、集中控制、遠(yuǎn)程控制、聯(lián)動(dòng)控制等功能[3]；同時(shí)對(duì)醫(yī)學(xué)技術(shù)的適當(dāng)應(yīng)用還可以對(duì)家中病人突發(fā)緊急情況時(shí)的特殊事件作出一定的處理，如在臥室床頭設(shè)置一個(gè)求助按鈕，當(dāng)有緊急情況發(fā)生時(shí)，病人可及時(shí)向家人或救助中心求助；另外也可將可穿戴式智能設(shè)備運(yùn)用到智能家居系統(tǒng)中，如美國(guó)最新研究出的可幫助跌倒老人脫險(xiǎn)的可穿戴式設(shè)備，它可以檢測(cè)老人是否跌倒，并向緊急救助中心發(fā)送救助短信，發(fā)送老人的實(shí)時(shí)位置，同時(shí)還具有手動(dòng)的呼叫按鈕，及時(shí)地幫助跌倒老人脫離險(xiǎn)境。

1 系統(tǒng)總體框架

智能家居系統(tǒng)以中央控制系統(tǒng)為核心，用有線和無(wú)線通信技術(shù)連接整個(gè)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，大致可分為控制系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、執(zhí)行系統(tǒng)3個(gè)方面，框圖如下圖所示。通信系統(tǒng)負(fù)責(zé)在家庭網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行信息的傳輸，執(zhí)行系統(tǒng)對(duì)控制系統(tǒng)發(fā)出的指令進(jìn)行操作執(zhí)行，系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào)運(yùn)行保證了功能的實(shí)現(xiàn)。

圖1 智能家居系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

在傳統(tǒng)家居的基礎(chǔ)上進(jìn)行技術(shù)革新，逐步實(shí)現(xiàn)了家居的自動(dòng)化和智能化，如智能冰箱和智能空調(diào)等，都可根據(jù)用戶需求調(diào)整其相關(guān)設(shè)置，為智能家居的發(fā)展打下了基礎(chǔ)。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，HomeRF、無(wú)線藍(lán)牙、Wi-Fi等技術(shù)概念相繼被提出，智能家居系統(tǒng)將利用這些技術(shù)與家庭信息管理平臺(tái)有機(jī)結(jié)合起來(lái)[4]，從而促進(jìn)智能家居產(chǎn)業(yè)的升級(jí)。

1.1 網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)方案

智能家居網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)一般通過(guò)有線傳輸方式和無(wú)線傳輸方式來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)信息交換：無(wú)線傳輸方式一般以無(wú)線傳感器為樞紐，檢測(cè)室內(nèi)外環(huán)境，并使用云計(jì)算技術(shù)，使用戶可以采用PC端或手持終端對(duì)家居系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整和操作。

有線傳輸方式一般以電力載波方式為主體，對(duì)其他外圍設(shè)備進(jìn)行協(xié)議控制，實(shí)現(xiàn)智能設(shè)備之間的通信與控制，因此電力線布局是否合理也從一定程度上影響著家居間通信的效率。目前可接觸的運(yùn)用到智能家居的無(wú)線傳輸方式一般有藍(lán)牙、Wi-Fi、ZigBee等。其中ZigBee是一種高可靠的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，建立于IEEE802.15.4協(xié)議之上，傳輸速度較藍(lán)牙速度慢，但成本與藍(lán)牙相比較??；ZigBee技術(shù)的應(yīng)用使家居網(wǎng)絡(luò)具有自組織性、自適應(yīng)性，提高網(wǎng)絡(luò)安全性等特性[5]。

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)大量傳感器節(jié)點(diǎn)相互通信形成的多跳自組織網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，是物聯(lián)網(wǎng)底層網(wǎng)絡(luò)的重要技術(shù)形式[6]。利用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)對(duì)室內(nèi)外的溫度、濕度、光照強(qiáng)度等數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，然后將獲取到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，反饋到用戶處供用戶選擇，從而對(duì)家居系統(tǒng)做出調(diào)整。

云計(jì)算是一種基于互聯(lián)網(wǎng)的新型計(jì)算模式，它以資源租用、應(yīng)用托管、服務(wù)外包為核心，通過(guò)共享資源池，使用戶根據(jù)其自身需要利用網(wǎng)絡(luò)獲取相應(yīng)的資源，并支付一定的費(fèi)用[7]。云計(jì)算具有強(qiáng)大的運(yùn)算能力，自從云計(jì)算的概念提出以來(lái)，其作為一項(xiàng)新技術(shù)得到了快速的發(fā)展。將云計(jì)算引入智能家居系統(tǒng)中，并在互聯(lián)網(wǎng)的支持下，利用特有算法得出適合于用戶的方案，可供用戶在使用終端獲取家居系統(tǒng)的應(yīng)用服務(wù)；同時(shí)結(jié)合RFID定位算法對(duì)用戶位置的實(shí)時(shí)定位，用戶可通過(guò)手持終端就可以實(shí)現(xiàn)照明、空調(diào)溫度等的自動(dòng)控制。用戶也可通過(guò)云服務(wù)獲取其它住宅或小區(qū)的有關(guān)信息，從而實(shí)現(xiàn)真正意義上的智能住宅。在小米的智能家居產(chǎn)品矩陣中，利用云服務(wù)，用戶可在手機(jī)終端快速安裝相關(guān)的服務(wù)程序，通過(guò)手機(jī)遠(yuǎn)程遙控家中設(shè)備。

1.2 模塊設(shè)計(jì)方案

智能家居系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可分為若干個(gè)模塊進(jìn)行操作，即采用模塊化設(shè)計(jì)方案。模塊化設(shè)計(jì)是將模塊化引入設(shè)計(jì)，將系統(tǒng)按照一定規(guī)則劃分為若干個(gè)模塊，然后對(duì)每個(gè)模塊分別進(jìn)行設(shè)計(jì)、綜合，然后將所有模塊實(shí)現(xiàn)的結(jié)果有機(jī)地結(jié)合在一起，從而完成整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[8]。

智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)具體可分為控制模塊（如中央處理器），數(shù)據(jù)采集模塊（室內(nèi)溫度、濕度，空氣質(zhì)量等），安防模塊，以及功能模塊（照明，制冷，清潔等）。單獨(dú)的模塊具備一定的獨(dú)立功能，而將不同的模塊進(jìn)行組合的時(shí)候又會(huì)產(chǎn)生不同的功能疊加，如燈光照明和門控設(shè)備，在沒(méi)有接入系統(tǒng)時(shí)單獨(dú)使用，而接入系統(tǒng)后可以相互傳遞數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)聯(lián)動(dòng)，如當(dāng)用戶準(zhǔn)備進(jìn)入房間時(shí)可自動(dòng)打開(kāi)房門，并開(kāi)啟照明設(shè)備。同時(shí)，用戶可以根據(jù)需要自行更換模塊，如更換處理速度更快的控制模塊，或者是低功耗的控制模塊，更換單個(gè)精度更高的數(shù)據(jù)采集模塊，或者是功能多的數(shù)據(jù)采集模塊，以及搭載多個(gè)功能不同的功能模塊，這樣使用戶可以根據(jù)自身需求隨時(shí)隨地選取適合自己家庭的系統(tǒng)模塊。

2 控制模塊設(shè)計(jì)

智能家居控制器是智能家居控制系統(tǒng)的核心，承擔(dān)系統(tǒng)調(diào)整等多種任務(wù)。由于嵌入式系統(tǒng)具有較好的可擴(kuò)展能力與功耗低的特點(diǎn)，可以用嵌入式微處理器來(lái)構(gòu)建控制平臺(tái)。目前，市場(chǎng)上實(shí)時(shí)嵌入式操作系統(tǒng)種類繁多，常見(jiàn)有以下幾種：Vxworks、Windows CE、p SOS、Palm OS、Linux、μ C/OS-II、μ CLinux等。但上述RTOS大都屬于商用操作系統(tǒng)，費(fèi)用昂貴且應(yīng)用領(lǐng)域針對(duì)性強(qiáng)。相對(duì)來(lái)說(shuō)，μ C/OS-II可完全免費(fèi)使用，并可提供全部源代碼，且操作系統(tǒng)簡(jiǎn)單、高效、易用[9]。因此μ C/OS-II在智能家居中會(huì)具有更廣泛的應(yīng)用空間。此外，控制終端大多采用PC終端或手機(jī)終端，相對(duì)于PC終端，手機(jī)終端在便攜性與體積方面具有更大的優(yōu)勢(shì)。隨著Android智能手機(jī)的興起，讓Android系統(tǒng)進(jìn)入智能家居的控制系統(tǒng)將是未來(lái)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，利用Android系統(tǒng)提供的資源搭建控制終端app，同時(shí)結(jié)合Wi-Fi技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)家具設(shè)備的遠(yuǎn)程控制[10]，用戶便可隨時(shí)對(duì)家居設(shè)備進(jìn)行調(diào)整控制。另外，隨著智能手環(huán)與智能手表等可穿戴智能設(shè)備行業(yè)的興起，將可穿戴智能設(shè)備引入智能家居系統(tǒng)中，作為手持終端的一部分，勢(shì)必會(huì)為住戶帶來(lái)一場(chǎng)全新的用戶體驗(yàn)。

2.1 數(shù)據(jù)采集模塊

在智能家居系統(tǒng)中，每一部分若想實(shí)現(xiàn)用戶定制，都離不開(kāi)數(shù)據(jù)采集。這時(shí)需要傳感器及時(shí)對(duì)室內(nèi)環(huán)境進(jìn)行檢測(cè)，采集數(shù)據(jù)量。若房間內(nèi)合理布置光線傳感器，將光照強(qiáng)度這一模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量傳到中央控制系統(tǒng)，在走廊及臥室門口布置紅外傳感器來(lái)感知住戶的夜間活動(dòng)，從而可以根據(jù)用戶行為調(diào)整照明設(shè)施與窗簾的閉合；空調(diào)內(nèi)的溫度傳感器采集溫度信息，當(dāng)室內(nèi)溫度高于或低于閾值時(shí)，控制系統(tǒng)控制空調(diào)做出相應(yīng)調(diào)整適當(dāng)降低或升高溫度；在室內(nèi)安裝空氣質(zhì)量傳感模塊，即甲醛傳感器、煤氣傳感器、粉塵傳感器等，這些傳感器檢測(cè)室內(nèi)空氣質(zhì)量情況，再結(jié)合Zigbee技術(shù)，將信息量反饋到中央控制系統(tǒng)，通知住戶根據(jù)需要對(duì)房間情況進(jìn)行調(diào)整。

2.2 安防模塊

隨著人們安全意識(shí)的不斷提高，社會(huì)治安問(wèn)題的顯著，家庭環(huán)境的安全問(wèn)題逐漸被住戶所重視起來(lái)。因此安防系統(tǒng)成為智能家居系統(tǒng)中不可或缺的重要部分。智能家居安防系統(tǒng)大多以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為依托，結(jié)合高可靠性、低成本的Zigbee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、全球定位系統(tǒng)（GPS）以及位置服務(wù)（LBS）等新技術(shù)，實(shí)現(xiàn)其功能。一般安防系統(tǒng)的基本功能有：智能門禁、煤氣泄漏檢測(cè)、室內(nèi)人員定位、視頻監(jiān)控、手機(jī)客戶端控制等。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)異常情況時(shí)，即傳感器將檢測(cè)到的數(shù)據(jù)傳送到系統(tǒng)中，當(dāng)超過(guò)預(yù)設(shè)定的安全值時(shí)，可通過(guò)GSM模塊將報(bào)警信息發(fā)送給用戶，從而用戶通過(guò)手持終端獲取家中信息，并采取一定的安全措施[11]，從而避免不必要的財(cái)產(chǎn)損失。

2.3 功能模塊

在智能家居系統(tǒng)中，功能設(shè)計(jì)大致有照明、制冷、清潔、家電控制四大方面。在照明控制系統(tǒng)的模塊中，若采用白熾燈泡，可通過(guò)燈光控制器，對(duì)室內(nèi)照明進(jìn)行調(diào)節(jié)；通過(guò)遵循通用的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，結(jié)合嵌入式系統(tǒng)，對(duì)燈光控制進(jìn)行預(yù)設(shè)，實(shí)現(xiàn)人性化的燈光調(diào)節(jié)[12]；但隨著對(duì)照明要求日益增加，LED綠色光源逐漸進(jìn)入大眾視野，若采用多色LED燈珠，可根據(jù)通信協(xié)議調(diào)整LED燈的顏色、亮度、飽和度，對(duì)燈進(jìn)行分組控制等[13]。家居系統(tǒng)在進(jìn)行制冷時(shí)，溫度傳感器對(duì)室內(nèi)溫度進(jìn)行采集，轉(zhuǎn)換信息量，住戶可通過(guò)Internet或手持終端遠(yuǎn)程查看或設(shè)定室內(nèi)溫度。在家庭清潔中，目前可運(yùn)用到智能家居系統(tǒng)中的有地面清潔產(chǎn)品（掃地機(jī)器人）、空氣清潔產(chǎn)品（空氣凈化器）、日用清潔產(chǎn)品（洗碗機(jī)、洗衣機(jī)、消毒柜等）、收納清潔產(chǎn)品（垃圾桶）[14]；目前，海爾最新技術(shù)的洗衣機(jī)可以連入Internet，對(duì)洗衣程序進(jìn)行更新下載，使洗衣更加智能化；另外，還可以讓洗衣機(jī)在夜間谷電價(jià)時(shí)使用，在夜晚安靜的環(huán)境中采用靜音模式洗滌[15]。智能家居系統(tǒng)在進(jìn)行家電控制時(shí)，應(yīng)用多種無(wú)線及有線通信方式，切換控制方式（就地控制、場(chǎng)景控制、遙控控制、終端控制等），實(shí)時(shí)對(duì)電器電路進(jìn)行開(kāi)啟或關(guān)閉，達(dá)到用戶需求，以避免不必要的能源浪費(fèi)或事故的發(fā)生。

3 結(jié)束語(yǔ)

智能家居是在互聯(lián)網(wǎng)的時(shí)代背景下物聯(lián)化的體現(xiàn)。智能家居系統(tǒng)利用多種技術(shù)將家居設(shè)備與家庭環(huán)境聯(lián)系在一起，使用戶獲得前所未有的舒適家居體驗(yàn)，因而傳統(tǒng)家居所看重的材質(zhì)、工藝與外觀這些因素在消費(fèi)者眼中的比重正在逐漸下滑，取而代之的是統(tǒng)一、簡(jiǎn)潔、耐用與智能這些特色將成為家居的新賣點(diǎn)。家庭局域網(wǎng)與家庭自動(dòng)化技術(shù)的結(jié)合帶來(lái)一場(chǎng)全新的技術(shù)革命，是未來(lái)住宅的發(fā)展方向。結(jié)合Zigbee技術(shù)，同時(shí)使用手機(jī)和可穿戴設(shè)備作為智能終端的智能家居設(shè)計(jì)方案，必將成為未來(lái)智能家居設(shè)計(jì)領(lǐng)域的重要發(fā)展方向。

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