智能家居——讓生活變得更美好

四川通信建設(shè)工程有限公司 王 韌

智能家居（Smart Home）是以家為平臺(tái)，兼?zhèn)浣ㄖ?、自?dòng)化，智能化于一體的高效、舒適、安全、便利的家居環(huán)境。它的目標(biāo)是通過(guò)網(wǎng)絡(luò)等信息通信技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)對(duì)家居電器等的智能控制，使其能夠按照人們的設(shè)定工作運(yùn)行，而不論距離的遠(yuǎn)近。智能化與遠(yuǎn)程控制是智能家居的兩大特點(diǎn)。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，特別是無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)化智能家居系統(tǒng)可提供遙控、家電（空調(diào)，熱水器等）控制、照明控制、室內(nèi)外遙控、窗簾自控、防盜報(bào)警、電話遠(yuǎn)程控制、可編程定時(shí)控制及計(jì)算機(jī)控制等多種功能和手段，使生活更加舒適、便利和安全。

1.物聯(lián)網(wǎng)

物聯(lián)網(wǎng)是在計(jì)算機(jī)互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)上，利用RFID、無(wú)線數(shù)據(jù)通信等技術(shù)，構(gòu)造一個(gè)覆蓋世界上萬(wàn)事萬(wàn)物的“Internet of Things”。在這個(gè)網(wǎng)絡(luò)中，物品(商品)能夠彼此進(jìn)行“交流”，而無(wú)需人的干預(yù)。其實(shí)質(zhì)是利用射頻自動(dòng)識(shí)別(RFID)技術(shù)，通過(guò)計(jì)算機(jī)互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)物品(商品)的自動(dòng)識(shí)別和信息的互聯(lián)與共享。在物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，環(huán)境以及狀態(tài)信息實(shí)時(shí)的實(shí)時(shí)共享以及智能化的收集、傳遞、處理、執(zhí)行。

智能家居是物聯(lián)網(wǎng)最生活化的應(yīng)用之一：由各種傳感器構(gòu)成，包括溫濕度傳感器、二維碼標(biāo)簽、RFID標(biāo)簽和讀寫(xiě)器、攝像頭、GPS等感知終端是識(shí)別物體、采集信息的來(lái)源。物聯(lián)網(wǎng)不僅僅提供了傳感器的連接，其本身也具有智能處理的能力，能夠?qū)ξ矬w實(shí)施智能控制。物聯(lián)網(wǎng)將傳感器和智能處理相結(jié)合，利用云計(jì)算、模式識(shí)別等各種智能技術(shù)，擴(kuò)充其應(yīng)用領(lǐng)域。從傳感器獲得的海量信息中分析、加工和處理出有意義的數(shù)據(jù)，以適應(yīng)不同用戶(hù)的不同需求，發(fā)現(xiàn)新的應(yīng)用領(lǐng)域和應(yīng)用模式。智能家居使得物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用更加生活化，智能家居控制系統(tǒng)具有網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程控制、搖控器控制、觸摸開(kāi)關(guān)控制、自動(dòng)報(bào)警和自動(dòng)定時(shí)等功能，普通電工即可安裝，變更擴(kuò)展和維護(hù)非常容易，開(kāi)關(guān)面板顏色多樣，圖案?jìng)€(gè)性，給每一個(gè)家庭帶來(lái)不一樣的生活體驗(yàn)。

在通信業(yè)界，物聯(lián)網(wǎng)通常被公認(rèn)為有3個(gè)層次從下到上依次是感知層、傳送層和應(yīng)用層。感知層用來(lái)識(shí)別物體，采集信息；傳送層將信息傳遞到應(yīng)用層進(jìn)行處理；應(yīng)用層完成各種不同的應(yīng)用。物聯(lián)網(wǎng)涉及的關(guān)鍵技術(shù)非常多，從傳感器技術(shù)到通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，從嵌入式微處理節(jié)點(diǎn)到計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)，包含了自動(dòng)控制、通信、計(jì)算機(jī)等不同領(lǐng)域，是跨學(xué)科的綜合應(yīng)用。

(1)感知層

物聯(lián)網(wǎng)的感知層主要完成信息的采集、轉(zhuǎn)換和收集。感知層包含兩個(gè)部分：傳感器(或控制器)、短距離傳輸網(wǎng)絡(luò)。傳感器(或控制器)用來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集及實(shí)現(xiàn)控制，短距離傳輸網(wǎng)絡(luò)將傳感器收集的數(shù)據(jù)發(fā)送到網(wǎng)關(guān)或?qū)?yīng)用平臺(tái)控制指令發(fā)送到控制器。感知層的關(guān)鍵技術(shù)主要為傳感器技術(shù)和短距離傳輸網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，例如射頻標(biāo)識(shí)(RFID)標(biāo)簽與用來(lái)識(shí)別RFID信息的掃描儀、視頻采集的攝像頭和各種傳感器中的傳感與控制技術(shù)、短距離無(wú)線通信技術(shù)(包括由短距離傳輸技術(shù)組成的無(wú)線傳感網(wǎng)技術(shù))。在實(shí)現(xiàn)這些技術(shù)的過(guò)程中，又涉及到芯片研發(fā)、通信協(xié)議研究、RFID材料研究、智能節(jié)點(diǎn)供電等細(xì)分領(lǐng)域。

(2)傳送層

物聯(lián)網(wǎng)的傳送層主要完成信息傳遞和處理，傳送層包括兩個(gè)部分：接入單元、接入網(wǎng)絡(luò)。接入單元是連接感知層的網(wǎng)橋，它匯聚從感知層獲得的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)發(fā)送到接入網(wǎng)絡(luò)。接入網(wǎng)絡(luò)即現(xiàn)有的通信網(wǎng)絡(luò)，包括移動(dòng)通信網(wǎng)、有線電話網(wǎng)、有線寬帶網(wǎng)等。通過(guò)接入網(wǎng)絡(luò)，人們將數(shù)據(jù)最終傳入互聯(lián)網(wǎng)。傳送層是基于現(xiàn)有通信網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)建立起來(lái)的層。傳送層的關(guān)鍵技術(shù)既包含了現(xiàn)有的通信技術(shù)，如移動(dòng)通信技術(shù)、有線寬帶技術(shù)、公共交換電話網(wǎng)(PSTN)技術(shù)、Wi-Fi通信技術(shù)等，也包含了終端技術(shù)，如實(shí)現(xiàn)傳感網(wǎng)與通信網(wǎng)結(jié)合的網(wǎng)橋設(shè)備、為各種行業(yè)終端提供通信能力的通信模塊等。

(3)應(yīng)用層

物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用層主要完成數(shù)據(jù)的管理和數(shù)據(jù)的處理，并將這些數(shù)據(jù)與各行業(yè)應(yīng)用的結(jié)合。應(yīng)用層包括兩部分：物聯(lián)網(wǎng)中間件、物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。物聯(lián)網(wǎng)中間件是一種獨(dú)立的系統(tǒng)軟件或服務(wù)程序。中間件將許多可以公用的能力進(jìn)行統(tǒng)一封裝，提供給豐富多樣的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。統(tǒng)一封裝的能力包括通信的管理能力、設(shè)備的控制能力、定位能力等。物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用是用戶(hù)直接使用的各種應(yīng)用，種類(lèi)非常多。物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用包括家庭物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，如家電智能控制、家庭安防等，也包括很多企業(yè)和行業(yè)應(yīng)用，如石油監(jiān)控應(yīng)用、電力抄表、車(chē)載應(yīng)用、遠(yuǎn)程醫(yī)療等。應(yīng)用層主要基于軟件技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)。應(yīng)用層的關(guān)鍵技術(shù)主要是基于軟件的各種數(shù)據(jù)處理技術(shù)，此外云計(jì)算技術(shù)作為海量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、分析平臺(tái)，也將是物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用層的重要組成部分。應(yīng)用是物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的目的。各種行業(yè)和家庭應(yīng)用的開(kāi)發(fā)是物聯(lián)網(wǎng)普及的源動(dòng)力，將給整個(gè)物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)鏈帶來(lái)巨大利潤(rùn)。

2.傳感網(wǎng)

傳感器網(wǎng)絡(luò)是由大量部署在一定區(qū)域內(nèi)的、具有無(wú)線通信與計(jì)算能力的微小傳感器節(jié)點(diǎn)通過(guò)自組織方式構(gòu)成的能根據(jù)環(huán)境自主完成指定任務(wù)的分布式智能化網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)間距離很短，一般采用多跳(multi-hop)的無(wú)線通信方式通信。傳感器網(wǎng)絡(luò)可以在獨(dú)立的環(huán)境下運(yùn)行，也可以通過(guò)網(wǎng)關(guān)連接到互聯(lián)網(wǎng)，使用戶(hù)遠(yuǎn)程訪問(wèn)。隨著微機(jī)電系統(tǒng)(Micro-Electro-Mechanism System，簡(jiǎn)稱(chēng)MEMS)、片上系統(tǒng)（SOC，System on Chip）、無(wú)線通信和低功耗嵌入式技術(shù)的飛速發(fā)展，孕育出無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Networks，WSN)，并以其低功耗、低成本、分布式和自組織的特點(diǎn)帶來(lái)了信息感知的一場(chǎng)變革。

ZigBee技術(shù)譯為紫蜂技術(shù)，是一個(gè)有關(guān)組網(wǎng)、安全和應(yīng)用軟件方面的新型傳感器網(wǎng)絡(luò)，被稱(chēng)作IEEE802.15.4(ZigBee)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)在標(biāo)準(zhǔn)化方面，IEEE802.15.4工作組主要負(fù)責(zé)制定物理層和MAC層的協(xié)議，其余協(xié)議主要參照和采用現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)，高層應(yīng)用、測(cè)試和市場(chǎng)推廣等方面的工作將由ZigBee聯(lián)盟負(fù)責(zé)。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、低功耗、低速率、低成本和可靠性高的雙向無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，主要適合于自動(dòng)控制領(lǐng)域，可以嵌入各種設(shè)備中，同時(shí)支持地理定位功能。完整的ZigBee協(xié)議套件由高層應(yīng)用層、應(yīng)用會(huì)聚層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層組成。

(1)物理層

物理層分別是2.4GHz物理層和868/915MHz物理層，它們都基于DSSS(Direct Sequence Spread Spectrum，直接序列擴(kuò)頻)技術(shù)，使用相同的物理層數(shù)據(jù)包格式，區(qū)別在于工作頻率、調(diào)制技術(shù)、擴(kuò)頻碼片長(zhǎng)度和傳輸速率。其中2.4GHz波段為全球統(tǒng)一的無(wú)需申請(qǐng)的ISM頻段，有助于ZigBee設(shè)備的推廣和生產(chǎn)成本的降低，該頻段的物理層使用了16個(gè)信道、250kb/s的傳輸速率。

(2)數(shù)據(jù)鏈路層

數(shù)據(jù)鏈路層分為邏輯鏈路控制子層(LLC)和介質(zhì)訪問(wèn)控制子層(MAC)。LLC子層功能包括傳輸可靠性保障、數(shù)據(jù)包的分段與重組、數(shù)據(jù)包的順序傳輸；MAC層通過(guò)SSCS(Service-Specific Convergence Sub layer，業(yè)務(wù)相關(guān)的會(huì)聚子層)協(xié)議能支持多種LLC標(biāo)準(zhǔn)，其功能包括設(shè)備間無(wú)線鏈路的建立、維護(hù)和拆除、確認(rèn)模式的幀傳送與接收、信道接入控制、幀校驗(yàn)、預(yù)留時(shí)隙管理和廣播信息管理。

(3)網(wǎng)絡(luò)層

網(wǎng)絡(luò)層采用基于ad hoc技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，功能包括拓?fù)涔芾?、MAC管理、路由管理和安全管理根據(jù)節(jié)點(diǎn)的不同角色，可分為全功能設(shè)備(Full Function Device；FFD)與精簡(jiǎn)功能設(shè)備(Reduced Function Device；RFD)。前者具備控制器(Controller)的功能，能夠提供數(shù)據(jù)交換；后者電路較為簡(jiǎn)單且存儲(chǔ)體容量較小，只能傳送數(shù)據(jù)給FFD或從FFD接收數(shù)據(jù)。應(yīng)用匯聚層負(fù)責(zé)把不同的應(yīng)用映射到ZigBee網(wǎng)絡(luò)層上，包括安全與鑒權(quán)、多個(gè)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流的匯聚、設(shè)備發(fā)現(xiàn)和業(yè)務(wù)發(fā)現(xiàn)。

(4)應(yīng)用層

應(yīng)用層定義了各種類(lèi)型的應(yīng)用業(yè)務(wù)是協(xié)議棧的最上層用戶(hù)。

3.智能家居

智能家居概念的起源很早：20世紀(jì)80年代初，隨著大量采用電子技術(shù)的家用電器面市，住宅電子化開(kāi)始實(shí)現(xiàn)；80年代中期，將家用電器、通信設(shè)備與安全防范設(shè)備各自獨(dú)立的功能綜合為一體，又形成了住宅自動(dòng)化概念；至80年代末，由于通信與信息技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了通過(guò)總線技術(shù)對(duì)住宅中各種通信、家電、安防設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控與管理的商用系統(tǒng)，這在美國(guó)被稱(chēng)為Smart Home，也就是現(xiàn)在智能家居的原型。智能家居在WiKi百科中定義如下：以住宅為平臺(tái)，兼?zhèn)浣ㄖ?、網(wǎng)絡(luò)通信、信息家電、設(shè)備自動(dòng)化，集系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)、服務(wù)、管理為一體的高效、舒適、安全、便利、環(huán)保的居住環(huán)境。進(jìn)入21世紀(jì)后，智能家居的發(fā)展更是多樣化，技術(shù)實(shí)現(xiàn)方式也更加豐富。總體而言，智能家居發(fā)展大致經(jīng)歷了4代。第一代主要是基于同軸線、兩芯線進(jìn)行家庭組網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)燈光、窗簾控制和少量安防等功能。第二代主要基于RS-485線、部分基于IP技術(shù)進(jìn)行組網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)可視對(duì)講、安防等功能。第三代實(shí)現(xiàn)了家庭智能控制的集中化，控制主機(jī)產(chǎn)生，業(yè)務(wù)包括安防、控制、計(jì)量等業(yè)務(wù)。第四代基于全I(xiàn)P技術(shù)，末端設(shè)備基于zigbee等技術(shù)，智能家居業(yè)務(wù)提供采用“云”技術(shù)，并可根據(jù)用戶(hù)需求實(shí)現(xiàn)定制化、個(gè)性化。目前智能家居大多屬于第三代產(chǎn)品，而美國(guó)已經(jīng)對(duì)第四代智能家居進(jìn)行了初步的探索，并已有相應(yīng)產(chǎn)品。近年來(lái)，物聯(lián)網(wǎng)成為全球關(guān)注的熱點(diǎn)領(lǐng)域，被認(rèn)為是繼互聯(lián)網(wǎng)之后最重大的科技創(chuàng)新。物聯(lián)網(wǎng)通過(guò)射頻識(shí)別(RFID)、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設(shè)備，按約定的協(xié)議把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)連接起來(lái)進(jìn)行信息交換和通訊，以實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理。物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展也為智能家居引入了新的概念及發(fā)展空間，智能家居可以被看作是物聯(lián)網(wǎng)的一種重要應(yīng)用?；谖锫?lián)網(wǎng)的智能家居，表現(xiàn)為利用信息傳感設(shè)備(同居住環(huán)境中的各種物品松耦合或緊耦合)將家居生活有關(guān)的各種子系統(tǒng)有機(jī)地結(jié)合在一起，并與互聯(lián)網(wǎng)連接起來(lái)，進(jìn)行監(jiān)控、管理信息交換和通訊，實(shí)現(xiàn)家居智能化。其包括：智能家居(中央)控制管理系統(tǒng)、終端(家居傳感器終端、控制器)、家庭網(wǎng)絡(luò)、外聯(lián)網(wǎng)絡(luò)、信息中心等。

3.1 典型的智能家居功能

家居安全監(jiān)控：各種報(bào)警探測(cè)器的信息采集，開(kāi)關(guān)門(mén)報(bào)警等如門(mén)磁、緊急按鈕、紅外探測(cè)、煤氣探測(cè)、火警探測(cè)等，并向住宅小區(qū)物業(yè)管理和警署報(bào)警。

家電控制：利用計(jì)算機(jī)、移動(dòng)電話通過(guò)高速寬帶接入，并對(duì)電燈、空調(diào)、冰箱，電視等家用電器進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。

家居管理：遠(yuǎn)程三表水、電、煤氣!傳送收費(fèi)。

家庭教育和娛樂(lè)：如遠(yuǎn)程教學(xué)、家庭影院、無(wú)線視頻傳輸系統(tǒng)、在線視頻點(diǎn)播、交互式電子游戲等。

家居商務(wù)和辦公：實(shí)現(xiàn)網(wǎng)上購(gòu)物、網(wǎng)上商務(wù)聯(lián)系，視頻會(huì)議。

3.2 智能家居的特點(diǎn)

節(jié)省費(fèi)用：在不需要時(shí)，能源消耗裝置可以自動(dòng)關(guān)閉，這樣可以降低您的費(fèi)用。

使用方便：自動(dòng)化系統(tǒng)提供遠(yuǎn)程遙控接口。自動(dòng)化系統(tǒng)還可以把重復(fù)的工作自動(dòng)化。在您外出時(shí)，還可以調(diào)整或控制家電。

安全性高：家庭自動(dòng)化系統(tǒng)在緊急情況時(shí)可以防御壞人或報(bào)警。您可以在任何地方可以監(jiān)控該安全系統(tǒng)，這樣可以保證您的家居安全運(yùn)行。

改變生活方式：你可以穿著丁恤在家辦公，可以在家炒股、進(jìn)行遠(yuǎn)程會(huì)議，主婦在網(wǎng)上逛街，孩子在家里上課等。生活中的方方面面都可以通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)在家進(jìn)行，不受時(shí)間空間的限制?，F(xiàn)代化的生活工作方式較以往有了很大區(qū)別。

智能家居可以為人們帶來(lái)更為愜意輕松的生活，在生活、工作節(jié)奏越來(lái)越快的今天，家居智能化也可以為人們減少繁瑣家務(wù)、提高效率、節(jié)約時(shí)間，讓人們有更多的時(shí)間去休息、教育子女、鍛煉身體和進(jìn)修，使人們的生活質(zhì)有了很大的提高。

4.結(jié)束語(yǔ)

在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)快速發(fā)展的今天，相信物聯(lián)網(wǎng)智能家居技術(shù)也可以得到較快發(fā)展。當(dāng)科技應(yīng)用于日常生活，改變?nèi)藗兊纳盍?xí)慣的時(shí)候，相信又一次的技術(shù)革命也離我們不遠(yuǎn)了。

[1]朱洪波,楊龍祥,朱琦.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)展與應(yīng)用[J].南京郵電大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2011(01).

[2]林檎.智能家居:未來(lái)世界的家[J].中國(guó)青年科技,2006 (02).