智能家居典型技術研究

黃帥

摘要：隨著互聯(lián)網技術的發(fā)展，人工智能開始進入人們的視線，智能家居作為一種典型應用也受到人們的重視。智能家居主要用到的技術有傳感器技術、網絡結構及無線通訊技術、人機交互技術、遠程監(jiān)控技術等，它是基于物聯(lián)網技術的實際應用，對我們的生活狀態(tài)將會有很大益處。本文研究分析了智能家居典型技術。

關鍵詞：智能家居；傳感器技術；無線通訊技術

中圖分類號：TP277 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2017）11-0083-02

1 引言

智能家居是指一種自動化的家庭生活方式，它將家居生活中的人和物通過網絡連接起來，建立一種智能化的信息交換平臺，從而使人生活地更為舒適化和智能化。智能化的關鍵是信息交換，為了實現(xiàn)更為人性化的信息交換，我們需要相關家居產品如家具家電可以感受信息并作出反應，這是基于人工智能技術的現(xiàn)實應用。智能家居技術起源于上世紀八十年代，大量電子設備的出現(xiàn)刺激了家庭自動化的發(fā)展，使得智能家居概念出現(xiàn)在人們心中，近年來隨著計算機技術和互聯(lián)網的發(fā)展，人們越來越希求智能家居能盡早實現(xiàn)應用。目前已經出現(xiàn)了一些簡單的智能家居產品，如智能化窗簾，手機操控燈飾及家電等。

智能家居涵蓋的技術非常廣泛，主要有感知層技術、網絡層技術以及人機交互技術。依托于人工智能技術，智能家居的目的是實現(xiàn)人與家居產品及環(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絡平臺進行數據交換，在這個過程中，需要計算機系統(tǒng)為之提供結構輔助，除此之外還需要建立和諧的人機交互，人機交互包括對相關家居產品的監(jiān)控、控制和維護?？傮w上來說，智能家居技術是一套較為復雜的系統(tǒng)。

2 智能家居典型技術

2.1 多傳感融合技術

傳感技術是用來模擬人的感官的，是任何智能技術中都必不可少的，對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，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)網技術上的應用，它不僅需要人作為感受主體，還需要家居產品具備感知能力，因此我們必須用到多傳感融合技術來獲取相關信息[1]。

傳感器一般是利用某些物理原理來檢測相關信息的，例如以前的體溫計是根據水銀對溫度的物理反應而制成的。對于智能家居技術而言，需要利用計算機技術對按時序獲得的傳感器的觀測信息在一定的準則下加以自動分析，優(yōu)化綜合，以完成所需的決策和估計任務而進行的信息處理過程。信息融合的硬件基礎是多傳感器，加工對象是多源信息，信息融合的核心是協(xié)調優(yōu)化和綜合處理。但現(xiàn)今的融合技術還只是簡單的拼湊，它并沒有實現(xiàn)協(xié)調優(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集成化，使其在足夠精簡的結構中實現(xiàn)復雜的感知功能，例如利用一件感知設備對不同的家居產品進行感知，獲取不同部位的相關信息。在這個過程中，我們要考慮的有兩點，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；另一方面是家居產品自身的信息獲取，常見的家電產品如電腦、空調等可以較為方便的連接到互聯(lián)網上，但是諸如沙發(fā)、桌子之類的傳統(tǒng)家居的相關信息及網絡連接就需要更復雜的感知設備來進行信息獲取，比如要移動它們時，我們應該考慮到空間是否允許，地面壓力是否在允許范圍之內，在這個過程中，我們需要高效可靠的多傳感融合技術來完成其智能化的操作[2]。

2.2 網絡及通信技術

智能家居是基于物聯(lián)網技術的，因此網絡和通信是關鍵技術，我們要實現(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絡平臺來實現(xiàn)的。可以說網絡是智能家居的核心[3]。

智能家居的網絡是基于物聯(lián)網的，它涵蓋了安防、家電等家居產品，為它們和人之間的信息交換提供了平臺，它的基本結構如圖1所示。

從上圖1我們可以看出，網絡是連接用戶和家居產品的媒介。現(xiàn)代網絡控制系統(tǒng)一般有以下幾種實現(xiàn)方式[4]：

（1）基于PC機的架構系統(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設備，接入以太網，這時電腦充當了一個處理器的角色，這種方式的優(yōu)勢在于控制方便，可以利用軟件來實現(xiàn)相關控制，但是依賴于PC機使得它不夠便捷，影響了用戶的體驗。（2）基于單片機架構的系統(tǒng)，這種架構采用單片機作為核心處理器，輔助以相應的硬件擴展和軟件，它的實用性和替換性都比較高，而且相對來說價格便宜，并且它的功能較為單一，如果網絡控制較為復雜的話，就需要多片單片機聯(lián)合控制，這樣會造成電路設計復雜，影響體驗。（3）基于嵌入式的控制系統(tǒng)，它是專門針對智能家居平臺開發(fā)的嵌入式處理器，這種處理器可以實現(xiàn)家居內部、外部的網絡連接，以及家居產品和用戶之間的連接，對于復雜功能的實現(xiàn)也較為方便。另外嵌入式有其獨特優(yōu)勢，那就是擴展能力強，功耗低，結構較為穩(wěn)定，但是相對來說它的開發(fā)周期較長，而且市場價格較高，但是隨著它的不斷成熟，基于嵌入式的智能家居網絡控制前景是很可觀的。

2.3 語音控制及人機交互

語音控制是基于人工智能技術中的語音識別、自然語言處理和專家系統(tǒng)的一項控制手段，它的基本原理是讓聲音作為一種信息傳遞以實現(xiàn)對客體的控制，首先我們需要發(fā)出語音指令，比如說命令它開或關，其次我們要確保相關產品可以通過某種方式接受到我們的語音，例如電腦麥克風可以接受我們的聲音，其次我們要確保產品可以識別語音中所表達的信息，這就需要用到語音識別技術和自然語言處理技術，現(xiàn)階段我們和計算機的交流是基于C語言之類的機器語言，這種交流方式需要相關代碼作為中間轉換，但是在語音控制的要求下，我們需要進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的一個難題，現(xiàn)在還沒有取得實質上的進展，目前我們已經有較為智能化的智能客服，未來也將會在智能家居中使用。endprint

人機交互技術是智能家居中很重要的一點，它是直接體現(xiàn)智能化的環(huán)節(jié)。人機交互一般是基于計算機的多學科交互技術，如我們常見的鍵盤鼠標就是人與電腦的直接交互。對于智能家居而言，人機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。智能化人機交互主要體現(xiàn)在人對家居產品的控制上以及智能環(huán)境中的溝通和社交上，這將會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。在相關的研究中，缺少用戶使用的單一焦點、交互設備的變動配置、環(huán)境中遍布傳感器的特性、同時間多用戶的潛在性及多交互通道的可能性，已經被認為是影響交互構架的因素。因此，現(xiàn)代的智能家居交互系統(tǒng)非常注重用戶的實際參與度，比如我們剛才提到的語音控制，其次比如相應的圖像控制以及手勢控制等。此外，我們也在發(fā)展智能化記憶模式，使家居產品迎合主人的生活習慣，從而提高人機交互的和諧程度[5]。新型人機交互的信息處理模型圖2所示。

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

2.4 遠程監(jiān)控系統(tǒng)

遠程監(jiān)控是指人采用一定的網絡手段對家庭現(xiàn)場進行監(jiān)視和控制，它一般需要先進的網絡通信技術、圖像處理技術以及自動控制技術融為一體進行相關操作。常用的監(jiān)控平臺是因特網，客戶端通過因特網對相關家居產品下達指令，指令通過某種網絡協(xié)議傳輸至產品本身，從而使其產生一定的反應，實現(xiàn)我們對它的控制。這種模式是典型的瀏覽器/服務器模式，這種模式使用起來較為便捷，只需要用戶以及家具產品可以和網絡平臺進行有效連接，就可以遠程對相關產品進行監(jiān)控。這種系統(tǒng)的總體設計主要由三部分構成：通過無線ZigBee模塊組網的家用電器、嵌入式Web服務器和客戶端電腦。

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，同時為了實現(xiàn)遠程監(jiān)控，必須將硬件處理器高效地接入家居內部網絡平臺以及互聯(lián)網中，家庭內部網絡可以采用ZigBee技術， 利用無線收發(fā)模塊實現(xiàn)無線通信。另外對于監(jiān)控硬件而言，它需要一系列的接口以滿足外部通信，比如常見的以太網接口及存儲設備接口，現(xiàn)在常用的存儲接口是Flash接口，通過它可以實現(xiàn)程序自動讀寫，實現(xiàn)對邏輯電路等控制。另外對于用戶和網絡平臺之間的連接，一般采用無線連接，比如常見的移動數據通信或WIFE連接。

3 智能家居技術前景展望

現(xiàn)代社會是向著人工智能發(fā)展的，智能家居作為與人生活最貼近的智能應用將會成為主流。從技術上說，從感知層到人機交互都會更為智能化，它們會幫助人與家居產品、環(huán)境建立更為和諧的關系，其次，人機交互將作為指標體現(xiàn)出這種智能化的和諧。遠程監(jiān)控將會更為成熟，借助于移動端的便捷，在更為高效的網絡之中實現(xiàn)智能控制。另外智能家居將會和智能穿戴、智能交通等聯(lián)系在一起，共同促進人生活的舒適度。

參考文獻

[1]閔麗娟，盧捍華.智能家居的系統(tǒng)結構及相關無線通信技術研究[J].計算機技術與發(fā)展，2011，（8）：169-172.

[2]李鴻.幾種智能家居網絡控制系統(tǒng)方案的分析與比較[J].2010，（3）：143-146.

[3]董立巖，隋鵬，辛曉華，田耕.基于Android 的智能家居終端控制系統(tǒng)[J].吉林大學學報：信息科學版，2014，（3）：303-307.

[4]陳卯純，孫薇.物聯(lián)網智能家居中的人機交互[J].包裝工程，2014，（2）：64-67.

[5]鄧昀，李朝慶.基于物聯(lián)網的智能家居遠程無線監(jiān)控系統(tǒng)設計[J].計算機應用，2017，（1）：159-165.

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