智能家居系統(tǒng)探究

李博豪

（武漢市第六中學，武漢 430011）

1 引言

智能家居，顧名思義就是智能化的家居環(huán)境，它是以物聯(lián)網(wǎng)為技術背景，將家居產(chǎn)品和用戶本身連接起來，建立一定的關系以有效地實現(xiàn)人物交互。智能家居的概念早在上世紀中期就已出現(xiàn)，但是直到近幾十年尤其是二十一世紀后信息化計算機迅速發(fā)展，智能家居才邁向了較為成熟的一步，早期人們只是一些簡單的電子器件來裝飾家居，它的功能較為單一，使用效果也并不智能，到上世紀八九十年代基于通信總線技術的住宅自動化基本實現(xiàn)了智能家居的雛形。近些年來，人工智能技術大放光彩，成為新時代的主要技術，智能家居也隨之迅速發(fā)展，網(wǎng)絡、監(jiān)控、交互等技術領域都有新的進步。其中各個分系統(tǒng)的設計至關重要，本文就幾個典型的分系統(tǒng)設計進行了一定的探究。

2 智能家居電氣系統(tǒng)設計

電氣是現(xiàn)代家居生活很重要的一部分，它是支撐起智能家居的能源提供者，大部分信息采集、網(wǎng)絡處理、人機交互及監(jiān)控都要依賴于電力支持。對于智能家居而言，電氣系統(tǒng)有兩點需要注意的，一是配電供電，二是家居內(nèi)部電力系統(tǒng)設計?，F(xiàn)階段已有電氣系統(tǒng)設計應用人工智能技術的實例，主要技術有神經(jīng)網(wǎng)絡和專家系統(tǒng)，利用神經(jīng)網(wǎng)絡技術，建立復雜的供電系統(tǒng)，可以較為智能化的滿足各個不同的家居用電要求。尤其現(xiàn)代建筑種類繁多，家居環(huán)境也有諸多不同。神經(jīng)網(wǎng)絡技術可以針對復雜的環(huán)境進行電氣系統(tǒng)的設計，滿足多元化的用電需求。

現(xiàn)代化建筑對電氣的依賴性非常強，而電力作為一種能源提供，經(jīng)常會出現(xiàn)各種各樣的故障，這就需要針對電氣故障進行一定的預防和排除準備。對于智能家居而言，它的優(yōu)勢在于將家居產(chǎn)品用網(wǎng)絡連接起來，促進了人機交互的和諧，但是與此同時，它變得非常依賴電氣和網(wǎng)絡，一旦出現(xiàn)故障將甚至不能滿足基本生活需求?，F(xiàn)在高樓化住宅環(huán)境更是如此，針對電氣故障，我們可以采取專家系統(tǒng)來進行一定的設計和處理。專家系統(tǒng)是基于當前技術水平，針對不同的問題故障形成最佳的解決方案，將其輸入計算機中，使得計算機形成相對應的處理思維，這樣可以極大地解放人力，并且在解決故障方面也能做到現(xiàn)階段最好，是電氣故障領域較為智能化有效化的方法。除此之外，應當為關鍵電氣元件準備備用電源，在開關控制方面做二手準備，以降低最終的故障率。

3 智能家居網(wǎng)絡網(wǎng)關系統(tǒng)設計

3.1 智能家居網(wǎng)關總體設計理念

網(wǎng)絡技術是智能家居的核心技術之一，它為家居產(chǎn)品和用戶提供一個交流的平臺，并且一切的感知、控制信息都要經(jīng)過網(wǎng)絡連接來工作，智能家居的網(wǎng)絡雖是在因特網(wǎng)的大環(huán)境之下運行，但自身仍有一些特殊的地方，例如強調(diào)局域網(wǎng)的安全性，硬件結構的功能單一性等。現(xiàn)階段智能家居網(wǎng)絡技術最常用的是ZigBee技術，它是是一種短距離、低功耗的無線通信技術。網(wǎng)絡中的各個設備將數(shù)據(jù)信息發(fā)送至無線智能家居網(wǎng)關，繼而網(wǎng)關將其通過因特網(wǎng)與用戶關聯(lián)，同時網(wǎng)關也可以將平臺發(fā)來的用戶指令傳遞給無線設備。總之網(wǎng)絡網(wǎng)關將用戶與家居產(chǎn)品之間聯(lián)系起來，是家居環(huán)境智能化的關鍵。

3.2 智能家居網(wǎng)關硬件軟件設計

智能家居網(wǎng)絡網(wǎng)關系統(tǒng)主要由硬件和軟件組成。對于硬件來說，傳統(tǒng)方法是采用PC機進行控制，這種方式較為成熟，控制也較為簡單。只需要將相關家居產(chǎn)品的信息傳輸至家里的PC機上，然后由PC機進行處理并進行控制。傳統(tǒng)較為智能化的家居產(chǎn)品都是采用這種方法，但是這種控制方法依賴于PC機，操作不夠簡易。近些年來，人們開始研究嵌入式微型處理器來專門控制智能家居產(chǎn)品，嵌入式處理器的優(yōu)勢在于功能專一化，效率極高，而且價格較為便宜，但是它的研發(fā)周期較長而且功能不夠豐富。另外三星等公司曾開發(fā)基于安卓系統(tǒng)的專業(yè)處理器，也具有一定的前景。圖1是一種經(jīng)典的網(wǎng)關硬件結構圖。

圖1 網(wǎng)關硬件框圖

智能家居系統(tǒng)的軟件設計與常規(guī)軟件設計并沒有太大區(qū)別，只是相對來說它要求功能較為專一化，安全性要求較高，形式較為封閉。常用的網(wǎng)關軟件架構如圖2所示，首先是硬件驅(qū)動，其次操作系統(tǒng)，通過相關協(xié)議到達用戶層，這主要通過人機交互來實現(xiàn)。現(xiàn)階段智能家居的軟件設計正在向?qū)I(yè)化發(fā)展，預計未來會出現(xiàn)專門針對于智能家居的軟件系統(tǒng)。

圖2 網(wǎng)關軟件框圖

4 智能家居監(jiān)控系統(tǒng)設計

4.1 系統(tǒng)總體設計概述

監(jiān)控系統(tǒng)是智能家居的關鍵部分，所謂智能化就是使得用戶和家居產(chǎn)品之間建立友好的交互關系，那么最重要的是兩者具備一定的交流方法。對于家居產(chǎn)品來說，它是信息數(shù)據(jù)產(chǎn)生源，同時這些信息必須傳輸至用戶，然后由用戶做出反應，對其進行控制。在這個過程中，用戶對相關家居產(chǎn)品的狀況必須有較為完全而實時的監(jiān)控，這就是智能家居監(jiān)控系統(tǒng)的理論來源。監(jiān)控系統(tǒng)首先是建立在家居產(chǎn)品自身的傳感器之上，也就是我們常說的感知層，其次需要將有效信息傳輸至網(wǎng)絡層中，網(wǎng)絡層是監(jiān)控系統(tǒng)的關鍵，它是連接家居產(chǎn)品和用戶的橋梁，而且它可以對產(chǎn)品自身數(shù)據(jù)信息進行一定的處理以適應人的操作。

現(xiàn)階段常用的監(jiān)控技術主要是基于Zigbee的家居互聯(lián)技術，還有基于Wi-Fi網(wǎng)絡的監(jiān)控技術，它們可以有效地將溫度、濕度等信息展現(xiàn)在用戶面前，除此之外，隨著人工智能的發(fā)展，人們希望相關網(wǎng)絡可以部分地對家居產(chǎn)品進行直接控制，它模擬人的行為習慣，并且利用專家系統(tǒng)對一些常見問題進行自主解決，以達到人工監(jiān)控的效果。

4.2 系統(tǒng)硬件軟件設計

智能家居監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)階段最常用的是星型網(wǎng)絡，相關家居產(chǎn)品和網(wǎng)關網(wǎng)絡一般由Zigbee協(xié)調(diào)器提供，對于監(jiān)控系統(tǒng)而言，硬件主要是家居產(chǎn)品的感知層和網(wǎng)絡網(wǎng)關的處理器，前者主要是各種傳感器，后者主要是嵌入式處理器。感知層是智能家居第一層環(huán)節(jié)，同時也是非常重要的環(huán)節(jié)。它模擬人的五官采集信息，這樣才可以和人建立和諧的交互關系，提高家居生活的智能化程度。對于相關傳感器而言，主要在于其布置與網(wǎng)絡連接，要細致地控制相關設備，必須對其進行精細的信息采集，這就需要智能有效地布置傳感器，其次要有效地利用采集到的信息，必須將傳感器與網(wǎng)絡聯(lián)系起來并且建立高效的監(jiān)控機制，這個過程可以通過單片機來實現(xiàn)。至于網(wǎng)絡層的硬件設計，基本和上文中介紹的硬件一致，通常采用嵌入式處理器來進行處理和控制。

監(jiān)控系統(tǒng)軟件的功能主要是對各種家具產(chǎn)品進行控制，它需要收集傳感器數(shù)據(jù)并進行分析，而且一般含有報警功能，需要對各種參數(shù)進行安全限定。總體而言，智能家居監(jiān)控系統(tǒng)的軟件設計與常規(guī)監(jiān)控系統(tǒng)差別不大，其基本原理和工作過程是類似的，只不過智能家居更強調(diào)物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡性和實時控制性。

5 智能家居人機交互探究

傳統(tǒng)的信息化人機交互主要由鼠標、遙控器、鍵盤等實現(xiàn)，早期的智能家居就是用這些方式來控制計算機、智能機頂盒的，借此可以實現(xiàn)控制家電、安防，使用融合影音、社區(qū)服務等業(yè)務的目的。但是，這些人機互動方式普遍存在操作復雜、缺乏人性化等缺點，成為了物聯(lián)網(wǎng)智能家居應用普及的障礙，目前較為先進的人機交互方式有多點觸控、語音、動作、圖像識別等。多點觸控移動設備目前比較流行的是蘋果公司的iPad、iPhone，在其上安裝適當?shù)能浖涂梢猿蔀橹悄芗揖又腥藱C互動的主要設備。動作識別主要采用三軸加速度傳感器所發(fā)送回來的x、y、z三軸加速度數(shù)據(jù)進行判斷。語音識別也是一種信號處理方式，是一種模式識別。語音經(jīng)過話筒變換成電信號后加在識別系統(tǒng)的輸入端，首先經(jīng)過預處理，再根據(jù)人的語音特點建立語音模型，對輸入的語音信號進行分析，并抽取所需的特征，在此基礎上建立語音識別所需的模板。而計算機在識別過程中要根據(jù)語音識別的模型，將計算機中存放的語音模板與輸入的語音信號的特征進行比較，根據(jù)一定的搜索和匹配策略，找出一系列最優(yōu)的與輸入語音匹配的模板。然后根據(jù)此模板的定義，就可以給出所識別出的結果這幾種新型人機交互方式將為人們帶來新的交互感受和更高效的工作方式。近幾年相關研究機構還在研究基于自然語言處理的語音交互技術，它將會極大地改變傳統(tǒng)人機交互方式。

6 結束語

隨著現(xiàn)代信息化計算機的發(fā)展，人工智能已開始進入人們的生活與工作中。人們對家居環(huán)境的智能化需求也日益增加，現(xiàn)階段來說智能家居相關技術還不夠成熟，只有少許有實際應用，根據(jù)目前人工智能以及大數(shù)據(jù)技術的發(fā)展趨勢，智能家居在一定時間將會首先實用化，其次邁向更為智能的時代。與此同時，智能家居帶來的隱私問題也應當引起我們的注意，家居環(huán)境畢竟是相對個人性的，需要對此進行保護。另一方面，智能家居將會與其他智能產(chǎn)品結合起來，比如智能穿戴、智慧交通等。總之智能家居將會極大地改變我們的日常生活環(huán)境。

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