智慧家庭體系架構(gòu)技術(shù)研究

涂家賢

（武漢輕工大學(xué)，湖北 武漢 430000）

0 引 言

隨著社會的發(fā)展，信息技術(shù)給家庭生活帶來了很大變化，使家庭生活逐漸普及了信息網(wǎng)絡(luò)，家庭環(huán)境變得更加智能化。因此，智慧家庭模式隨之產(chǎn)生。這種模式給家庭生活帶來更多的便利，逐步進(jìn)入不同的家庭。智慧家庭利用網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)將各類設(shè)備連接起來，形成舒適、安全、健康、節(jié)能的生活環(huán)境[1-2]。智慧功能融入家庭環(huán)境中[3]，在節(jié)省能源的同時，還能優(yōu)化家庭的生活方式[4]。隨著智慧家庭的廣泛普及應(yīng)用，作為支撐條件，智慧家庭技術(shù)的革新與發(fā)展具有必然性。研究智慧家庭相關(guān)技術(shù)，能夠為實現(xiàn)智慧家庭發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

1 智慧家庭及其系統(tǒng)概述

智慧家庭的基礎(chǔ)是人們生活居住的環(huán)境。這個環(huán)境融入了家電、家電信息技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)信息以及自動化設(shè)備等，使整個生活環(huán)境變得更為舒適且環(huán)保節(jié)能，能夠提升家庭生活的質(zhì)量，給人們帶來優(yōu)質(zhì)的品質(zhì)生活[5]。

智慧家庭是以多種網(wǎng)絡(luò)為平臺，運用計算機、網(wǎng)絡(luò)、控制和集成等技術(shù)實現(xiàn)家庭智能化的體系[6]，是一個綜合信息服務(wù)和管理系統(tǒng)[7]。智慧家庭體系的構(gòu)成包括家庭安全防范、自動控制、家庭通信等內(nèi)容。通過該系統(tǒng)及時了解家庭情況，通過線上監(jiān)控進(jìn)行家庭事務(wù)管理，能夠確保家庭設(shè)備狀態(tài)良好，實現(xiàn)家庭生活的智能化管理。

2 智慧家庭系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1 系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)

為了實現(xiàn)智慧家用電器的交互和安全性，本文設(shè)計了相應(yīng)的系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)，如圖1所示。智慧家庭主要由終端設(shè)備、主控制、對外接口等模塊組成。

圖1 智慧家庭體系邏輯結(jié)構(gòu)

對外接口模塊主要把互聯(lián)網(wǎng)接入其中，將家庭的主要設(shè)備嵌入到網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中。目前接口模塊主要包括因特網(wǎng)、3G/4G接口以及公共交換電話網(wǎng)絡(luò)（Public Switched Telephone Network，PSTN）接口。

主控制模塊的任務(wù)有兩個：一是實時監(jiān)聽，即接收對外接口輸入的控制命令；二是發(fā)出指令，即解釋接受信息，然后將接收的命令反饋給終端，用來對相關(guān)設(shè)備傳達(dá)指令。

終端模塊控制設(shè)備應(yīng)用，直接與各個家用設(shè)備或電器聯(lián)系，將具體操作指令傳輸給設(shè)備或電器，從而促使設(shè)備或電器完成指令。

2.2 系統(tǒng)業(yè)務(wù)結(jié)構(gòu)

智慧家庭系統(tǒng)業(yè)務(wù)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，大體分為4大類，各個大類又包含多個小模塊，具體分析如下。

2.2.1 家庭安防與監(jiān)控

家庭安防與監(jiān)控包括家庭安防系統(tǒng)和特定位置監(jiān)控兩部分。

（1）家庭安防系統(tǒng)。智慧家庭里的報警系統(tǒng)是重要的安防部分，可以為家庭提供必要的安全服務(wù)。而且家庭可以通過系統(tǒng)形成彼此互聯(lián)。安防系統(tǒng)主要包括門禁、火警、防盜、煤氣泄漏等監(jiān)控。一旦出現(xiàn)危險，系統(tǒng)可以發(fā)出報警信號，及時將報警信息傳輸給家庭服務(wù)機構(gòu)。

（2）特定位置監(jiān)控。人們可以利用智慧家庭系統(tǒng)來遠(yuǎn)程監(jiān)控家庭環(huán)境。家庭成員可以根據(jù)自己需求利用終端設(shè)備來查看環(huán)境，控制家庭環(huán)境中的設(shè)備運作，如攝像機等，獲取信息后傳輸給家庭成員。

2.2.2 家庭設(shè)備控制

家庭設(shè)備控制包括多個方面，可以是個體對家庭電器內(nèi)容喜好的控制，比如對電視、影視等的選擇，這種控制不僅可以實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)融合，還可以把節(jié)目內(nèi)容融合進(jìn)來，如節(jié)目推薦，可以根據(jù)自己的喜好來選擇節(jié)目，控制平臺可以根據(jù)自己平時的喜好和觀看歷史記錄分析出合適的節(jié)目，還可以自動執(zhí)行下載、點播、多屏采集等服務(wù)；可以是個體工作方面的控制，如辦公和會議的設(shè)置；還可以通過電視網(wǎng)絡(luò)對購物、學(xué)習(xí)、就醫(yī)等信息篩選。由此可見，智慧家庭終端可以選擇服務(wù)生活中的各種設(shè)備，可以滿足人們生活中的各種需求。這些服務(wù)都可以利用家庭控制中心來選擇合適的終端，服務(wù)于人們 的生活。

2.2.3 設(shè)備能耗管控

家庭設(shè)備能耗管控涉及很廣，包括室內(nèi)溫度、光照、環(huán)境等情況的監(jiān)測。這些監(jiān)測需要由其他設(shè)備如報警設(shè)備、操控設(shè)備等協(xié)同完成。在需要監(jiān)控的環(huán)境中植入各種傳感器，然后把相應(yīng)數(shù)據(jù)集中到家庭控制中心，根據(jù)提前設(shè)定的指令發(fā)送控制信息。例如，對水、電等進(jìn)行監(jiān)控，可以安裝帶有傳感器的計量表，利用網(wǎng)絡(luò)將每日能耗信息傳輸?shù)綐I(yè)務(wù)平臺。一旦發(fā)現(xiàn)傳輸信息所顯示的能源消耗異常，智慧家庭系統(tǒng)就會及時做出提醒。

2.2.4 醫(yī)療智能化

醫(yī)療智能化主要通過醫(yī)療監(jiān)護來完成。醫(yī)療監(jiān)護的對象主要是家中的老幼病人。居家遠(yuǎn)程看護病人過程中，還可以實現(xiàn)遠(yuǎn)程診療，更好地服務(wù)居家的老幼病患。

3 智慧家庭技術(shù)架構(gòu)

智慧家庭系統(tǒng)所構(gòu)成的整體包含了各種設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)平臺，常規(guī)系統(tǒng)構(gòu)成有四個，分別是網(wǎng)關(guān)設(shè)備、終端設(shè)備，手機App以及物聯(lián)網(wǎng)平臺。網(wǎng)關(guān)設(shè)備主要實現(xiàn)智慧家庭設(shè)備彼此之間的互聯(lián)互通[8]，在智慧家庭系統(tǒng)中發(fā)揮著核心樞紐作用；終端設(shè)備是實現(xiàn)智慧家庭物聯(lián)網(wǎng)平臺服務(wù)所需要的元件，這些元件可以實現(xiàn)諸多業(yè)務(wù)功能，為家庭環(huán)境的舒適、智能提供良好的保障；智慧家庭物聯(lián)網(wǎng)可以遠(yuǎn)程管理和控制終端設(shè)備；家庭成員可以通過App等相關(guān)設(shè)備控制家庭環(huán)境里的終端設(shè)備，實現(xiàn)家庭的智慧化控制。具體的技術(shù)框架如圖2所示。

圖2 智慧家庭技術(shù)架構(gòu)

3.1 網(wǎng)關(guān)設(shè)備及網(wǎng)絡(luò)設(shè)置

3.1.1 網(wǎng)關(guān)設(shè)備

在智慧家庭環(huán)境中，網(wǎng)管設(shè)備的作用是轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)，它是整個智慧家庭的交互設(shè)備，既鏈接著通信網(wǎng)絡(luò)平臺，又鏈接著智能終端，同時負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)上傳和下傳轉(zhuǎn)發(fā)，起到核心作用，服務(wù)于智慧家庭設(shè)備的各個環(huán)節(jié)。目前的網(wǎng)關(guān)設(shè)備主要采用的系統(tǒng)是Linux操作系統(tǒng)，利用這種開放式的平臺來完成終端操作，結(jié)合其他操作系統(tǒng)共同完成智慧家庭的信息傳輸，服務(wù)于設(shè)備的管理和應(yīng)用。

3.1.2 內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)設(shè)置

智慧家庭環(huán)境里，所有的家電信息設(shè)備都屬于家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，它們各自都有網(wǎng)絡(luò)接口模塊，既可以通過有線方式連接家庭網(wǎng)絡(luò)，也可以通過無線方式連接移動網(wǎng)絡(luò)，在這個交互的家庭網(wǎng)絡(luò)里面，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享、互操作、鏈接外部信息等操控[9]。根據(jù)信息傳輸速度的差異，可以將家庭網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中的設(shè)備劃分為兩個部分，分別是控制和信息兩個類型的內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)。

（1）控制類網(wǎng)絡(luò)。這種內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)的信息傳輸是低速類傳輸，這類傳輸有兩個部分，分別是自動和本地的控制。一般類似于遙控器或者PC機控制的就是本地控制部分。因為信息家電都是用家庭網(wǎng)關(guān)來實現(xiàn)所具有的高端功能，設(shè)備都統(tǒng)一裝配了網(wǎng)絡(luò)接口，因此遙控器與信息家電是通過家庭網(wǎng)關(guān)來交互信息，遙控器采用藍(lán)牙技術(shù)實現(xiàn)人機互交信息。而PC控制家電的方式是通過太網(wǎng)接口連接以后，借助PC里面的軟件來完成家電信息的交互，例如電腦的USB接口、Web控制等，這些可以讓信息家電互相通信。自動控制的數(shù)據(jù)傳輸簡單，而且數(shù)據(jù)量又少，涉及的主要設(shè)備有防盜、溫控和照明等的控制。這些家電設(shè)備普遍運用無線編碼技術(shù)，經(jīng)過無線編碼技術(shù)來處理傳感器信息，然后把傳感的信息傳輸給家庭網(wǎng)關(guān)。家庭網(wǎng)關(guān)獲取信息以后，分析判斷然后進(jìn)一步做出相應(yīng)措施，例如警報設(shè)備發(fā)出信號、設(shè)定溫度、照明等。

（2）內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)。功能類和信息類兩部分組成信息類家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)。信息類所涉及的家電有網(wǎng)絡(luò)電視、可視電話等，這類流媒體信號在傳輸過程中，對網(wǎng)絡(luò)的要求是能夠提供寬帶網(wǎng)絡(luò)和實時的同步傳輸，所涉及的數(shù)據(jù)速率也不高，服務(wù)設(shè)備也較為統(tǒng)一。而高速串行總線能夠以高速率實時傳輸圖像和聲音，設(shè)備沒有主從關(guān)系，數(shù)據(jù)傳輸也可以在設(shè)備之間完成。此過程也無需其他設(shè)備介入，整個系統(tǒng)的連接只需要一個總線就可以實現(xiàn)，因此，多數(shù)媒體家電類都采用此技術(shù)。像智能洗衣機、空調(diào)及冰箱等功能家電，數(shù)據(jù)傳輸對它們的作用有限，而且要求也不高。藍(lán)牙技術(shù)具有成本低、功耗低的特點，在家庭短距離通信場景中，還有很強的抗干擾性，在使用過程中也比較安全，因此，一些家電的無線通信方式采用藍(lán)牙技術(shù)，可以在近距離內(nèi)安全、防干擾地完成通信傳輸，極大地節(jié)約了成本和資源。

3.2 物聯(lián)網(wǎng)云平臺

物聯(lián)網(wǎng)云平臺把家庭環(huán)境中的設(shè)備與平臺連接起來，整合不同設(shè)備硬件。設(shè)備信息通過物聯(lián)網(wǎng)云平臺上傳。物聯(lián)網(wǎng)云平臺還可以遠(yuǎn)程管理這些設(shè)備運用，如果發(fā)現(xiàn)異常數(shù)據(jù)，就會傳送給上層，起到監(jiān)測和控制設(shè)備的作用。另外，安全認(rèn)證和身份認(rèn)證也需要物聯(lián)網(wǎng)平臺來實現(xiàn)。

家庭設(shè)備的故障監(jiān)測、系統(tǒng)的設(shè)置和升級等，都可以通過設(shè)備管理來完成物聯(lián)網(wǎng)平臺的遠(yuǎn)程控制，同時也能實時監(jiān)控運行中的網(wǎng)關(guān)和應(yīng)用狀態(tài)，可以在一定情況下預(yù)處理設(shè)備故障[10]。管理平臺通常通過運營商網(wǎng)絡(luò)來連接，運營過程中會有一些具體管理，如通知、賬戶、設(shè)備生命周期等。平臺支持的設(shè)備工具很多，也包括一些應(yīng)用服務(wù)，如一些存儲數(shù)據(jù)、中間設(shè)備等。

3.3 終端設(shè)備

終端設(shè)備在智慧家庭運用過程中有監(jiān)控、控制、應(yīng)用三種設(shè)備類型?？刂圃O(shè)備的功能是管理終端設(shè)備，如智能插座、入戶門智能開關(guān)、智能窗簾等設(shè)備；監(jiān)控型設(shè)備與控制型設(shè)備相似，是通過監(jiān)控來實現(xiàn)對家庭環(huán)境的有效管理，如智能攝像頭、錄像機等；應(yīng)用型設(shè)備是生活環(huán)境中滿足生活需求的家用設(shè)備，例如冰箱、空氣凈化器及熱水器等。終端設(shè)備是所有設(shè)備服務(wù)的基礎(chǔ)，是實現(xiàn)智慧家庭的基礎(chǔ)。有了這些基礎(chǔ)設(shè)備，才能更好地發(fā)揮智慧家庭系統(tǒng)的作用，更好地服務(wù)于人們。

3.4 App客戶端

App客戶端通過連接第三方軟件、配置家庭網(wǎng)管、控制智慧家庭環(huán)境中的設(shè)備，實現(xiàn)監(jiān)測、安防、學(xué)習(xí)、交流等目的，為智慧家庭提供良好的介入面，形成人機互動的模式，使整個智慧家庭系統(tǒng)能夠連接暢通。人機互動中的圖像特征都是通過圖形表現(xiàn)出來，App客戶端在識別過程中具有良好的效果，因此，App也是智慧家庭高頻使用的移動操控入口，具有高流量價值。

4 結(jié) 語

目前新一代通信技術(shù)已經(jīng)不斷地運用到智慧家庭系統(tǒng)當(dāng)中，使家庭生活涉及的健康、安全防護、學(xué)習(xí)、設(shè)備管理等能夠通過智慧家庭系統(tǒng)互相交流，進(jìn)而使家庭生活變得更為舒適、健康，便捷方便生活所需，同時能夠?qū)崿F(xiàn)智能的節(jié)能環(huán)保，而且把工作、學(xué)習(xí)應(yīng)用其中，實現(xiàn)了智能化的服務(wù)。本文的目的就是建設(shè)智慧家庭，從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、架構(gòu)技術(shù)等方面做了詳細(xì)的介紹，分析智慧家庭系統(tǒng)所涉及的模塊和設(shè)備，并做了詳細(xì)的分析，為智慧家庭系統(tǒng)的應(yīng)用和發(fā)展提供了參考。