智能家居系统-概述

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1智能家居系统

1.1 智能家居的研究现状

智能家居概念起源很早，其现实案例最早出现是在 1984 年，当时美国联合科技公司（United Techno1ogies Building System）建造的首栋智能型建筑——CityPlaceBuilding，从此掀起了世界各国争先建造智能家居的风潮^{[ 6-8]}。自此，许多发达国家争先进入这一市场领域，各发达国家都先后提出了众多的智能家居方案。另外，许多大型跨国企业如微软、三星、松下等都先后展开智能家居的研究与开发。

微软公司2000年推出的软硬合一的“微软之家”，突出网络化概念，以网络通信技术为支撑，实现了家庭环境下的设备互联互通。1997年美国微软公司总裁比尔·盖茨位于西雅图华盛顿湖畔的智能别墅落成。它不仅具有高速对外通信网络，而且家庭设备都可以通过PC进行集中控制，是一座名副其实的智能化数字住宅^[7]。

国内的智能家居系统发展起步较晚，上世纪90年代末期开始，随着国内经济的快速发展，智能小区、智能住宅这两个概念逐步走入人们的生活。在我国，智能家庭网络的开发和研究处于起步阶段，技术手段落后，应用不广。国内智能家居系统目前形成了几个具有代表性的技术方案^[7-8]：

（1）电力载波技术，利用原有的电力线和电源插座，优点是不需要重新布线，不会破换室内原有的布局；

（2）总线技术，一般是用在新建的住宅，提前预埋布线，可以统一规划，系统层次分明，稳定性高；

（3）采用各种无线技术，主要包括WiFi和RF技术，无线的可移动特性完全摆脱了有线方式的束缚，且安装简单、配置灵活，便于安装和升级。

1.2 智能家居的发展趋势

正如智能家居定义所描述的，智能家居是一个综合的系统，它将与电器、安防、通信等家居生活有关的各种子系统有机的结合在一起，它融合了计算机、网络、自动控制、传感器等多种技术，其根本是自动控制和信息交换。

智能家居的目前还处于初级阶段，产品线和市场不成熟，社会认知度不高，还有待进一步宣传推广和完善。目前认为比较可行的网络家电包括网络电视、网络空调等。网络家电可以连接到网络，用户通过电脑、手机等远程终端操控家中所有电器运作。例如，出差中，也可以通过网络打开家中空调通风换气，平时在下班前通过电脑操控家中电热水器、空调的启动等。相对于传统家电，网络家电的操作极其方便，其操作不受距离限制，网络家电的普及，可以极大地提高人们的生活质量。

智能家居是一个庞杂的大系统，在实际需求中，功能各有侧重。如家电控制系统有电器控制、地暖控制、三表抄送等，安防系统有远程监控，入侵检测、煤气泄漏检测等等。实际应用中有主流需求、也有个性化需要，实现主体建设又体现差异化，这是智能家居产业化必须考虑的问题。智能家居系统还要有很好的扩展性，具有一定的兼容性并且能够很好的进行扩展和升级。

智能家居作为一个综合的控制系统，是一个国家综合国力和科技水平的具体体现，是衡量一个国家科学技术普及水平的重要指标。在物联网日益火热的背景下，呈现出一些新的发展趋势：

（1）M2M数据通信技术为支撑

M2M技术实现了系统与系统之间、设备与设备之间、设备与人之间的实时通信，为远程监控、实时监测、自动控制提供技术支撑。尤其是近些年广泛应用的WiFi技术、ZigBee技术、GPRS技术等无线通信技术，给M2M数据通信带来了更大的活力。

（2）嵌入式技术为核心

人性化的便捷控制是智能家居控制系统的发展需求，智能家居控制器呈现出摆脱PC机以嵌入式控制器为核心发展趋势。嵌入式处理器具有体积小，功耗低，稳定性高的特点，操作系统方面嵌入式领域也有很多优秀产品，以嵌入式技术实现智能家居中央控制器，取代以往的以计算机系统为控制核心，是目前智能家居技术发展的方向。

1.3 物联网概述

随着信息技术的发展，现代通信技术极大地便利了人与人之间的沟通，人们开始设想如何实现人与物的连接，如何实现物与物的连接，于是“物联网”的概念应运而生。“物联网”的概念最早起源于比尔?盖茨1995年《未来之路》一书，在该书中，盖茨提及“物联网”概念，但是限于当时无线网络技术的发展，并未引起重视^[12]。1999年，麻省理工学院（Massachusetts Institute of Technology，MIT）的Sanjey Sarma和David Brock两位教授提出了产品电子代码（Electronic Product Code，EPC）的概念，将所有物品通过射频识别等信息传感设备与互联网连接起来，实现智能化识别和管理的网络，EPC成为物联网的基础技术。2005年11月17日，在突尼斯举行的信息社会世界峰会（WSIS）上，国际电信联盟（ITU）发布了《ITU互联网报告2005：物联网》，正式提出了“物联网”的概念^[10-11]。

最早的物联网概念来源于RFID（射频识别）领域，被认为是“将每个物体打上电子标签，然后通过射频识别技术和通信技术形成信息网络，实现物体的智能识别、定位和监控”^{[11 ]}。物联网覆盖了信息技术和通信技术的众多领域，如传感器、RFID、互联网、嵌入式、移动通信网络等，各个领域对物联网都有自己的理解，一个通俗的说法是“物联网（Internet of Things，IOT）是物物相连的互联网”^{[ 1-2]}。

2009年1月28日，IBM正式提出“智慧地球”的概念，旨在带动信息产业发展及经济发展，奥巴马政府也提出“智慧的地球”构想，试图找到新的经济增长点，“智慧地球”是把感应器嵌入和装备到全球每个角落，并且被普遍连接，形成所谓“物联网”^[11]。同时日本提出“i-Japan”计划，韩国提出“u-Korea” 计划；欧盟提出“e-Europe-i2010”计划；2009年，温家宝总理在无锡调研时，对微纳传感器研发中心高度关注，提出把“感知中国”中心设立在无锡、辐射全国的想法^[1-2]。2009年9月，《国家中长期科学与技术发展规划（2006-2020）》和“新一代宽带移动无线通信网络”重大专项均将传感器列入了重点研究领域。

1.4 物联网体系结构

物联网自从其诞生以来，已经引起巨大关注，被认为是继计算机、互联网、移动通信网之后的又一次信息产业浪潮^[2]。物联网(Internet of Things)被认为是现代信息技术的发展趋势，它将物理世界网络化、信息化，具有智能感知的特点，是无处不在的网络，代表了未来信息技术和网络技术的发展趋势与方向，“是现代信息技术发展到一定阶段后出现的一种聚合性应用与技术提升”^[14]。

图2-1所示为物联网的体系结构，一个完整的物联网系统通常被划分为三个层次——感知层、网络层、应用层。底层是用来数据采集的感知层，中间层是传输数据的网络传输层，最上层是结合行业的实际应用，即应用服务层^[2]。

                    图2-1 物联网体系架构

（1）感知层

感知层是物联网的皮肤和五官——识别物体、采集信息。感知层由传感器等数据采集设备构成，其位于物联网的最底层，是物联网的基础，主要实现数据的采集的预处理，感知层涉及的技术包括传感器技术、RFID技术、二维码技术、ZigBee技术、蓝牙技术等。

（2）网络传输层

网络传输层是物联网的神经中枢和大脑——数据传输和处理。物联网的网络层是建立在移动通讯网络和互联网基础之上的，它通过将各种接入设备与移动通讯网和互联网相连。

（3）应用服务层

应用服务层是物联网的“社会分工”——与行业需求结合，实现广泛智能化。物联网发展的最终目的就是应用层可以提供的服务，即物联网最终是为人类提供服务的。物联网应用层主要就是利用经过分析和处理的感知数据，为用户提供各种服务，是物联网技术和行业专业技术深度融合。具体应用一般可分为监控系统、查询系统、控制系统、扫描系统，其代表实例如物流监控、远程抄表、智能家居、智能交通、不停车收费等。

1.5 M2M支撑技术

M2M系统中有很多技术问题需要解决，如网络连接方式、通信协议、数据获得等，如图2-2所示，M2M系统结构中涉及5个重要的支撑技术，包括机器、M2M硬件、通信网络、中间件和应用^[22-23]。

                                                                             图 2-2  M2M支撑技术

机器是M2M的数据获取设备，是M2M数据的来源基础，因此机器要具备信息感知、信息计算和无线传输能力。

M2M硬件是机器的重要部件，它主要实现机器的远程通信能力和联网能力，在M2M系统中，M2M硬件把机器采集到的数据发送的远程通信网络，如GSM/GPRS模块就是M2M硬件。

通信网络在M2M系统中处于核心地位，是M2M设备实现互联互通的关键环节，通信网络（如电话网络、Internet、移动通信网络、WLAN）将数据传输到目的地。

中间件技术是M2M系统的“网关”，在系统中实现数据收集、处理和协议转换。它把从底层收集的信息进行处理，转换成上层应用需要的数据，并将结果发送给应用层。

应用在M2M系统中的主要功能是实现数据融合、分析，是M2M的顶层环节，M2M分析结果为决策和控制提供依据，实现智能服务。

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