智能家居——讓生活變得更美好

四川通信建設工程有限公司 王 韌

智能家居（Smart Home）是以家為平臺，兼備建筑、自動化，智能化于一體的高效、舒適、安全、便利的家居環境。它的目標是通過網絡等信息通信技術手段實現對家居電器等的智能控制，使其能夠按照人們的設定工作運行，而不論距離的遠近。智能化與遠程控制是智能家居的兩大特點。隨著網絡技術的發展，特別是無線網絡的發展，網絡化智能家居系統可提供遙控、家電（空調，熱水器等）控制、照明控制、室內外遙控、窗簾自控、防盜報警、電話遠程控制、可編程定時控制及計算機控制等多種功能和手段，使生活更加舒適、便利和安全。

1.物聯網

物聯網是在計算機互聯網的基礎上，利用RFID、無線數據通信等技術，構造一個覆蓋世界上萬事萬物的“Internet of Things”。在這個網絡中，物品(商品)能夠彼此進行“交流”，而無需人的干預。其實質是利用射頻自動識別(RFID)技術，通過計算機互聯網實現物品(商品)的自動識別和信息的互聯與共享。在物聯網時代，環境以及狀態信息實時的實時共享以及智能化的收集、傳遞、處理、執行。

智能家居是物聯網最生活化的應用之一：由各種傳感器構成，包括溫濕度傳感器、二維碼標簽、RFID標簽和讀寫器、攝像頭、GPS等感知終端是識別物體、采集信息的來源。物聯網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，能夠對物體實施智能控制。物聯網將傳感器和智能處理相結合，利用云計算、模式識別等各種智能技術，擴充其應用領域。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據，以適應不同用戶的不同需求，發現新的應用領域和應用模式。智能家居使得物聯網的應用更加生活化，智能家居控制系統具有網絡遠程控制、搖控器控制、觸摸開關控制、自動報警和自動定時等功能，普通電工即可安裝，變更擴展和維護非常容易，開關面板顏色多樣，圖案個性，給每一個家庭帶來不一樣的生活體驗。

在通信業界，物聯網通常被公認為有3個層次從下到上依次是感知層、傳送層和應用層。感知層用來識別物體，采集信息；傳送層將信息傳遞到應用層進行處理；應用層完成各種不同的應用。物聯網涉及的關鍵技術非常多，從傳感器技術到通信網絡技術，從嵌入式微處理節點到計算機軟件系統，包含了自動控制、通信、計算機等不同領域，是跨學科的綜合應用。

(1)感知層

物聯網的感知層主要完成信息的采集、轉換和收集。感知層包含兩個部分：傳感器(或控制器)、短距離傳輸網絡。傳感器(或控制器)用來進行數據采集及實現控制，短距離傳輸網絡將傳感器收集的數據發送到網關或將應用平臺控制指令發送到控制器。感知層的關鍵技術主要為傳感器技術和短距離傳輸網絡技術，例如射頻標識(RFID)標簽與用來識別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、短距離無線通信技術(包括由短距離傳輸技術組成的無線傳感網技術)。在實現這些技術的過程中，又涉及到芯片研發、通信協議研究、RFID材料研究、智能節點供電等細分領域。

(2)傳送層

物聯網的傳送層主要完成信息傳遞和處理，傳送層包括兩個部分：接入單元、接入網絡。接入單元是連接感知層的網橋，它匯聚從感知層獲得的數據，并將數據發送到接入網絡。接入網絡即現有的通信網絡，包括移動通信網、有線電話網、有線寬帶網等。通過接入網絡，人們將數據最終傳入互聯網。傳送層是基于現有通信網和互聯網建立起來的層。傳送層的關鍵技術既包含了現有的通信技術，如移動通信技術、有線寬帶技術、公共交換電話網(PSTN)技術、Wi-Fi通信技術等，也包含了終端技術，如實現傳感網與通信網結合的網橋設備、為各種行業終端提供通信能力的通信模塊等。

(3)應用層

物聯網的應用層主要完成數據的管理和數據的處理，并將這些數據與各行業應用的結合。應用層包括兩部分：物聯網中間件、物聯網應用。物聯網中間件是一種獨立的系統軟件或服務程序。中間件將許多可以公用的能力進行統一封裝，提供給豐富多樣的物聯網應用。統一封裝的能力包括通信的管理能力、設備的控制能力、定位能力等。物聯網應用是用戶直接使用的各種應用，種類非常多。物聯網應用包括家庭物聯網應用，如家電智能控制、家庭安防等，也包括很多企業和行業應用，如石油監控應用、電力抄表、車載應用、遠程醫療等。應用層主要基于軟件技術和計算機技術實現。應用層的關鍵技術主要是基于軟件的各種數據處理技術，此外云計算技術作為海量數據的存儲、分析平臺，也將是物聯網應用層的重要組成部分。應用是物聯網發展的目的。各種行業和家庭應用的開發是物聯網普及的源動力，將給整個物聯網產業鏈帶來巨大利潤。

2.傳感網

傳感器網絡是由大量部署在一定區域內的、具有無線通信與計算能力的微小傳感器節點通過自組織方式構成的能根據環境自主完成指定任務的分布式智能化網絡系統。傳感器網絡的節點間距離很短，一般采用多跳(multi-hop)的無線通信方式通信。傳感器網絡可以在獨立的環境下運行，也可以通過網關連接到互聯網，使用戶遠程訪問。隨著微機電系統(Micro-Electro-Mechanism System，簡稱MEMS)、片上系統（SOC，System on Chip）、無線通信和低功耗嵌入式技術的飛速發展，孕育出無線傳感器網絡(Wireless Sensor Networks，WSN)，并以其低功耗、低成本、分布式和自組織的特點帶來了信息感知的一場變革。

ZigBee技術譯為紫蜂技術，是一個有關組網、安全和應用軟件方面的新型傳感器網絡，被稱作IEEE802.15.4(ZigBee)技術標準在標準化方面，IEEE802.15.4工作組主要負責制定物理層和MAC層的協議，其余協議主要參照和采用現有的標準，高層應用、測試和市場推廣等方面的工作將由ZigBee聯盟負責。其結構簡單、低功耗、低速率、低成本和可靠性高的雙向無線網絡通信技術，主要適合于自動控制領域，可以嵌入各種設備中，同時支持地理定位功能。完整的ZigBee協議套件由高層應用層、應用會聚層、網絡層、數據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，直接序列擴頻)技術，使用相同的物理層數據包格式，區別在于工作頻率、調制技術、擴頻碼片長度和傳輸速率。其中2.4GHz波段為全球統一的無需申請的ISM頻段，有助于ZigBee設備的推廣和生產成本的降低，該頻段的物理層使用了16個信道、250kb/s的傳輸速率。

(2)數據鏈路層

數據鏈路層分為邏輯鏈路控制子層(LLC)和介質訪問控制子層(MAC)。LLC子層功能包括傳輸可靠性保障、數據包的分段與重組、數據包的順序傳輸；MAC層通過SSCS(Service-Specific Convergence Sub layer，業務相關的會聚子層)協議能支持多種LLC標準，其功能包括設備間無線鏈路的建立、維護和拆除、確認模式的幀傳送與接收、信道接入控制、幀校驗、預留時隙管理和廣播信息管理。

(3)網絡層

網絡層采用基于ad hoc技術的網絡協議，功能包括拓撲管理、MAC管理、路由管理和安全管理根據節點的不同角色，可分為全功能設備(Full Function Device；FFD)與精簡功能設備(Reduced Function Device；RFD)。前者具備控制器(Controller)的功能，能夠提供數據交換；后者電路較為簡單且存儲體容量較小，只能傳送數據給FFD或從FFD接收數據。應用匯聚層負責把不同的應用映射到ZigBee網絡層上，包括安全與鑒權、多個業務數據流的匯聚、設備發現和業務發現。

(4)應用層

應用層定義了各種類型的應用業務是協議棧的最上層用戶。

3.智能家居

智能家居概念的起源很早：20世紀80年代初，隨著大量采用電子技術的家用電器面市，住宅電子化開始實現；80年代中期，將家用電器、通信設備與安全防范設備各自獨立的功能綜合為一體，又形成了住宅自動化概念；至80年代末，由于通信與信息技術的發展，出現了通過總線技術對住宅中各種通信、家電、安防設備進行監控與管理的商用系統，這在美國被稱為Smart Home，也就是現在智能家居的原型。智能家居在WiKi百科中定義如下：以住宅為平臺，兼備建筑、網絡通信、信息家電、設備自動化，集系統、結構、服務、管理為一體的高效、舒適、安全、便利、環保的居住環境。進入21世紀后，智能家居的發展更是多樣化，技術實現方式也更加豐富。總體而言，智能家居發展大致經歷了4代。第一代主要是基于同軸線、兩芯線進行家庭組網，實現燈光、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技術進行組網，實現可視對講、安防等功能。第三代實現了家庭智能控制的集中化，控制主機產生，業務包括安防、控制、計量等業務。第四代基于全IP技術，末端設備基于zigbee等技術，智能家居業務提供采用“云”技術，并可根據用戶需求實現定制化、個性化。目前智能家居大多屬于第三代產品，而美國已經對第四代智能家居進行了初步的探索，并已有相應產品。近年來，物聯網成為全球關注的熱點領域，被認為是繼互聯網之后最重大的科技創新。物聯網通過射頻識別(RFID)、紅外感應器、全球定位系統、激光掃描器等信息傳感設備，按約定的協議把任何物品與互聯網連接起來進行信息交換和通訊，以實現智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理。物聯網的發展也為智能家居引入了新的概念及發展空間，智能家居可以被看作是物聯網的一種重要應用。基于物聯網的智能家居，表現為利用信息傳感設備(同居住環境中的各種物品松耦合或緊耦合)將家居生活有關的各種子系統有機地結合在一起，并與互聯網連接起來，進行監控、管理信息交換和通訊，實現家居智能化。其包括：智能家居(中央)控制管理系統、終端(家居傳感器終端、控制器)、家庭網絡、外聯網絡、信息中心等。

3.1 典型的智能家居功能

家居安全監控：各種報警探測器的信息采集，開關門報警等如門磁、緊急按鈕、紅外探測、煤氣探測、火警探測等，并向住宅小區物業管理和警署報警。

家電控制：利用計算機、移動電話通過高速寬帶接入，并對電燈、空調、冰箱，電視等家用電器進行遠程控制。

家居管理：遠程三表水、電、煤氣!傳送收費。

家庭教育和娛樂：如遠程教學、家庭影院、無線視頻傳輸系統、在線視頻點播、交互式電子游戲等。

家居商務和辦公：實現網上購物、網上商務聯系，視頻會議。

3.2 智能家居的特點

節省費用：在不需要時，能源消耗裝置可以自動關閉，這樣可以降低您的費用。

使用方便：自動化系統提供遠程遙控接口。自動化系統還可以把重復的工作自動化。在您外出時，還可以調整或控制家電。

安全性高：家庭自動化系統在緊急情況時可以防御壞人或報警。您可以在任何地方可以監控該安全系統，這樣可以保證您的家居安全運行。

改變生活方式：你可以穿著丁恤在家辦公，可以在家炒股、進行遠程會議，主婦在網上逛街，孩子在家里上課等。生活中的方方面面都可以通過互聯網在家進行，不受時間空間的限制。現代化的生活工作方式較以往有了很大區別。

智能家居可以為人們帶來更為愜意輕松的生活，在生活、工作節奏越來越快的今天，家居智能化也可以為人們減少繁瑣家務、提高效率、節約時間，讓人們有更多的時間去休息、教育子女、鍛煉身體和進修，使人們的生活質有了很大的提高。

4.結束語

在物聯網技術快速發展的今天，相信物聯網智能家居技術也可以得到較快發展。當科技應用于日常生活，改變人們的生活習慣的時候，相信又一次的技術革命也離我們不遠了。

[1]朱洪波,楊龍祥,朱琦.物聯網技術進展與應用[J].南京郵電大學學報(自然科學版),2011(01).

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