基于物聯網的智能家居系統構建分析

王飛

摘 要：隨著基于物聯網的智能家居系統的出現，人們對物聯網的關注逐漸從概念發展到了技術應用。文中從物聯網系統的三層體系結構出發，對智能家居系統加以分析，不僅理清了物聯網與智能家居系統的關系，而且明確了智能家居系統的體系結構、技術路線、設計原則等，為構建智能家居系統提供了參考方案。

關鍵詞：物聯網；智能家居；體系結構；技術路線

中圖分類號：TP399 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2018）02-00-03

0 引 言

物聯網（Internet of Things，IoT）是以互聯網為核心，對互聯網延伸和擴展的網絡，物聯網中連接的對象不僅僅包含計算機和移動設備，而且已經延伸擴展到了各種物體之間，在相關網絡協議的控制下，可以實現物體之間的信息交換和通信。物聯網可以簡單地稱為“物物相連”的網絡，也可以理解為互聯網技術與其他多種技術的應用集成，其中最為典型的技術有射頻識別技術、傳感器與檢測技術、全球定位技術、激光掃描技術等，并按照相關網絡通信協議，將任何物體連接到互聯網，實現物體之間的通信和信息交換，完成物體或場景識別、管理和控制等操作，從而滿足實際應用需求。

為了讓人們更加形象地理解物聯網，業界通常以智能家居的生活場景來討論分析。所謂“智能家居系統”就是住宅的智能化，構建高效的家居設施與家庭生活管理系統，以提升家居生活的安全性、便利性、舒適性，實現環保節能的全新家居生活體驗。系統構建需要合理分析規劃，綜合考慮人們的個性需求，利用多種技術，如綜合布線技術、網絡與通信技術、安全防范技術、傳感器與檢測技術、自動控制技術、音頻視頻處理技術等，將與家居生活有關的設施連接并集成，通過網絡實現智能控制和管理。智能家居系統應用通常包括與人們生活息息相關的家居安全防范、生活家電使用、燈光控制、窗簾開閉、煤氣泄露檢測、三表信息的采集、生活娛樂場景的聯動、家庭成員的健康保健、安防保安等。

1 智能家居簡介

智能家居的應用可以追溯到1984年世界上第一幢智能建筑，隨后一些經濟較為發達的國家和地區紛紛提出了各種智能家居方案。在智能家居系統研發方面，美國一直處于領先地位，典型的家庭智能化系統包括微軟公司推出的“夢幻之家”、IBM公司研發的“家庭主任”、摩托羅拉公司創建的“居所之門”等。新加坡、日本、澳大利亞、西班牙、韓國等在智能家居系統研發和應用方面都有實質性的進展。此后，新的智能家居平臺、產品、服務等不斷涌現，主要代表有德國電信聯合一些公司共同構建的智能家居業務平臺Qivicon、Verizon公司推出的智能家居系統、AT&T聯合思科和高通公司推出的全數字無線家庭網絡監視業務系統、蘋果公司發布的Homekit平臺、三星推出的Smart Home智能家居平臺以及由Google收購的Nest智能家居平臺等。后來包括霍尼韋爾（Honeywell）、Control4、西門子（Siemens）等一些世界知名電氣公司也涉足智能家居行業，開展了智能家居產品研發和相關服務。

隨著人們對智能家居認識的提高、居家生活理念的改變以及智能家居相關技術的發展成熟，我國一些傳統家電廠商和從事互聯網的公司開始關注智能家居行業，并紛紛登陸智能家居領域。經歷了萌芽期、開創期、徘徊期、融合演變期后，各大廠商開始依托自身核心優勢密集布局智能家居，推出了相關的智能家居產品。典型代表有中國移動研發的靈犀語音助手，中國電信的“悅me”，基于阿里云OS的智能電視、天貓魔盒、智能空調、智能熱水器等產品，“海爾U-Home”智慧家居、QQ物聯、百度智家、小米智能家庭套裝、樂視超級電視、美的智能電器、格力智能家電等。

不難看出，國外廠商主要集中在智能家居系統的研發和平臺應用方面，而國內廠商更加突出智能家居個性化產品的研發和豐富。

2 智能家居系統設計的目標及原則

2.1 智能家居系統的設計目標

智能家居系統設計的最終目的是讓家庭生活更加安全、舒適、方便及符合環保要求。智能家居系統的本質是為人們提供一種居住環境，必須“以人為本”，以住宅為平臺。可見智能家居系統是家庭生活智能化的應用與提升，使人們可以享受輕松的生活。

2.2 智能家居系統的設計原則

構建智能家居系統應滿足以下原則：安裝簡單；可擴展性；經濟合理；實用性；便利性；可靠性；標準性；數據安全性等。

3 智能家居系統的設計

3.1 物聯網的三層體系結構

從技術架構和功能角度來看，物聯網層次結構自底向上分為感知層、網絡層和應用層，如圖1所示。

感知層位于物聯網層次結構的最底層，該層用到的技術包括傳感器與檢測技術、RFID與識別技術、無線傳感器網絡技術、嵌入式及智能芯片技術等，其功能是實現對環境和物體的智能感知識別、前端信息采集處理以及對應用對象的自動控制。網絡層位于感知層之上，該層的主要技術包括移動通信技術、以太網技術、無線網絡等網絡管理系統和云計算平臺等，其主要功能是完成信息的傳遞、實現路由和控制，達到交互共享和有效處理的目的。應用層位于物聯網層次結構的最高層，該層在感知層和網絡層的支撐下與行業需求相結合，實現物聯網的智能應用與物聯網發展的根本目標。

在物聯網行業應用領域，智能家居系統被確定為物聯網的十大應用之一。

3.2 智能家居系統的體系結構

智能家居系統包含的子系統有家庭能源管理系統、家居照明控制系統、家庭安防系統、背景音樂系統、家庭環境控制系統、家庭娛樂管理系統、家庭網絡系統、家庭信息管理等，如圖2所示。

3.3 智能家居系統相關技術分析

3.3.1 智能家居系統之感知層

物聯網的感知層將多種傳感器、RFID、二維碼等通過無線傳感器網絡連接起來以感知周圍的各種信息。智能家居系統感知層主要應用各種傳感器節點，實現對室內外的實時監控，包括對家庭環境的監控、安防等。感知層工作原理如圖3所示。endprint

其中，防盜設備、安防探測設備和溫濕度探測設備等是智能家居的感知設備。

（1）光線傳感器

光線傳感器通常采用集成光電開關的方式代替傳統開關面板，利用無線傳感網控制實現開關、調光等指令，便于用戶遠程操控和集中控制調節，滿足人們對光的生理匹配。

（2）無線探測器

無線傳感器通過網絡和電子技術組成防盜報警系統，可自動探測監控區域是否存在入侵行為。防盜報警系統主要由探測器、報警控制器和報警裝置三部分構成。其中，探測器是防盜報警系統的核心，是基于物理和化學原理的傳感器，用于分析信息并聯動觸發報警器發出聲音。按照探測器采用的原理和技術，防盜報警設備主要有熱感紅外型、微波物體移動型、紅外微波型、玻璃破碎型、超聲波物體移動型、紅外對射探頭型、激光型、磁控開關型、視頻運動檢測型、聲音探測型等。當發生異常情況時，會觸發探測器，收集信號發生變化，報警控制器進行分析并控制報警裝置發出聲音或聯動其他系統，從而報警。

（3）溫濕度傳感器

溫濕度傳感器主要用于探測室內溫度和濕度及其變化。除空調本身的溫濕度探測功能外，還可以利用溫濕度探測器確切獲得室內的實時溫濕度。即使用戶外出也能非常方便地遠程操控家中設備，如提前啟動空調來調節溫度，回家后便可以享受到宜人的溫度和濕度。

（4）空氣質量傳感器

空氣質量傳感器主要用于探測室內的空氣是否混濁，從而判斷室內空氣是否會影響健康，如果需要改變，可以通過無線傳感器網絡啟動新風系統或其他設備，調節、優化室內空氣質量。

（5）安防探測器

主要利用煙霧探測器來實現智能家居中的家庭安全防護。煙霧探測器的核心部件是煙霧傳感器，用于感知煙霧的濃度，實現報警。當出現異常情況如煤氣泄漏、火災等時，安防探測設備就會感知現場的情況并報警及時通知用戶。

（6）無線門磁、窗磁

該類設備用于防止入侵行為的發生。通過布防，一旦有人觸動就會通知應用端并發出報警信息，家人在家時可以撤防，避免無故報警。同時，不僅可以進行現場布防、撤防，還可以利用傳感器網絡網關進行遠程控制，達到保護家庭人身、財產安全的目的。

（7）可視對講系統

主要利用光傳感器節點采集前端圖像視頻，通過網絡傳輸傳遞至室內機或移動終端，結合實際情況完成相應的對講、門禁開啟等操作。

3.3.2 智能家居系統之網絡層

由于多數智能家居系統采用綜合布線方式，因此需要借助一定的網絡通信技術來完成信息的傳輸任務。這些技術主要包括電力載波技術、以太網技術、WiFi技術、移動通信技術、藍牙技術、紅外通信技術等。

家庭網關是一種簡單、智能、標準化、靈活的網絡接口單元，是智能家居內部系統與外部系統的鏈接單元，也是智能家居系統的核心部分，負責處理智能家居中的信息，實現信息的接收與轉發。其工作原理如圖4所示。

3.3.3 智能家居系統之應用層

物聯網的應用層面向行業實際應用以滿足用戶需求，主要完成數據的管理、處理和應用分析等。應用層包含的技術主要有云計算技術、軟件開發技術、圖像處理與解析技術、信息防護與安全技術等。智能家居系統的家電控制子系統主要基于云計算平臺監控和管理家電的工作狀態：空調可以根據家庭環境溫度自動調節，智能窗簾系統可以根據室外天氣變化自動開啟或關閉。各種設備主要通過無線網絡操作控制，使物與物、物與人之間實現更加有效的互動，通過這些設備為家居主人的生活提供更加貼心的服務。因為智能家居系統中運用了互聯網技術、移動網絡技術等，所以可以通過計算機或移動設備實現全天候、隨時隨地掌握家中各類電器、安防設備的工作運行狀態，用戶可以根據自己的意愿去控制終端設備。這些終端設備都需要集成終端控制器，用戶通過觸摸屏發出控制信息，控制信息通過服務器傳輸到客戶端，使用可靠傳輸協議連接到中央控制器，結合專用或通用協議獲取被控制的設備信息并轉發給中央控制器，從而實現開門、視頻監控、內部呼叫、安全檢測、照明控制、空調溫度調節、風扇開啟、窗簾開合、電視、音響等的控制功能。其工作原理如圖5所示。

（1）室內終端

室內終端是一種室內帶觸摸屏的智能家居控制端，可以固定在室內的某個位置，也可以是PDA設備。該設備通過家庭交換機與家庭網關和智能家居服務器相連接，通過智能家居協調器（家庭網關）與家庭內的各種前端設備如家電、窗簾、傳感器等進行信息交互，達到控制室內設備的目的。

（2）移動終端

移動終端采用智能手機作為控制終端，真正做到可以在任何時候、任何地點控制智能家居設備。隨著智能手機的普及及應用能力的提升，不斷增強用戶體驗。

移動終端可實現多種功能，為用戶帶來更多便利，譬如可視對講功能、家電設備控制功能、安防報警功能、留言留影記錄與查詢功能、視頻監控、電子商務等功能。

3.4 智能家居系統的設備

3.4.1 從現有市場選擇

雖然目前市場上可供選擇的智能家居設備品牌、種類非常豐富，但缺少統一的技術規范，各種品牌的產品設備都有各自的技術和應用特點，導致在實際選擇智能家居產品時很難進行橫向比較。所以進行系統設計時從應用實際需求出發，多角度綜合分析考察，把握好系統穩定性、功能集成度、系統簡潔性、系統適用性、系統擴展性、系統安全性等原則。

3.4.2 DIY制作

專業技術用戶也可以依照智能家居系統規劃的結構，細化所包含的模塊，按照以家庭網關為中心，綜合運用軟件開發、嵌入式系統開發、無線通信等與物聯網相關的技術，進行各種智能模塊或設備的設計制作，親手搭建起屬于自己的個性化、定制化的智能家居系統。

4 結 語

物聯網的應用非常廣泛，涉及各行各業。其中智能家居系統的應用體驗最為直接，因此得到越來越多相關企業及用戶的關注。本文基于物聯網體系結構來設計和分析智能家居，目的是給出較為完善的智能家居系統設計方案，便于人們參照，從而設計搭建自己的智能家居系統。

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