某樣板展示房智能家居系統功能淺析

劉 霄， 霍偉亮

(中國建筑標準設計研究院有限公司，北京100048)

0 引言

隨著科學技術的發展和人民生活水平的不斷提高，人們對居住品質及檔次提出了更高層次的需求，智能家居是利用先進的計算機技術、網絡通訊技術、綜合布線技術，融合個性需求，將與家居生活有關的各個系統(如安防、照明、窗簾控制、燃氣閥控制、暖通空調等)有機結合在一起，通過智能控制和管理，優化人們的生活方式和居住環境，實現“以人為本”的全新家居生活體驗。在人們生活節奏越來越快的現代社會，智能家居像一位時刻關注家居生活的智能管家，創造一個舒適、溫馨、安全的環境，使建筑達到高效、經濟、節能、協調的運行狀態，典型的智能家居系統示意圖如圖1所示。

1 通信協議

智能家居強調人的主觀體驗，重視人與環境的和諧，涵蓋了健康、語音、安防、燈光、家電、娛樂、環境七大類產品，實現了對智能家居設備的全方位操控、智能情景的聯動控制以及場景模式的制定等，為成千上萬的家庭打造一個更加舒適、智能、安全的家居生活環境。一套智能家居系統主要涵蓋三個組成部分:軟件、硬件以及通信協議，通信協議通常劃分為有線跟無線兩種。當前市面采用較多的有線協議有TCP/IP協議、RS485協議、CAN協議、KNX協議，無線技術有RF433、紅外技術(IrDA)、藍牙技術(Bluetooth)、WiFi、Zigbee、Z-Wave 等。

(1)TCP/IP是基于TCP和IP這兩個最初的協議之上的不同的通信協議的大集合。

(2)RS-485協議是一個串口協議，只定義傳輸的電壓、阻抗等，不對軟件協議給予定義。

(3)CAN協議屬于現場總線的范疇，是一種有效支持分布式控制系統的串行通信網絡。

(4)KNX協議為通過一條總線將各個分散的設備連接并分組和賦予不同功能的一種協議。

表1對智能家居系統主流有線協議做了簡單的比較。

圖1 典型智能家居系統示意圖

表1 智能家居主流有線協議

RF433協議特點是安全可靠、成本低廉、簡單易行，不受墻壁和樓層的影響，其為星型網絡拓撲結構，傳輸距離可達1 000m，是較理想的智能家居協議，但是由于各個廠家生產的RF433產品標準不統一，導致各個廠家的產品不能互相兼容使用。

紅外技術(IrDA)利用紅外線來傳遞數據，是無線通訊技術的一種。廣泛應用于小型移動設備互換數據和電器設備的控制中，例如筆記本電腦、移動電話之間或與電腦之間進行數據交換(個人網)，電視機、空調的遙控器等，由于紅外線的直射特性，紅外通訊技術不適合傳輸障礙較多的地方。

藍牙(Bluetooth)是一種無線技術標準，也是生活中最常見的協議，接觸最多的就是手機藍牙配對和藍牙音箱了，通過短距離的無線通訊，可以傳輸大數據，為生活帶來了許多便捷。其傳輸距離較近，一般＜10m，無法進行組網，在穩定性和受干擾能力方面也較差。

WiFi是生活中最常見的無線協議，采用的是國內2.4G免費頻段，直接連入互聯網，手機下載APP，可以直接進行控制。其只支持星型網絡拓撲結構，通過多基站的方式實現網絡空間拓展，協議穩定性、安全性比較差，容易斷開連接，被人破解，在功率消耗比較大，而且穿墻能力和衍射能力較弱。

Z-Wave技術是一種新興的基于射頻的、低成本、低功耗、高可靠、適于網絡的短距離無線通信技術，該技術多用于住宅、照明商業控制以及狀態讀取應用，例如抄表、照明及家電控制、HVAC、接入控制、防盜及火災檢測等。

Zigbee技術是一種近距離、低功耗、低速率、低成本的雙向無線通訊技術，其主要用于距離短、功耗低且傳輸速率不高的各種電子設備之間進行數據傳輸以及典型的有周期性數據、間歇性數據和低反應時間數據傳輸的應用。ZigBee協議具有自組網能力，安全性、可靠性、抗干擾能力及自我恢復能力都比較強。在智能家居領域，ZigBee協議也是公認的目前最適合的協議之一。

表2對智能家居系統主流無線協議做了簡單的比較。

表2 智能家居主流無線協議

2 裝配式鋼結構住宅樣板間智能家居系統

2017年9月，由國資委首次組織舉辦的大型中央企業創新成就展在北京開展，作為國資委唯一的建設科技企業展示了以讓人民享有更宜居的生活環境為宗旨，集成綠色、科技、宜居住宅的最新研發成果，成功搭建完成高品質的全面裝配式鋼結構健康住宅樣板房，作為樣板展示房，其智能化系統設置全面，基本集成了現階段智能家居系統最新成果，對于百姓生活的細心與用心，成就了本樣板展示房的科技與品質，展廳外景實圖見圖2。

智能家居不是新技術新產品的堆積，而是通過挖掘用戶深層次的對美好生活的需求，將人性化的理念融入設計中，創造出一個舒適、安全、方便和高效的生活環境。樣板展示房針對各個智能化系統，無論從配電可靠性、通訊協議、還是可擴展性都進行了深入的設計，采取相應的容錯措施，保證系統正常安全使用，具備應付各種復雜環境變化的能力。本樣板展示房以Zigbee無線、KNX總線為基礎，兼容各類主流 WiFi、RS485、RF433、藍牙等多項技術協議，包括智能照明、智能遮陽、智能安防、智能門鎖、智能家電、智能暖通空調、智能影音、環境質量監測、智能睡眠監測等系統及配套產品，給用戶創造了舒適、安全、節能、便捷的智能家居生活，樣板展示房的智能家居系統布置詳見圖3，下面簡要介紹一下展示房的幾大系統功能。

2.1 智能照明控制系統

展示房可以通過智能面板、手機等多種智能控制方式實現對房間內燈具的開關、調光及“影院、閱讀、浪漫、宴會、離家、回家”等多種一鍵式燈光場景效果的實現。開關、調光驅動器本身具有手動撥鈕、逐漸亮滅、邏輯、延時、預設、閃爍、狀態反饋等功能，用戶可隨時就地或遠程監控系統燈光開閉狀態，實現柔和開啟、柔和關閉的效果，觸摸屏控制調光可實現高精度調控，輕松實現自己喜歡的光照度，當天氣突然變暗時系統自動結合窗簾開閉狀態開啟屋內的照明。玄關燈具采用人體探測器控制，移動感應系統可自動檢測人員進出門廳情況，當檢測到人員進入門廳時燈光自動亮起，人員離開時燈光延時關閉，最大限度的保證了節能、環保、舒適、方便的功能。

圖3 樣板展示房智能家居系統布置圖

2.2 場景智能控制系統

展示房可通過智能觸摸屏或手機設置不同的場景，如回家場景、離家場景、布防場景、撤防場景、全開場景、全關場景等，只要輕觸面板就可以輕松對各個場景之間進行切換，便捷管理您的居家環境。

(1)影院場景:晚飯后，坐在客廳一鍵開啟電影模式，在家私享影院效果，燈光自動熄滅、窗簾合閉、投影幕布緩緩降下，隨著投影機、音響等系統設備開啟，坐在沙發上即可享受一場舒適、便捷、智能的視聽盛宴。

(2)閱讀場景:閱讀時，可以通過輕觸觸摸屏上的“閱讀”，調節預先設定好燈光場景，關閉電視和背景音樂，處于柔和的燈光、適合的溫度和安靜的環境中。

(3)浪漫場景:按下“浪漫場景”控制按鈕，開啟預先設定好的燈光場景，在餐桌上只有一盞燈光，同時響起悠揚浪漫的背景音樂，打造溫馨、浪漫、適宜的燈光音樂環境。

(4)宴會場景:宴請貴賓時，只需輕觸觸摸屏，餐廳客廳明亮的燈光配合空調、新風、電動窗簾無聲無息的打開，喚醒背景音樂，絕妙的燈光場景、流動著的古典音樂，打造華貴、優雅就餐環境。

(5)離家場景:一鍵關閉所有燈光，所有電器斷電，全宅布防。在外奔波無需擔憂，安防布警后有人進入房間時，警報器自動響起，燈光打開、音樂響起，系統自動向戶主手機，物業電話發出警報。

(6)回家場景:只要用指紋輕輕打開家門，玄關、過道、客廳的燈光自動亮起，窗簾緩緩打開，背景音樂緩緩響起，切斷家中的安防系統，一鍵打開提供您日常生活所需的一般照明。

2.3 智能環境監測系統

設置智能環境監測系統，可監測室內外環境數據，如甲醛、CO2、PM2.5、室內外溫度、室內外濕度、室外風速、室外雨量等環境信息，相應環境信息可通過智能觸摸屏、手機APP(移動ipad)隨時查詢；通過環境監測數據實現自動通風、遮陽、開啟空調、開啟新風等功能，并將相關設備狀態反饋至智能觸摸屏、手機APP(移動ipad)；還可根據外界光線的變化和場景設定情況自動調節遮陽簾，充分利用自然光線，實現最大限度的節能；通過人體感應控制的方式，檢測到有人使用衛浴間的時候，自動打開燈光以及排氣扇，在無人使用的時候，自動延時關閉燈光、排氣扇。

2.4 智能安防系統

智能安防系統包括可視對講系統、門禁控制系統、視頻監控系統、燃氣報警系統、漏水監測系統、緊急求助系統、入侵報警系統等。安全是居家生活最關注的問題，如何能夠通過智能家居來讓用戶的安全有一個更好的提升，能夠安安心心睡覺，踏踏實實出門，設置可視對講系統，當有人來訪時，住戶可以通過家中的可視對講系統看到來訪者，并可以通過視頻通話確認來訪者的身份，提高住宅安全性的同時也避免了不必要的打擾；門禁控制采用指紋、感應卡、密碼驗證等方式控制門禁開啟，防止未授權人員進出住宅，保障住宅安全，并具有身份識別功能；通過智能家居的云攝像頭，可以對家中進行24h實時監控，手機實時查看，一切盡在掌握中；通過室內的安防檢測設備，實時監測家中漏水、漏氣、起火等險情，并且能夠及時控制，如廚房的燃氣檢查，智能控制系統通過燃氣探測器，檢測到燃氣泄漏后聯動關閉閥門；在衛生間里，系統通過漏水檢測器檢測到浴室漏水后，聯動電磁水閥，主動關閉供水，并在馬桶邊設置了緊急求助按鈕，當需要幫助時，按下按鍵，系統將聯動背景音樂播放提示語音或者通過APP發出提示信息，尋找及時的幫助，其報警信息第一時間反饋至用戶及社區管理中心等處；設置入侵報警系統，通過紅外、微波、門磁、對射等技術，對陽臺門口進行實時偵測，當發現非法入侵、破壞等情況時系統將第一時間發出警報，保證住宅內人身和財產的安全。

2.5 背景音樂系統

在序廳、客廳設置背景音樂系統，平時播放背景音樂，當使用移動麥克進行講解時，自動切換成講解內容。展示房KNX智能控制系統可通過觸摸屏實現室內各房間揚聲器獨立開閉控制，播放MP3/MP4等，還可通過觸摸屏面板、手機等切換音源、調節音量、選擇播放列表等。

2.6 智能魔鏡

在展廳衣帽間設置了智能魔鏡，其外觀精致猶如一件藝術品，集觸屏應用、健康監控、外接設備和信息交互等功能于一體。魔鏡首先是一面普通的鏡子，當它被“喚醒”后，就變成了一個智能交互中心；魔鏡可無縫融入智慧家居生活，每天早上通過智能語音播放獲取熱點新聞、天氣狀況、路況信息等；通過鏡面的觸控面板，集中控制燈光、水溫、門禁、音樂等，實現家居中控、智能安防、可視對講等功能和全宅智能化管理；在智能魔鏡上，用戶可以一鍵開啟空調、燈光、窗簾、電視、熱水器等，預設多種場景模式，還可以連接手機，接收手機上的各類信息推送，真正成為生活中的小助手。

2.7 其他智能家居系統

樣板展示房同時設置有智能家居電器控制系統，視頻共享系統，其中在床頭的睡眠儀，具有睡眠狀態感知記錄，分析監測等功能，除了睡眠儀，還有智能體重秤、血壓測量儀等智能產品，因本樣板展示房用地空間有限，諸如智能化灌溉系統、智能化停車系統等未設置，下面也對這兩個系統做簡單介紹。

(1)智能灌溉系統

智能灌溉是指針對庭院花草的智能化噴灌，自動灌溉系統是實現健康種植的先進技術手段，該系統不再需要人工手動去為花草澆水，只需要用手機就可以直接遠程控制，同時也可以進行定時，實現每隔一段時間自動澆水，如果出去旅游、出差，不必擔心家中花草澆水問題，配合戶外智能攝像機，可以遠程查看并一鍵解決。智能灌溉系統工作原理為通過水閥控制器來進行澆灌，水閥控制器具有非常智能化的系統，它的控水裝置系統由開啟鍵、多功能按鍵、關閉鍵、LED燈、控制器主體、進水口以及出水口組成，除了控水裝置系統這個比較重要的系統之外，還有無線網關以及無線溫度濕度傳感器，并且可以通過手機來進行操控，從而實現這個水閥控制器的智能化操作。

(2)智能化車庫系統

車庫的智能化管理重點在智能車庫門，方便回家停車和開車出門。智能車庫門除支持相應的遙控設備控制外，還支持手機管理，通過遠程、定時等方式，可支持基于地理位置方式的控制，如可以車遠離車庫多遠進行自動關門，開車回家時距車門多遠自動開門等。

3 樣板間智能家居系統整體效果

樣板展示房通過綜合布線、網絡通信、安全防范、自動控制等技術將家居生活相關的電氣設備進行集成，建立起一套完備高效的智能家居系統，可實時對室內溫度、濕度、空氣質量進行監測與調節，同時配備可視對講、遠程安防、一鍵呼救等智能防護等，提升了家居的安全性、便利性、舒適性、藝術性。在社會競爭日趨激烈、生活壓力日益加大的今天，智能家居系統為用戶帶來一份放松與愜意，在溫馨的家庭環境里釋放情感，舒緩心情，尋求一份寧靜與平衡。

4 智能家居系統安全隱患及應對措施

毫無疑問，智能家居的出現給用戶帶來便利，大大改善了使用者的生活，但智能家居背后的安全問題也絕對不能忽視，安全漏洞除了存在通訊協議上，還可能會存在軟件、硬件、系統上，如敏感數據被盜導致個人隱私泄漏、智能家居被非法入侵等情況、竊賊可以通過控制智能門鎖進行盜竊活動、縱火犯通過控制智能烤箱致使受害者遭受火災威脅等。作為用戶而言，需要加強安全防范意識，保護好個人信息，設置高級密碼等；對廠家而言，在產品設備的研發過程中必須嚴格考慮安全因素，將安全隱患減小到最低，針對各種安全威脅采取對應的措施；同時國家應健全法律法規，在智能家居產品設備的研發生產環節中加強監管，完善安全標準和安全法規，建立有效的安全測評體系。

5 結束語

智能家居系統致力于解決設備與設備之間的互聯互通，通過人工智能、物聯網、云計算、語音識別、人臉識別、5G等技術與家庭電器產品、暖通空調設備、安防設備和影音等系統深度融合，構建成一個互聯互通的家庭互聯網，增加設備與用戶之間的粘度，各項新技術的發展必將在智能家居行業發揮重要的作用。智能家居系統將智能化融入生活，做出“懂你”的人性化體驗，讓我們的生活變的更加便利、舒適、安全與美好，智能家居產業必將迎來燦爛的明天。