论文部分内容阅读
摘要：智能家居是指将家庭中各种与信息相关的通信设备、家用电器和家庭保安装置，通过总线技术连接到一个智能家庭控制器上，并把其中的一些设备和装置通过家庭网关接入互联网，以实现其现场和远程实时监视、控制、家庭事务性管理，并保持这些家庭设施与住户及环境的和谐与协调。
关键词：智能家居，智能小区，智能住宅，智能控制
中图分类号：[F287.8] 文献标识码：A 文章编号：
一、引言
1.1 智能建筑家居系统的产生背景
智能住宅是近几年产生并迅速崛起的一种新型住宅，而家居的智能化是其最重要最基本的内容，它是建筑艺术、生活理念与信息技术、电子技术等现代技术的完善综合。
家居的智能化为住户提供了一种更加安全、舒适、方便、快捷和开放的智能化、信息化的生活空间。它不仅已经成为一个国家经济实力和科学技术的综合标志之一，而且也是人类社会住宅发展的必然趋势。
1.2 智能家居系统的功能
智能家居一般是指将家庭中各种与信息相关的通信设备、家用电器和家庭保安装置，通过家庭总线技术连接到一个智能家庭控制器上，并把其中的一些设备和装置通过家庭网关接入互联网，以实现其现场和远程实时监视、控制、家庭事务性管理，并保持这些家庭设施与住户及环境的和谐与协调。
智能家居系统一般具有如下功能：
⑴ 家庭联网功能：通过智能家居控制器的 HUB 功能，可接入电脑组建家庭局域网，并可同时使用一个账号上宽带网，节省费用。支持家庭网络综合布线，避免今后增加电脑却没布线的烦恼，特别适合远程购物、远程教学及远程医疗、家庭办公、娱乐和未来信息家电上网的需求；
(2)防盗报警功能：通过接入各种红外探头、门磁开关，并可根据需要随时布防撤防，相当于安装了电子保笼、电子窗和电子防盗门，可以快速探知并警告闯入的不法分子，保卫人们的生命和财产安全；
(3)防灾报警功能：通过接入烟雾探头、瓦斯探头和水浸探头，全天候 24 小时监控可能发生的火灾、煤气泄漏和溢水漏水，并可在发生报警时联动关闭气阀、水阀，为家庭构建坚实的安全屏障；
(4)远程控制功能：利用电话或手机可在办公室或其他地点进行远程控制家庭电器开关及布撤防等，如下班前利用电话打开家里的空调，回到家后便可享受温暖如春的环境；
二、智能建筑家居系统的相关技术及其发展
2.1 智能建筑家居系统的系统结构
智能家居系统由家庭网关、家庭局域网、家庭设备等部分组成。相互的结构关系如图所示。
图1-1
由图1-1可以发现，家庭网络是智能家居系统的联系枢纽。没有家庭网络，其他部分就处于孤立的的状态，系统的功能大都无法实现，所以家庭局域网的设计是构建智能家庭系统的前提和基础。组网的参照 OSI(Open System Interconnection)的网络模式，可以简单地把欲实现上述功能的家庭网络分为如下四层模式。相应的家庭网络的协议标准可以分为两种情况:1、2 层的协议规范可以叫做底层协议规范，中间件层（3 层)协议规范和 IV 层（4 层)规范可以称作高层协议规范。
2.2 智能建筑家居系统的通讯媒体技术
家庭网络的通讯主要是以物理媒体层的实际电磁信号为主要传输载体，所以物理媒体层传输介质是整个家居网络的物质基础。因而家庭网络的通讯媒体的选用是很重要的。目前，家庭网络的通讯媒体主要有以太网(双绞线)、电话线、电力线、红外线、电缆和光纤等几种，但当前主要以双绞线、电话线和电力线为主，家庭无线网络将以其灵活方便和可移动计算的特点而成为未来发展的方向。
2.2.1 有线通讯技术
有线通讯方式主要利用家庭中的电力载波、总线技术等方式进行通讯。
(1) 电力载波
x10是一种国际通用的智能家居电力载波协议（即一种通讯“语言”），用这种“语言”的兼容产品可以通过电力线相互“说话”，无需重新布线，被控制的电器可多达256路。低廉的价格、上千种的产品以及简单的设置方式可以使您迅速进入智能家居时代。
X-10是以50Hz或（60Hz）为载波，再以120KHz的脉冲为调变波（Modulating Wave），发展出来的数位控制技术，并制定出一套控制规格，是以电力线为连接介质对电子设备进行远程控制的通讯协议。在许多国家已广泛的应用于家庭安全监控、家用电器控制、室内照明控制、背景音乐控制和住宅仪表数字读取等方面。该系统的特点有：安装施工简便，系统调试比较简单；可用于旧房子改造工程，新房子装修工程；系统稳定、可靠、安全；使用方便，操作简单；具有系统扩展功能；产品价位比较底。
(2) 总线技术
总线技术在智能家居行业当中，目前可以算是应用最为广泛的一种技术手段。消费电子总线技术是美国电子工业协会（EIA）于1984年4月开始组织开发出的家居网络标准，于1992年正式推出，并定义为IS-60/EIA-600标准。参与研究开发（CEBus）的公司多达几百家，像IBM、Bell、Panasonic、Sony等都是它的会员。CEBus是一个较完整的开放系统，并要求控制信号在所有的介质中都要以相同速度（10kbit/s）传送，从而有效的避免了信号传输中可能出现的“瓶颈”问题。但由于CE Bus接口技术比较复杂，价钱非常昂贵，因此CEBus在中国的应用也不多见。
2.2.2 无线通讯技术
家庭网络无线通讯方式主要集中于红外线、无线射频、ZigBee三种技术的应用。
(1)红外线
随着电子技术的发展，红外遥控己广泛应用于家用电器、安全保卫、工业控制以及人们日常生活等方方面面。红外遥控调制简单，易于编码，可实现多路控制，成熟的红外线遥控技术与微处理器结合，扩大了红外技术的应用范围。红外遥控的主要问题是红外线无法穿透墙壁，应用受到空间的限制，因此只适合作为家庭网络的辅助通讯媒体。
(2)无线射频
无线射频技术的成熟性在很多应用领域已经得到了验证。与其它方式的家庭网络系统相比，无线系统的费用较为昂贵，一方面，是因为要有专门的较大功率的收发器；另一方面，是要用数字信号处理芯片过滤来自其它设备的干扰。当前无线局域网有多种技术标准，因不同厂家产品不能互操作而给其市场拓展带来限制。三个最有潜力的无线技术是:IEEE802.11 协议、共享无线接入协议(SWAP)和蓝牙技术。
(3)ZigBee
ZigBee技术，它是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术，符合IEEE802.15.4协议，是IEEE工作组专门为家庭短距离通讯制定的新标准。
ZigBee技术的主要优点有：(1)省电：两节五号电池可使用长达六个月到两年左右的时间;(2)可靠;采用了碰撞避免机制;(3)成本低;(4)安全：ZigBee提供了数据完整性检查和鉴权功能，加密算法采用AES-128，各种应用可以灵活确定其安全属性。ZigBee技术的特点完全符合家庭网络通讯的需要，因此选择ZigBee技术构建智能家居無线网络系统。
2.3 智能建筑家居系统的 Internet 技术
我国接入网的建设始于90年代中期,到目前为止,网上运行的接入网设备绝大部分是窄带接入系统。近几年,Internet 以惊人的速度迅猛发展,随着其服务内容的增多,用户对数据传送速率的需求也日益增加。目前,智能家居接入Internet的方式主要有以下几种:局域网专线接人、ADSL接入、CableModem接入等。
(1)局域网专线的接入
这种方式需要配备高性能接入路由器设备,租用电信部门的专线并向CNNIC申请IP地址及注册域名。路由器可以通过 DDN 专线(最高可达 2.048M 带宽)、FrameRelay、X.25、ISDN 拨号等方式与 Internet 相连。局域网专线接人的优点是具有技术标准成熟、设备稳定可靠、安全性高、接入速度快、扩展性好、性能价格比高；管理简便、易于使用与维护；可以方便与其他客户网络互联等特点。
(2)ADSL 接入
目前,ADSL 的热潮席卷世界各地,世界范围内各大网络公司相继推出 ADSL 的产品并致力于 ADSL 的发展,全球许多电信公司、ISP 也纷纷推广各自的 ADSL 服务:北美、新加坡等率先正式投入营业,日本、韩国等国家也已进入试验阶段,中国电信在北京、上海、广东、福建等地已进行相关的网络测试并开始试验性推广,而深圳更是已进入了实用阶段,2001 年是 ADSL 走向普及的一年。ADSL 能够向终端用户提供 8Mb/s 的下行传输速率和 1Mb/s 的上行传输速率,比传统的 56K 模拟调制解调器快将近 100 倍。这也是传输速率达 128kb/s 的 ISDN(综合业务数据网)所无法比拟的。ADSL 具有上下行速率不对称的特性,因此,其应用主要适用于为用户提供上网服务以及 VOD 点播等业务,而不适用于局域网互连的业务。
(3)“ADSL+ATM/以太网”的方式
用户端配置 ADSL 远端设备,局方配置 DSLAM(ADSL 局端设备),它们之间用普通电话双绞线进行连接。ADSL 远端设备为用户 PC 提供以太网接口,DSLAM 通过 ATM 或快速以太网与 ISP 相连。通过该网络,用户就可以实现宽带接入因特网。DSLAM 可以放置在 ISP 机房,通过接入网接入到 ISP；也可以直接放置在 ISP 机房,与 ISP 接入平台利用局域网直接相连。利用 ADSL 提供 VOD 视频点播业务则可以采用“ADSL+ATM”的方式。
三、智能家居的未来发展趋势
智能家居系统有以下四个发展方向：
⑴ 向“一体化系统集成”方向发展
家居智能化需满足自动化管理、三表计量、安全防范监控、火灾报警、对讲呼叫、设备监控等六方面内容，把六项内容的智能化功能集成，从而降低成本，是其未来发展的一个方向。
⑵ 向节能环保方向发展
智能化的本质之一是降低成本和提高效率，节能是降低成本的关键技术；环保是全球的要求，智能家居如何结合现有技术降低功耗、减少对家庭和小区的环境污染，提高生活环境的质量，这些也是其未来发展必須考虑的因素。
⑶ 向仿人智能化、网络化、人性化方向发展
仿人智能化是智能控制发展的必然趋势，它是当代高科技技术和生物学技术的高度综合和升华。因此，家居的智能化也必然向仿人智能化方向发展；网络化是信息技术、通信技术和计算机技术发展的必然趋势，是智能化的一个重要条件；人性化体现了“以人为本”的思想，是科学技术发展的目的和最终归宿。因此，也是智能家居未来的一个发展方向。
⑷ 向规范化、标准化方向发展
我国智能家居发展较晚，新技术、新产品层出不穷，标准和规范还在制定之中。产品的规范化、标准化方面仍存在着许多问题；WTO 的加入还需考虑和国际接轨的问题；规范化、标准化是智能家居快速发展、走入国际市场的必由之路。
关键词：智能家居，智能小区，智能住宅，智能控制
中图分类号：[F287.8] 文献标识码：A 文章编号：
一、引言
1.1 智能建筑家居系统的产生背景
智能住宅是近几年产生并迅速崛起的一种新型住宅，而家居的智能化是其最重要最基本的内容，它是建筑艺术、生活理念与信息技术、电子技术等现代技术的完善综合。
家居的智能化为住户提供了一种更加安全、舒适、方便、快捷和开放的智能化、信息化的生活空间。它不仅已经成为一个国家经济实力和科学技术的综合标志之一，而且也是人类社会住宅发展的必然趋势。
1.2 智能家居系统的功能
智能家居一般是指将家庭中各种与信息相关的通信设备、家用电器和家庭保安装置，通过家庭总线技术连接到一个智能家庭控制器上，并把其中的一些设备和装置通过家庭网关接入互联网，以实现其现场和远程实时监视、控制、家庭事务性管理，并保持这些家庭设施与住户及环境的和谐与协调。
智能家居系统一般具有如下功能：
⑴ 家庭联网功能：通过智能家居控制器的 HUB 功能，可接入电脑组建家庭局域网，并可同时使用一个账号上宽带网，节省费用。支持家庭网络综合布线，避免今后增加电脑却没布线的烦恼，特别适合远程购物、远程教学及远程医疗、家庭办公、娱乐和未来信息家电上网的需求；
(2)防盗报警功能：通过接入各种红外探头、门磁开关，并可根据需要随时布防撤防，相当于安装了电子保笼、电子窗和电子防盗门，可以快速探知并警告闯入的不法分子，保卫人们的生命和财产安全；
(3)防灾报警功能：通过接入烟雾探头、瓦斯探头和水浸探头，全天候 24 小时监控可能发生的火灾、煤气泄漏和溢水漏水，并可在发生报警时联动关闭气阀、水阀，为家庭构建坚实的安全屏障；
(4)远程控制功能：利用电话或手机可在办公室或其他地点进行远程控制家庭电器开关及布撤防等，如下班前利用电话打开家里的空调，回到家后便可享受温暖如春的环境；
二、智能建筑家居系统的相关技术及其发展
2.1 智能建筑家居系统的系统结构
智能家居系统由家庭网关、家庭局域网、家庭设备等部分组成。相互的结构关系如图所示。
图1-1
由图1-1可以发现，家庭网络是智能家居系统的联系枢纽。没有家庭网络，其他部分就处于孤立的的状态，系统的功能大都无法实现，所以家庭局域网的设计是构建智能家庭系统的前提和基础。组网的参照 OSI(Open System Interconnection)的网络模式，可以简单地把欲实现上述功能的家庭网络分为如下四层模式。相应的家庭网络的协议标准可以分为两种情况:1、2 层的协议规范可以叫做底层协议规范，中间件层（3 层)协议规范和 IV 层（4 层)规范可以称作高层协议规范。
2.2 智能建筑家居系统的通讯媒体技术
家庭网络的通讯主要是以物理媒体层的实际电磁信号为主要传输载体，所以物理媒体层传输介质是整个家居网络的物质基础。因而家庭网络的通讯媒体的选用是很重要的。目前，家庭网络的通讯媒体主要有以太网(双绞线)、电话线、电力线、红外线、电缆和光纤等几种，但当前主要以双绞线、电话线和电力线为主，家庭无线网络将以其灵活方便和可移动计算的特点而成为未来发展的方向。
2.2.1 有线通讯技术
有线通讯方式主要利用家庭中的电力载波、总线技术等方式进行通讯。
(1) 电力载波
x10是一种国际通用的智能家居电力载波协议（即一种通讯“语言”），用这种“语言”的兼容产品可以通过电力线相互“说话”，无需重新布线，被控制的电器可多达256路。低廉的价格、上千种的产品以及简单的设置方式可以使您迅速进入智能家居时代。
X-10是以50Hz或（60Hz）为载波，再以120KHz的脉冲为调变波（Modulating Wave），发展出来的数位控制技术，并制定出一套控制规格，是以电力线为连接介质对电子设备进行远程控制的通讯协议。在许多国家已广泛的应用于家庭安全监控、家用电器控制、室内照明控制、背景音乐控制和住宅仪表数字读取等方面。该系统的特点有：安装施工简便，系统调试比较简单；可用于旧房子改造工程，新房子装修工程；系统稳定、可靠、安全；使用方便，操作简单；具有系统扩展功能；产品价位比较底。
(2) 总线技术
总线技术在智能家居行业当中，目前可以算是应用最为广泛的一种技术手段。消费电子总线技术是美国电子工业协会（EIA）于1984年4月开始组织开发出的家居网络标准，于1992年正式推出，并定义为IS-60/EIA-600标准。参与研究开发（CEBus）的公司多达几百家，像IBM、Bell、Panasonic、Sony等都是它的会员。CEBus是一个较完整的开放系统，并要求控制信号在所有的介质中都要以相同速度（10kbit/s）传送，从而有效的避免了信号传输中可能出现的“瓶颈”问题。但由于CE Bus接口技术比较复杂，价钱非常昂贵，因此CEBus在中国的应用也不多见。
2.2.2 无线通讯技术
家庭网络无线通讯方式主要集中于红外线、无线射频、ZigBee三种技术的应用。
(1)红外线
随着电子技术的发展，红外遥控己广泛应用于家用电器、安全保卫、工业控制以及人们日常生活等方方面面。红外遥控调制简单，易于编码，可实现多路控制，成熟的红外线遥控技术与微处理器结合，扩大了红外技术的应用范围。红外遥控的主要问题是红外线无法穿透墙壁，应用受到空间的限制，因此只适合作为家庭网络的辅助通讯媒体。
(2)无线射频
无线射频技术的成熟性在很多应用领域已经得到了验证。与其它方式的家庭网络系统相比，无线系统的费用较为昂贵，一方面，是因为要有专门的较大功率的收发器；另一方面，是要用数字信号处理芯片过滤来自其它设备的干扰。当前无线局域网有多种技术标准，因不同厂家产品不能互操作而给其市场拓展带来限制。三个最有潜力的无线技术是:IEEE802.11 协议、共享无线接入协议(SWAP)和蓝牙技术。
(3)ZigBee
ZigBee技术，它是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术，符合IEEE802.15.4协议，是IEEE工作组专门为家庭短距离通讯制定的新标准。
ZigBee技术的主要优点有：(1)省电：两节五号电池可使用长达六个月到两年左右的时间;(2)可靠;采用了碰撞避免机制;(3)成本低;(4)安全：ZigBee提供了数据完整性检查和鉴权功能，加密算法采用AES-128，各种应用可以灵活确定其安全属性。ZigBee技术的特点完全符合家庭网络通讯的需要，因此选择ZigBee技术构建智能家居無线网络系统。
2.3 智能建筑家居系统的 Internet 技术
我国接入网的建设始于90年代中期,到目前为止,网上运行的接入网设备绝大部分是窄带接入系统。近几年,Internet 以惊人的速度迅猛发展,随着其服务内容的增多,用户对数据传送速率的需求也日益增加。目前,智能家居接入Internet的方式主要有以下几种:局域网专线接人、ADSL接入、CableModem接入等。
(1)局域网专线的接入
这种方式需要配备高性能接入路由器设备,租用电信部门的专线并向CNNIC申请IP地址及注册域名。路由器可以通过 DDN 专线(最高可达 2.048M 带宽)、FrameRelay、X.25、ISDN 拨号等方式与 Internet 相连。局域网专线接人的优点是具有技术标准成熟、设备稳定可靠、安全性高、接入速度快、扩展性好、性能价格比高；管理简便、易于使用与维护；可以方便与其他客户网络互联等特点。
(2)ADSL 接入
目前,ADSL 的热潮席卷世界各地,世界范围内各大网络公司相继推出 ADSL 的产品并致力于 ADSL 的发展,全球许多电信公司、ISP 也纷纷推广各自的 ADSL 服务:北美、新加坡等率先正式投入营业,日本、韩国等国家也已进入试验阶段,中国电信在北京、上海、广东、福建等地已进行相关的网络测试并开始试验性推广,而深圳更是已进入了实用阶段,2001 年是 ADSL 走向普及的一年。ADSL 能够向终端用户提供 8Mb/s 的下行传输速率和 1Mb/s 的上行传输速率,比传统的 56K 模拟调制解调器快将近 100 倍。这也是传输速率达 128kb/s 的 ISDN(综合业务数据网)所无法比拟的。ADSL 具有上下行速率不对称的特性,因此,其应用主要适用于为用户提供上网服务以及 VOD 点播等业务,而不适用于局域网互连的业务。
(3)“ADSL+ATM/以太网”的方式
用户端配置 ADSL 远端设备,局方配置 DSLAM(ADSL 局端设备),它们之间用普通电话双绞线进行连接。ADSL 远端设备为用户 PC 提供以太网接口,DSLAM 通过 ATM 或快速以太网与 ISP 相连。通过该网络,用户就可以实现宽带接入因特网。DSLAM 可以放置在 ISP 机房,通过接入网接入到 ISP；也可以直接放置在 ISP 机房,与 ISP 接入平台利用局域网直接相连。利用 ADSL 提供 VOD 视频点播业务则可以采用“ADSL+ATM”的方式。
三、智能家居的未来发展趋势
智能家居系统有以下四个发展方向：
⑴ 向“一体化系统集成”方向发展
家居智能化需满足自动化管理、三表计量、安全防范监控、火灾报警、对讲呼叫、设备监控等六方面内容，把六项内容的智能化功能集成，从而降低成本，是其未来发展的一个方向。
⑵ 向节能环保方向发展
智能化的本质之一是降低成本和提高效率，节能是降低成本的关键技术；环保是全球的要求，智能家居如何结合现有技术降低功耗、减少对家庭和小区的环境污染，提高生活环境的质量，这些也是其未来发展必須考虑的因素。
⑶ 向仿人智能化、网络化、人性化方向发展
仿人智能化是智能控制发展的必然趋势，它是当代高科技技术和生物学技术的高度综合和升华。因此，家居的智能化也必然向仿人智能化方向发展；网络化是信息技术、通信技术和计算机技术发展的必然趋势，是智能化的一个重要条件；人性化体现了“以人为本”的思想，是科学技术发展的目的和最终归宿。因此，也是智能家居未来的一个发展方向。
⑷ 向规范化、标准化方向发展
我国智能家居发展较晚，新技术、新产品层出不穷，标准和规范还在制定之中。产品的规范化、标准化方面仍存在着许多问题；WTO 的加入还需考虑和国际接轨的问题；规范化、标准化是智能家居快速发展、走入国际市场的必由之路。