楊建華，聶章龍

（常州信息職業(yè)技術(shù)學院 江蘇 常州 213164）

近些年來，蘇南地區(qū)的經(jīng)濟得到飛速發(fā)展，生活水平逐步提高，居民對住宅環(huán)境提出了更高的要求。智能家居，正因為滿足這一要求而逐漸被人們接受，一些有能力的居民已經(jīng)開始考慮用科學技術(shù)裝飾家庭?；谥悄芗揖踊疽?，根據(jù)對蘇南地區(qū)的人文、地理環(huán)境和經(jīng)濟發(fā)展進行充分調(diào)研后，提出了一種適合蘇南地區(qū)的智能家居解決方案，它的智能化程度總體上體現(xiàn)了智能家居概念中提出的要求，相信該方案的實現(xiàn)一定能提高該地區(qū)國民生活質(zhì)量，為他們尋求一種更加舒適、方便、節(jié)能、環(huán)保的高度智能化的居住環(huán)境。其應(yīng)用系統(tǒng)具有功能穩(wěn)固、可個性化配置的特點，可以適用于該地區(qū)中、高層次居民對其居室進行現(xiàn)代化裝飾的需求。

1 方案架構(gòu)

首先對智能家居的基本功能模塊做了系統(tǒng)的描述，然后在比較國內(nèi)外模塊的優(yōu)缺點的基礎(chǔ)上，確定方案的模塊選型，結(jié)合對江蘇南部地區(qū)人文、社會環(huán)境的調(diào)查，最終提出一套適合蘇南地區(qū)中高檔收入家庭的智能家居解決方案。

目前的智能家居行業(yè)[1]，首先，處于一個初始發(fā)展時期，國際社會暫時還沒有形成一個公認的標準；其次，智能家居的應(yīng)用場所-家庭住宅或住宅小區(qū)，不同的實際環(huán)境也對智能家居提出了不同的要求與解決辦法；此外，居民都希望能夠?qū)χ悄芗揖舆M行個性化配置，滿足自身的特殊需求。這樣的形勢，致使開發(fā)商在實施智能家居時的方式、范圍及側(cè)重點也不盡相同。有些用戶比較注重家電的智能控制，而有些用戶可能更加關(guān)心家庭安全防范，還有些用戶則希望建立相對全面的智能家居系統(tǒng)[2]，滿足多方面的需求。方案充分分析現(xiàn)有的智能家居解決方案，結(jié)合蘇南地區(qū)現(xiàn)狀，從中提取出四個最為基本的功能模塊：家庭對外通信模塊、家庭內(nèi)部通信模塊、家庭安全防范模塊、家庭設(shè)備自動控制模塊，在此基礎(chǔ)上提出一套適合江蘇南部地區(qū)中高檔收入家庭的智能家居解決方案，功能模塊如圖1所示。

圖1 智能家居模塊結(jié)構(gòu)Fig.1 Smart home block diagram

2 技術(shù)性分析

2.1 家庭對外通信模塊

智能家居的最終目的都是為“滿足人們對安全、舒適、方便、高效和符合綠色環(huán)境保護的需求”，其中“方便”要求家庭內(nèi)部系統(tǒng)能夠通過家庭對外接口，實現(xiàn)家庭外部的遠程控制。家庭對外通信模塊的作用在于此，它在智能家居系統(tǒng)中扮演著非常重要的角色。具體來講，該模塊的功能是提供一個家庭內(nèi)部與外部的通信鏈路，通信的內(nèi)容是數(shù)據(jù)信息或指令信息，常用的通信媒介有電話、GSM短信、Internet等。

下文將分別介紹國外、國內(nèi)的各種通信方式[3]，并在比較的基礎(chǔ)上，提出方案解決方案中所選擇的方式。

2.1.1 國外常用通信方式

1）Internet

Internet代表了家庭對外通信方式的最新潮流和未來發(fā)展方向[4]。遠程終端通過Internet訪問家用計算機，兩者之間信息的傳輸實現(xiàn)各種家庭設(shè)備的遠程控制。

基于Internet的家庭對外通信方式，首先要求Internet接入家庭，其次是遠程Internet終端，最后也是最重要的便是家庭網(wǎng)關(guān)。家庭計算機與Internet的連接一般都是基于TCP/IP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)通信，而家庭內(nèi)部可以根據(jù)需求采用其他類型的通信方式。

作為最新潮流和未來發(fā)展方向，Internet有其自身的原因：首先，Internet正逐步走入普通百姓家庭，而且普及的速度非常快，歐美國家計算機普及率比較高，網(wǎng)絡(luò)用戶數(shù)量巨大，亞洲地區(qū)普及率不高，但在家上網(wǎng)的用戶數(shù)量在2005年也達到了超乎想象的1.45億；其次，Internet作為信息通道，有傳輸速度快、信息量大、準確可靠、交互性好等優(yōu)點，文本、音頻、視頻信息都可以無障礙的高速通信；第三，信息家電是將來家用電器發(fā)展的方向，為了提高其智能化，越來越多的電器都帶有網(wǎng)絡(luò)接入功能，與遠程的廠商服務(wù)器聯(lián)系，實現(xiàn)遠程升級維護，與在線商店連接，實現(xiàn)遠程購物；最后，Internet是一個全球信息系統(tǒng)，不受時間和空間的限制，接入網(wǎng)絡(luò)后便可隨時隨地進行遠程操作。

目前，這種平臺還有許多不足，首先，它不能兼顧家庭里已經(jīng)大量存在的非智能家電，不能兼顧有幾千萬人需要通過電視實現(xiàn)上網(wǎng)的群體；其次，寬帶網(wǎng)運營商、接入商、增值服務(wù)商、寬帶設(shè)備與寬帶應(yīng)用軟件生產(chǎn)商，智能小區(qū)投資開發(fā)商、物業(yè)管理商等一系列商家的配合還尚需時日；第三，現(xiàn)階段有不同實際功能需求等因素，導致市場真正啟動還需要相當長的時間。最后，與我國居民住房情況（特別是經(jīng)濟住房、舊房改造、單體別墅等）不太吻合。

2）電話

電話控制是基于DTMF技術(shù)的遠程通信系統(tǒng)。由于電話在全球范圍內(nèi)獲得最廣泛的應(yīng)用，并且DTMF信號的收發(fā)操作抗干擾能力強，信號傳輸穩(wěn)定，基于此的通信系統(tǒng)操作簡便，是遠程控制的理想選擇。通常DTMF信號代表的內(nèi)容是16個不同的數(shù)字按鍵或功能按鍵，電話撥號或者通信過程中的任何按鍵，都對應(yīng)于一個獨立的DTMF信號。這樣的傳輸方式，顯然無法與Internet比擬，它更適合于遠程控制信息的傳送。例如通過遠程普通電話或手機，在系統(tǒng)語音的提示幫助下，輸入正確密碼后對家中的電熱水器、電燈、窗簾、電源等進行控制。

由于電話在世界范圍內(nèi)都有相當普遍的使用，不論時間、地點，只要撥通家庭電話，就可以實現(xiàn)遠程控制，因此采用電話方式的遠程控制得到普遍的應(yīng)用。但隨著居民對智能家居系統(tǒng)功能上要求的不斷提高，特別是醫(yī)療、教育等方面的需求，出現(xiàn)了電話在數(shù)據(jù)通信方面的瓶頸，相對于Internet和機頂盒，電話遠程通信無法滿足用戶對大量數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨蟆?/p>

2.1.2 國內(nèi)常用通信方式

1）Internet

Internet通信方式不僅在國外流行，在國內(nèi)也深受用戶歡迎；在將來一段時間內(nèi)，它都代表了智能家居對外通信方式的發(fā)展趨勢。這主要有以下4個原因：1）Internet已經(jīng)走進千家萬戶，而且將得到更大的普及；2）Internet在控制信息和數(shù)據(jù)信息的傳輸方面，都具備一定的能力和足夠的優(yōu)勢；3）Internet的使用范圍可擴展到地球的任何角落；4）遠程計算機提供的Internet操作接口具有直觀明了、容易操作的特點。

2）電話

電話比Internet更具有普及性和方便性，這是中國國內(nèi)行情；國內(nèi)信息家電的發(fā)展落后于歐美發(fā)達國家，家庭中信息家電的數(shù)量少，無需Internet提供的寬帶數(shù)據(jù)通信鏈路；現(xiàn)階段家庭內(nèi)部智能化方面的需求主要是開關(guān)量家庭設(shè)備，例如電燈、窗簾。因此，智能家居的遠程控制方面，電話通信具有更高的優(yōu)越性。中國國內(nèi)智能家居的研究開發(fā)，很多都將電話通信作為遠程控制的方式，而且，即使提供基于Internet的通信方式，很多解決方案還是將電話通信納入其中，以提供更加全面、方便、可靠的通信手段。

3）手機短信

GSM短信通信方式，利用GSM全球無線移動通訊網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)短信數(shù)據(jù)的傳輸，完成遠程系統(tǒng)的控制，例如家庭、商店、辦公場所的控制和私家車的遠程監(jiān)控等。GSM通訊網(wǎng)絡(luò)信號覆蓋面積廣的優(yōu)點，使其具有低價優(yōu)質(zhì)的遠距離、超遠距離無線傳輸?shù)奶攸c，彌補了Internet網(wǎng)絡(luò)和固定電話有線控制的缺陷。GSM全球無線移動通訊網(wǎng)絡(luò)已在全世界普及，因此GSM短信控制系統(tǒng)可廣泛應(yīng)用于單一家庭、小區(qū)物業(yè)、電力、交通、石油、煤炭、鐵道、市政、公安的安防裝置、數(shù)據(jù)監(jiān)測以及遠程監(jiān)控系統(tǒng)。國內(nèi)吸取GSM短信的優(yōu)勢，將其作為智能家居的遠程通信方式，作為家庭內(nèi)外信息連接的橋梁。

GSM系統(tǒng)有幾項重要特點：防盜能力佳、網(wǎng)絡(luò)容量大、手機號碼資源豐富、通話清晰、穩(wěn)定性強不易受干擾、信息靈敏、通話死角少、手機耗電量低。但明顯的缺點是一次通信的容量比較小，與電話通信類似。

2.1.3 本方案選擇的通信方式

本設(shè)計選擇電話作為智能家居遠程通信方式，主要基于以下幾點考慮：1）Internet在中國的普及程度有限，即使家庭內(nèi)部、辦公場所都能方便登陸網(wǎng)絡(luò)，但是在回家途中、旅游景點等場所卻難以完成；2）電話在中國的普及率非常高，特別是手機，任何時間、地點都可以建立無障礙連接；3）國內(nèi)智能家居通信的數(shù)據(jù)內(nèi)容相對較少，基于電話的遠程通信方式在帶寬上已經(jīng)足夠。

2.2 家庭內(nèi)部通信模塊

家庭內(nèi)部通信模塊的作用是，在家庭內(nèi)部建立一個家庭通信網(wǎng)絡(luò)，對內(nèi)連接包括家庭安防、計量、學習、娛樂等在內(nèi)的所有家電設(shè)備與活動，對外與家庭外部通信模塊連接，建立對外通信接口，組建家庭網(wǎng)關(guān)。家庭內(nèi)部通信模塊，與智能建筑的綜合布線有著最大的共同點，目的都是為了建立內(nèi)部通信網(wǎng)絡(luò)，但區(qū)別是前者注重開發(fā)適合不同家居環(huán)境的多種通信方式，而后者則是采用以太網(wǎng)通信方式建立高層建筑、政府機關(guān)、公司總部、新聞機構(gòu)、交通運輸?shù)耐ㄐ畔到y(tǒng)；家庭內(nèi)部通信模塊，與現(xiàn)場總線技術(shù)也有著很多聯(lián)系。

2.2.1 國內(nèi)外常用通信方式

1）以太網(wǎng)

國內(nèi)比較常見的方式是以太網(wǎng)。網(wǎng)絡(luò)的普及以及在人們生活中體現(xiàn)出的重要性，逐步呈現(xiàn)在人們眼前，居民更多地去考慮或選擇家庭內(nèi)部Internet網(wǎng)絡(luò)登陸的方便性，因此裝潢時在居室、客廳，甚至廚房、衛(wèi)生間都布置網(wǎng)絡(luò)接點。硬件環(huán)境保證了基于家庭以太網(wǎng)的智能家居控制系統(tǒng)能夠得到普遍的應(yīng)用。智能家居控制系統(tǒng)的主控制器與執(zhí)行機構(gòu)通過以太網(wǎng)連接，實現(xiàn)雙方數(shù)據(jù)信息、指令信息的通信[5]。一般家庭內(nèi)部的通信主要采用10/100Base-T局域網(wǎng)技術(shù)。以太網(wǎng)通信的另外一個優(yōu)點是網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)的數(shù)量。一個網(wǎng)段內(nèi)最多可以支持256個節(jié)點，通過路由器建立的多網(wǎng)段，可以支持更多的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點。

2）無線通信

BlueTooth、ZigBee、普通無線通信模塊構(gòu)成的家庭內(nèi)部通信方式，成為居民追求的時尚。BlueTooth和ZigBee屬于無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，可以組建相應(yīng)無線網(wǎng)絡(luò)，而普通無線通信模塊更多的只是單一的點對點通信體系。BlueTooth支持IEEE802.15標準，工作頻率2.4 GHz，全雙工的工作方式，支持電路交換及分組交換業(yè)務(wù)，帶寬可達1 Mb/s，此類參數(shù)完全可以滿足智能家居系統(tǒng)的需求；然而10 m的有效距離，作為智能家居通信方式顯然不足。ZigBee支持IEEE802.14.4標準，是一種近距離、低復雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的雙向無線通信技術(shù)。具體參數(shù)有：有效距離10到75米，傳輸速率10 kB/s到250 kB/s，一般操作時間延時15 ms，一個ZigBee網(wǎng)絡(luò)可支持254個從設(shè)備和1個主設(shè)備。有效距離與速率是其不可忽略的弊端，目前還不適合智能家居系統(tǒng)中的應(yīng)用。

無線通信比有線通信更具有優(yōu)勢，具體體現(xiàn)在：①無線通信無需另外布線，特別適合智能家居系統(tǒng)對舊房的改造；②無線通信的輻射范圍可以涵蓋到家庭中任何一個角落，對家庭設(shè)備沒有任何位置方面的要求；③由于沒有物理連線，無線通信具有更高的可靠性。

優(yōu)勢背后，無線通信也有其自身的弊端，主要體現(xiàn)在：①無線通信傳輸?shù)挠行Ь嚯x和方向受墻壁影響；②無線通信的頻率易受外部信號影響形成串擾，阻斷無線傳輸；③無線相對于有線，成本更加高。

無線是將來發(fā)展的趨勢，具備傳輸距離遠、可靠性高，以及節(jié)點數(shù)目可擴展等特性的無線通信，將在智能家居和其他行業(yè)獲得廣泛應(yīng)用。

2.2.2 本方案選擇的通信方式

本設(shè)計選擇以太網(wǎng)作為家庭內(nèi)部通信的方式。主要基于以下考慮：首先，智能家居面向的對象是中高檔住宅，家庭中Internet網(wǎng)絡(luò)布線及接口必定周全、豐富，除了能夠滿足家庭網(wǎng)上沖浪的基本需求外，依然可以用于組建家庭內(nèi)部通信網(wǎng)絡(luò)；其次，以太網(wǎng)的通信方式不受家庭環(huán)境的影響，可以覆蓋到家庭內(nèi)部的任何一個位置；第三，以太網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)靈活，布置Hub和網(wǎng)線便能解決設(shè)備移位、裁減等問題；第四，家電發(fā)展的方向是信息化，其顯著特性是網(wǎng)絡(luò)接入功能，基于以太網(wǎng)的家庭內(nèi)部通信方式，具有非常好的適用性；第五，無線網(wǎng)絡(luò)與電力線的通信實質(zhì)上都是計算機網(wǎng)絡(luò)，以太網(wǎng)與兩者在兼容性方面有足夠的優(yōu)勢，為混和使用提供很好的擴展空間；最后，綜合布線技術(shù)依托的技術(shù)是以太網(wǎng)，目前已經(jīng)形成全面配套的行業(yè)標準，雙絞線、光纖是其主要傳輸介質(zhì)，由于后者正迅速滲透到智能家居行業(yè)中，以太網(wǎng)的內(nèi)部通信方式，為兩者的連接提供一種可能和一種廉價的接入方式。

2.3 家庭安全防范模塊

安全防范就是保障人們在生產(chǎn)、生活和一切社會活動中人身生命、財產(chǎn)和生產(chǎn)、生活設(shè)施不受侵犯，防止侵害行為的總稱[6]。智能家居在滿足人們舒適、方便生活的同時，也要求為家庭提供安全防范方面的保障。它包含的內(nèi)容有防止入侵、盜竊、破壞、爆炸等，它的原則是“以防為主，打防并舉”，安全防范工作貫徹“人防、技防、物防”相結(jié)合的方針政策。因此，智能家居將家庭安全防范模塊定義為其4個基本要素之一。方案將安全防范的內(nèi)容分為兩部分，分別是家庭內(nèi)部環(huán)境安全、家庭對外非法入侵預防，這兩方面都體現(xiàn)了現(xiàn)代技術(shù)在智能家居中的應(yīng)用。

2.3.1 家庭內(nèi)部環(huán)境安全

家庭內(nèi)部環(huán)境安全的目標是：環(huán)境檢測、判斷與遠程交互、報警。檢測的內(nèi)容包括可燃氣體濃度、有毒氣體濃度、二氧化碳濃度、一氧化碳濃度、甲烷濃度、火警，高檔家居還配有噪音、濕度、溫度等檢測內(nèi)容。所有對象數(shù)據(jù)都通過特定傳感器獲取，檢測的結(jié)果作為報警的依據(jù)，可以通過家庭網(wǎng)關(guān)將報警信息發(fā)送至用戶、小區(qū)物業(yè)或者相關(guān)部門，也可以通過電話直接報警。

2.3.2 家庭對外非法入侵預防

家庭安全防范模塊除了具備環(huán)境檢測功能外，還須具有防盜、防入侵、防破壞等功能。從其作用范圍來講，有庭院墻壁上的紅外探頭檢測報警系統(tǒng)；有住宅門附近的視頻或語音檢測報警系統(tǒng)，以及非法入侵檢測報警系統(tǒng)；有住宅窗戶磁檢測報警系統(tǒng)（有些系統(tǒng)包括門與窗）；有家庭內(nèi)部緊急求助系統(tǒng)。當然，一些高檔住宅可能會配備更加全面的安防系統(tǒng)，例如指紋、視網(wǎng)膜檢測系統(tǒng)。

2.3.3 本方案選擇的解決方案

方案中，對于傳感器一級的檢測報警系統(tǒng)，都可以由智能家居系統(tǒng)留出的相關(guān)接口連接與處理，但對于需要特殊模塊處理的報警系統(tǒng)，暫時沒有給出具體解決方案，例如紅外探頭、視頻檢測系統(tǒng)。

2.4 家庭設(shè)備自動控制模塊

智能家居的初衷是解決家庭設(shè)備的自動控制問題，將更多的設(shè)備通過某種方式連接，達到統(tǒng)一、集中控制，為家庭生活帶來方便。因此，現(xiàn)代智能家居的最基本的功能需求體現(xiàn)在家庭設(shè)備的自動控制，家庭設(shè)備自動控制模塊也就成為其最基本的模塊。

2.4.1 家庭設(shè)備控制方式

不同類型的家庭設(shè)備，由于存在不同的操作方式，有些需要純手工控制，例如電燈開關(guān)、窗簾、電飯鍋；有些可以通過紅外線控制，例如電視機、空調(diào)；而有些則提供網(wǎng)絡(luò)接入功能，支持遠程平臺的智能控制，例如智能冰箱。隨著信息技術(shù)的發(fā)展，將來也許還會出現(xiàn)其他不同的方式，趨勢是更加智能化。目前，家庭設(shè)備控制中主要解決傳統(tǒng)家電的控制問題，例如，如何將人們從手工撥電燈開關(guān)、拉窗簾中解脫出來，如何實現(xiàn)電視機、空調(diào)的統(tǒng)一遙控等。

對于電燈、開關(guān)這一類型傳統(tǒng)家庭設(shè)備，一般的解決辦法是添加輔助控制器，通過聯(lián)入家庭以太網(wǎng)的輔助控制器間接控制家庭設(shè)備；對于電視機、空調(diào)等設(shè)備，通過其自身提供的紅外通信接口，采用帶有以太網(wǎng)接口的通用控制器統(tǒng)一遙控；帶網(wǎng)絡(luò)功能的信息家電，接入家庭以太網(wǎng)即可。

上述控制方式，在目前智能家居市場上具有極高的適用性和普遍性，能夠解決絕大多數(shù)傳統(tǒng)家庭設(shè)備遠程控制問題。

2.4.2 本方案選擇的解決方案

對不同的家庭設(shè)備，方案給出了不同的解決方案：1）對于電飯鍋、窗簾一類的開關(guān)量家庭設(shè)備，通過外接控制器接收指令，執(zhí)行操作；2）對于電視機、空調(diào)一類提供紅外接口的家庭設(shè)備，通過統(tǒng)一的紅外控制器控制；3）對于信息家電，首先通過網(wǎng)絡(luò)接口接入家庭以太網(wǎng)，如果信息家電支持家電生產(chǎn)廠商的遠程服務(wù)，智能家居系統(tǒng)便可以減少對它的操作，如果不支持，則需要借助于信息家電提供的以太網(wǎng)交互命令，通知智能家居系統(tǒng)執(zhí)行相關(guān)操作?？紤]中國南方、北方的差異，家庭設(shè)備包含的內(nèi)容會不一樣，例如北方有暖氣，而南方?jīng)]有，因此從這一點就可以反映出智能家居整體解決方案具有一個區(qū)域適用性。方案強調(diào)：解決方案適用于蘇南地區(qū)。

2.5 模塊組合-智能家居解決方案

方案提出的智能家居解決方案如表1所示。需要指出的是，方案給出的解決方案在“功能配置”方面還有很大的擴展空間，這里只是以客廳、臥室、廚房、衛(wèi)生間和陽臺為例做出的說明。

表1 智能家居解決方案Tab.1 Smart home solutions

3 結(jié) 論

智能家居解決方案的提出，需要結(jié)合多方面的因素，首先是房源信息，房型將直接決定家庭以太網(wǎng)以及安全防范的布局；其次是客戶的功能需求，這將決定家庭四大模塊中各子模塊的取舍及選型；最后是地區(qū)特性，南方氣候溫暖，濕度較大，北方干燥嚴寒，環(huán)境因素對系統(tǒng)有適應(yīng)性和功能方面的要求。方案給出的解決方案，是從多樣化的需求中提取出的整體解決方案，實現(xiàn)不同層次用戶的個性化選擇。

設(shè)計團隊成員的調(diào)查分析顯示，智能家居四個基本模塊涵蓋了當今絕大多數(shù)智能家居系統(tǒng)，是各系統(tǒng)不可或缺的組成部分。設(shè)計團隊成員認為方案對家居智能化程度的定義處于國內(nèi)中高層次，與比爾?蓋茨的智能家居顯然沒有可比性，與國內(nèi)武漢大學智能家居控制系統(tǒng)比，后者將防盜報警、可視對講、信息發(fā)布、短消息遙控等功能集成在控制系統(tǒng)中，而方案給出的解決方案更加體現(xiàn)出智能家居全面、完善的應(yīng)用需求。

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