朱敏玲，李 寧

（北京信息科技大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院，北京 100101）

智能家居發(fā)展現(xiàn)狀及未來淺析

朱敏玲，李 寧

（北京信息科技大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院，北京 100101）

嵌入式技術(shù)的發(fā)展與物聯(lián)網(wǎng)世界的到來，給智能家居產(chǎn)品帶來了發(fā)展契機(jī)，居家模式將產(chǎn)生重大變革。從智能家居的概念、技術(shù)及市場(chǎng)等角度對(duì)智能家居的現(xiàn)狀和未來進(jìn)行分析和闡述。闡述了智能家居系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)為基于嵌入式的智能家居網(wǎng)關(guān)；給出了最新的“云+端”智能家居模式；分析了智能家居發(fā)展的社會(huì)、技術(shù)及政策方面的支持與保障；總結(jié)了制約智能家居發(fā)展的障礙問題及改善方法。

智能家居；嵌入式；物聯(lián)網(wǎng)；現(xiàn)狀；發(fā)展趨勢(shì)

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、控制技術(shù)及人工智能等的飛躍發(fā)展，智能化社會(huì)已成為新世紀(jì)的發(fā)展趨勢(shì)。在此之下，智能家居也隨之迅猛發(fā)展起來。

智能家居概念起源于20世紀(jì)80年代初的美國，稱之為Smart Home[1]。其經(jīng)歷了4代的發(fā)展：第一代是通過同軸線及兩芯線完成家庭組網(wǎng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)燈光、窗簾及少量的安防控制等；第二代是通過總線及IP技術(shù)組網(wǎng)，能夠完成可視對(duì)講及安防的業(yè)務(wù)；第三代是集中化的智能控制系統(tǒng)，由中控機(jī)完成安防、計(jì)量等方面的功能；第四代則基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可根據(jù)用戶需求實(shí)現(xiàn)個(gè)性化的功能[2]。本文將從概念、分類、功能、相關(guān)技術(shù)、關(guān)鍵技術(shù)、最新系統(tǒng)模式、機(jī)遇與挑戰(zhàn)等方面闡述智能家居。

1 智能家居基本概念

與普通家居相比，智能家居不僅具有傳統(tǒng)的居住功能，同時(shí)能夠提供信息交互功能，使得人們能夠在外部查看家居信息和控制家居的相關(guān)設(shè)備，便于人們有效安排時(shí)間，使得家居生活更加安全、舒適[3]。系統(tǒng)包含互聯(lián)網(wǎng)、智能家電、控制器、家居網(wǎng)絡(luò)及網(wǎng)關(guān)。而智能家居的網(wǎng)絡(luò)與網(wǎng)關(guān)是智能家電設(shè)備間、互聯(lián)網(wǎng)及用戶之間能夠信息交互的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，是開發(fā)和設(shè)計(jì)階段的重要內(nèi)容和難點(diǎn)。

智能家居最終目標(biāo)是讓家居環(huán)境更舒適、更安全、更環(huán)保、更便捷。物聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn)使得現(xiàn)在的智能家居系統(tǒng)功能更加豐富、更加多樣化和個(gè)性化。其系統(tǒng)功能主要集中在智能照明控制、智能家電控制、視頻聊天及智能安防等。每個(gè)家庭可根據(jù)需求進(jìn)行功能的設(shè)計(jì)、擴(kuò)展或裁減。

1.1 智能家居的分類

智能家居的分類可從規(guī)模、服務(wù)特性及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)3個(gè)角度進(jìn)行劃分。

1.1.1 按照規(guī)模來劃分

一種是以小區(qū)或樓宇為控制范圍，完成樓宇對(duì)講、抄表監(jiān)控、能源計(jì)量等功能，需要對(duì)各居住用戶集中控制與聯(lián)網(wǎng)通信；另一種是以單個(gè)用戶的室內(nèi)空間為控制范圍，完成室內(nèi)家居的家電控制、燈光控制、部分安防控制等，不用與外部用戶進(jìn)行信息交互。例如，東莞安本先天下智能科技有限公司主要以小區(qū)或樓宇控制為核心，推出了很多樓宇對(duì)講、電梯管理、車輛管理等系統(tǒng)方案和產(chǎn)品。該公司也提供了以單個(gè)用戶為中心的室內(nèi)家居控制方案，圖1為安防控制產(chǎn)品[4]。

圖1 家居安放系統(tǒng)解決方案

1.1.2 按照服務(wù)特性來劃分

按照服務(wù)特性可分成舒適型、健康型及安全型3類[1]。舒適型主要關(guān)注對(duì)居住環(huán)境或設(shè)備的多樣性設(shè)計(jì)，使得智能家居功能盡量完善，例如，同時(shí)支持本地和遠(yuǎn)程控制；健康型主要關(guān)注對(duì)人們身心健康的環(huán)境或設(shè)備的設(shè)計(jì)，如空氣凈化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，或?qū)先?、孩子及殘疾人的照顧等；安全性則主要關(guān)注對(duì)家居內(nèi)外部的安全監(jiān)測(cè)和控制，如性能較高的安防系統(tǒng)和安全性較高的設(shè)備上。

1.1.3 按照網(wǎng)絡(luò)布線技術(shù)上的差別來分

按照網(wǎng)絡(luò)布線技術(shù)主要分為3類，基于分布式現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)、基于集中控制技術(shù)和基于無線技術(shù)[5]?；诜植际浆F(xiàn)場(chǎng)總線的智能家居系統(tǒng)中，總線為通信的主線路，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不固定，網(wǎng)絡(luò)中智能家電或站點(diǎn)的接入靈活，通常是接入總線就能通信，系統(tǒng)的擴(kuò)展能力強(qiáng)，同時(shí)布線簡(jiǎn)單，但其對(duì)每個(gè)站點(diǎn)自身的互操作性要求較高，每個(gè)站點(diǎn)都需自身完成系統(tǒng)通信的雙向協(xié)議，既能擔(dān)當(dāng)主站點(diǎn)的角色又能擔(dān)當(dāng)從站點(diǎn)的角色，如圖2所示。

圖2 網(wǎng)絡(luò)布線技術(shù)總類

圖2a為以RS-485總線進(jìn)行布線的門禁系統(tǒng)，每一個(gè)待監(jiān)控的門站點(diǎn)都可以靈活地從總線上接入或去掉。

集中控制技術(shù)的智能家居系統(tǒng)中，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)主要以星型結(jié)構(gòu)為主，必須設(shè)置集中控制器，各站點(diǎn)有主從之分，網(wǎng)絡(luò)布線較為復(fù)雜，系統(tǒng)擴(kuò)展較為不便。圖2b為典型的集中控制案例，所有被控站點(diǎn)都須在中央控制器中進(jìn)行集中控制，中央控制單元為主站，其他為從站。

無線技術(shù)中的智能家居中，運(yùn)用無線技術(shù)進(jìn)行信號(hào)的傳輸，避免了大量布線帶來的復(fù)雜與成本，并且終端的移動(dòng)和設(shè)置非常靈活和方便，目前在智能家居行業(yè)中較為主流的無線方式有ZigBee、WiFi、Zwave和藍(lán)牙等[6]。例如圖2c的藍(lán)牙家庭網(wǎng)絡(luò)布線，首先每個(gè)智能家電內(nèi)部一定要嵌入藍(lán)牙模塊，通?？赏ㄟ^PDA（Personal Digital Assistant）直接進(jìn)行操作與控制[7]。

2 智能家居實(shí)現(xiàn)的相關(guān)技術(shù)與關(guān)鍵技術(shù)

在智能家居的實(shí)現(xiàn)過程中：布線系統(tǒng)是其基礎(chǔ)；智能家居網(wǎng)關(guān)是其核心；網(wǎng)絡(luò)及智能家電的支持是其保障。

2.1 布線系統(tǒng)

在智能家居的第三代之前，主要是有線形式的集中或分布式控制方式，布線往往都是在施工時(shí)提前設(shè)計(jì)和埋設(shè)。隨著無線網(wǎng)絡(luò)與無線傳感器的發(fā)展，目前發(fā)展趨勢(shì)是采用無線方式進(jìn)行組網(wǎng)控制，家居設(shè)備的位置隨意安排，從而為舒適、便利的家居設(shè)計(jì)帶來便利。

2.2 智能家居網(wǎng)關(guān)及關(guān)鍵技術(shù)

智能家居網(wǎng)關(guān)也可稱為家居信息處理平臺(tái)，它是整個(gè)家居系統(tǒng)調(diào)度和控制的核心，起到數(shù)據(jù)互通的橋梁作用，以及對(duì)大部分智能設(shè)備進(jìn)行管理與控制。并且它是一個(gè)獨(dú)立、功能全面的可通過多種途徑，如電話、Internet、WAP、手機(jī)等對(duì)外網(wǎng)絡(luò)信號(hào)進(jìn)行接收與發(fā)送，以實(shí)現(xiàn)與外部通信節(jié)點(diǎn)進(jìn)行遠(yuǎn)程交互的家居網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的接口單元[8]。因而，智能家居網(wǎng)關(guān)是智能家居的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其實(shí)現(xiàn)技術(shù)為智能家居關(guān)注的關(guān)鍵技術(shù)。

隨著嵌入式技術(shù)的興起，涌現(xiàn)了各種各樣的嵌入式設(shè)備，其中嵌入式的智能家電就是典型案例，同時(shí)Internet技術(shù)的普及使得網(wǎng)絡(luò)能夠觸及生活的每個(gè)角落，進(jìn)而基于嵌入式的設(shè)備可以遍布任何地方。而且很多基于嵌入式小尺寸的服務(wù)器逐漸取代原有PC機(jī)形式的服務(wù)器。然后，控制和管理系統(tǒng)由原來的PC形式逐步轉(zhuǎn)向嵌入式的智能家居網(wǎng)關(guān)形式。因此，嵌入式技術(shù)成為智能家居關(guān)鍵環(huán)節(jié)中的關(guān)鍵技術(shù)。

2.3 網(wǎng)絡(luò)及智能家電

智能家居需要3個(gè)層面的網(wǎng)絡(luò)支持，分別是外部互聯(lián)網(wǎng)、家居內(nèi)部互聯(lián)網(wǎng)及家居控制子網(wǎng)。外部互聯(lián)網(wǎng)也可稱為外部寬帶接入，其提供家居與外部信息交互的通道，主要接入形式有電話線、無線通信、有線電視同軸線及專用線。家居內(nèi)部互聯(lián)網(wǎng)用來解決家居內(nèi)部各設(shè)備或系統(tǒng)間的信息交互和相互間的控制與協(xié)調(diào)，主要實(shí)現(xiàn)形式有電話線、無線通信、紅外線、電力線通信及專用線。家居控制子網(wǎng)用于家居和各設(shè)備直接連接與控制，實(shí)現(xiàn)方式為通過控制器以無線、電力線和控制線的連接方式進(jìn)行。

智能家電是指將計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)字化技術(shù)及信息技術(shù)應(yīng)用于傳統(tǒng)家電，使家電具備智能化和信息網(wǎng)絡(luò)功能[9]。與傳統(tǒng)家電相比，除了具備傳統(tǒng)家電功能外，還具有遠(yuǎn)程控制、遠(yuǎn)程維護(hù)及防盜報(bào)警的功能。雖然智能家電在嵌入式技術(shù)及人工智能技術(shù)的大力推動(dòng)下等到了蓬勃發(fā)展，但由于智能家電為新興事物及不同廠商的涌入，出現(xiàn)了不同標(biāo)準(zhǔn)的接口，使得智能家電的開放性和兼容性很差，以至于智能家居系統(tǒng)開發(fā)與設(shè)計(jì)的多樣性受到限制，同時(shí)不利于成本節(jié)約。

3 最新智能家居模式

隨著云、無線網(wǎng)絡(luò)及各智能終端的出現(xiàn)與發(fā)展，萌生了“云+端”的智能家居模式，即采用一個(gè)位于互聯(lián)網(wǎng)中的基于云計(jì)算技術(shù)的專用功能的服務(wù)平臺(tái)，此服務(wù)平臺(tái)提供了大眾需要的各種生活服務(wù)功能，如天氣參數(shù)，也可在此服務(wù)平臺(tái)設(shè)置或開發(fā)個(gè)性化服務(wù)，智能終端通過注冊(cè)的方式連接到此服務(wù)云上，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)智能家居管理的云端化。同時(shí)，智能手機(jī)的推出，可使得此模式呈現(xiàn)出掌上化的特性。

其模式構(gòu)成如圖3所示。服務(wù)云是面向互聯(lián)網(wǎng)基于云計(jì)算技術(shù)構(gòu)建的數(shù)據(jù)及應(yīng)用服務(wù)中心。其主要任務(wù)是實(shí)現(xiàn)大規(guī)模數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、管理及移動(dòng)終端（智能手機(jī)或Pad）的可靠介入及并發(fā)訪問，例如樂聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)為各注冊(cè)用戶提供智能家居傳送的參數(shù)數(shù)據(jù)，例如空氣質(zhì)量的監(jiān)測(cè)和控制。家居終端內(nèi)置嵌入式自動(dòng)化采集和控制系統(tǒng)，除了具備本地設(shè)備接入功能及相關(guān)管理功能外，還需具備與服務(wù)云的對(duì)接功能。智能手機(jī)作為移動(dòng)終端安裝對(duì)應(yīng)于云服務(wù)的移動(dòng)應(yīng)用程序，用戶可隨時(shí)隨地利用移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行智能家電的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)、控制和管理。

圖3 “云+端”智能家居模式

“云+端”模式的關(guān)鍵技術(shù)是端到云端的通信策略及數(shù)據(jù)交互方式。若要智能家居市場(chǎng)的大力推廣，其通信方式除了具備雙向、實(shí)時(shí)和高速的特點(diǎn)外，在系統(tǒng)的互操作上也應(yīng)是開放及標(biāo)準(zhǔn)化的。這種模式已經(jīng)有部分廠商和單位開始嘗試，但由于網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品的多樣性及廠家的不同導(dǎo)致在系統(tǒng)的互操作上并沒有實(shí)現(xiàn)完全的開放和標(biāo)準(zhǔn)化。但該模式有極好的發(fā)展前景，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：首先，智能手機(jī)與移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的介入使得智能家居的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和控制更加方便、高效和便捷，即使在外地出差也能隨時(shí)查看家居狀況，實(shí)現(xiàn)了管理與控制的掌上化。其次，把本地家居測(cè)量的數(shù)據(jù)上傳轉(zhuǎn)入到服務(wù)云，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的高效管理，如在用戶的電量管理上，不僅為單個(gè)用戶進(jìn)行電量的管理，而且云數(shù)據(jù)產(chǎn)生的“聚集效應(yīng)”[10]為分析大量用電負(fù)荷分布提供了極其有價(jià)值的參考數(shù)據(jù)。

4 智能家居發(fā)展的機(jī)遇與挑戰(zhàn)

4.1 發(fā)展機(jī)遇

我國的智能家居產(chǎn)業(yè)具有良好的發(fā)展契機(jī)，這主要依賴于其社會(huì)基礎(chǔ)、技術(shù)基礎(chǔ)及國家政策的支持。

1）社會(huì)基礎(chǔ)

我國自改革開放及加入世貿(mào)組織以來，人們?cè)絹碓礁辉?，?duì)生活質(zhì)量的要求也提升了。智能家居的舒適、健康及便捷等特點(diǎn)也引起人們的關(guān)注。同時(shí)，80后與90后已經(jīng)成為家居消費(fèi)的主力軍，他們對(duì)先進(jìn)技術(shù)感興趣并善于接受新事物。故而，智能家居的發(fā)展具有強(qiáng)大的社會(huì)基礎(chǔ)。

2）技術(shù)基礎(chǔ)

隨著嵌入式技術(shù)的發(fā)展及物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的到來，給智能家居的發(fā)展提供了堅(jiān)固的技術(shù)基礎(chǔ)[11]。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)打破了“信息孤島”效應(yīng)，打破了功能上不關(guān)聯(lián)互動(dòng)、信息上不共享的獨(dú)立家電產(chǎn)品所形成的應(yīng)用障礙[12]。嵌入式系統(tǒng)技術(shù)綜合了計(jì)算機(jī)軟硬件、傳感器技術(shù)、集成電路技術(shù)、電子應(yīng)用技術(shù)為一體的復(fù)雜技術(shù)，恰恰為功能復(fù)雜、需要綜合使用多種技術(shù)的智能家居系統(tǒng)提供了得力的解決方案[13]。

3）政策扶持

自2009年以來，中央和地方政府不斷出臺(tái)各項(xiàng)政策來支持智能家居市場(chǎng)的發(fā)展。2012年住建部制定了《國家智慧城市試點(diǎn)暫行管理辦法》和《國家智慧城市（區(qū)、鎮(zhèn)）試點(diǎn)指標(biāo)體系（試行）》；2013年11月，全國智能建筑及居住區(qū)數(shù)字化標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)委員會(huì)正式發(fā)布了《中國智慧城市標(biāo)準(zhǔn)體系研究》[14]。這些政策的出臺(tái)為智能家居的發(fā)展提供了強(qiáng)大的后方保障。

4.2 亟待解決的問題

1）智能家居行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的制定

發(fā)展成熟的行業(yè)都有各自的標(biāo)準(zhǔn)，這是市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的結(jié)果，也是市場(chǎng)發(fā)展的必由之路。由于智能家居行業(yè)剛剛興起，還沒有制定出適合我國國情的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。目前有眾多不同類型和性質(zhì)的廠商和企業(yè)研發(fā)和生產(chǎn)智能家居系統(tǒng)產(chǎn)品，產(chǎn)生了數(shù)以千計(jì)的互不兼容的標(biāo)準(zhǔn)[15]。廠家的智能家居系統(tǒng)僅僅兼容各自生產(chǎn)的產(chǎn)品，限制了用戶的選擇權(quán)且價(jià)格昂貴，從而限制智能家居市場(chǎng)的推廣。因而，行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的制定將是今后智能家居市場(chǎng)發(fā)展亟待解決的首要問題。

2）系統(tǒng)操作需簡(jiǎn)化

目前智能家居系統(tǒng)的安裝、調(diào)試和使用過于復(fù)雜，功能綜合型的就更加復(fù)雜，這將制約智能家居產(chǎn)品從研發(fā)產(chǎn)品向消費(fèi)產(chǎn)品的轉(zhuǎn)化。這主要是由于智能家居系統(tǒng)的設(shè)計(jì)技能尚未成熟，缺乏系統(tǒng)的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，從而系統(tǒng)的操作性及人性化等方面性能較弱，需要用戶體驗(yàn)反饋來逐漸激發(fā)和提升設(shè)計(jì)者的設(shè)計(jì)技能。

3）維護(hù)成本高

首先，智能家居是通過網(wǎng)絡(luò)通信或外部擴(kuò)展模塊實(shí)現(xiàn)智能家居產(chǎn)品的互聯(lián)。同時(shí)，智能家居系通常由多個(gè)智能家居子系統(tǒng)集成起來，功能復(fù)雜需要綜合使用多種技術(shù)，因而，后期維護(hù)的技術(shù)要求較高，給維護(hù)帶來一定的隱患。其次，由于目前沒有行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的管制，產(chǎn)品質(zhì)量參差不齊，特別是一些小廠家產(chǎn)品生產(chǎn)質(zhì)量不過關(guān)，從而后期維護(hù)加大。特別是目前市場(chǎng)出現(xiàn)的智能家居系統(tǒng)多數(shù)是采用集中控制器或分布式總線技術(shù)的傳統(tǒng)綜合布線形式，后期的重新布線和調(diào)試再次提升維護(hù)成本。從而進(jìn)一步制約智能家居的普及與推廣。

4）安全與可靠性技術(shù)需提升

智能家居收集了大量的私人數(shù)據(jù)，這必然涉及家居安全個(gè)人隱私問題。目前智能家居系統(tǒng)協(xié)議都由各自廠家自行設(shè)計(jì)，多數(shù)廠家缺乏安全知識(shí)，而且他們也并不關(guān)注數(shù)據(jù)安全問題，同時(shí)軟硬件的后期維護(hù)和升級(jí)服務(wù)也較差。因此，給黑客入侵智能家居系統(tǒng)提供了很多機(jī)會(huì)。所以，必須加強(qiáng)安全與可靠性技術(shù)的提升。

5 結(jié)束語

智能家居是多種高新和新興技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物，是一個(gè)方興未艾的朝陽產(chǎn)業(yè)。它使得居家變得“智慧”起來，具有廣泛的應(yīng)用需求。但智能家居市場(chǎng)還未成熟，只有解決好行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、成本控制、隱私安全等問題，市場(chǎng)才能真正地全面普及和發(fā)展壯大。希望在不遠(yuǎn)將來，購買智能家居產(chǎn)品就像購買計(jì)算機(jī)一樣，用戶可以隨意組裝和設(shè)計(jì)自己的智能家居產(chǎn)品。

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[15]許子悅.物聯(lián)網(wǎng)智能家居淺析[J].信息通信，2013（3）：99-100.作者簡(jiǎn)介：

朱敏玲（1979—），女，博士，講師，主研嵌入式系統(tǒng)與數(shù)據(jù)挖掘；

李 寧（1964—），博士，教授，主研信息處理。

責(zé)任編輯：時(shí) 雯

State of Art and Trend of Smart Home in China

ZHU Minling，LI Ning
（Computer School，Beijing Information Science and Technology University，Beijing 100101，China）

The development of embedded technology and the arrival of the Internet of Things world bring the smart home a development opportunity.Home mode has significant change.This article analyzes and explains the state of art and trend of the smart home in view of concepts，technology and market.Smart home gateway based on the embedded technology as key technology is expounded and the latest smart home mode of“cloud+terminal”is raised.And its support and guarantee from society，technology and policy is analyzed.Then there is a summary about the obstacle problems restricting the development of smart home and the improving methods.

smart home；embedding system；the Internet of Things；state of art；trend

TN872

B

10.16280/j.videoe.2015.04.022

2014-10-25

【本文獻(xiàn)信息】朱敏玲，李寧.智能家居發(fā)展現(xiàn)狀及未來淺析 [J].電視技術(shù)，2015，39（4）.

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（61272375）；北京市教育委員會(huì)科技計(jì)劃科研項(xiàng)目（KM201411232015）；北京市屬高等學(xué)校創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)建設(shè)與教師職業(yè)發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目（IDHT20130519）