樊　宇,程　全

(1.周口師范學(xué)院 網(wǎng)絡(luò)工程學(xué)院，河南 周口 466001；2.周口師范學(xué)院 機(jī)械與電氣工程學(xué)院，河南 周口 466001)

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微集成技術(shù)在智能家居中的分析與研究

樊宇1,程全2

(1.周口師范學(xué)院 網(wǎng)絡(luò)工程學(xué)院，河南 周口 466001；2.周口師范學(xué)院 機(jī)械與電氣工程學(xué)院，河南 周口 466001)

摘要：智能家居是融合自動化控制系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)于一體的網(wǎng)絡(luò)化智能化家居控制系統(tǒng)，它不僅能充分發(fā)揮家電設(shè)備的功能而且還能提供舒適、安全、健康的家庭生活空間；隨著物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)和移動互聯(lián)網(wǎng)及云計(jì)算的發(fā)展，智能家居已成為可能，也越來越受到社會的廣泛認(rèn)可.由原來的被動靜止?fàn)顟B(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂心軇又腔鄣墓ぞ?，全方位的信息交互，使家庭與外部保持信息交流暢通，優(yōu)化人們的生活方式.智能家居可以通過有線和無線兩種方案實(shí)現(xiàn)設(shè)備的互聯(lián)，用戶可根據(jù)不同的功能要求對設(shè)備進(jìn)行控制和管理.

關(guān)鍵詞：智能家居;系統(tǒng)集成;控制中心

近年來，隨著電子技術(shù)、信息技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，電子設(shè)備智能化程度越來越高，這些智能化的電子設(shè)備使人們的生活更加安全、舒適.各類家用電器提高了人們的生活質(zhì)量和效率，多媒體視聽娛樂系統(tǒng)使得人們可以方便享受娛樂和教育，通信網(wǎng)絡(luò)拓展了人們與世界的溝通和交流，越來越多的家用醫(yī)療電子設(shè)備保護(hù)著人們的身心健康.可以說每個(gè)人及其居家生活已經(jīng)被各種電子設(shè)備所包圍，這些家用電子設(shè)備已成了人們生活不可缺少的一部分[1].

家用電子設(shè)備在電子技術(shù)、信息技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的助力下，功能化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化程度越來越高，大大方便了人們的生活，為人們的交流、娛樂、健康提供著越來越多的便利.但是隨著電子設(shè)備數(shù)量的增加，如何統(tǒng)一方便地使用這些設(shè)備成為技術(shù)上一個(gè)棘手的問題.使用這些電子設(shè)備的目的是讓生活更安全、便利和舒適，為了達(dá)到這個(gè)目的往往需要多種設(shè)備之間的協(xié)同工作[2].例如冬季要使室內(nèi)環(huán)境舒適，需要通過空調(diào)制熱，同時(shí)為了空氣不至于過于干燥還要進(jìn)行加濕，這就要同時(shí)用到空調(diào)器和加濕器.一般而言，電子設(shè)備的功能越多，其各種設(shè)置會越復(fù)雜，操作難度會越高.對電子設(shè)備的使用者來說希望其功能越來越強(qiáng)，使用越來越簡單.家用電子設(shè)備功能的多樣性、復(fù)雜性和操作的簡單性、靈活性成為電子設(shè)備生產(chǎn)技術(shù)中很難兼容的問題.

現(xiàn)在的電子設(shè)備廠家多是以單個(gè)產(chǎn)品的形式提供這些電子設(shè)備，設(shè)備與設(shè)備之間既不能互通也不能互相操作.但是隨著設(shè)備的增多人們希望這些設(shè)備功能能得到最大的發(fā)揮，設(shè)備操作越來越簡單并且能夠協(xié)同工作，以滿足人們對家居生活便利性和舒適性的追求.

1家用電子設(shè)備的系統(tǒng)集成

家用電子設(shè)備主要指在家居生活中使用的各種電氣和電子設(shè)備，這些設(shè)備為人們的家居生活提供了便利和舒適，已成為現(xiàn)代家庭生活的必需品.這些電子設(shè)備從功能上大致可以分為以下幾類：(1)生活家電：空調(diào)、加濕器、冰箱、洗衣機(jī)、電視機(jī)、廚衛(wèi)電器等；(2)媒體娛樂：電視機(jī)、DVD、音響、投影設(shè)備等；(3)信息網(wǎng)絡(luò)：個(gè)人電腦、路由器、游戲機(jī)、智能手機(jī)、平板電腦等；(4)家庭安防：智能門鎖、安防攝像頭、可燃?xì)怏w傳感器、報(bào)警器等；(5)醫(yī)療電子：電子血壓計(jì)、電子血糖儀、電子體溫計(jì)、電子稱、按摩椅等；(6)環(huán)境改善：凈水機(jī)、空氣凈化器等；(7)健身設(shè)備：跑步機(jī)、健身車等.

這些家用電子設(shè)備體現(xiàn)出以下幾個(gè)特點(diǎn)：(1)種類多、數(shù)量大.(2)智能化趨勢明顯，最簡單的電飯煲現(xiàn)在也是智能程控的.(3)單件設(shè)備功能單一，一種設(shè)備一般只能提供一種功能.(4)設(shè)備之間沒有互操作性，不能協(xié)同工作.(5)這些設(shè)備的生產(chǎn)廠家眾多，不管多么強(qiáng)大的生產(chǎn)廠家都不能一下子提供全部解決方案.

在家居生活中，人們需要這些電子設(shè)備協(xié)同工作，低成本、高效率、高質(zhì)量地為人們提供便利、舒適、安全的環(huán)境.這就要求人們不能再將這些家用電子設(shè)備當(dāng)作一個(gè)個(gè)分散的個(gè)體，而是作為一個(gè)整體系統(tǒng)來看待.家電設(shè)備的多樣化和智能化要求人們能以系統(tǒng)集成角度來看待這些家用電子設(shè)備，應(yīng)用系統(tǒng)集成技術(shù)發(fā)揮這些電子設(shè)備的功能，以滿足人們對家居生活的需要.

系統(tǒng)集成(SI，System Integration)，就是通過結(jié)構(gòu)化的綜合布線系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，將各個(gè)分離的設(shè)備功能和信息等集成到相互關(guān)聯(lián)的、統(tǒng)一和協(xié)調(diào)的系統(tǒng)之中，使資源達(dá)到充分共享，實(shí)現(xiàn)集中、高效、便利的管理.簡單地說就是將各類分離的設(shè)備組織起來，低成本、高效率地實(shí)現(xiàn)不同單位所關(guān)注的不同的功能性要求.

目前系統(tǒng)集成技術(shù)同樣也適用于家用電子設(shè)備功能整合，只是這種集成的規(guī)模非常小，不妨稱其為微集成.家電微集成是以系統(tǒng)的視角來管理和協(xié)調(diào)家用電子設(shè)備，將這些家用電子設(shè)備組成一個(gè)能為家居生活安全、舒適、便利、健康服務(wù)的家用電子系統(tǒng).家電微集成通過對智能化和網(wǎng)絡(luò)化的家電設(shè)備進(jìn)行集中控制、協(xié)同工作，使其發(fā)揮最佳效能，提高家居生活質(zhì)量，降低使用成本[3].

家電微集成因其面向的對象不同相對系統(tǒng)集成的要求有以下幾個(gè)特點(diǎn)：(1)規(guī)模小，通常一個(gè)家庭不超過十萬元；(2)設(shè)備種類多，這種微集成所面對的設(shè)備種類很多，但是每類設(shè)備數(shù)量往往不會很多；(3)需求多樣，家居生活基本上都是個(gè)性化需求，很難統(tǒng)一和規(guī)范.

2面向家庭的微集成存在的問題

面向家庭的微集成，能夠充分發(fā)揮這些家用電子設(shè)備的功能，顯著提高家居生活質(zhì)量，其需求是客觀存在的，但在實(shí)際應(yīng)用中存在著諸多問題.首先，統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn).標(biāo)準(zhǔn)一直以來都是家用電器智能化、集成化的一個(gè)最大障礙，沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)各種家用電器設(shè)備的信息不能互通，其互操作性和協(xié)同性也難以實(shí)現(xiàn).各廠家都希望自己提出標(biāo)準(zhǔn)能一統(tǒng)江湖，于是幾大集團(tuán)都推出了自己的標(biāo)準(zhǔn)，以博取更大利益，這反而造成了標(biāo)準(zhǔn)無法統(tǒng)一.其次，規(guī)模小、需求多變.微集成的特點(diǎn)是“微”，其用戶群的特點(diǎn)是“變”，即規(guī)模小而且用戶需求多變.正因?yàn)檫@個(gè)特點(diǎn)，以致各個(gè)廠家都是以產(chǎn)品來看待，而很難讓他們以系統(tǒng)來看待.以產(chǎn)品來提供，就是只能接受廠家所提供產(chǎn)品的功能和種類，廠家很難支持客戶所提出的過多的個(gè)性化功能定制要求，更難以支持其他廠家的產(chǎn)品接入.最后，集成面廣.家用電子設(shè)備的集成量雖不大，但是面卻很廣，在上文中列舉了7大家用電子設(shè)備，其涉及范圍很大，跨越幾個(gè)行業(yè).

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、移動互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、微電子技術(shù)的發(fā)展，為解決這些微集成問題提供了技術(shù)基礎(chǔ).物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展使得家用電子設(shè)備不僅越來越智能化，而且可以聯(lián)網(wǎng)、外部訪問及控制，使得這些電子設(shè)備互操作和協(xié)同工作成為可能.微集成所面臨的應(yīng)用面廣、需求多變的問題可以通過互聯(lián)網(wǎng)或移動互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行遠(yuǎn)程配置和調(diào)試得到解決，并能降低實(shí)施的成本.互聯(lián)網(wǎng)所倡導(dǎo)的開源思路也可以為家用電子設(shè)備的互聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)提供一個(gè)可實(shí)施思路[4].

3家用電子設(shè)備微集成解決方案

3.1微集成的網(wǎng)絡(luò)

家電微集成首先要解決的問題就是設(shè)備的互聯(lián)，只有將家用電子設(shè)備組成一個(gè)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，才能實(shí)現(xiàn)家電微集成的基本目的——設(shè)備的協(xié)同工作和互操作.互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，為家用電子設(shè)備的互聯(lián)提供了大量的解決方案.目前微集成網(wǎng)絡(luò)主要分為有線方式和無線方式兩大類，有線和無線兩種方式又分為很多不同的具體方式.表1為家電微集成的可用通信網(wǎng)絡(luò)對比.表1說明：表中速率和覆蓋范圍所取數(shù)據(jù)，為適用于家電微集成使用場景下的數(shù)據(jù).

表1中的幾種網(wǎng)絡(luò)方案，基本上是目前常用且較成熟的通信網(wǎng)絡(luò)，都可用于家電微集成.從成本、穩(wěn)定性、適用性等方面綜合考慮，數(shù)據(jù)量、穩(wěn)定性要求高的如安防報(bào)像機(jī)、娛樂視聽系統(tǒng)可使用EtherNet(以太網(wǎng))或WIFI，一般的家電設(shè)備可以使用WIFI，對功耗和實(shí)時(shí)性要求高的如家用便攜醫(yī)療設(shè)備、煙霧傳感器、可燃?xì)怏w傳感器等，推薦使用Bluetooth4.0或Zigbee[5-7].PLC通過供電線進(jìn)行數(shù)據(jù)通信是一種理想方式，但目前標(biāo)準(zhǔn)尚未統(tǒng)一，還有待進(jìn)一步完善.

表1　家電微集成的可用通信網(wǎng)絡(luò)對比

3.2控制中心

家電微集成需要有一個(gè)控制中心控制和協(xié)調(diào)各電子設(shè)備協(xié)同工作，通過用戶操作界面或網(wǎng)絡(luò)接受用戶的操作指令，然后協(xié)調(diào)各設(shè)備執(zhí)行用戶的指令.

控制中心需要有一定的處理能力和存儲能力，以完成數(shù)據(jù)和設(shè)備管理等功能.控制中心的成本不宜過高，設(shè)備的功率也不宜過大，以降低系統(tǒng)成本和使用成本.家用電腦、平板電腦和智能手機(jī)都可以勝任.控制中心需要有與Internet聯(lián)網(wǎng)，可以通過Internet獲取必要信息，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控、遠(yuǎn)程配置、數(shù)據(jù)存儲[8].

控制中心根據(jù)不同功能需求，分模塊對設(shè)備進(jìn)行控制和管理，如圖1將控制中心分為家電照明控制、環(huán)境控制、安全防護(hù)、健康管理四個(gè)模塊，這些模塊分別管理不同類別的設(shè)備.這些管理模塊可以積木式的組合拼裝，使模塊間可以協(xié)同工作.

控制中心要能提供不同類型數(shù)據(jù)接口，通過數(shù)據(jù)接口對各智能電子設(shè)備進(jìn)行管理和控制，接口可以內(nèi)置標(biāo)準(zhǔn)接口如藍(lán)牙、WIFI、EtherNet等，也可以通過一些網(wǎng)關(guān)設(shè)備與那些非內(nèi)置接口聯(lián)接[9]，如PLC、CAN、Zigbee等.

3.3系統(tǒng)的操控

家電微集成的一個(gè)重要目的是解決家電系統(tǒng)使用的便利性，實(shí)際上這也是家電微集成成敗的一個(gè)關(guān)鍵因素.功能再強(qiáng)大的系統(tǒng)，如果在操作上不方便，也難以走進(jìn)家庭，因此微集成項(xiàng)目一定要解決易用性問題.

圖1　家電微集成系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

系統(tǒng)的操控首先應(yīng)該提供一個(gè)友好的人機(jī)界面，目前這些通過PC、平板電腦、智能手機(jī)都可以實(shí)現(xiàn).人機(jī)界面上用戶可以像使用遙控器一樣以單個(gè)設(shè)備進(jìn)行控制，也可以通過預(yù)先設(shè)定的工作模式，一鍵完成對多個(gè)設(shè)備的控制，讓它們在控制中心的協(xié)調(diào)下協(xié)同工作.經(jīng)過系統(tǒng)安全認(rèn)證和密鑰審核，能夠通過互聯(lián)網(wǎng)或移動互聯(lián)遠(yuǎn)程對家用電器設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程的控制和設(shè)定.

4結(jié)論

家用電子設(shè)備涉及傳統(tǒng)家電、安防、視聽娛樂、信息技術(shù)、醫(yī)療健身、環(huán)境調(diào)節(jié)等多個(gè)領(lǐng)域. 隨著家用電子設(shè)備的數(shù)量增加和智能化、網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展，以及互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的提高，特別是人們對家居生活便利、舒適、安全、健康的孜孜追求，已經(jīng)不能再把家用電子電器設(shè)備作為一個(gè)個(gè)獨(dú)立的產(chǎn)品來看待了，而應(yīng)該把它們作為為家居生活提供高質(zhì)量服務(wù)的系統(tǒng)來看待.把家用電子設(shè)備當(dāng)成一個(gè)生活服務(wù)系統(tǒng)，用微集成的觀念采用統(tǒng)一開放的標(biāo)準(zhǔn)，為家居提供更為優(yōu)質(zhì)的服務(wù)，開發(fā)出更大的市場.

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Study of micro integration technology in smart home

FAN Yu1，CHENG Quan2

(1. College of Network Engineering，Zhoukou Normal University，Zhoukou 466001，China;2.Mechanical and Electrical Engineering，Zhoukou Normal University，Zhoukou 466001，China)

Abstract:Smart home is the integration of automation and control systems, computer networking systems and network communication technology in networking intelligent home control system. It not only sufficiently functions as household appliances, but also provides us a comfortable, safe and healthy living condition. The development of networking, Internet, mobile Internet and cloud computing has made intelligent home possible and also has gained widely recognition. The transformation from passive original resting to dynamic intelligence tool and its comprehensive information interaction has enabled families to maintain the information unimpeded with the outside and also optimize people's lifestyles. Smart home devices can be interconnected through both wired and wireless solutions which users can control and manage the device depending on its functional requirements.

Key words:smart home;system integration;control center

收稿日期：2015-12-04;修回日期：2015-12-28

基金項(xiàng)目：河南省自然科學(xué)基金研究項(xiàng)目資助(No.152300410134)；河南省高等學(xué)校重點(diǎn)科研項(xiàng)目資助(No.15A880023)

作者簡介：樊宇(1975- )，女，河南遂平人，碩士，副教授，主要從事智能控制和通信技術(shù)的研究.

中圖分類號：TP23

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1671-9476(2016)02-0062-04

DOI：10.13450/j.cnki.jzknu.2016.02.014