車輝 邢慧芬 樊玉琦 裘小林

摘 要：智慧家庭系統(tǒng)存在各子系統(tǒng)相互獨立、缺少統(tǒng)一管理平臺的問題，這些問題阻礙了智慧家庭的應用和發(fā)展。文中以建設(shè)智慧家庭統(tǒng)一管理平臺為目的，對智慧家庭的系統(tǒng)架構(gòu)、功能架構(gòu)、物聯(lián)網(wǎng)平臺架構(gòu)和技術(shù)架構(gòu)等進行設(shè)計，并對各架構(gòu)中的主要功能模塊進行詳細闡述，從而為政府和企業(yè)建設(shè)智慧家庭提供參考。實踐結(jié)果表明，該智慧家庭系統(tǒng)頂層架構(gòu)的設(shè)計不但為智慧家庭的建設(shè)提供理論基礎(chǔ)，還具備一定的現(xiàn)實指導意義。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng);智慧家庭;智能網(wǎng)關(guān);物聯(lián)網(wǎng)平臺;頂層架構(gòu);管理平臺

中圖分類號：TP302.1-34文獻標識碼：A文章編號：2095-1302（2020）01-00-03

0 引 言

隨著科技的發(fā)展，新一代信息與通信技術(shù)（ICT）得到了廣泛的應用，并且逐步進入家居管理中，從而實現(xiàn)家庭的自動化、網(wǎng)絡(luò)化和智慧化管理。同時隨著國民收入的提高，百姓對家庭的定位除了滿足居住需要，還對家居舒適度、家庭安全、綠色節(jié)能、健康環(huán)保等提出了更高要求。因此智慧家庭[1]逐步被人們所熟悉和接受，并且得到了快速的應用和發(fā)展。

智慧家庭是以物聯(lián)網(wǎng)[2]技術(shù)為基礎(chǔ)，以新一代ICT技術(shù)為載體，結(jié)合自動控制技術(shù)，實現(xiàn)了家庭設(shè)備的智能控制、家居環(huán)境的自動感知、家人健康的智慧監(jiān)測、能源消耗感知和家庭安防感知，創(chuàng)造了一個綠色、節(jié)能、健康、安全的智慧化、個性化的家庭生活環(huán)境[3]。

國內(nèi)學者和企業(yè)對智慧家庭系統(tǒng)進行了大量研究。文獻[4]設(shè)計一種基于ZigBee的智能家居系統(tǒng)，實現(xiàn)了對家庭環(huán)境和家居電器的智能化控制;文獻[5]設(shè)計一種基于物聯(lián)網(wǎng)的家庭醫(yī)療系統(tǒng)，實現(xiàn)了家庭遠程醫(yī)療，方便了家庭就醫(yī);文獻[6]設(shè)計一種基于云計算的家庭能源監(jiān)測系統(tǒng)，方便了家庭能耗管理，實現(xiàn)了家庭的綠色節(jié)能;文獻[7]針對家庭安全設(shè)計一種家庭監(jiān)控系統(tǒng)，提高了家庭安全性。但這些方案都是針對家庭某一應用進行設(shè)計的，各系統(tǒng)之間缺少關(guān)聯(lián)，無法實現(xiàn)系統(tǒng)之間的互聯(lián)互通和統(tǒng)一管理，實用性較差，嚴重阻礙了智慧家庭的應用和發(fā)展，因此設(shè)計統(tǒng)一的智慧家庭管理平臺勢在必行。

本文根據(jù)智慧家庭建設(shè)的實際需求，以建設(shè)統(tǒng)一系統(tǒng)管理平臺為目標，并根據(jù)中國電子技術(shù)標準化研究院發(fā)布的《智慧家庭標準化白皮書》，對智慧家庭系統(tǒng)頂層架構(gòu)進行了設(shè)計。文中分別從智慧家庭的系統(tǒng)架構(gòu)、功能架構(gòu)、智慧家庭物聯(lián)網(wǎng)平臺和技術(shù)架構(gòu)等方面進行了頂層設(shè)計，并詳細的闡述智慧家庭的核心組件。實踐表明，智慧家庭頂層架構(gòu)的設(shè)計為我國智慧家庭的建設(shè)提供了理論基礎(chǔ)和發(fā)展思路，具有一定的指導意義。

1 智慧家庭系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

智慧家庭系統(tǒng)利用物聯(lián)網(wǎng)、云計算等新一代信息與通信技術(shù)，構(gòu)建了一個和諧、節(jié)能、高效的智慧化家庭生活和服務(wù)系統(tǒng)，從而為家庭創(chuàng)造一個安全便捷、綠色節(jié)能和舒適宜居等方面均優(yōu)的家居環(huán)境。智慧家庭系統(tǒng)可分為終端層、網(wǎng)絡(luò)層、平臺層和應用層4個層次，系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

智慧家庭系統(tǒng)通過終端層的信息采集設(shè)備和可控設(shè)備實現(xiàn)家庭環(huán)境的智能化控制和管理，而網(wǎng)絡(luò)層則負責終端采集數(shù)據(jù)和控制信息的傳輸。平臺層一方面將從設(shè)備端收集到的數(shù)據(jù)進行存儲及智能分析處理;另外一方面提供認證管理功能、設(shè)備控制功能和協(xié)調(diào)不同的終端設(shè)備功能，實現(xiàn)了設(shè)備之間的聯(lián)動。應用層則為用戶提供包括健康、養(yǎng)老、教育、家居控制、安防等多個方面的應用，是智慧家庭系統(tǒng)在家庭應用中的具體體現(xiàn)。

2 智慧家庭功能架構(gòu)

智慧家庭是智慧城市的最小單元，是以家庭為載體，以實現(xiàn)家庭智慧化服務(wù)為目標，結(jié)合新一代信息與通信技術(shù)，從而達到綠色節(jié)能、健康環(huán)保、安全智能和智能便捷的居家生活方式。根據(jù)中國電子技術(shù)標準化研究院于2016年9月發(fā)布的《智慧家庭標準化白皮書》要求，智慧家庭系統(tǒng)的業(yè)務(wù)內(nèi)容包括健康管理、居家養(yǎng)老、信息服務(wù)、互動教育、智能家居、能源管理、社區(qū)服務(wù)及家庭安防8個方面。智慧家庭系統(tǒng)的功能架構(gòu)如圖2所示。

2.1 智能家居系統(tǒng)

智能家居管理系統(tǒng)是利用先進的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、智能控制技術(shù)和現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，依據(jù)智能信息化建設(shè)和家庭室內(nèi)設(shè)計規(guī)范，根據(jù)每個家庭的不同需求，將智能家居系統(tǒng)中的各個子系統(tǒng)進行有機地結(jié)合，通過現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)進行室內(nèi)或者遠程的智能控制和管理，實現(xiàn)家庭中的家電、窗簾、門窗、燈光和溫濕度等設(shè)備的整體聯(lián)動，從而為家庭成員提供一個智慧化的家居生活環(huán)境。

智能家居系統(tǒng)充分利用物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)實現(xiàn)智能控制終端與應用終端之間的聯(lián)網(wǎng)控制，進而實現(xiàn)對家居終端的數(shù)據(jù)采集、控制管理等應用。目前，智能家居系統(tǒng)采用的主要物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)包括紅外、KNX 總線、RF（射頻）、ZigBee、Z-Wave等。

同時，智能家居系統(tǒng)也可通過應用互聯(lián)技術(shù)實現(xiàn)家庭終端之間進行網(wǎng)絡(luò)協(xié)議識別、數(shù)據(jù)傳輸、設(shè)備發(fā)現(xiàn)控制管理和應用分享等，如數(shù)字生活網(wǎng)絡(luò)聯(lián)盟（Digital Living Network Alliance，DLNA）協(xié)議、WiFi聯(lián)盟推出的Miracast、高通開發(fā)的AllJoyn等。

2.2 家庭安防系統(tǒng)

家庭安防系統(tǒng)是指利用現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)通信和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，通過在家庭中安裝攝像頭、門窗磁、門禁控制器和紅外入侵檢測儀器等各種安防設(shè)備，從而為家庭提供入侵檢測、防盜、防火等安防功能的服務(wù)系統(tǒng)。家庭安防系統(tǒng)可與智慧小區(qū)、公共服務(wù)機構(gòu)等進行互聯(lián)，當出現(xiàn)異常情況時通過聲光、呼叫業(yè)主、小區(qū)物業(yè)管理中心或公共服務(wù)機構(gòu)等方式實現(xiàn)報警、緊急求助等功能，增強家居生活的安全性。智慧家庭安防系統(tǒng)包括家庭監(jiān)控系統(tǒng)、門禁管理系統(tǒng)和家庭消防系統(tǒng)三個部分。

2.3 能源管理系統(tǒng)

通過在智能電表、水表、燃氣表、熱量表中內(nèi)嵌載波或物聯(lián)網(wǎng)（如ZigBee）信號接收電路組成家庭能耗管理系統(tǒng)，實現(xiàn)對家庭用電、水、氣、供熱、熱水等信息自動采集，并利用系統(tǒng)的統(tǒng)計分析功能了解到家庭的能源消耗情況。同時通過在能源終端智能插座、智能開關(guān)等，實現(xiàn)對家庭能源的開/關(guān)控制、能源使用數(shù)據(jù)統(tǒng)計等。

2.4 家庭健康管理/居家養(yǎng)老系統(tǒng)

家庭健康管理/居家養(yǎng)老系統(tǒng)以新一代信息與通信技術(shù)為依托，將醫(yī)療健康類可穿戴式設(shè)備作為數(shù)據(jù)采集終端，以手機、PAD等設(shè)備為智能終端對健康資訊、醫(yī)療衛(wèi)生服務(wù)和個人健康信息進行呈現(xiàn)。在健康管理信息系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，通過整合健康服務(wù)機構(gòu)來為消費者提供健康管理信息服務(wù)。家庭健康管理/居家養(yǎng)老系統(tǒng)以社區(qū)醫(yī)療衛(wèi)生系統(tǒng)、社區(qū)居家養(yǎng)老支撐服務(wù)體系為核心，上接城市智慧醫(yī)療系統(tǒng)、衛(wèi)生局和第三方服務(wù)機構(gòu)，并借助家庭醫(yī)生輔助系統(tǒng)、IPTV、高清監(jiān)控攝像頭和智能終端等設(shè)備，從而實現(xiàn)家庭健康監(jiān)測、家庭健康檔案管理、健康咨詢、家庭遠程醫(yī)療、老人一鍵求救、居家養(yǎng)老等功能。家庭健康管理/居家養(yǎng)老系統(tǒng)一般包括家庭健康管理系統(tǒng)、居家養(yǎng)老管理系統(tǒng)、家庭醫(yī)生輔助系統(tǒng)等。

智慧家庭是智慧城市建設(shè)的最小單元，因此智慧家庭系統(tǒng)需要與上級部門或第三方服務(wù)機構(gòu)對接來實現(xiàn)家庭系統(tǒng)的功能。如智慧家庭系統(tǒng)與社區(qū)、醫(yī)療衛(wèi)生系統(tǒng)相結(jié)合來完成健康管理、居家養(yǎng)老;與公共教育系統(tǒng)或第三方教育機構(gòu)相結(jié)合來完成家庭的互動教育;與智慧城市系統(tǒng)或智慧社區(qū)系統(tǒng)相對接來實現(xiàn)社區(qū)服務(wù)、信息互動;與消防、公安部門的相結(jié)合來完成家庭安防、家庭能源管理等。

3 智慧家庭物聯(lián)網(wǎng)平臺

智慧家庭物聯(lián)網(wǎng)平臺處于連接軟硬件的樞紐位置，使得不同類型的硬件設(shè)備通過不同網(wǎng)絡(luò)連接方式整合起來。它向上傳送終端設(shè)備采集的數(shù)據(jù)和通信信息，向下遠程管理終端設(shè)備、監(jiān)測終端設(shè)備異常、發(fā)送控制和通信信息，為上層應用提供支撐服務(wù);同時，為設(shè)備和用戶提供安全和身份認證[8]。系統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)平臺如圖3所示。

目前，智慧家庭系統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)平臺提供商主要分為運營商、互聯(lián)網(wǎng)公司和家用電器廠商幾大類，如中移物聯(lián)網(wǎng)開放平臺、QQ物聯(lián)、長虹UP平臺等[9]。雖然公司不同造成物聯(lián)網(wǎng)平臺存在差異，但智慧家庭物聯(lián)網(wǎng)平臺一般都可分為4部分，即設(shè)備管理平臺、連接管理平臺、應用支持平臺和業(yè)務(wù)分析平臺[10]。

通過設(shè)備管理平臺可以實現(xiàn)家庭終端設(shè)備的遠程控制、系統(tǒng)設(shè)置、系統(tǒng)升級、故障監(jiān)測等，同時也對網(wǎng)關(guān)和應用狀態(tài)進行實時的監(jiān)控，從而實現(xiàn)設(shè)備故障的預處理。連接管理平臺一般應用于運營商網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)功能包含了SIM卡生命周期管理、資費賬單管理、賬戶管理、連接診斷、通知管理等。應用支持平臺為上層應用提供成套應用開發(fā)工具、中間件、數(shù)據(jù)存儲功能、業(yè)務(wù)邏輯引擎、對接第三方系統(tǒng)API等，從而大大降低開發(fā)成本、縮短開發(fā)時間。數(shù)據(jù)分析平臺是指引入人工智能、數(shù)據(jù)建模的方法，對物聯(lián)網(wǎng)的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)進行分析，以提供預測類、診斷類等服務(wù)。

4 智慧家庭技術(shù)架構(gòu)

智慧家庭系統(tǒng)通過智慧家庭網(wǎng)關(guān)設(shè)備、智慧家庭物聯(lián)網(wǎng)云平臺、終端設(shè)備和手機APP四者構(gòu)成一個完整的整體[11]。智慧家庭網(wǎng)關(guān)向上連接網(wǎng)絡(luò)服務(wù)提供商，實現(xiàn)寬帶互聯(lián)網(wǎng)互聯(lián)，向下對接智慧家庭終端，實現(xiàn)各終端設(shè)備的互聯(lián)互通，是智慧家庭系統(tǒng)的核心樞紐;而智慧家庭物聯(lián)網(wǎng)云平臺通過向家庭網(wǎng)關(guān)提供所需的插件和服務(wù)，從而實現(xiàn)對終端設(shè)備的遠程控制和管理;而終端設(shè)備則是實現(xiàn)各業(yè)務(wù)功能的終端元件，是創(chuàng)造一個舒適、智能的居家環(huán)境基礎(chǔ);家庭成員則通過手機APP實現(xiàn)對智能網(wǎng)關(guān)和家庭各終端設(shè)備的控制，以滿足家庭智慧化的需求。智慧家庭技術(shù)架構(gòu)如圖4所示。

4.1 智慧家庭網(wǎng)關(guān)設(shè)備

家庭網(wǎng)關(guān)是智慧家庭系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通信的樞紐，它向上對接網(wǎng)絡(luò)服務(wù)營運商、承接管理平臺，向下連接智慧家庭中的各種智能終端，負責終端數(shù)據(jù)的向上傳輸和平臺控制信息的向下轉(zhuǎn)發(fā)，是系統(tǒng)的核心設(shè)備，具有控制中心、網(wǎng)絡(luò)中心和通信服務(wù)中心的功能。目前，家庭網(wǎng)關(guān)主要采用基于Linux操作系統(tǒng)的開放架構(gòu)平臺方案設(shè)計，部署時則采用基于Linux的Android操作系統(tǒng)或中間件技術(shù)OSGi[12]。

4.2 智慧家庭物聯(lián)網(wǎng)云平臺

智慧家庭云管理平臺是智慧家庭的神經(jīng)中樞，其一方面對智慧家庭的各種連接終端進行控制，另一方面則對終端收集的數(shù)據(jù)進行處理分析。物聯(lián)網(wǎng)云管理平臺向上與網(wǎng)絡(luò)服務(wù)提供商完成系統(tǒng)的對接;向下則管理智慧家庭系統(tǒng)中各種終端設(shè)備的發(fā)現(xiàn)認證、心跳?；?、故障監(jiān)測，插件的安裝、升級卸載和業(yè)務(wù)管理等。同時，物聯(lián)網(wǎng)云平臺還為APP、第三方系統(tǒng)和云管理平臺提供API接口，為家庭提供家居設(shè)備、終端通信等管理和數(shù)據(jù)查詢功能。

4.3 智慧家庭終端設(shè)備

智慧家庭終端設(shè)備可以分為兩種類型，即控制型設(shè)備和應用型設(shè)備。控制型設(shè)備是指通過對終端設(shè)備的控制來實現(xiàn)家居環(huán)境的管理，如門窗磁、門禁、窗簾等設(shè)備;而應用型設(shè)備是指可以滿足家庭生活需要的設(shè)備，如冰箱、電視機、空調(diào)等各種家用電器。智慧家庭終端設(shè)備是家居中實現(xiàn)各業(yè)務(wù)功能的終端元件，是創(chuàng)造一個舒適、智能的居家環(huán)境的基礎(chǔ)。

4.4 智慧家庭 APP

家庭成員通過APP客戶端可以實現(xiàn)設(shè)置家庭網(wǎng)絡(luò)、配置家庭網(wǎng)關(guān)、控制家居設(shè)備以及與第三方應用的連接，實現(xiàn)家居環(huán)境、安防、能耗的智能監(jiān)測以及家庭健康健康管理、移動學習和信息獲取和互動交流，為智慧家庭系統(tǒng)提供友好的接入界面和人機互動窗口。

5 結(jié) 語

智慧家庭系統(tǒng)通過綜合運用新一代信息與通信技術(shù)，實現(xiàn)對家庭環(huán)境的智能感知、家庭設(shè)備自動控制、家人健康管理、家居安全防護、遠程教育學習、家庭能耗管理和信息交流，從而實現(xiàn)了家庭居住的舒適化、電器管理的智能化、居家安全的可視化、家庭學習的便捷化和家庭的綠色節(jié)能。本文以建設(shè)智慧家庭系統(tǒng)通一管理平臺為目的，從智慧家庭的系統(tǒng)架構(gòu)、功能架構(gòu)、物聯(lián)網(wǎng)平臺架構(gòu)和技術(shù)架構(gòu)四個方面對智慧家庭系統(tǒng)進行了頂層架構(gòu)設(shè)計，并對各架構(gòu)的核心功能模塊進行了詳細闡述，從而為政府和企業(yè)建設(shè)智慧家庭系統(tǒng)提供了參考?？傊?，智慧家庭系統(tǒng)頂層架構(gòu)的設(shè)計不但為智慧家庭的建設(shè)提供了理論基礎(chǔ)，也具備一定的指導意義，有力地推動了中國智慧家庭的發(fā)展。

參 考 文 獻

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