基于物联网的智能家居演示系统(3)

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2.2 智能家居关键技术

2.2.1 智能家居的定义

智能家居是一个居住环境，是以住宅为平台安装有智能家居系统的居住环境，利用先进的计算机技术、网络通信技术和综合布线技术将与家居生活有关的各种子系统，将家居生活有关的设施集成，构建高效的住宅设施与家庭日程事务的管理系统，提升家居安全性、便利性、舒适性、艺术性，并实现环保节能的居住环境。

智能家居的目标是：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（HBS）连接到一个家庭智能化系统上进行集中的或异地的监视、控制和家庭事务性管理，同时保持这些家庭设施与住宅环境的和谐与协调一致。

与普通家居相比，智能家居不仅具有传统的居住功能，提供舒适安全、高品位且宜人的家庭生活空间，还由原来的被动静止结构转变为具有能动智慧的工具，提供全方位的信息交换功能，帮助家庭与外部保持信息交流畅通，优化人们的生活方式，帮助人们有效安排时间，增强家居生活的安全性，甚至为各种能源费用节约资金

2.2.2 智能家居的功能需求

人们对智能家居的功能需求主要体现在完善的安全保障、舒适的居住环境和便利的生活条件上。其中完善的安全保障包括家庭周界安全、出入安全、访客控制和家庭防盗、防灾和求助的需求，是否有足够的技术和人力上的支持保障，进一步的需求还包括车辆安全、老人小孩起居的安全。舒适的居住环境主要是对家庭和家庭中的空气、光线、色彩、音乐、温湿度、纯净水以及能源利用方面舒适程度的需求，注重家庭环境的改善，包括持续的通风、充足的光线、空调的合理利用、控制和家庭节能等。便利的生活条件包括住户对家庭智能化（如信息家电、家庭办公和家庭自动化控制）需求的增加，以及住户如何利用家庭网络资源享受到各种与生活密切相关的社会服务，这里的网络资源将主要体现在宽带网络上，而宽带网络上的内容服务（包括智能家居内的和外部公共网络上的）将成为提高智能家居生活便利条件的关键因素。

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2.2.3 智能家居系统的功能结构

为了满足人们对智能家居的功能需求，典型的智能家居系统的组成有：信息处理中心、

家电智能控制系统、电动门窗系统、家庭智能照明系统、安防报警系统、环境温度控制系统等。

1. 信息处理中心

信息处理中心是智能家居系统的核心，既是家庭信息的交通枢纽，又是家庭信息安全的保护神。信息处理中心主要功能是：实现家中不同的家电的互联信息处理；家庭内部网络与外网的数据交流；处理远程操控命令、采集传感器信息，处理监控采集的视频信息；解析报警信息并实时上报给用户；实现对用户的权限认证，确保家庭信息的安全性。

信息处理中心相当于智能家居网络的服务器，是一个独立、智能、灵活多变、标准化的家居网络系统接口单元，它通过各种途径从多种多样的外部网络接收通信信号，然后通过家庭内部网络信号传送到特定的用户设备上，并将相应信号反馈给外部通信节点，实现整个远程交互过程。信息处理中心的实现，PC机完全可以满足要求，但以PC机为载体存在着一些缺点，如成本昂贵，体积较大，不易移动等，所以用其作为硬件载体性价比太低。目前在智能家居系统中，一般采用嵌入式开发平台作为信息处理中心。

2. 家电智能控制系统

家电智能控制系统主要通过弱电控制强电的方式，来实现对家电定时、开关、功能选择和状态监测等功能。家电智能控制系统主要实现的功能：家电的自动和手动控制，与其他设备之间的联动控制；家电状态的实时上传；通过互联网的远程控制，用户可以在任何地方通过互联网对家电进行控制和状态查询。

家电智能控制的优点是：能方便的实现就地控制、场景控制、远程控制等；通过红外或者协议信号控制方式，实现方便互不干扰；通过智能检测器，可以对家里的温度、湿度、亮度进行检测，并驱动电器设备自动工作；系统可以根据生活节奏自动开启和关闭电路，避免不必要的浪费和电气老化引起的火灾。

3. 电动门窗系统

电动门窗系统主要包括门窗上的电动锁和电动窗帘，主要功能是：对门窗的自动上锁，以避免忘带钥匙、忘记锁门窗的麻烦；对电动窗帘的自动控制、远程控制和场景控制，实现对家庭内明亮度的控制，提供给用户舒适的居家环境。

4. 家庭智能照明系统

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家庭智能照明系统主要实现对家庭内所有灯光的智能管理，可以用遥控、电脑、手机等多种智能控制方式实现对灯光的开关、调光、全开全光及多种灯光效果的实现，从而达到智能照明的节能、环保、舒适、方便的功能。

5. 安防报警系统

安防报警系统主要实现实时监控非法入侵、火警和煤气泄漏等的发生。主要实现功能是：对室内煤气、烟雾的检测及预警；家中无人时，自动布防；布防后，实时监测非法入侵行为；监测到非法入侵后，通过网络传送给远程控制端，提示用户有报警信息。

6. 环境温度控制系统

主要实现对室内环境信息的实时监测，包括温度和湿度信息。该系统主要实现的功能：对室内温度和湿度信息的采集；当用户需要查询环境信息的时候，通过网络传送温度和湿度信息。

2.2.4 智能家居网络的通信技术

智能家居系统的外部网络通信技术一般采用现有成熟的技术，包括互联网、有线电视网、电话网等。智能家居内部网络的通信技术分为有线技术和无线技术。事实上，有线智能家居的控制信号稳定，但问题也非常突出，除了布线繁杂、工作量大、维护困难以外，成本高、不易组网也是不小的难题。例如，主人想再添加点智能设备，就要重新扒开墙体，埋入线路，确实麻烦。这些缺点最终导致有线方式的智能家居只停留在概念和试点阶段，无法大规模推广。

很显然，这种通过有线方式连接控制信号的智能家居，不具有较强的市场前途和发展潜力。相较之下，无线智能家居则逐渐占据市场主流地位。主要原因在于，这种智能家居无需纷繁复杂的网络布线；自动组网、设备扩展性强；功耗低，成本低，符合现代绿色生活理念；维修服务及时，能够准确地检测故障并修复。下面将重点概述几种比较通用的短距离低功率的无线通信技术，对各种技术进行分析和比较。

1. 红外技术是一种点对点的数据通信技术，通讯距离一般在 1 米以内。由于红外线的传输不受无线电干扰，成本低，因此应用范围很广，家庭内部主要体现在家用电器的红外遥控、以及电子产品提供的红外传输接口等。但是要对准方向，且中间不能有障碍物，无法控制信息传输的进度。

2. 蓝牙，是一种支持设备短距离通信（一般 10m 内）的无线电技术，能在包括移动

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电话、PDA、无线耳机、笔记本电脑、相关外设等众多设备之间进行无线信息交换。利用“蓝牙”技术，能够有效地简化移动通信终端设备之间的通信，也能够成功地简化设备与因特网 Internet 之间的通信，从而数据传输变得更加迅速高效，为无线通信拓宽道路。由于蓝牙的成本比较昂贵，使得其在大规模家居控制中的应用受到很大的限制。

3. RFID 技术，即射频识别技术，可通过无线电讯号识别特定目标并读写相关数据，而无需识别系统与特定目标之间建立机械或光学接触。RFID技术可以用于家庭内部的移动物体的感应、静态物体的信息获取等，通信距离最远可达30米，数据传输速率和RFID标签信息长度、编码方式及每秒钟要求读取标签次数有关。我国为RFID使用频率划分了双频段: 920 MHz～925 MHz、840 MHz～845 MHz。但由于目前制造技术复杂、生产成本高、标准尚未统一等原因，RFID 技术在智能家居应用中大规模使用的环境不很成熟。

4. ZigBee 技术是基于 IEEE 802.15.4 标准的低功耗个域网协议规定的一种短距离、低功耗无线通信技术。其突出特点是近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本，具有自组网和自恢复能力。基于ZigBee的无线网络使用的工作频段为868MHZ、915MHZ和 2.4GHZ，最大数据传输速率为 250kbps，通信距离在 10 米~100 米。ZigBee 技术是一种比较完善的近距离低速率双向无线通信技术，适合控制信息的发送和接收。

按照ISO模型，ZigBee网络分为4层从上向下分别为物理层（PHL）、网络层（NWK）、媒体访问控制层（MAC）和应用层（APL）。如图2所示。

应用层 网络层 MAC层 物理层 图 2 ZigBee网络分层

5. 超宽带技术 UWB（ultra wideband）是一种无线载波通信技术。它采用纳秒级的非正弦波窄脉冲传输数据，因此其所占的频谱范围很宽。由于 UWB 可以利用低功耗、低复杂度发射/接收机实现高速数据传输，适用于室内等密集多径场所的高速无线接入。但是从目前实际情况下，UWB 可能会干扰其他无线通信系统，该技术在智能家居方向的应用也有待考量。

IEEE 802.15.4 ZigBee联盟 12

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2.2.5 物联网与智能家居

近年来，物联网成为全球关注的热点领域，被认为是继互联网之后最重大的科技创新。物联网通过射频识别（RFID）、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议把任何物品与互联网连接起来进行信息交换和通讯，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理。物联网的发展也为智能家居引入了新的概念及发展空间，智能家居可以被看作是物联网的一种重要应用。

物联网为家居智能化提供了技术条件，使智能家居成为可能，表现在：物联网所包括的自动感知技术、传感器技术、计算机技术、网络通讯技术、信息协议交换、嵌入式技术等，使得物品具有数据化的身份标识，借助家庭网关，数据可以电信网、互联网、广电网上对内和对外的流动。智能家居是物联网技术应用生活的具体表现，使一个抽象概念转变成现实应用。物联网的技术推广成为推动智能家居发展的催化剂，智能家居系统逐步朝着网络化、信息化、智能化方向发展，智能终端设备的产品也逐步走向成熟，尤其以 ZigBee 为代表的先进技术应用，使得物联网通信技术往无线方向发展，也从一定程度上降低了产品的成本，更容易推广和接受。

传统的智能家居虽然也具备一定的系统性，提供了诸多应用，但是没有突出与互联网技术、感知技术的有机融合。把物联网技术应用于家庭环境，实现对智能家居系统的全面提升。

智能家居在我国已经发展十多年的时间，但是智能家居行业还没有发展到一定的规模，物联网作为一个新的经济增长点，受到各发达国家和新兴经济体国家的大力推崇，智能家居行业作为物联网的一个重要组成部分将会受到了社会各界前所未有的关注，对智能家居行业的厂商来说将迎来难得的发展机遇。

2.3 Zigbee 技术

Zigbee是无线通信技术的一种典型代表，它在检测和控制方面有广阔空间，而且本身具有近距离、低复杂度、低功耗、低传输速率、低成本的绝对优势，这些与智能家居系统对家庭网络技术的要求不谋而合，已经确定了其取代有线组网，成为无线组网的最佳选择的地位；另一方面，市场上存在很多能够支持ZigBee技术的芯片，例如TI公司的CC2430、CC2530、CCll01，飞思卡尔公司的MCl3XX系列等，便宜的价格，能大大地降低得智能家居系统的成本，因此高额的性价比最有可能被百姓接受。

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