第 1 章 智能家居总体设计

1. 1 内容概览和学习目标

物联网， 自从其诞生以来， 已经引起了巨大关注， 被认为是继计算机、 互联网、 移动通信网之后的又一次信息产业浪潮。 目前物联网已经应用到了人们生活中的方方面面， 包括智能电网、 智能交通、 智能物流、 智能家居、 金融与服务业、 精细农牧业、 医疗健康、 环境与安全检测、 国防军事等。

智能家居是物联网技术的一个分支和具体体现， 也是信息类专业学生学习的一个指导性内容。 目前市场上关于智能家居的相关设备已经如雨后春笋般出现。 抓住智能家居这一方向学习， 对于学生毕业后的发展具有巨大的意义。

本书将围绕目前物联网应用领域的热门———智能家居， 对学生进行多方面的知识教导与认知实训。

本书将带领学生构建一个完整的物联网智能家居实验室平台。 引进国内外先进科技， 集成综合布线技术， 网络通信技术， 自动控制技术， 音、 视频技术， 利用计算机和嵌入式系统， 将家庭中的各种设备通过家庭网络连接到一起， 建立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。

本书对智能家居的建设内容进行了全方位的分析和描述， 并针对各个方面提供培训。 归纳起来可以分为以下六个部分：

1） 环境采集： 采集生活环境的温、 湿度， 照度， 二氧化碳浓度等信息；

2） 安防监控： 采集摄像头图像、 红外人体传感器和烟雾传感器信息；

3） 家电控制： 控制灯光、 电视、 空调等家电设备；

4） 居家健康： 采集体重、 血压、 血氧、 心率、 脂肪含量等生理健康数据；

5） 人机交互： 利用平板电脑、 智能手机、 家居机器人实现多种人机交互手段；

6） 智能服务： 以传感器为来源、 执行器为手段， 分析家居状态， 提供自动的家居环境和健康监护。

这些内容后面将会详细描述。

针对目前学生的学习水平和技能， 本书制定了三个主要学习目标：

1） 为学生学习物联网知识提供平台， 破除物联网的神秘外表， 使学生能够直观地认识物联网设备， 并学会能够通过不同的客户端访问、 操作它们， 增加学生的物联网知识。

2） 教导学生利用物联网技术， 集成或创新使用先进的物联网设备， 亲自动手， 做出自己的物联网终端。 这些设备将打破信息孤岛， 使各个家居设备能够在家庭网络中互联， 共享信息和友好操作。

3） 在设备互联通的基础上， 引导学生研究设备服务的内容， 使数字家庭能够自主或半自主地进行自我调控， 真正体现 “智能” 二字。

1. 2 物联网与智能家居

1. 物联网的定义与发展

有关资料表明， 国内、 外普遍认为物联网是麻省理工学院 Ashton 教授于 1999 年最早提出来的， 其理念是基于射频识别 （RFID）、 电子代码 （EPC） 等技术， 在互联网的基础上，构造一个实现全球物品信息实时共享的实物互联网， 即物联网。 此设想有两层意思： 第一，物联网的核心和基础是互联网， 是在互联网基础上的延伸和扩展的网络； 第二， 其用户端延伸和扩展到了任何物体与物体之间， 并进行信息交换和通信。

物联网技术的发展几乎涉及了信息技术的方方面面， 是一种聚合性、 系统性的创新应用与发展， 因此被称为信息产业的第三次革命性创新。 其本质主要体现在三个方面： 一是互联网特征， 即对需要联网的 “物” 一定要能够实现互联互通的网络； 二是识别与通信特征，即纳入物联网的 “物” 一定要具备自动识别、 物物通信的功能； 三是智能化特征， 即网络系统应具有自动化、 自我反馈与智能控制的特点。

物联网为智能家居提供了技术条件， 使智能家居成为可能， 表现在： 物联网所包括的射频技术、 计算机技术、 网络通信技术、 综合布线技术、 信息协议交换使得物品具有数据化的身份标志， 借助三网融合， 数据可以在电信网、 互联网、 广电网上对内和对外流动。 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例子， 表现在可实现家庭自动化、 家庭网络、 网络家电、 信息家电等部分。

物联网对智能家居的技术贡献如表 1-1 所示。

本书将智能家居内容拆分成各个模块， 力求在模块中体现布线、 传输、 控制、 智能等方面的基础知识， 使学生能够编写自己的数字家居小程序。

2. 智能家居的起源、 定义与发展

1984 年， 美国联合技术建筑系统 （United Technologies Building System） 公司将建筑设备

2 物联网技术综合实训教程

信息化、 整合化概念应用于美国康涅狄格 （Conneticut） 州哈特福德 （Hartford） 市的 “都市办公大楼” （City Place Building）， 通过对该座旧式大楼进行一定程度的改造， 再采用计算机系统对大楼的空调器、 电梯、 照明等设备进行监测和控制， 并提供语音通信、 电子邮件和情报资料等方面的信息服务， 这就诞生了世界上首栋 “智能家居” 建筑。 此后， 加拿大、 欧洲、 澳大利亚和东南亚等经济比较发达的国家先后提出了各种智能家居的方案， 其中， 德国弗劳恩霍研究会建成世界上第一座智能家居样板房， 向人们揭示了未来住宅的前景和计算机技术新的发展趋势。 最著名的智能家居要算比尔· 盖茨的豪宅。 比尔· 盖茨在他的 “未来之路” 一书中以很大篇幅描绘他正在华盛顿湖建造的私人豪宅。 他描绘的住宅是 “由硅片和软件建成的” 并且要 “采纳不断变化的尖端技术”。 经过 7 年的建设， 1997 年， 比尔· 盖茨的豪宅终于建成。 他的这个豪宅完全按照智能住宅的概念建造， 不仅具备高速上网的专线， 所有的门窗、 灯具、 电器都能够通过计算机控制， 而且有一个高性能的服务器作为管理整个系统的后台。

智能家居也叫数字家庭， 或称智能住宅， 在英文中常称为 Smart Home， 在我国香港、台湾等地区还有数码家庭、 数码家居等叫法。 通俗地说， 智能家居是利用先进的计算机、 嵌入式系统和网络通信技术， 将家庭中的各种设备 （如照明系统、 环境控制、 安防系统、 网络家电） 通过家庭网络连接到一起。 一方面， 智能家居将让用户有更方便的手段来管理家庭设备， 比如， 通过无线遥控器、 电话、 互联网或者语音识别方式控制家用设备， 更可以执行场景操作， 使多个设备形成联动； 另一方面， 智能家居内的各种设备相互间可以通信， 不需要用户指挥也能根据不同的状态互动运行， 从而给用户带来最大程度的高效、 便利、 舒适与安全。 此外， 智能家居还是以住宅为平台， 兼备建筑、 网络通信、 信息家电、 设备自动化， 集系统、 结构、 服务、 管理为一体的高效、 舒适、 安全、 便利、 环保的居住环境。

因此， 智能家居可以定义为一个过程或者一个系统。 利用先进的计算机技术、 网络通信技术、 综合布线技术， 将与家居生活有关的各种子系统有机地结合在一起， 通过统筹管理，让家居生活更加舒适、 安全、 有效。 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。

总之， 在国家宏观发展需求 （即建设节能型社会和创新型社会的目标）、 信息技术应用需求 （即信息化已成为当今人们生活的重要部分）、 公共安全保障需求 （即安全保证是衡量社区住宅环境的标准） 和建筑品牌提升需求 （即智能化是现代建筑灵魂核心的充分体现）以及其他主、 客观因素的作用下， 智能家居的产生是必然的。

随着家居控制技术的逐渐成熟， 智能家居越来越普及。 由于不同国家的不同国情， 全球智能家居的风格也有多样化的特点。

美国智能家居偏重于豪华感， 追求舒适和享受； 德国的智能家居则继承了德国的一贯思想注重基本的功能性， 追求专项功能的开发与应用； 在澳大利亚， 智能家居控制系统的特点是让房屋做到百分之百的自动化， 而且不会看到任何手动的开关， 安全问题也是考验智能家居的标准之一， 澳大利亚智能家居保安系统里的传感器数量更多， 即使飞过一只小虫， 系统都可以探测出来； 日本的智能家居以人为本， 注重功能， 兼顾未来发展与环境保护； 韩国智能家居采取实用主义， 政府对智能小区和智能家居采取多项政策扶持， 规定在首尔等大城市的新建小区必须具有智能家居系统， 目前韩国全国 80% 以上的新建项目采用智能家居系统。

国内的智能化住宅和智能化家居虽然起步比较晚， 但发展速度很快。 目前国内几种智能家居系统有海信公司的 DNet- home 数字家庭、 清华同方公司的 e- Home 数字家园、 海尔公司U- home、 西南交通大学科技公司开发的 NDT 系统、 科龙公司的 “现代家居信息服务集散控制系统”、 美的公司智能家居系统、 慧居公司全数字化网络智能家居终端、 聚晖公司的智能生活专家———KOTI 和北京科技大学的物联网智能家居系统等。

1. 3 智能家居的市场需求和意义

1. 普通用户需求分析

现代人工作生活压力大， 工作节奏快。 上班还牵挂着家中老人、 小孩是否安好， 还在想家中的煤气有没有关牢。 智能家居控制系统能够让用户轻松面对工作、 生活， 让人找到家的感觉， 体现了家的和美与温馨。

当人们回到家中， 温度、 音乐、 灯光、 影院、 屏幕…所有元素仿佛都有人操作， 呈现出绝伦的和谐感。 坐在舒适的沙发上， 观赏倾心的电影， 或聆听钟爱的乐曲， 壁灯的光照分寸恰到好处， 窗外夜色澄清。

智能化带给人们的是前所未有的自由。 动动手指头， 甚至什么都不用做， 一切细节都在畅快自如地围绕在用户身边流淌。

2. 老龄化社会需求分析

随着传统的工业化社会向现代信息化社会演进， 住宅作为一种物质和社会现象的人类居住生活空间， 最新的、 未来的科技都在其中展现着梦想的张力。 在新的世纪里， 当人们对未来生活的理解开始变成社会共识的时候， 智能化、 可持续发展将逐渐成为未来住宅的两个具体要素。

中国将逐渐进入老龄化社会， 老年人数量连年增长， 年轻人数量却远远不足， 届时将出现数量可观的 “空巢老人”， 和更多的需要照顾的儿童。 社会基础设施建设， 不再是传统意义上的设施建设， 而是要创新设备， 使新时代的设备能够具有更广泛的互联互通性和更智能的服务性， 一言以蔽之， 未来社会建设需要我们的生活环境更加和谐， 更加智能化， 为了解放年轻劳动力、 更好地照顾老年人而努力。

3. 行业的影响分析

智能家庭中的行业应用就是利用 RFID、 传感、 定位、 通信等技术， 通过承载网络， 包括互联网、 移动通信网、 广播电视网、 传感网， 实现物与物 （ T2T）、 物与人 （ T2H） 的连接， 从而实现家庭对家电设备及应用的智能化管理、 控制。

物联网大潮下的智能家居行业在我国乃至全世界都有广阔的前景， 是一个朝阳的行业，就目前的发展趋势分析， 预计在今后的几年内全世界将有近亿家庭构建智能、 舒适的家居生活。

4. 行业发展分析

政府各部门态度积极， 提供了很好的宏观环境。

我国高层政府的一系列讲话、 报告、 措施和相关政策明确表明， 大力发展物联网产业将是我国一项具有国家战略意义的重要决策， 各级政府部门将会大力扶持物联网产业的发展，将物联网的建设发展上升到国家战略的地位。 国家政府各部门的大力支持， 将有利地驱动物联网产业的快速发展和进程。 在物联网的应用中， 智能家居产业的应用受众量最大， 政府的明朗态度将大力推动智能家居物联网技术的应用。

（1） 物联网核心技术发展迅速

物联网发展的核心力量是其技术的发展， 依靠我国自身的核心技术将使其产业链逐步摆脱外界进口设备厂商带来的成本高、 标准不统一的问题。 包括 RFID、 ZigBee、 云计算等在内的物联网发展的关键技术在今后都会有进一步的突破和应用， 相关标准的制定也会使技术的统一和推广更加完善。 这将从根本上扩大物联网技术在智能家居产业的应用和发展。

（2） 大量资本被吸引投入

国家政策对物联网的扶持吸引了更多新资本的涌入， 更多的企业开始向物联网领域投入资金， 寻求新的市场空间和发展机遇。

（3） 家庭宽带的普及将促进智能家居的使用

在物联网时代， 我们将遇到大量的数据量， 家庭宽带接入是智能家居应用于家庭智能化的前提， 随着家庭宽带的应用越来越广泛， 将会促进智能家居的广泛应用。

（4） 智能家居意义分析

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。

（5） 智能家居从梦想走入现实

智能家居产品为家居环境、 家电设备提供一个共享的接入中心， 实现对家庭环境及其设备的智能管理、 远程管理、 集中管理和资源共享。 随着网络科技的高速发展， 在可以预见的未来， 在智能化住宅中， 以宽带网络将家里的电脑、 电视机、 家电、 安防系统等连成一体的自主控制、 扩展、 享用的工作、 学习、 娱乐家庭综合信息服务平台。

（6） 智能家居绿色节能

全世界能源消耗总量中有 40% 是建筑的能源消耗， 其中住宅能源消耗又占了 2 / 3。 随着石油、 煤炭等能源的日益枯竭， 人们对能源现实的理解也日益加深， 融入自然、 节能、 可持续发展的住宅设想也越来越成为未来住宅在智能化之外的另一个重要指标。 未来的智能化住宅则为人们营造了一个舒适、 安全、 方便和高效率的生活环境。

（7） 智能家居有益健康

健康问题是年轻人的潜在问题， 是老年人的首要问题。 针对未来人们的养老、 就医压力， 智能家居能够检测常规健康问题， 减少潜在疾病危险， 同时还能为养老助老提供良好的空间， 是未来社会智能化社区的一个重要方面， 是未来国家为之努力的方向之一。