未来智库 > 智能家居论文 > 【走近智能家居】
    
    智能家居概念的起源甚早,但一直未有具体的建筑案例出现,直到1984年美国联合科技公司(UnitedTechnologiesBuildingSystem)将建筑设备信息化、整合化概念应用于美国康乃迪克州(Conneticut)哈特佛市(Hartford)的CityPlaceBuilding时,才出现了首栋的“智能型建筑”,从此也揭开了全世界争相建造智能家居的序幕。
    随后智能家居(SmartHome)频繁出现在各大媒体上,成了人们耳熟能详的词汇。目前关于智能家居的称谓多种多样,诸如:电子家庭(ElectronicHome)、e-Home、数字家园(Digitalfamily)、家庭自动化(HomeAutomation)、家庭网络(Homenet/NetworksfOrHome)、网络家居(NetworkHome)、智能化家庭(Intelligenthome)等等几十种,尽管名称是五花八门,但它们的含义和所要完成的功能大体是相同的。
    家居智能化技术起源于美国,最具代表性的是X-10电力载波技术,通过X-10通信协议,网络系统中的各个设备便可实现资源的共享。因其布线简单、功能灵活,扩展容易而被人们广泛接受和应用。至今,电力载波产品的销售已超过两亿个,仅在美国一个国家,便有超过600万个家庭在使用。自动化的家居不再是一幢被动的建筑,相反,它成了帮助主人尽量利用时间的工具,使家庭更为舒适、安全、高效和节能。网络化智能家居系统可为您提供遥控、家电(空调,热水器等)控制、照明控制、室内外遥控、窗帘自控、防盗报警、电话远程控制、可编程定时控制及计算机控制等多种功能和手段。使生活更加舒适、便利和安全。
    目前通常把智能家居被定义为利用电脑、网络和综合布线技术,通过家庭信息管理平台将与家居生活有关的各种子系统有机地结合的一个系统。也就是说,首先,它们都要在一个家居中建立一个通讯网络,为家庭信息提供必要的通路,在家庭网络的操作系统的控制下,通过相应的硬件和执行机构,实现对所有家庭网络上的家电和设备的控制和监测。其次,它们都要通过一定的媒介平台,构成与外界的通讯通道,以实现与家庭以外的世界沟信息,满足远程控制/监测和交换信息的需求。最后,它们的最终目的都是为满足人们对安
    全、舒适、方便和符合绿色环境保护的需求。
    在国内,智能家居不是一个单独的产品,也不是传统意义上的“智能小区”概念,而是基于小区的多层次家居智能化解决方案。它综合利用计算机、网络通讯、家电控制、综合布线等技术,将家庭智能控制、信息交流及消费服务、小区安防监控等家居生活有效地结合起来,在传统“智能小区”的基础上实现了向家的延伸,创造出高效、舒适、安全、便捷的个性化住宅空间。
    专家预计:2006年―2008年是智能家居普及年;目前,我国在智能家居技术领域与欧美国家的差距并不大,估计仅滞后2~3年,在这几年中,我国将全面普及智能家庭网络系统和产品,即开始走进普通居民的家居中。在这个时期,整个市场将是以我国自行研究和开发的系统和产品为主;国外的产品将在高档系统产品占有一席之地。真正智能家庭网络的大市场将在2006―2008年中形成。我国人民将以怎样的方式来观看和参与在我国举办的2008年奥运会,现在都是很难准确预料和想象的,但有一点是可以肯定的:这将是以一种与现在观看体育比赛完全不同的方式和心态。
    
    智能家居“智能”在哪?
    
    智能家居最早引起人们的注意可能是当初比尔・盖茨耗资5.3亿美元建立的智能化豪宅,这一度被许多人看作一种梦幻。但如今有众多的商家正在把这种梦想变为现实。许多住宅小区的开发商在住宅的设计阶段已经或多或少考虑了智能化功能的设施,少数高档的住宅小区已经配套了比较完善的智能家庭网络,并在房地产的销售广告中,已经开始将“智能化”作为一个“亮点”来宣传。例如近期北京万通、望京家园、大连星海人家等房地产企业都宣布和国内著名”企业合作,建立智能家居系统。此外,一些对科技发展动向和市场趋势敏感的科研机构和有实力的公司,也已经看到这个市场的广阔前景,意识到这是一个难得的机遇,开始为研究和开发相关系统和产品进行先期的部署和规划,开始介入智能家庭网络这个全新的领域。
    首先,智能家居都要在一个家居中建立一个通讯网络,为家庭信息提供必要的通路,在家庭网络的操作系统的控制下,通过相应的硬件和执行机构,实现对所有家庭网络上的家电和设备的控制和监测。其次,它们都要通过一定的媒介,构成与外界的通讯通道,以实现与家庭以外的世界沟通信息,满足远程控制/监测和交换信息的需求。最后,智能家居的最终目的都是为满足人们对安全、舒适、方便和符合绿色环境保护的需求。
    可以看出,智能家居是一个典型的集计算机、通讯和消费在一起的3C(Computer,Communication和Consumer)系统,是整个世界形成的一个巨型网络的末端,俗称是该“网络的最后100m”。它的最起始的功能构思源自将电话、电视、光盘影碟机、数码相机、计算机以及各种各样的家用电器/设备的互联,以实现设备之间的信息交换机远程控制及监测。
    智能家居的基本目标是为人们提供一个舒适、安全、方便和高效率的生活环境。这其中,首先是一个舒适的居住环境,例如对自己居住的生活环境的个性化需求也越来越高,甚至要求对听觉、视觉、味觉和嗅觉的感受;也包括一个安全的家庭体系,这其中既包括人身和家庭财产的安全,也包括家庭设备的安全,为了实现这种安全体系,就需要配备相关的防卫措施例如电子门禁、对讲系统、电子防盗系统、玻璃破碎检测报警系统、室内跑水检测与报警系统、火灾报警系统、室内有毒/害气体的检测与报警系统以及三表(煤气表、水表和电度表)出户/远程抄表系统等;此外还有方便的生活方式,可以使用一个通用遥控器控制所有家电,并实现远程医疗和远程教育,而且能够实现高效率的工作模式。
    
    智能家居为什么“智能”?
    
    从技术上讲,智能家居所要实现的主要的功能有:
    (1)对白色家用电器和其他设备的控制、调节和监测,比如微波炉、洗衣机、灯光、电动窗帘、防盗报警器、自动门烟雾探测器、有害气体检测装置、温度和湿度控制器、风量调节器、各种手动的开关和遥控器等。
    (2)沟通黑色家电和其他视频设备之间以及与外部世界之间的信息通道,其中包括:台式/手持计算机、电视、录/摄像机、VCD/DVD和数码照相机等;同时还可以实现对它们的控制和监测。
    (3)通过对外的接口,实现远程控制和信息交换,如:电话线、有线电视电缆、市电电源线、双绞线和无线通讯方式等。
         上面提到的功能中,牵涉到了各种信息,例如
    电灯等家电设备、计算机等信息设备。这么多设备信息,智能家居是如何区分和控制的呢?让我们看看智能家居的组成和各部分的特点。
    智能家居从信息流介质上看,具体可分为两大部分:
    1.控制网络
    它主要是控制家庭中各种设备的运行状况,如电灯的灭/亮和亮度控制,空调的启/停以及温度和风量的控制,家庭安防系统的讯号采集和执行,各种开关量的输入,电动窗帘的开启/关闭控制等。
    控制网络的特点是:在这个网络上传输的信息主要是控制信息以及一些物理量的参数。信号的频率相对比较低,因此传输的速率可以比较低,一般在数十Kbps就可满足要求,但是信息传输的可靠性要求比较高。这是因为它传输的信息是各种设备的控制信息,它的错误不仅可能导致设备的非正常工作,而且可能导致设备的损坏。因此控制网络在技术上主要解决的问题是传输的可靠性。
    2.信息网络
    在图中其它部分我们统称其为信息网络,它连接的设备有计算机、电视、音响系统,录像机、数码相机以及手机等等。
    在信息网络上传输的主要是音频和视频信号,它们的频率带宽一般要高达数兆赫兹,因此要求信息网络上的信息传输速率比较高,普遍应达到10Mbps以上。但相对说来,它的可靠性要求没有控制信息那么高。因为视音频信息在传输的前后都有一定的处理(如信号的压缩和编码/解压缩和解码),这些处理都有一定的容错能力,而且即使有瞬时的错误,也只是影响瞬时的声音或图像的错误,而对设备以后的运行几乎没有影响。因此信息网络在技术上需要解决的主要问题是传输速率(即带宽),即在可能的条件下,尽可能提高信息网络的带宽。
    
    网络:智能家居的骨架
    
    前面我们已经介绍过,智能家居是通过统的网络总线和控制平台将家庭的电器设备、灯光控制系统、安全控制系统、能源管理系统等连成一体的。目前智能家居的发展趋势是由集中控制到分布控制,与集中式控制相比,分布式控制不仅能减少布线,而且能提高系统的可靠性,当某一个节点出现故障时,只需将该节点从网络中拿走,而其它节点不受影响。智能家庭控制网络主要由下面几个部分组月
    1.总线耦合器(BCU―BusCoupleUnit)
    这是将家用电器/设备连接成一个网络的关键部分,也是网络总线与家用设备之先是在各个BCU之间实现信息的交换,实现对家用设备的信号的获取(输入)或控制信号的输出。BCU对信息进行处理,并确定信息是否要经总线或其它BCU作传送。此外,由于每个BCU可以连接多个家用设备,因此它还需要确定信息的来源。
    2.家电控制信号的驱动部分
    BCU无论在输入驱动的电压还是在输出电流驱动能力上都是很有限的,驱动部分就是要将BCU输出的控制信号“放大”到足以驱动家用电器的能力,同时也应将输入的微弱信号“放大”到BCU能够认可和接收的水平。
    3.家用电器
    这是智能家庭中实际使用的设备。它与目前家庭使用的设备不同之处是:它们更具有灵活性,并应配置可以与BCU连接的相应的接口。一般原来只有开/关状态的家用设备(如微波炉、电饭煲等)几乎不用做太大的变动.而原来具有多种功能调节的家用设备(如电视可调音量、频道;空调可调温度、风向及方向,音响系统可调音量、音质及自动换盘等),则应由家用设备厂家做较大的变动,即每个家电应增加一个与BCU连接的接口,以便可以接收来自BCU的控制信号(以替代原遥控器的控制作用)和向BCU送出自己的工作状态信号,以便监测。
    4.通用遥控器
    在一个智能家庭控制网络上的任何家用设备只需要通过一个唯一的遥控器,就可以实现对它们的控制和监测。也就是说不仅可以控制家用设备的工作如设备的启/停、工作状态和参数的改变等,还可以通过遥控器进行监控,例如看到室内的温度,查看卫生间的灯是否已经关断,热水器是否还在加热……。也就是说,这里的遥控器与家用电器的信息交换是可以双向进行的,而现在家中的遥控器只是具有单向的控制作用,而没有逆向的监测功能。
    5.电话接口
    这里的电话接口与家中的遥控器有异曲同工的作用,只是遥控器是在家中的近距离的控制与监测,而电话模块可以让电话/手机在远距离作控制与监测。
    6.家庭网关
    家庭网关是智能家庭网络上的一个重要部分,它是将单个家庭网络与外部世界(如局域网、Internet网或智能小区的子网络)沟通起来的关键部件。家庭网关的设置,就象现在的计算机上了网络一样,可以到各个网站上去浏览各种信息,可以收/发Email等,同时也可以通过远程已经连接到Internet上的计算机来控制和监测家庭中各种设备。
    
    技术:智能家居的神经
    
    在未来的一个完善的数字家庭中,将体现出当前各种高技术的综合集成。因为要构成一个真正意义上的智能化家庭,必定是各个学科的技术的交叉。因此要想构建一个真正的职能家居,需要多个行业、各家”厂商进行支撑。
    智能家居系统主要包括以下技术:
    1.计算机软件技术
    在数字家庭网络中涉及的计算机软件,除一般的用户程序外,最突出的有二个方面:首先是网络操作系统,这个操作系统应该具有占存储器小、使用方便、配置灵活、容错性能好等特点;其次是数据结构,这是由于一般的家庭控制网络中,不可能使用各种体积庞大的数据库,而实际使用时又需要处理大量的数据,因此需要设计者设计一个适合于家庭网络使用的数据库。
    2.计算机网络技术
    这里比较突出的是家庭网关,例如与Internet或Ethernet的接人、路由的选择、浏览器的设计、网页的制作,此外还有编码压缩技术和网络接口技术等。
    3.计算机密码技术
    数字家庭网络与外界联网为用户带来了很大的方便。但有其利也有其弊,“黑客”一类的不速之客也将不请自来。为了保护用户的权益和隐私不受侵犯,则不能允许无关者私自闯入私人的家居网络中来。解决的办法之一是采用各种加密/解密技术。
    4.“即插即用”技术
    这是家庭网络中特殊要求的技术,即要求网络能自动“感觉”和“识别”新上网的家用电器/设备,并且能对它们执行控制和监测的功能。要完成这个功能,不仅要求家用电器/设备要作一定的改动(增加相应的接口),同时要求网络的操作系统具备这样的能力。为了实现这个功能,首先要规范化/标准化接口协议和设备文件,其次网络操作系统应该具有完备的协议,最后控制器(如遥控器)应能自动重组系统控制逻辑。所以说要实现这个功能不是一件轻而易举的事,目前在国外也还没有标准化的成熟的方案推出。
    5.图像处理技术
    图像处理技术是属于信息技术中一个层次比较高的技术,目前它也已经走入了数字家庭之中。其中最典型的例子是智能型防盗门,这种防盗门是不需要用普通钥匙的,它的“钥匙”是该家庭每个人员自己身上的某个器官特征:比如,手指的指纹,或人脸的特写,或眼睛中的虹膜等。这些人体的自身的特征,首先需要通过一些专用的装置将它们采集到,然后对这些采集到的图像信息作必要的处理,并提取相应需要的特征,最后根据这些特征来识别出“是否是本家居中的成员”。
    在这样的一个系统中,最关键也是最重要的技术是:在尽可能短的时间里,对所采集的信息作快速处理和提取出足以作出正确识别的特征来,而这正是图像处理中最核心的技术之一。
    6.传感器技术
    在一个数字家庭中,为保证完善的控制,需要测量的物理量是多种多样的(例如流量、电量、温度、湿度、微量气体含量等),这都需要传感器技术。一般说来,家庭中的物理量的测量精度要求不高,测量设备的体积和重量也没有苛刻的要求,因此还需要研究和开发适应家庭网络控制用的价格低、稳定、可靠和多功能集成的测量技术和传感器技术以及相应的产品。
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