物联网技术在智能家居中的应用

文｜全国智能建筑及居住区数字化标准化技术委员会 张永刚 王 斌

1 引言

随着20世纪电气技术、自动化技术的广泛应用，人们设想把这些技术用于改善居住环境，便诞生了智能家居的概念。1984年美国联合科技公司将这一概念应用于美国康乃迪克州哈特佛市的一座建筑，揭开了全世界争相建造智能家居的序幕。此后，计算机技术、信息技术等新技术不断融入智能家居，使其内容发展的更为丰富。虽然智能家居经过了多年的发展，但是发展至今仍没有普及。究其原因，除了产品价格等方面因素外，关键原因是目前智能家居提供的服务，还不是人们生活所必须的，是低于大众购买期望的阈值。技术不完善是限制智能家居提供更多服务的重要因素，主要有：

（1）智能家居的各子系统之间基本上是“信息”孤岛，还没有实现互联、互通和互操作。虽然存在很多标准，国际上比如UPNP、Zigbee联盟标准，国内的如家庭网络工作组标准等，但是行业内一直都没有很好的遵循过。这反映出标准的制定者和使用者期望偏差较大，各子系统之间的信息阻隔使更多家庭服务成为空中楼阁。

（2）当前智能家居的各子系统，从自动化的角度来说更多的是执行器。执行器的智能化执行，必须依靠对家庭的全面感知。感知设备的缺乏，严重影响了智能家居的智能化程度的提升，从而也就不能提供更多的服务。

（3）目前的智能家居系统，自动执行的大多是简单的感知动作，缺乏对感知数据的进一步分析，缺乏人工智能的推理分析计算平台是造成这一结果的重要原因。

近年来物联网技术不断进步、云计算技术逐步成熟，这些都为智能家居的发展提供新的契机。

2 智能家居系统

现阶段，智能家居是指以住宅为平台，利用综合布线技术、网络通信技术、安全防范技术、自动控制技术、音视频技术，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常事务的管理系统，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。智能家居系统是实现智能家居功能的设施，主要包含8大子系统：家居照明控制子系统、家庭安防子系统、家庭环境控制子系统、背景音乐子系统、家庭娱乐子系统、家庭能量管理（三表抄送）子系统、家庭自动化子系统和家庭信息处理子系统。智能家居系统通常能提供以下服务：

◆始终在线的网络服务，与互联网随时相连，为在家办公提供了方便条件；

◆安全防范：智能安防可以实时监控非法闯入、火灾、煤气泄露、紧急呼救的发生。一旦出现警情，系统会自动向中心发出报警信息，同时启动相关电器进入应急联动状态，从而实现主动防范；

◆家电的智能控制和远程控制，如对灯光照明进行场景设置和远程控制、电器的自动控制和远程控制等；

◆交互式智能控制：可以通过语音识别技术实现智能家电的声控功能；通过各种主动式传感器（如温度、声音、动作等）实现智能家居的主动性动作响应；

◆环境自动控制：如家庭中央空调系统；

◆提供全方位家庭娱乐：如家庭影院系统和家庭中央背景音乐系统；

◆现代化的厨卫环境：主要指整体厨房和整体卫浴；

◆家庭信息服务：管理家庭信息及与小区物业管理公司联系；

◆家庭理财服务：通过网络完成理财和消费服务；

◆自动维护功能：智能信息家电可以通过服务器直接从制造商的服务网站上自动下载、更新驱动程序和诊断程序，实现智能化的故障自诊断、新功能自动扩展。

3 物联网技术

物联网是国际电信联盟在2005年信息社会峰会上提出的。国际电信联盟认为：在物联网时代，通过在各种各样的日常用品上嵌入一种短距离的移动收发器，世界上所有的物体从轮胎到牙刷、从房屋到纸巾都可以通过因特网主动进行交换。从智能家居的角度，比较贴近的物联网定义是：将无处不在的末端设备和设施，包括具备“内在智能”的传感器、移动终端、工业系统、楼控系统、家庭智能设施、视频监控系统等，和“外在使能”的如贴上电子标签的各种资产、携带无线终端的个人与车辆等“智能化物件或动物”或“智能尘埃”，通过各种无线/有线的长距离/短距离通信网络实现互联互通，应用大集成以及基于云计算的SaaS（Software-asa-service）营运等模式，提供安全可控乃至个性化的实时在线监测、定位追溯、报警联动、指挥调度、预案管理、远程控制、安全防范、远程维保、在线升级、统计报表、决策支持、领导桌面等管理和服务功能，实现对“万物”的“高效、节能、安全、环保”的“管、控、营”一体化TaaS（Testing as a service）服务。

无论怎么定义，物联网首先是一个完备的网络应用体系。与计算机控制技术、现场总线技术、家庭自动化技术等相比较，物联网更加强调的是与互联网技术、感知技术的有机融合，重点突出从物品信息交互，到云处理、到具体应用的系统框架。当然，物联网包括一些关键技术。

（1）RFID

这是对要监控与管理的包罗万象的“物”嵌入RFID智能标签，结合已有的网络技术、数据库技术、中间件技术等，构筑由大量联网的读写器和无数移动的电子标签组成的物联网。这个体系除了RFID技术外还包括条码和二维码等，主要用来标识物体。

（2）传感器网

这是通过在需要进行监控和管理的万事万物所在区域附近部署大量的“传感节点”或“Mote”（智能尘埃），采集外界物理世界“物”的信息，相互协作完成大规模复杂的监测任务，并通过汇聚节点/网关与互联网相连，将采集的物体（目标）信息传送到“应用处理中心”，对“物”进行监控与管理的物联网。

（3）M2M

M2M是机器与机器之间的通信，是强调广域网络传输的技术，关注末端设备的互联和集控管理、两化融合系统等。电信运营商由于不甘只为提供通信信道而向外扩展的物联网业务，称之为M2M业务，目前通信运营商和专家正积极推动并得到了工业界的重点关注，是现阶段物联网较普遍的应用形式。

（4）泛在网络（Ubiquitous Networks）

简单地说，泛在网络指无所不在的网络，可实现随时随地与任何人或物之间的通信，涵盖了各种应用；是一个容纳了智能感知/控制、广泛的网络连接及深度的信息通信技术应用等，超越了原有电信范畴的更大的网络体系。泛在网络可以支持人到人、人到对象和对象到对象的通信。

这些技术都是物联网技术，它们相互融合构成了物联网，但是绝不能说单独的一项就是物联网，只能说应用了物联网中的技术。这是人们常犯的错误。

图1 智能家居物联网

4 家居物联网

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，则实现对智能家居系统的全面提升，家居物联网的框架如图1所示。

依据物联网的体系结构，家居物联网分为：感知层、网络层和应用层。

（1）感知层：感知的对象分为人们所生活的家庭环境和人本身。通过各种传感器，实现对家庭内部的全面感知。传统的智能家居8大子系统作为感知层的执行设备。

（2）网络层：网络层包括智能家居原有的家庭网络和物联网的物理通信方式。

（3）应用层：利用云计算技术，降低智能家居的硬件投资成本，把大量的处理放在了家庭外部。同时这也为家庭内部的复杂计算提供了可能，借助人因工程、心理学、临床医学、营养学、模式识别、机器视觉、语言识别等技术，建立智能家居云感知模型，实现家庭内部的语言感知、物品感知、用户习惯感知、用户行为感知、家庭事件感知、情绪感知、健康感知。并为家庭服务商提供第三方接口，提供便于人们生活的各种服务。

5 应用

严格的说，目前大部分智能家居系统还不是一个物联网系统，只能说应用了物联网当中的某项技术，比如感知技术。比较典型的有：

（1）无线温湿度传感器：主要用于探测室内、室外温湿度。虽然绝大多数空调都有温度探测功能，但由于空调的体积限制，它只能探测到出风口空调附近的温度，这也正是很多消费者感觉其温度不准的重要原因。有了无线温湿度探测器，你就可以确切地知道室内准确的温湿度。其现实意义在于当室内温度过高或过低时，能够提前启动空调调节温度。无线温湿度传感器对于你早晨出门也有着特别意义，当你呆在空调房间时，你对户外的温度是没有感觉的，这时候装在墙壁外的温湿度传感器就可以发挥作用，它可以告诉你现在户外的实时温度，根据这个准确温度你就可以决定自己的穿着，而不会出现出门后才知道穿多或者穿少的尴尬。

（2）无线红外防闯入探测器：这个功能主要是用于防非法入侵，比如当你按下床头的无线睡眠按钮后，关闭的不仅是灯光，同时它也会启动无线红外防闯入探测器自动设防，此时一旦有人入侵就会发出报警信号并可按设定的自动开启入侵区域的灯光吓退入侵者。或者当你离家后它会自动设防，一旦有人闯入，会通过无线网关自动提醒你的手机并接受你手机发出的警情处理指令。

（3）无线空气质量传感器：这主要是探测卧室内的空气是否混浊，这对于要回家休息的你很有意义，特别是对有婴幼儿的家庭尤其重要。它通过探测空气质量告诉你目前室内空气是否影响健康，并可通过无线网关启动相关设备优化调节空气质量。

（4）无线门铃：这种门铃对于大户型或别墅很有价值。出于安全考虑，大多数人睡觉时会关闭房门，此时有人来访按下门铃，在房间内很难听到铃声。这种无线门铃能够将按铃信号传递给床头开光提示你有人造访。另外在家中无人时，按门铃的动作会通过网关传递给你的手机，而这对你了解家庭的安全现状和来访信息非常重要。

（5）无线门磁、窗磁：主要用于防入侵。当你在家时，门、窗磁会自动处于撤防状态，不会触发报警，当你离家后，门、窗磁会自动进入布防状态，一旦有人开门或开窗就会通知你的手机并发出报警信息。与传统的门、窗磁相比，无线门、窗磁无需布线，装上电池即可工作，安装非常方便，安装过程一般不超过2分钟。另外对于有保险柜的家庭来说，这种传感器还能够侦测并记录下保险柜每次被打开或者关闭的时间并及时通知授权手机。

（6）无线燃气泄漏传感器：该传感器主要是探测家中的燃气泄漏情况，它无需布线，一旦有燃气泄漏会通过网关发出报警并通知授权手机。

（7）无线辐射传感器、无线空气污染传感器：对于一些对太阳辐射敏感的人来说，这种传感器具有特别的意义，通过它你可以准确知道出门前是否需要采取防太阳辐射或者防污染防尘措施。

6 结束语

物联网的出现，给智能家居走进千家万户带来了希望。国内已有一些小区建立了“云社区”，对物联网技术在智能家居进行了初步尝试。然而这只是初步的应用，未来物联网会在智能家居中发挥越来越重要的作用，其强大的感知技术，使智能家居更加“智能”，甚至具备人的某些思维功能，会给人们提供实用、具有粘性的服务，从而使智能家居行业更快的发展。