智能家居系统探究

李博豪

（武汉市第六中学，武汉 430011）

1 引言

智能家居，顾名思义就是智能化的家居环境，它是以物联网为技术背景，将家居产品和用户本身连接起来，建立一定的关系以有效地实现人物交互。智能家居的概念早在上世纪中期就已出现，但是直到近几十年尤其是二十一世纪后信息化计算机迅速发展，智能家居才迈向了较为成熟的一步，早期人们只是一些简单的电子器件来装饰家居，它的功能较为单一，使用效果也并不智能，到上世纪八九十年代基于通信总线技术的住宅自动化基本实现了智能家居的雏形。近些年来，人工智能技术大放光彩，成为新时代的主要技术，智能家居也随之迅速发展，网络、监控、交互等技术领域都有新的进步。其中各个分系统的设计至关重要，本文就几个典型的分系统设计进行了一定的探究。

2 智能家居电气系统设计

电气是现代家居生活很重要的一部分，它是支撑起智能家居的能源提供者，大部分信息采集、网络处理、人机交互及监控都要依赖于电力支持。对于智能家居而言，电气系统有两点需要注意的，一是配电供电，二是家居内部电力系统设计。现阶段已有电气系统设计应用人工智能技术的实例，主要技术有神经网络和专家系统，利用神经网络技术，建立复杂的供电系统，可以较为智能化的满足各个不同的家居用电要求。尤其现代建筑种类繁多，家居环境也有诸多不同。神经网络技术可以针对复杂的环境进行电气系统的设计，满足多元化的用电需求。

现代化建筑对电气的依赖性非常强，而电力作为一种能源提供，经常会出现各种各样的故障，这就需要针对电气故障进行一定的预防和排除准备。对于智能家居而言，它的优势在于将家居产品用网络连接起来，促进了人机交互的和谐，但是与此同时，它变得非常依赖电气和网络，一旦出现故障将甚至不能满足基本生活需求。现在高楼化住宅环境更是如此，针对电气故障，我们可以采取专家系统来进行一定的设计和处理。专家系统是基于当前技术水平，针对不同的问题故障形成最佳的解决方案，将其输入计算机中，使得计算机形成相对应的处理思维，这样可以极大地解放人力，并且在解决故障方面也能做到现阶段最好，是电气故障领域较为智能化有效化的方法。除此之外，应当为关键电气元件准备备用电源，在开关控制方面做二手准备，以降低最终的故障率。

3 智能家居网络网关系统设计

3.1 智能家居网关总体设计理念

网络技术是智能家居的核心技术之一，它为家居产品和用户提供一个交流的平台，并且一切的感知、控制信息都要经过网络连接来工作，智能家居的网络虽是在因特网的大环境之下运行，但自身仍有一些特殊的地方，例如强调局域网的安全性，硬件结构的功能单一性等。现阶段智能家居网络技术最常用的是ZigBee技术，它是是一种短距离、低功耗的无线通信技术。网络中的各个设备将数据信息发送至无线智能家居网关，继而网关将其通过因特网与用户关联，同时网关也可以将平台发来的用户指令传递给无线设备。总之网络网关将用户与家居产品之间联系起来，是家居环境智能化的关键。

3.2 智能家居网关硬件软件设计

智能家居网络网关系统主要由硬件和软件组成。对于硬件来说，传统方法是采用PC机进行控制，这种方式较为成熟，控制也较为简单。只需要将相关家居产品的信息传输至家里的PC机上，然后由PC机进行处理并进行控制。传统较为智能化的家居产品都是采用这种方法，但是这种控制方法依赖于PC机，操作不够简易。近些年来，人们开始研究嵌入式微型处理器来专门控制智能家居产品，嵌入式处理器的优势在于功能专一化，效率极高，而且价格较为便宜，但是它的研发周期较长而且功能不够丰富。另外三星等公司曾开发基于安卓系统的专业处理器，也具有一定的前景。图1是一种经典的网关硬件结构图。

图1 网关硬件框图

智能家居系统的软件设计与常规软件设计并没有太大区别，只是相对来说它要求功能较为专一化，安全性要求较高，形式较为封闭。常用的网关软件架构如图2所示，首先是硬件驱动，其次操作系统，通过相关协议到达用户层，这主要通过人机交互来实现。现阶段智能家居的软件设计正在向专业化发展，预计未来会出现专门针对于智能家居的软件系统。

图2 网关软件框图

4 智能家居监控系统设计

4.1 系统总体设计概述

监控系统是智能家居的关键部分，所谓智能化就是使得用户和家居产品之间建立友好的交互关系，那么最重要的是两者具备一定的交流方法。对于家居产品来说，它是信息数据产生源，同时这些信息必须传输至用户，然后由用户做出反应，对其进行控制。在这个过程中，用户对相关家居产品的状况必须有较为完全而实时的监控，这就是智能家居监控系统的理论来源。监控系统首先是建立在家居产品自身的传感器之上，也就是我们常说的感知层，其次需要将有效信息传输至网络层中，网络层是监控系统的关键，它是连接家居产品和用户的桥梁，而且它可以对产品自身数据信息进行一定的处理以适应人的操作。

现阶段常用的监控技术主要是基于Zigbee的家居互联技术，还有基于Wi-Fi网络的监控技术，它们可以有效地将温度、湿度等信息展现在用户面前，除此之外，随着人工智能的发展，人们希望相关网络可以部分地对家居产品进行直接控制，它模拟人的行为习惯，并且利用专家系统对一些常见问题进行自主解决，以达到人工监控的效果。

4.2 系统硬件软件设计

智能家居监控系统现阶段最常用的是星型网络，相关家居产品和网关网络一般由Zigbee协调器提供，对于监控系统而言，硬件主要是家居产品的感知层和网络网关的处理器，前者主要是各种传感器，后者主要是嵌入式处理器。感知层是智能家居第一层环节，同时也是非常重要的环节。它模拟人的五官采集信息，这样才可以和人建立和谐的交互关系，提高家居生活的智能化程度。对于相关传感器而言，主要在于其布置与网络连接，要细致地控制相关设备，必须对其进行精细的信息采集，这就需要智能有效地布置传感器，其次要有效地利用采集到的信息，必须将传感器与网络联系起来并且建立高效的监控机制，这个过程可以通过单片机来实现。至于网络层的硬件设计，基本和上文中介绍的硬件一致，通常采用嵌入式处理器来进行处理和控制。

监控系统软件的功能主要是对各种家具产品进行控制，它需要收集传感器数据并进行分析，而且一般含有报警功能，需要对各种参数进行安全限定。总体而言，智能家居监控系统的软件设计与常规监控系统差别不大，其基本原理和工作过程是类似的，只不过智能家居更强调物联网的网络性和实时控制性。

5 智能家居人机交互探究

传统的信息化人机交互主要由鼠标、遥控器、键盘等实现，早期的智能家居就是用这些方式来控制计算机、智能机顶盒的，借此可以实现控制家电、安防，使用融合影音、社区服务等业务的目的。但是，这些人机互动方式普遍存在操作复杂、缺乏人性化等缺点，成为了物联网智能家居应用普及的障碍，目前较为先进的人机交互方式有多点触控、语音、动作、图像识别等。多点触控移动设备目前比较流行的是苹果公司的iPad、iPhone，在其上安装适当的软件，就可以成为智能家居中人机互动的主要设备。动作识别主要采用三轴加速度传感器所发送回来的x、y、z三轴加速度数据进行判断。语音识别也是一种信号处理方式，是一种模式识别。语音经过话筒变换成电信号后加在识别系统的输入端，首先经过预处理，再根据人的语音特点建立语音模型，对输入的语音信号进行分析，并抽取所需的特征，在此基础上建立语音识别所需的模板。而计算机在识别过程中要根据语音识别的模型，将计算机中存放的语音模板与输入的语音信号的特征进行比较，根据一定的搜索和匹配策略，找出一系列最优的与输入语音匹配的模板。然后根据此模板的定义，就可以给出所识别出的结果这几种新型人机交互方式将为人们带来新的交互感受和更高效的工作方式。近几年相关研究机构还在研究基于自然语言处理的语音交互技术，它将会极大地改变传统人机交互方式。

6 结束语

随着现代信息化计算机的发展，人工智能已开始进入人们的生活与工作中。人们对家居环境的智能化需求也日益增加，现阶段来说智能家居相关技术还不够成熟，只有少许有实际应用，根据目前人工智能以及大数据技术的发展趋势，智能家居在一定时间将会首先实用化，其次迈向更为智能的时代。与此同时，智能家居带来的隐私问题也应当引起我们的注意，家居环境毕竟是相对个人性的，需要对此进行保护。另一方面，智能家居将会与其他智能产品结合起来，比如智能穿戴、智慧交通等。总之智能家居将会极大地改变我们的日常生活环境。

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