智能居室系統(tǒng)——構(gòu)建貼心便利的老人生活空間

彭昭亮 陳殿生 王田苗

（北京航空航天大學(xué)機(jī)器人研究所，北京，100191）

0 引言

智能家居的概念最早出現(xiàn)在美國(guó)，智能家居是以住宅為平臺(tái)，兼?zhèn)浣ㄖO(shè)備、網(wǎng)絡(luò)通信、信息家電和設(shè)備自動(dòng)化，集系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)、服務(wù)、管理為一體的高效、舒適、安全、便利、環(huán)保的居住環(huán)境。智能家居利用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，將與家居生活有關(guān)的各種子系統(tǒng)有機(jī)地結(jié)合在一起，通過(guò)統(tǒng)籌管理優(yōu)化人們生活方式，幫助人們有效地安排時(shí)間，增強(qiáng)家居生活的安全性和方便性。

中國(guó)人口老年化日益加劇，為老年人提供安全便捷的家居環(huán)境是一個(gè)重要的研究課題。為此，我們將智能設(shè)備概念引入到老年人居室環(huán)境中，并將這些設(shè)備都集成起來(lái)構(gòu)成一個(gè)智能居室系統(tǒng)。此系統(tǒng)能自動(dòng)感知外界環(huán)境的變化，完成數(shù)據(jù)共享，根據(jù)環(huán)境的變化做出相應(yīng)的反應(yīng)等，以提高居室智能化，為老年人提供便利和安全的生活方式。

1.面向老年人的智能居室系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

為提高老年人的生活能力和生活質(zhì)量，本系統(tǒng)從基礎(chǔ)設(shè)施和智能居室兩個(gè)方面對(duì)老年人居室進(jìn)行設(shè)計(jì)改建。利用設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)，運(yùn)用多種控制方法完成各個(gè)子系統(tǒng)集成，預(yù)期效果如圖1所示。

1.1 設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化

為實(shí)現(xiàn)智能居室系統(tǒng)功能，敬老院臥室里所有電器都被納入到智能居室的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃中，實(shí)現(xiàn)居室的網(wǎng)絡(luò)化。例如，電視、空調(diào)、電冰箱、電燈、加濕器、電動(dòng)窗簾、電動(dòng)門、音樂(lè)播放器等電器，室內(nèi)所有電器都利用總線技術(shù)納入到智能控制網(wǎng)絡(luò)中，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。

圖1 智能家居系統(tǒng)預(yù)期效果圖

1.2 集中控制

納入到智能控制網(wǎng)絡(luò)中的每一個(gè)設(shè)備都由智能空間主機(jī)統(tǒng)一協(xié)調(diào)控制。在墻上常規(guī)開關(guān)和獨(dú)立遙控器控制的基礎(chǔ)上，移動(dòng)設(shè)備(手機(jī)/平板)亦可實(shí)現(xiàn)集中控制，老人只需要使用可移動(dòng)互聯(lián)終端PDA即能實(shí)現(xiàn)對(duì)室內(nèi)所有電器的控制，這對(duì)不便下床或移動(dòng)不便的老人特別實(shí)用，他們能夠輕松控制自己想控制的設(shè)備。

同時(shí)，可利用布置在室內(nèi)和室外的傳感器，采集室內(nèi)溫度、濕度等信息，再通過(guò)分布式控制或者上位機(jī)程序智能保持室內(nèi)恒定的溫度和濕度。

1.3 智能居室系統(tǒng)各子系統(tǒng)

根據(jù)智能居室的任務(wù)需要及功能設(shè)計(jì)的要求，本系統(tǒng)分為6個(gè)子系統(tǒng)：智能照明子系統(tǒng)、智能窗簾子系統(tǒng)、智能影音子系統(tǒng)、智能環(huán)境控制子系統(tǒng)、智能安全保護(hù)子系統(tǒng)和智能控制子系統(tǒng)。智能家居系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖2所示,智能家居系統(tǒng)完整示意圖如圖3所示。

圖2 智能家居系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

圖3 智能家居系統(tǒng)完整示意圖

① 智能照明系統(tǒng)

系統(tǒng)的功能包括：

軟啟動(dòng)：在開啟和關(guān)閉時(shí)，燈光漸亮漸暗，亮度變化柔和；

調(diào)光記憶：燈光可以無(wú)級(jí)調(diào)整亮度，自動(dòng)保存最后一次設(shè)定的燈光效果，無(wú)需再調(diào)整；

場(chǎng)景組合：只要輕按某個(gè)鍵，就可以得到想要的燈光場(chǎng)景組合，如回家模式、會(huì)客模式、就餐模式、影院模式等，同時(shí)實(shí)現(xiàn)一鍵開關(guān)控制所有編組設(shè)備的開啟，使控制更靈活；燈光的亮度可以根據(jù)不同場(chǎng)合隨意調(diào)節(jié)，場(chǎng)景之間的切換也可通過(guò)按鍵實(shí)現(xiàn)，并且接受系統(tǒng)中其他各種控制方式的控制，可對(duì)場(chǎng)景進(jìn)行整體調(diào)光。

智能照明系統(tǒng)便于老年人控制，并為老年人營(yíng)造溫馨、便捷的居室氛圍，每套房間設(shè)計(jì)有5路燈光，該5路燈光可以根據(jù)老人使用習(xí)慣設(shè)置控制方式，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

圖4 智能照明系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

② 智能窗簾子系統(tǒng)

該子系統(tǒng)的系統(tǒng)功能包括：可實(shí)現(xiàn)窗簾的低噪聲電動(dòng)開合，控制方式有本地直接控制、遙控器控制、遠(yuǎn)程控制。該子系統(tǒng)可以和智能照明子系統(tǒng)形成場(chǎng)景聯(lián)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)不同場(chǎng)景效果。停電時(shí)本系統(tǒng)可手拉、到位自停，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。

圖5 智能窗簾子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

③ 智能影音系統(tǒng)

該子系統(tǒng)功能包括：設(shè)計(jì)采用音視頻交換系統(tǒng)，可以隨心所欲地把家里所有的影視設(shè)備、攝像的監(jiān)控畫面等共享或分享到全家所有的電視機(jī)上。整套公寓劃分為幾個(gè)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域均可以通過(guò)先期的設(shè)置實(shí)現(xiàn)自動(dòng)播放、自動(dòng)選曲等功能，適應(yīng)老人的個(gè)性化選擇。老人可以在不同的房間里欣賞觀看任意指定的音樂(lè)和視頻源，如果不想聽或不想看，可以隨手關(guān)閉本房間的背景音樂(lè)，而不影響其他房間的人欣賞背景音樂(lè)。通過(guò)觸摸屏或電視機(jī)可監(jiān)視大門口來(lái)訪客人的視頻圖像，同時(shí)能夠查看其他各重要房間的視頻圖像。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖6所示。

圖6 智能影音系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

④ 智能環(huán)境控制系統(tǒng)

圖7 智能環(huán)境控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

該子系統(tǒng)的系統(tǒng)功能包括：環(huán)境控制子系統(tǒng)通過(guò)設(shè)置在室內(nèi)和室外的溫度、濕度、危險(xiǎn)氣體等傳感器監(jiān)控當(dāng)前室內(nèi)環(huán)境信息，并將采集的信息處理后發(fā)到上位機(jī)，在對(duì)環(huán)境進(jìn)行監(jiān)控的同時(shí)，分析室內(nèi)環(huán)境狀態(tài)，并將需要調(diào)節(jié)的指令發(fā)到相關(guān)的設(shè)備，保持環(huán)境中溫度、濕度等的恒定，保持室內(nèi)環(huán)境的宜居狀態(tài)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖7所示。

⑤ 智能安全保證系統(tǒng)

該子系統(tǒng)的系統(tǒng)功能包括：智能安全保證子系統(tǒng)利用紅外探測(cè)器、門窗磁感應(yīng)器、煙霧探測(cè)器等方式檢測(cè)家中異?，F(xiàn)象，并可以通過(guò)鳴響警號(hào)、撥打預(yù)設(shè)電話等方式進(jìn)行報(bào)警，使監(jiān)控室實(shí)時(shí)了解到室內(nèi)異常狀態(tài)并及時(shí)采取有效措施，保護(hù)老人安全。

圖8 智能安全保證系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

該系統(tǒng)包括：系統(tǒng)主機(jī)、紅外探測(cè)器、煙霧探測(cè)器、攝像頭等。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖8所示。

⑥ 智能控制系統(tǒng)

該子系統(tǒng)的系統(tǒng)功能包括：接受中央控制器指令，可現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)控制、通過(guò)電話或互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行遠(yuǎn)端控制、遙控器控制，由程序規(guī)定在特定的時(shí)間開啟或閉合，根據(jù)環(huán)境條件自動(dòng)開啟或閉合、配合燈光等實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景聯(lián)動(dòng)。

2 面向老人的智能居室應(yīng)用示范

目前四季青敬老院已在試點(diǎn)居室內(nèi)構(gòu)建完成了室內(nèi)智能環(huán)境。圖9為智能居室系統(tǒng)整體示意圖，經(jīng)過(guò)對(duì)智能居室功能的不斷完善，現(xiàn)已實(shí)現(xiàn)了室內(nèi)環(huán)境感知、室內(nèi)家電智能控制、生活操作簡(jiǎn)化、休閑娛樂(lè)等一系列功能。

四季青智能居室內(nèi)共構(gòu)建完成了兩套智能居室，包括老人起居室、衛(wèi)生間、玄關(guān)三部分。該環(huán)境集成了全景視覺(jué)攝像頭實(shí)時(shí)監(jiān)控，可以獲得老人的生活狀態(tài)等信息，供護(hù)理人員評(píng)估老人生活質(zhì)量及發(fā)現(xiàn)老人生活問(wèn)題；安裝了大量小型傳感器節(jié)點(diǎn)，共同組成智能居室無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)，實(shí)時(shí)感知居室內(nèi)的環(huán)境信息，并結(jié)合無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)、高速局域網(wǎng)絡(luò)以及Internet，構(gòu)建了完整的智能居室網(wǎng)絡(luò)。

圖9 智能居室系統(tǒng)示意圖

該智能居室內(nèi)的各種家電（電視、冰箱、空調(diào)等）已實(shí)現(xiàn)智能化控制，為控制燈光、窗簾和其他智能家電設(shè)備等配置了移動(dòng)設(shè)備控制、按鍵控制等多種方式，老人不必走動(dòng)就可完成電器設(shè)備、燈光、窗簾的開閉等任務(wù)，操作簡(jiǎn)便，使老人生活變得更加輕松、簡(jiǎn)單；智能居室采用了包括光、熱、力、濕、煤氣等多種傳感器，實(shí)時(shí)檢測(cè)環(huán)境變化，結(jié)合家電等執(zhí)行器件實(shí)現(xiàn)老人居室的智能化，為老人提供一個(gè)安全、舒適、便利的生活環(huán)境。

除上述功能外，智能空間還增加了很多實(shí)用、人性化的設(shè)計(jì)，如：設(shè)計(jì)了一款背景音樂(lè)面板，可以根據(jù)需求播放音樂(lè)，為老人營(yíng)造溫馨、舒適的環(huán)境；當(dāng)電話打入時(shí)，智能家居控制系統(tǒng)能自動(dòng)調(diào)小電視的播放聲音，防止老人漏接電話或不能聽清談話內(nèi)容；安裝了床頭傳感器，能檢測(cè)老人起夜事件并自動(dòng)觸發(fā)夜燈照明，衛(wèi)生間內(nèi)的燈光也是自動(dòng)感應(yīng)式，能檢測(cè)到老人的進(jìn)入與離開并自動(dòng)打開和關(guān)閉燈光；衛(wèi)生間內(nèi)配置了自動(dòng)控制的換氣扇，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并自動(dòng)啟動(dòng)以保持衛(wèi)生間內(nèi)空氣的清潔；衛(wèi)生間內(nèi)還實(shí)現(xiàn)了電腦控制坐便器、清潔機(jī)器人、手感應(yīng)節(jié)水龍頭等，方便老人清潔身體，減輕護(hù)工的工作強(qiáng)度，也減少了老年人的尷尬，提高了老人、殘障人士的自理能力；設(shè)置了多個(gè)場(chǎng)景模式，如回家模式、離家模式等，在啟動(dòng)場(chǎng)景模式時(shí)智能居室能自動(dòng)完成一系列工作，如關(guān)閉電視、電燈等用電設(shè)備、關(guān)閉窗簾等，可以減少老人忘記關(guān)電或其他誤操作而可能造成的意外危害，提高了安全性、便捷性。開、關(guān)門設(shè)計(jì)成電子控制，以方便老人操作；實(shí)現(xiàn)了煙感火災(zāi)報(bào)警、家庭服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)通信等功能，并能進(jìn)行室內(nèi)環(huán)境如溫度、濕度的智能控制，進(jìn)一步提高了安全性和舒適性。

圖10為智能家居玄關(guān)及周邊部分展示，玄關(guān)處通過(guò)傳感器可以檢測(cè)人員進(jìn)出活動(dòng)，房門可通過(guò)無(wú)線控制，該室內(nèi)也集成了無(wú)線定位節(jié)點(diǎn)，故該智能居室也是整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)的一個(gè)有機(jī)組成部分，另外該智能系統(tǒng)的傳感器等器件隱蔽性很好，基本不會(huì)影響到美觀。為了解決老人孤單的問(wèn)題，本系統(tǒng)還配置了一款助老、助殘陪護(hù)機(jī)器人，能和老年人聊天、玩游戲，也能用于測(cè)量血壓等功能。具體如圖11所示。

圖10 智能居室玄關(guān)部分

圖11 智能居室主廳及陪護(hù)機(jī)器人

在實(shí)際測(cè)試使用過(guò)程中，該智能居室受到老人廣泛好評(píng)，普遍反映該智能家居簡(jiǎn)單易學(xué)、使用方便、功能實(shí)用豐富，尤其是行動(dòng)不便老人特別喜愛。

3 總結(jié)

本系統(tǒng)目前已經(jīng)在北京市海淀區(qū)四季青鎮(zhèn)敬老院成功得到示范應(yīng)用，獲得了良好的用戶使用反饋。

智能設(shè)備及其網(wǎng)絡(luò)化將給居室環(huán)境帶來(lái)突破性的進(jìn)展，將智能家居設(shè)備應(yīng)用于居室環(huán)境中，可以大大方便老年人的日常生活，提高老年人的生活品質(zhì)，還可以緩解中國(guó)快速老年化對(duì)護(hù)理人員的需求，從而緩解家庭和社會(huì)的壓力。

[1] 中國(guó)行業(yè)研究報(bào)告. 2011年中國(guó)樓宇智能化系統(tǒng)工程市場(chǎng)深度調(diào)查報(bào)告.

[2] 向忠宏. 智能家居:人民郵電出版社，2002.

[3] 全國(guó)老齡工作委員會(huì)辦公室. 《2011年度中國(guó)老齡事業(yè)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)》.