邢雪峰,谷宇靜 ,馬靖煊,朱玉榮
(1.地球信息探測儀器教育部重點實驗室吉林長春130026;2.吉林大學儀器科學與電氣工程學院,吉林長春130026)
隨著現(xiàn)代科學技術的發(fā)展,現(xiàn)代家庭已經(jīng)不再簡單地追求家居的美觀大方,而是崇尚更加舒適更加便利的生活環(huán)境,于是智能家居應運而生。智能家居是以住宅為平臺,綜合利用自動控制技術、網(wǎng)絡通信技術等技術創(chuàng)造一個高效、安全、便利、環(huán)保的居住環(huán)境。智能家居實現(xiàn)服務的4個步驟主要有:信息感知、人的行為識別與理解、服務決策和服務執(zhí)行[1]。所有步驟的實現(xiàn)都基于系統(tǒng)的研究與設計,目前系統(tǒng)設計采用的技術有無線網(wǎng)絡技術、自動化控制技術、傳感器技術、嵌入式技術和Android應用技術等[2]。
與傳統(tǒng)家居相比,智能家居要求不僅具有傳統(tǒng)的居住功能,還要求其具備設備自動化、遠程控制、節(jié)約能源的特點;既能滿足日常的居住需求,也要對居住空間的功能作進一步的擴展。例如智能窗簾可以根據(jù)光照強度的不同和時間的早晚自動控制窗簾的關閉和打開;智能燈光控制系統(tǒng)通過一個集中控制器或者遙控器調(diào)整光的強弱,控制不同房間燈的亮滅及實現(xiàn)定時控制等功能;智能插座還可以通過Wi-Fi遠程遙控其并使其供電斷電進行切換與定時供電。智能家居系統(tǒng)通過技術的綜合應用實現(xiàn)了信息的采集、輸入、輸出、集中控制、遠程控制、聯(lián)動控制等功能[3];同時對醫(yī)學技術的適當應用還可以對家中病人突發(fā)緊急情況時的特殊事件作出一定的處理,如在臥室床頭設置一個求助按鈕,當有緊急情況發(fā)生時,病人可及時向家人或救助中心求助;另外也可將可穿戴式智能設備運用到智能家居系統(tǒng)中,如美國最新研究出的可幫助跌倒老人脫險的可穿戴式設備,它可以檢測老人是否跌倒,并向緊急救助中心發(fā)送救助短信,發(fā)送老人的實時位置,同時還具有手動的呼叫按鈕,及時地幫助跌倒老人脫離險境。
智能家居系統(tǒng)以中央控制系統(tǒng)為核心,用有線和無線通信技術連接整個系統(tǒng)網(wǎng)絡,大致可分為控制系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、執(zhí)行系統(tǒng)3個方面,框圖如下圖所示。通信系統(tǒng)負責在家庭網(wǎng)絡中進行信息的傳輸,執(zhí)行系統(tǒng)對控制系統(tǒng)發(fā)出的指令進行操作執(zhí)行,系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào)運行保證了功能的實現(xiàn)。
圖1 智能家居系統(tǒng)結構圖
在傳統(tǒng)家居的基礎上進行技術革新,逐步實現(xiàn)了家居的自動化和智能化,如智能冰箱和智能空調(diào)等,都可根據(jù)用戶需求調(diào)整其相關設置,為智能家居的發(fā)展打下了基礎。隨著網(wǎng)絡技術的發(fā)展,HomeRF、無線藍牙、Wi-Fi等技術概念相繼被提出,智能家居系統(tǒng)將利用這些技術與家庭信息管理平臺有機結合起來[4],從而促進智能家居產(chǎn)業(yè)的升級。
智能家居網(wǎng)絡系統(tǒng)一般通過有線傳輸方式和無線傳輸方式來進行數(shù)據(jù)信息交換:無線傳輸方式一般以無線傳感器為樞紐,檢測室內(nèi)外環(huán)境,并使用云計算技術,使用戶可以采用PC端或手持終端對家居系統(tǒng)進行調(diào)整和操作。
有線傳輸方式一般以電力載波方式為主體,對其他外圍設備進行協(xié)議控制,實現(xiàn)智能設備之間的通信與控制,因此電力線布局是否合理也從一定程度上影響著家居間通信的效率。目前可接觸的運用到智能家居的無線傳輸方式一般有藍牙、Wi-Fi、ZigBee等。其中ZigBee是一種高可靠的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡,建立于IEEE802.15.4協(xié)議之上,傳輸速度較藍牙速度慢,但成本與藍牙相比較?。籞igBee技術的應用使家居網(wǎng)絡具有自組織性、自適應性,提高網(wǎng)絡安全性等特性[5]。
無線傳感器網(wǎng)絡是由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大量傳感器節(jié)點相互通信形成的多跳自組織網(wǎng)絡系統(tǒng),是物聯(lián)網(wǎng)底層網(wǎng)絡的重要技術形式[6]。利用無線傳感器網(wǎng)絡對室內(nèi)外的溫度、濕度、光照強度等數(shù)據(jù)進行采集,然后將獲取到的數(shù)據(jù)進行分析處理,反饋到用戶處供用戶選擇,從而對家居系統(tǒng)做出調(diào)整。
云計算是一種基于互聯(lián)網(wǎng)的新型計算模式,它以資源租用、應用托管、服務外包為核心,通過共享資源池,使用戶根據(jù)其自身需要利用網(wǎng)絡獲取相應的資源,并支付一定的費用[7]。云計算具有強大的運算能力,自從云計算的概念提出以來,其作為一項新技術得到了快速的發(fā)展。將云計算引入智能家居系統(tǒng)中,并在互聯(lián)網(wǎng)的支持下,利用特有算法得出適合于用戶的方案,可供用戶在使用終端獲取家居系統(tǒng)的應用服務;同時結合RFID定位算法對用戶位置的實時定位,用戶可通過手持終端就可以實現(xiàn)照明、空調(diào)溫度等的自動控制。用戶也可通過云服務獲取其它住宅或小區(qū)的有關信息,從而實現(xiàn)真正意義上的智能住宅。在小米的智能家居產(chǎn)品矩陣中,利用云服務,用戶可在手機終端快速安裝相關的服務程序,通過手機遠程遙控家中設備。
智能家居系統(tǒng)的設計可分為若干個模塊進行操作,即采用模塊化設計方案。模塊化設計是將模塊化引入設計,將系統(tǒng)按照一定規(guī)則劃分為若干個模塊,然后對每個模塊分別進行設計、綜合,然后將所有模塊實現(xiàn)的結果有機地結合在一起,從而完成整個系統(tǒng)的設計[8]。
智能家居系統(tǒng)設計具體可分為控制模塊(如中央處理器),數(shù)據(jù)采集模塊(室內(nèi)溫度、濕度,空氣質(zhì)量等),安防模塊,以及功能模塊(照明,制冷,清潔等)。單獨的模塊具備一定的獨立功能,而將不同的模塊進行組合的時候又會產(chǎn)生不同的功能疊加,如燈光照明和門控設備,在沒有接入系統(tǒng)時單獨使用,而接入系統(tǒng)后可以相互傳遞數(shù)據(jù),實現(xiàn)協(xié)調(diào)聯(lián)動,如當用戶準備進入房間時可自動打開房門,并開啟照明設備。同時,用戶可以根據(jù)需要自行更換模塊,如更換處理速度更快的控制模塊,或者是低功耗的控制模塊,更換單個精度更高的數(shù)據(jù)采集模塊,或者是功能多的數(shù)據(jù)采集模塊,以及搭載多個功能不同的功能模塊,這樣使用戶可以根據(jù)自身需求隨時隨地選取適合自己家庭的系統(tǒng)模塊。
智能家居控制器是智能家居控制系統(tǒng)的核心,承擔系統(tǒng)調(diào)整等多種任務。由于嵌入式系統(tǒng)具有較好的可擴展能力與功耗低的特點,可以用嵌入式微處理器來構建控制平臺。目前,市場上實時嵌入式操作系統(tǒng)種類繁多,常見有以下幾種:Vxworks、Windows CE、p SOS、Palm OS、Linux、μ C/OS-II、μ CLinux等。但上述RTOS大都屬于商用操作系統(tǒng),費用昂貴且應用領域針對性強。相對來說,μ C/OS-II可完全免費使用,并可提供全部源代碼,且操作系統(tǒng)簡單、高效、易用[9]。因此μ C/OS-II在智能家居中會具有更廣泛的應用空間。此外,控制終端大多采用PC終端或手機終端,相對于PC終端,手機終端在便攜性與體積方面具有更大的優(yōu)勢。隨著Android智能手機的興起,讓Android系統(tǒng)進入智能家居的控制系統(tǒng)將是未來技術的發(fā)展趨勢,利用Android系統(tǒng)提供的資源搭建控制終端app,同時結合Wi-Fi技術實現(xiàn)對家具設備的遠程控制[10],用戶便可隨時對家居設備進行調(diào)整控制。另外,隨著智能手環(huán)與智能手表等可穿戴智能設備行業(yè)的興起,將可穿戴智能設備引入智能家居系統(tǒng)中,作為手持終端的一部分,勢必會為住戶帶來一場全新的用戶體驗。
在智能家居系統(tǒng)中,每一部分若想實現(xiàn)用戶定制,都離不開數(shù)據(jù)采集。這時需要傳感器及時對室內(nèi)環(huán)境進行檢測,采集數(shù)據(jù)量。若房間內(nèi)合理布置光線傳感器,將光照強度這一模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量傳到中央控制系統(tǒng),在走廊及臥室門口布置紅外傳感器來感知住戶的夜間活動,從而可以根據(jù)用戶行為調(diào)整照明設施與窗簾的閉合;空調(diào)內(nèi)的溫度傳感器采集溫度信息,當室內(nèi)溫度高于或低于閾值時,控制系統(tǒng)控制空調(diào)做出相應調(diào)整適當降低或升高溫度;在室內(nèi)安裝空氣質(zhì)量傳感模塊,即甲醛傳感器、煤氣傳感器、粉塵傳感器等,這些傳感器檢測室內(nèi)空氣質(zhì)量情況,再結合Zigbee技術,將信息量反饋到中央控制系統(tǒng),通知住戶根據(jù)需要對房間情況進行調(diào)整。
隨著人們安全意識的不斷提高,社會治安問題的顯著,家庭環(huán)境的安全問題逐漸被住戶所重視起來。因此安防系統(tǒng)成為智能家居系統(tǒng)中不可或缺的重要部分。智能家居安防系統(tǒng)大多以物聯(lián)網(wǎng)技術為依托,結合高可靠性、低成本的Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡技術、移動通信網(wǎng)絡技術、全球定位系統(tǒng)(GPS)以及位置服務(LBS)等新技術,實現(xiàn)其功能。一般安防系統(tǒng)的基本功能有:智能門禁、煤氣泄漏檢測、室內(nèi)人員定位、視頻監(jiān)控、手機客戶端控制等。當系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)異常情況時,即傳感器將檢測到的數(shù)據(jù)傳送到系統(tǒng)中,當超過預設定的安全值時,可通過GSM模塊將報警信息發(fā)送給用戶,從而用戶通過手持終端獲取家中信息,并采取一定的安全措施[11],從而避免不必要的財產(chǎn)損失。
在智能家居系統(tǒng)中,功能設計大致有照明、制冷、清潔、家電控制四大方面。在照明控制系統(tǒng)的模塊中,若采用白熾燈泡,可通過燈光控制器,對室內(nèi)照明進行調(diào)節(jié);通過遵循通用的網(wǎng)絡協(xié)議,結合嵌入式系統(tǒng),對燈光控制進行預設,實現(xiàn)人性化的燈光調(diào)節(jié)[12];但隨著對照明要求日益增加,LED綠色光源逐漸進入大眾視野,若采用多色LED燈珠,可根據(jù)通信協(xié)議調(diào)整LED燈的顏色、亮度、飽和度,對燈進行分組控制等[13]。家居系統(tǒng)在進行制冷時,溫度傳感器對室內(nèi)溫度進行采集,轉(zhuǎn)換信息量,住戶可通過Internet或手持終端遠程查看或設定室內(nèi)溫度。在家庭清潔中,目前可運用到智能家居系統(tǒng)中的有地面清潔產(chǎn)品(掃地機器人)、空氣清潔產(chǎn)品(空氣凈化器)、日用清潔產(chǎn)品(洗碗機、洗衣機、消毒柜等)、收納清潔產(chǎn)品(垃圾桶)[14];目前,海爾最新技術的洗衣機可以連入Internet,對洗衣程序進行更新下載,使洗衣更加智能化;另外,還可以讓洗衣機在夜間谷電價時使用,在夜晚安靜的環(huán)境中采用靜音模式洗滌[15]。智能家居系統(tǒng)在進行家電控制時,應用多種無線及有線通信方式,切換控制方式(就地控制、場景控制、遙控控制、終端控制等),實時對電器電路進行開啟或關閉,達到用戶需求,以避免不必要的能源浪費或事故的發(fā)生。
智能家居是在互聯(lián)網(wǎng)的時代背景下物聯(lián)化的體現(xiàn)。智能家居系統(tǒng)利用多種技術將家居設備與家庭環(huán)境聯(lián)系在一起,使用戶獲得前所未有的舒適家居體驗,因而傳統(tǒng)家居所看重的材質(zhì)、工藝與外觀這些因素在消費者眼中的比重正在逐漸下滑,取而代之的是統(tǒng)一、簡潔、耐用與智能這些特色將成為家居的新賣點。家庭局域網(wǎng)與家庭自動化技術的結合帶來一場全新的技術革命,是未來住宅的發(fā)展方向。結合Zigbee技術,同時使用手機和可穿戴設備作為智能終端的智能家居設計方案,必將成為未來智能家居設計領域的重要發(fā)展方向。
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