物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)及在智能家居方面的應(yīng)用

王勇 楊二濤

【摘?要】通過智能設(shè)備的邏輯判斷與人工智能的功能，真正讓人享受輕松、自由、安全的智能生活。例如觸摸式、聲控式、感應(yīng)式等更多人性化的技術(shù)將會被廣泛應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】FRID;智能家居

Key technologies of the Internet of Things and applications in smart homes

Wang Yong，Yang Er-tao

（Tianyuan Ruixin Communication Technology Co.， Ltd?Xi'an?Shanxi?710000）

【Abstract】Through the logic judgment of intelligent devices and the functions of artificial intelligence， it truly enjoys a smart life of easy， free and safe. More humanized technologies such as touch， voice， and inductive will be widely used.

【Key words】FRID;Smart home

1. 引言

智能家居可以為人們帶來更為愜意輕松的生活， 在生活、工作節(jié)奏越來越快的今天， 家居智能化也可以為人們減少繁瑣家務(wù)、提高效率、節(jié)約時(shí)間， 讓人們有更多的時(shí)間去休息、教育子女、鍛煉身體和進(jìn)修， 使人們的生活質(zhì)量有了很大的提高。

2. 智能家居說明

2.1?智能家居的定義。

（1）智能家居（英文：smart home， home automation）是以住宅為平臺，利用綜合布線技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、 安全防范技術(shù)、自動控制技術(shù)、音視頻技術(shù)將家居生活有關(guān)的設(shè)施集成，構(gòu)建高效的住宅設(shè)施與家庭日程事務(wù)的管理系統(tǒng)，提升家居安全性、便利性、舒適性、藝術(shù)性，并實(shí)現(xiàn)環(huán)保節(jié)能的居住環(huán)境。

（2）近年來，物聯(lián)網(wǎng)成為全球關(guān)注的熱點(diǎn)領(lǐng)域，被認(rèn)為是繼互聯(lián)網(wǎng)之后最重大的科技創(chuàng)新。物聯(lián)網(wǎng)通過射頻識別（RFID）、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設(shè)備，按約定的協(xié)議把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)連接起來進(jìn)行信息交換和通訊，以實(shí)現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理。物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展也為智能家居引入了新的概念及發(fā)展空間，智能家居可以被看作是物聯(lián)網(wǎng)的一種重要應(yīng)用?；谖锫?lián)網(wǎng)的智能家居，表現(xiàn)為利用信息傳感設(shè)備（同居住環(huán)境中的各種物品松耦合或緊耦合）將家居生活有關(guān)的各種子系統(tǒng)有機(jī)地結(jié)合在一起，并與互聯(lián)網(wǎng)連接起來，進(jìn)行監(jiān)控、管理信息交換和通訊，實(shí)現(xiàn)家居智能化。

2.2?智能家居建設(shè)的意義。

家居安全監(jiān)控：各種報(bào)警探測器的信息采集， 開關(guān)門報(bào)警等如門磁、緊急按鈕、紅外探測、煤氣探測、火警探測等， 并向住宅小區(qū)物業(yè)管理和警署報(bào)警。

（1）家電控制：利用計(jì)算機(jī)、移動電話通過高速寬帶接入， 并對電燈、空調(diào)、冰箱， 電視等家用電器進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。

（2）家居管理： 遠(yuǎn)程三表 水、電、煤氣傳送收費(fèi)。

（3）家庭教育和娛樂： 如遠(yuǎn)程教學(xué)、家庭影院、無線視頻傳輸系統(tǒng)、在線視頻點(diǎn)播、交互式電子游戲等。

（4）家居商務(wù)和辦公：實(shí)現(xiàn)網(wǎng)上購物、網(wǎng)上商務(wù)聯(lián)系， 視頻會議。

3. 物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)

ITU在《ITU互聯(lián)網(wǎng)報(bào)告2005：物聯(lián)網(wǎng)》報(bào)告中預(yù)測RFID技術(shù)、傳感器技術(shù)、納米技術(shù)和智能嵌入技術(shù)將在物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代得到更加廣泛的應(yīng)用。

3.1?RFID技術(shù)。

RFID（Radio Frequency Identification，射頻識別）是一種非接觸式的自動識別技術(shù)，它通過射頻信號自動識別目標(biāo)對象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，識別工作無須人工干預(yù)，可工作于各種惡劣環(huán)境。

3.1.1?RFID的基本組成部分如下：

（1）標(biāo)簽（Tag）：由耦合元件及芯片組成，每個(gè)標(biāo)簽具有唯一的電子編碼，附著在物體上標(biāo)識目標(biāo)對象;

（2）閱讀器（Reader）：讀?。ㄓ袝r(shí)也可以寫入）標(biāo)簽信息的設(shè)備，可設(shè)計(jì)為移動式或固定式;

（3）天線（Antenna）：在標(biāo)簽和讀取器間傳遞射頻信號（RFID基本組成圖見圖1）。

3.1.2?RFID技術(shù)的基本工作原理：標(biāo)簽進(jìn)入磁場后，接收到閱讀器發(fā)出的射頻信號，無源標(biāo)簽或被動標(biāo)簽（Passive Tag）憑借射頻電磁波束中所獲得的能量發(fā)送出存儲在芯片中的產(chǎn)品信息，有源標(biāo)簽或主動標(biāo)簽（Active Tag）則主動發(fā)送某一頻率的信號;閱讀器讀取信息并解碼后，將信息送至中央信息系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)處理。

RFID的關(guān)鍵技術(shù)如下：

3.1.2.1?標(biāo)簽的能量供應(yīng)。

有源標(biāo)簽自帶電池，用于給數(shù)據(jù)載體供電。而無源標(biāo)簽工作所需能量則從射頻電磁波束中獲取，和有源射頻識別系統(tǒng)相比，無源系統(tǒng)需要較大的發(fā)射功率，射頻電磁波在標(biāo)簽上經(jīng)射頻檢波、倍壓、穩(wěn)壓、存儲電路處理，轉(zhuǎn)化為標(biāo)簽工作所需的工作電壓。

3.1.2.2?標(biāo)簽到閱讀器的數(shù)據(jù)傳輸 標(biāo)簽回送到閱讀器的數(shù)據(jù)傳輸方式可歸結(jié)為三類：

（1）利用負(fù)載調(diào)制的反射或反向散射方式（反射波的頻率與閱讀器的發(fā)送頻率一致）;

（2）利用閱讀器發(fā)送頻率的次諧波傳送標(biāo)簽信息（標(biāo)簽反射波與閱讀器的發(fā)送頻率不同，為其高次諧波（n倍）或分諧波（1/n倍））;

（3）其它形式。

3.1.2.3?數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐暾耘c安全性 由于數(shù)字信號在傳輸?shù)倪^程中會受到干擾，故其傳輸至接收端可能發(fā)生誤判，為保證數(shù)據(jù)的完整性，可以使用校驗(yàn)和法來識別傳輸錯誤并進(jìn)行校正，最常用的是奇偶校驗(yàn)法以及冗余校驗(yàn)法。在與安全相關(guān)的領(lǐng)域，例如出入系統(tǒng)、售票系統(tǒng)越來越多地應(yīng)用射頻識別系統(tǒng)，在數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程中難免不受到攻擊，因此必須采取一定的防范措施保證數(shù)據(jù)安全，例如可以通過在閱讀器與標(biāo)簽之間建立密鑰來對要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行加密，達(dá)到安全的目的。

3.1.2.4?多目標(biāo)識別技術(shù)（反碰撞算法）

當(dāng)閱讀器信號作用范圍內(nèi)存在多個(gè)標(biāo)簽，同一時(shí)刻有兩個(gè)或兩個(gè)以上的標(biāo)簽向閱讀器返回信息時(shí)，將產(chǎn)生沖突。解決沖突的算法稱為反碰撞算法。傳統(tǒng)無線電技術(shù)（如通信衛(wèi)星、移動電話網(wǎng)）已有空分多路法、頻分多路法、時(shí)分多路法以及碼分多路法來解決類似問題。

3.2?傳感器技術(shù)。

傳感器是一種物理裝置或生物器官，能夠探測、感受外界的信號、物理?xiàng)l件（如光、熱、濕度）或化學(xué)組成（如煙霧），并將探知的信息傳遞給其它裝置或器官。國家標(biāo)準(zhǔn)GB7665-87對傳感器下的定義是：“能感受規(guī)定的被測量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用信號的器件或裝置，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成”。根據(jù)傳感器工作原理，可將其分為三大類：

（1）物理傳感器。

物理傳感器應(yīng)用某些物理效應(yīng)，諸如壓電效應(yīng)，磁致伸縮現(xiàn)象，離化、極化、熱電、光電、磁電等效應(yīng)，將被測信號量的物理量轉(zhuǎn)換成便于處理的電信號。

（2）化學(xué)傳感器。

化學(xué)傳感器包括那些以化學(xué)吸附、電化學(xué)反應(yīng)等現(xiàn)象為因果關(guān)系的傳感器，被測信號量的微小變化也將轉(zhuǎn)換成電信號。

（3）其它常見傳感器。

電阻式傳感器、電阻應(yīng)變式傳感器、壓阻式傳感器、熱電阻傳感器、溫度傳感器、光敏傳感器。

3.3?納米技術(shù)。

納米技術(shù)，是研究結(jié)構(gòu)尺寸在1至100納米范圍內(nèi)材料的性質(zhì)和應(yīng)用。納米技術(shù)的使用可以使得物聯(lián)網(wǎng)中的物體變得“更輕、更高、更強(qiáng)”?！案p”是指借助于納米材料和技術(shù)，傳感器等感知設(shè)備的制備體積更小更輕盈;“更高”是指納米材料具備更高的光、電、磁、熱性能;“更強(qiáng)”是指納米材料有著更強(qiáng)的力學(xué)性能（如強(qiáng)度和韌性等）。

3.4?智能嵌入（Embedded Intelligence）技術(shù)。

嵌入式技術(shù)是將計(jì)算機(jī)作為一個(gè)信息處理部件，嵌入到應(yīng)用系統(tǒng)中的技術(shù)，即將軟件固化集成到硬件系統(tǒng)中，將硬件系統(tǒng)與軟件系統(tǒng)一體化。嵌入式具有軟件代碼小、高度自動化和響應(yīng)速度快等特點(diǎn)。

4. 智能家居系統(tǒng)目前所包含的主要子系統(tǒng)

（1）家居布線系統(tǒng)。

家居布線系統(tǒng)是一個(gè)安裝在住宅內(nèi)，根據(jù)家居布線標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施的布線系統(tǒng)，主要支持語音、數(shù)據(jù)、視頻、家居自動系統(tǒng)、環(huán)境管理、保安、警報(bào)及對講機(jī)等服務(wù)。家居布線系統(tǒng)是智能家居其它子系統(tǒng)相互連接和對外連接的通道，是實(shí)現(xiàn)智能家居的前提。

（2）家庭網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

家庭網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)主要包括三方面功能：網(wǎng)絡(luò)通信、媒體娛樂和家庭控制。家庭網(wǎng)絡(luò)在家庭范圍內(nèi)（可擴(kuò)展至鄰居、小區(qū)）將家電、安全系統(tǒng)、照明系統(tǒng)通過有線或無線方式與廣域網(wǎng)相連。

（3）中央控制管理系統(tǒng)。

智能家居的中央控制管理系統(tǒng)相當(dāng)于電腦的CPU，所有的子系統(tǒng)都會接入到這個(gè)控制中心。中央控制管理系統(tǒng)通常通過智能家居管理軟件完成設(shè)備管理、場景設(shè)置、能源管理、日程管理、安防布撤防、安防監(jiān)控、物業(yè)管理等操作。

（4）照明控制系統(tǒng)。

家居照明控制系統(tǒng)可以根據(jù)環(huán)境變化、用戶個(gè)性需求等條件自動采集照明系統(tǒng)中的各種信息，并對所采集的信息進(jìn)行相應(yīng)的邏輯分析、推理、判斷，對分析結(jié)果按要求的形式存儲、顯示、傳輸，進(jìn)行相應(yīng)的工作狀態(tài)信息反饋控制，以達(dá)到預(yù)期的控制效果。

家居照明系統(tǒng)是一套控制系統(tǒng)，包括調(diào)光模塊、開關(guān)模塊、控制面板、液晶顯示觸摸屏、智能傳感器、編程插口、時(shí)鐘管理器等用于控制和管理的設(shè)備。

（5）家庭安防系統(tǒng)。

家庭安防系統(tǒng)是指為家庭設(shè)備與成員的安全而安裝的防護(hù)保全與報(bào)警系統(tǒng)，例如可視對講、家庭監(jiān)控、防盜防護(hù)、周界探測與入侵報(bào)警。家庭安防系統(tǒng)可以通過在家中安置溫度、煤氣或煙感等探測器，視頻監(jiān)控設(shè)備，門磁和窗磁，緊急求救按鈕等設(shè)備，結(jié)合語音告警、圖像傳輸?shù)仁侄蝸韺?shí)現(xiàn)防護(hù)與報(bào)警。

（6）家庭影院與多媒體系統(tǒng)。

家庭影院與多媒體控制系統(tǒng)在智能家居中是發(fā)展較為成熟的子系統(tǒng)之一。一套家庭影院的設(shè)備通常包括DVD播放器、功放機(jī)、音箱、大屏幕的顯示系統(tǒng)。

（7）背景音樂系統(tǒng)。

背景音樂系統(tǒng)通過家居布線，將聲音源信號接入家庭中任何需要背景音樂的地方，通過控制面板獨(dú)立控制鋪設(shè)在不同地點(diǎn)的背景音樂專用音箱，讓每個(gè)房間都能獨(dú)立地實(shí)現(xiàn)音樂播放、音樂選擇和音量控制等功能。

5. 智能家居的發(fā)展趨勢

（1）整體智能家居系統(tǒng)功能。

所謂整體智能家居系統(tǒng)，就是對更多智能家居子系統(tǒng)采用統(tǒng)一的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行統(tǒng)一的控制、管理和聯(lián)動。例如只用一個(gè)遙控器，或者用電腦就能統(tǒng)一控制任何一個(gè)智能家居子功能，并能實(shí)現(xiàn)各子功能之間的相互功能。

（2）控制傻瓜化。

通過智能設(shè)備的邏輯判斷與人工智能的功能，真正讓人享受輕松、自由、安全的智能生活。例如觸摸式、聲控式、感應(yīng)式等更多人性化的技術(shù)將會被廣泛應(yīng)用。

6. 總結(jié)

6.1?“ 科技改變生活”：智能家居的應(yīng)用將對我們的家庭生活和生活方式帶來深遠(yuǎn)影響。

（1）節(jié)省費(fèi)用：在不需要時(shí)， 能源消耗裝置可以自動關(guān)閉， 這樣可以降低您的費(fèi)用。

使用方便：自動化系統(tǒng)提供遠(yuǎn)程遙控接口。自動化系統(tǒng)還可以把重復(fù)的工作自動化。在您外出時(shí)， 還可以調(diào)整或控制家電。

（2）安全性高：家庭自動化系統(tǒng)在緊急情況時(shí)可以防御壞人或報(bào)警。您可以在任何地方可以監(jiān)控該安全系統(tǒng)， 這樣可以保證您的家居安全運(yùn)行。

（3）改變生活方式： 你可以穿著丁恤在家辦公， 可以在家炒股、進(jìn)行遠(yuǎn)程會議， 主婦在網(wǎng)上逛街 ， 孩子在家里上課等。生活中的方方面面都可以通過互聯(lián)網(wǎng)在家進(jìn)行， 不受時(shí)間空間的限制。現(xiàn)代化的生活工作方式較以往有了很大區(qū)別。

6.2?智能家居可以為人們帶來更為愜意輕松的生活， 在生活、工作節(jié)奏越來越快的今天， 家居智能化也可以為人們減少繁瑣家務(wù)、提高效率、節(jié)約時(shí)間， 讓人們有更多的時(shí)間去休息、教育子女、鍛煉身體和進(jìn)修， 使人們的生活質(zhì)有很大的提高。

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