物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智能家居照明控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

羅 曦

閩江學(xué)院，福建 福州 350001

0 引言

物聯(lián)網(wǎng)是智慧家居的基礎(chǔ)設(shè)施，正是因?yàn)槲锫?lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展及成熟，促使智慧家居從技術(shù)層面逐步轉(zhuǎn)向應(yīng)用層面[1-2]。中國(guó)照明產(chǎn)業(yè)經(jīng)多年發(fā)展，已成為全球照明產(chǎn)業(yè)鏈中心，擁有產(chǎn)業(yè)集群、完善的產(chǎn)業(yè)鏈布局。中國(guó)照明行業(yè)隨時(shí)間推移日益步入高智能、高技術(shù)發(fā)展未來(lái)，家居智能照明系統(tǒng)在數(shù)字化時(shí)代催生下給予照明行業(yè)全新價(jià)值[3]。

隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)不斷發(fā)展、城市化建設(shè)加速運(yùn)行、新農(nóng)村建設(shè)步伐加快，我國(guó)居民的家居環(huán)境得到進(jìn)一步改善，居民對(duì)家居環(huán)境的要求也進(jìn)一步提高，促使家居行業(yè)向更舒適、更便捷、更安全、更高效方向發(fā)展。智能家居屬于人類美好生活愿景的創(chuàng)新性思維技術(shù)領(lǐng)域，因其隨技術(shù)發(fā)展逐漸具象化消費(fèi)者需求，而受到人們的信賴與喜愛(ài)。智能家居擁有實(shí)用性、功能性、易用性等優(yōu)勢(shì)，其市值近年來(lái)表現(xiàn)出倍速增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)[4]。

智能家居照明系統(tǒng)是智能家居的重要組成部分。隨著傳感器技術(shù)、通信技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及人工智能技術(shù)的不斷發(fā)展，智能家居照明系統(tǒng)將具有更為廣闊的發(fā)展空間。智能家居照明系統(tǒng)將擺脫傳統(tǒng)系照明開(kāi)關(guān)便利性差、照明難調(diào)節(jié)、低環(huán)保、高耗能等桎梏，利用ZigBee系統(tǒng)、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)等網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)燈光的智能控制[5-6]。

1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概述

物聯(lián)網(wǎng)起源于2005年信息社會(huì)峰會(huì)。國(guó)際通信聯(lián)盟表示該技術(shù)可將各種家居日常生活設(shè)備進(jìn)行短距離移動(dòng)收發(fā)器安裝，實(shí)現(xiàn)智能家居與通信網(wǎng)絡(luò)的線上信息交流。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)以射頻識(shí)別技術(shù)、傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、M2M技術(shù)、Ubiquitous（泛在網(wǎng)絡(luò)）為基礎(chǔ)。其中，射頻識(shí)別技術(shù)的內(nèi)涵在于控制和管理中帶有射頻識(shí)別系統(tǒng)的所有事物。利用網(wǎng)絡(luò)通信手段及云端數(shù)據(jù)拾取技術(shù)，統(tǒng)籌聯(lián)網(wǎng)讀寫(xiě)器、無(wú)線化可移動(dòng)式電子標(biāo)簽兩部分，創(chuàng)建物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。物聯(lián)網(wǎng)基于射頻識(shí)別技術(shù)，使用條形碼、二維碼對(duì)事物進(jìn)行標(biāo)記并科學(xué)識(shí)別。傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)主要控制與管理區(qū)域中安置較多的傳感節(jié)點(diǎn)和Mote，充分整理收集外界數(shù)據(jù)信息，合作合力處理信息收集范圍規(guī)模巨大、工作繁雜的監(jiān)測(cè)任務(wù)。同時(shí)，采用網(wǎng)絡(luò)關(guān)卡式匯集節(jié)點(diǎn)建立網(wǎng)絡(luò)通信連接，并將收集到的數(shù)據(jù)信息分析檢驗(yàn)，促進(jìn)網(wǎng)絡(luò)通信—家庭家居設(shè)備—網(wǎng)絡(luò)處理基站—家庭家居設(shè)備的四位一體循環(huán)交流。M2M技術(shù)是實(shí)現(xiàn)設(shè)備間相互通信交流的重要信息交換、宏觀把握網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)膬?yōu)化通信技術(shù)。其中，信息通道由電信運(yùn)營(yíng)企業(yè)提供，其附加物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)就是M2M業(yè)務(wù)。M2M在通信企業(yè)專業(yè)人員持續(xù)推動(dòng)、宣傳下受到用戶的廣泛應(yīng)用。Ubiquitous（泛在網(wǎng)絡(luò)）是多維度多空間存在于各處各界的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，最終達(dá)到人與物線上實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)互通，內(nèi)含各種應(yīng)用。Ubiquitous（泛在網(wǎng)絡(luò)）屬于智能化響應(yīng)、互聯(lián)網(wǎng)鏈接、衛(wèi)星數(shù)據(jù)通信的宏觀結(jié)合，是對(duì)以往電子化通信手段及思維補(bǔ)充創(chuàng)新的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。Ubiquitous（泛在網(wǎng)絡(luò)）實(shí)現(xiàn)了人與人、人與物、物與物之間的交流與通信。

智能家居設(shè)備通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)中介技術(shù)，將家庭成員生活中使用的電器設(shè)備進(jìn)行鏈接，家庭成員可在戶外通過(guò)智能家居實(shí)時(shí)監(jiān)控住宅內(nèi)部情況。智能家居設(shè)備及傳感器、無(wú)線個(gè)人終端智能化設(shè)備、車輛之間，將通過(guò)有線、無(wú)線、長(zhǎng)短距離通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)產(chǎn)生相互交流及連接。利用云端網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，為家庭成員帶來(lái)以物聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)的實(shí)時(shí)定位、智能化報(bào)警機(jī)制、可移動(dòng)性實(shí)施家居設(shè)備的智能控制等優(yōu)化服務(wù)及管理功能。物聯(lián)網(wǎng)屬于較為完善的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)所有家居進(jìn)行安全、節(jié)能環(huán)保高效的管理與控制，便于提高互聯(lián)網(wǎng)及感知技術(shù)的結(jié)合應(yīng)用。

2 智能家居照明控制系統(tǒng)概述

智能家居指以住宅為單位，加入諸如萬(wàn)維網(wǎng)技術(shù)、長(zhǎng)效互聯(lián)互通技術(shù)、宏觀布設(shè)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等智能家居技術(shù)，以智能設(shè)施設(shè)備為載體，對(duì)家庭成員的日常生活需要進(jìn)行綜合評(píng)估并處理。智能照明控制系統(tǒng)作為智能家居的重要子系統(tǒng)之一，受到廣泛研究及關(guān)注。智能照明控制系統(tǒng)是將各類照明控制手段、電子信息技術(shù)、通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)科技技術(shù)集于一身的控制系統(tǒng)，打破了傳統(tǒng)照明控制方式較分散、難以有效管理的管控藩籬，達(dá)到傳統(tǒng)照明方式未曾觸及的高度。

智能家居照明產(chǎn)業(yè)并不屬于新興行業(yè)，其全球市場(chǎng)生態(tài)已初具雛形，各類智能終端已然經(jīng)歷多重迭代。智能家居照明控制系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面：一方面是節(jié)能，減少電力資源的消耗；另一方面是對(duì)家庭成員身體上的調(diào)節(jié)。利用智能家居照明控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)照明的自動(dòng)開(kāi)關(guān)和亮度調(diào)節(jié)功能，并實(shí)現(xiàn)照明設(shè)備的自主調(diào)控，達(dá)到保護(hù)視力的目的。

3 智能家居照明系統(tǒng)中的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用

3.1 智能控制技術(shù)

智能控制的常用功能有三個(gè)方面，分別是智能化數(shù)據(jù)信息的分析研究、智能化管理決策、智能化信息互通，均屬于智能控制發(fā)展理論應(yīng)用的高級(jí)階段。智能控制以計(jì)算機(jī)科學(xué)、控制理論、人工智能、運(yùn)籌學(xué)等學(xué)科為依據(jù)，是對(duì)智能控制相關(guān)理論及技術(shù)的拓展。智能控制中應(yīng)用較多的是神經(jīng)性網(wǎng)絡(luò)、模糊化邏輯、遺傳式算法等，另外涵蓋自身組織管理決策控制、自身配適環(huán)境控制、自主吸收經(jīng)驗(yàn)知識(shí)控制等相關(guān)技術(shù)應(yīng)用。智能照明利用智能控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)照明燈的開(kāi)啟與關(guān)閉、區(qū)塊化管理、調(diào)節(jié)光線光色等目的。

3.2 傳感器技術(shù)

傳感器技術(shù)是智能設(shè)備實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制、智能化控制的重要途徑。傳感器技術(shù)應(yīng)用范圍廣泛，如采集居室溫度、濕度、氣壓、光照、位移、重力等信息，然后將設(shè)備收集到的主要信息轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)，以網(wǎng)絡(luò)形式傳輸?shù)接?jì)算機(jī)進(jìn)行二次處理。智能照明系統(tǒng)中主要應(yīng)用人體紅外感應(yīng)器、雷達(dá)聲控感應(yīng)器、重力感應(yīng)器、照度感應(yīng)器等傳感器技術(shù)。

3.3 ZigBee技術(shù)

ZigBee指工作速率在20～250 kb/s的低速短距離傳輸無(wú)線網(wǎng)上協(xié)議，給予用戶設(shè)備以250 kb/s、40 kb/s、20 kb/s等3種原始數(shù)據(jù)吞吐率，滿足各層級(jí)設(shè)備應(yīng)用，如移動(dòng)手機(jī)、平板電腦、電腦服務(wù)器、云中心等。

ZigBee技術(shù)的主要優(yōu)勢(shì)如下：（1）ZigBee可以低速率傳輸數(shù)據(jù)以滿足應(yīng)用需求，其傳輸范圍為10～100 m，增加發(fā)射功率后可使傳輸范圍擴(kuò)大到1～3 km。（2）ZigBee信息數(shù)據(jù)反應(yīng)響應(yīng)速度快，進(jìn)入工作狀態(tài)只需要15 ms，連接并進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)僅需30 ms。（3）ZigBee可采用靈活組網(wǎng)方式，利用多種各異的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，統(tǒng)籌規(guī)劃、管理調(diào)控眾多子節(jié)點(diǎn)，子節(jié)點(diǎn)管理上限可達(dá)近260個(gè)。另外，級(jí)別更高的子節(jié)點(diǎn)擁有管轄調(diào)節(jié)本節(jié)點(diǎn)的特別權(quán)限，數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的大網(wǎng)可涵蓋近70 000個(gè)節(jié)點(diǎn)。（4）ZigBee具備三級(jí)安全供應(yīng)保證，可對(duì)家庭安全進(jìn)行設(shè)定、設(shè)置終端訪問(wèn)數(shù)據(jù)控制權(quán)限、設(shè)置對(duì)稱式高級(jí)加密技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)密碼等。三級(jí)安全模式保證ZigBee靈活保障自身安全。（5）ZigBee安裝成本低，適合用于家庭智慧照明系統(tǒng)。

3.4 Matter技術(shù)

Matter是近年來(lái)業(yè)界聚焦的新型標(biāo)準(zhǔn)，架構(gòu)于當(dāng)前所有IP協(xié)議之上，再經(jīng)過(guò)IPv6轉(zhuǎn)化為核心應(yīng)用層。Matter協(xié)議以智能家居任一產(chǎn)品擁有全球統(tǒng)一地址為愿景，開(kāi)發(fā)出任意設(shè)備在進(jìn)入家庭后，能夠?qū)崿F(xiàn)物與物之間的有效合作、管理；促進(jìn)各種軟件開(kāi)發(fā)廠商進(jìn)行發(fā)掘研究，以研發(fā)出智能家居適配各類應(yīng)用場(chǎng)景的軟件或應(yīng)用產(chǎn)品。Matter的主要優(yōu)勢(shì)在于統(tǒng)一應(yīng)用層及基于IP全面開(kāi)源，即在標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)發(fā)時(shí)間里對(duì)開(kāi)源庫(kù)內(nèi)數(shù)據(jù)進(jìn)行開(kāi)發(fā)，可使用固定、移動(dòng)設(shè)備進(jìn)行使用的協(xié)議。Matter與ZigBee的主要區(qū)別在于不同的底層網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，其中ZigBee擁有其獨(dú)屬的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)協(xié)議；而Matter采用IP作為頂層網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。Matter協(xié)議定于2022年發(fā)布，未來(lái)將有更多的智能家居企業(yè)陸續(xù)對(duì)這一新標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行支持，不斷推進(jìn)全球智能家居領(lǐng)域的嶄新生態(tài)，建立健全互聯(lián)互通全屋智能照明生態(tài)。

4 結(jié)束語(yǔ)

物聯(lián)網(wǎng)布控下，智能家居照明控制系統(tǒng)將滿足更多家庭用戶日常生活中對(duì)各種場(chǎng)景的需要。未來(lái)，物聯(lián)網(wǎng)智能家居標(biāo)準(zhǔn)將逐漸完善，智能家居系統(tǒng)也將突破傳統(tǒng)，對(duì)消費(fèi)者產(chǎn)生良性影響，促進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)與智能家居照明控制系統(tǒng)協(xié)同發(fā)展。物聯(lián)網(wǎng)與智能家居照明控制系統(tǒng)將日趨結(jié)合得更為緊密，利用數(shù)字智能革命效率及場(chǎng)景，為家居環(huán)境營(yíng)造更加良好的氛圍。