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物联网及其在智能家居的应用
摘要:
近年来物联网飞快发展，在各个国家都得到了高度的重视。
所以物联网的关键技术部分也越来越被各国及研究机构重视。
其中主要以RFID（射频识别技术）、物联网传感技术为核心内容。
各国为此都投入了大量人力和物力进行了深入的研究。
而随着物联网的发展，物联网技术被应用于各个领域，与民生最为密切的应当属智能家居系统。
智能家居系统就是通过互联网和物联网使家庭实现智能化、自动化。
给用户带来轻松、愉悦、便捷的生活环境。
随着物联网技术的革新和发展，成本逐渐降低，智能家居系统将得到更多用户的支持使用，智能家居将有更加广泛的商业市场，将成为21世纪物联网产业的一大龙头行业。
关键词：
物联网；关键技术；智能家居
Abstract：
TheInternetfastdevelopmentinrecentyears,allcountrieshaveahighdegreeofattention.PartandthekeytechnologyofInternetofthingsisbecomingmoreandmoreattentionbycountriesandresearchinstitutions.MainlytotheRFID（RadioFrequencyIdentificationtechnology）,theInternetofthingssensingtechnologyasthecorecontent.Countrieshaveinvestedalotofmanpowerandmaterialresourcesforthiscarriedonthethoroughresearch.ButwiththedevelopmentoftheInternetofthings,theInternetofthingstechnologyisappliedtovariousfields,andthelivelihoodofthepeoplemostcloselyshallbelongtothesmarthomesystem.SmarthomesystemisthroughtheInternetandInternetofthingsmakefamilyrealizesintelligenceandautomation.Bringtheuserrelaxed,cheerful,andconvenientlivingenvironment.WiththeinnovationanddevelopmentoftheInternetofthingstechnology,graduallyreducethecost,willgetmoreuserstosupporttheuseofsmarthomesystem,intelligenthouseholdwillhaveamoreextensivecommercialmarket,Internetofthingsindustrywillbecomethe21stcenturyaleadingindustry.
KeyWords:
TheInternetofthings;keytechnology;smarthome
1物联网介绍
1.1物联网概念
物联网的英文名是叫“TheInternetofthings”。
也就是说，物联网就是“物体与物体之间相连的互联网”。
物联网是新一代信息技术的重要组成部分。
这里包含两层意思：
第一，物联网是在互联网基础上的延伸和扩展的网络，但是其核心和基础仍然是互联网；第二，其用户端延伸和扩展到了任何物体与物体之间，进行信息交换和通信。
所以，物联网的定义是：
通过射频识别（RFID）、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物体与互联网相连接，进行信息交换和通信，以实现对物体的智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。
物联网（InternetofThings）这个词，国内外普遍公认的是由MITAuto-ID中心Ashton教授1999年在研究RFID时最早提出来的。
在2005年国际电信联盟（ITU）发布的同名报告中，物联网的定义和范围已经发生了变化，覆盖范围有了较大的拓展，不再只是指基于RFID技术的物联网。
2005年11月27日，在突尼斯举行的信息社会峰会上，国际电信联盟（ITU）发布了《ITU互联网报告2005：
物联网》，正式提出了物联网的概念。
与其说物联网是一个外来概念，还不如说它已经是一个“中国制造”的概念，他的覆盖范围已经超越了1999年Ashton教授和2005年ITU报告所指的范围，物联网已被贴上“中国式”标签，并且与时俱进，不断发展和进步。
关于物联网这个概念，早在1999年我国学者就提出来过。
只是，当时不叫“物联网”而是管它叫传感网。
中科院早在1999年就已经启动了关于传感网的研究和开发。
跟欧美的其它国家相比，我国的技术研发水平还算处于世界前列，具有同发优势和重大影的响力。
工信部总工程师朱宏任在中国工业运行2009年夏季报告会上表示，物联网是个新概念，到现在为止还没有一个约定俗成的，大家公认的概念。
他说，总的来说，“物联网”是指各类传感器和现有的“互联网”相互衔接的一种新技术。
2010年在十一届人大三次会议上温总理所做的政府报告中对物联网做了这样的定义：
物联网是指通过信息传感设备，按照约定的协议，把任何物品与互联网连接起来，进行信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。
物联网是在计算机互联网的基础上，利用RFID、无线传感、无线数据通信等技术，构造一个覆盖世界上万事万物的“InternetofThings”。
在这个网络中，物品能够彼此进行“交流”，而无需人的干预。
其实质就是利用射频自动识别（RFID）技术，通过计算机互联网实现物品的自动识别和信息的互联与共享。
物联网概念的问世，打破了之前的传统思维。
过去的思路一直是将物理基础设施和IT基础设施分开，一方面是机场、公路、建筑物，另一方面是数据中心，个人电脑、宽带等。
而在物联网时代,钢筋混凝土、电缆将与芯片、宽带整合为统一的基础设施，在此意义上，基础设施更像是一块新的地球。
故也有业内人士认为物联网与智能电网均是智慧地球的有机构成部分。
不过，也有观点认为，物联网迅速普及的可能性有多大，尚难以轻言判定。
毕竟RFID早已为市场所熟知，但新大陆等拥有RFID业务的相关上市公司定期报告显示出业绩的高成长性尚未显现出来，所以，对物联网的普及速度存在着较大的分歧。
但可以肯定的是，在国家大力推动工业化与信息化两化融合的大背景下，物联网会是工业乃至更多行业信息化过程中，一个比较现实的突破口。
而且，RFID技术在多个领域多个行业所进行的一些闭环应用。
在这些先行的成功案例中，物品的信息已经被自动采集并上网，管理效率大幅提升，有些物联网的梦想已经部分的实现了。
所以，物联网的雏形就象互联网早期的形态局域网一样，虽然发挥的作用有限，但昭示着的远大前景已经不容质疑。
这几年推行的智能家居其实就是把家中的电器通过互联网络控制起来。
可以预见，物联网发展到一定阶段，家中的电器可以和外网连接起来，通过传感器传达电器的信号。
厂家在厂里就可以知道你家中电器的使用情况，也许在你之前就知道你家电器的故障。
某一天突然有维修工上门告诉你家中空调有问题，你还惊异地不相信。
1.2物联网的基本框架
物联网包括物联网感知层、物联网网络层、物联网应用层。
相应的，其技术体系包括感知层技术、网络层技术、应用层技术以及公共技术。
如图1-1所示。
感知层：
数据采集与感知主要勇于采集物理世界中发生的物理事件和数据，包括各类物理标量、标识、音频、视频数据。
物联网的数据采集涉及传感网、RFID、多媒体采集、二维码和实时定位等技术。
网络层：
实现更加广泛的互联功能，能够把感知到的信息无障碍、高可靠性、高安全性的进行传送，需要传感器网络与移动通信技术、互联网技术相融合。
经过十余年的快速发展，移动通信、互联网等技术已经比较成熟，基本能够满足物联网数据传输的需要。
应用层：
主要是包括应用支撑平台子层和应用服务子层。
其中应用支撑平台子层用于支撑跨行业、跨应用、跨系统之家的信息协同、共享、互通的功能。
应用服务子层包括智能交通、智能医疗、智能家居、智能物流、智能电力等行业应用。
公共技术：
这个技术并不属于物联网技术的某个特定层，而是与物联网技术构架三层都有关系，它包括服务质量、安全技术、标识与解析管理和网络管理。
图1-1物联网层次结构图
1.3物联网发展
1.3.1物联网在欧洲的发展
欧盟围绕物联网技术和应用做了不少创新性工作，而其中最具代表性的有两件大事：
第一件是发表了《布莱德宣言》；第二件就是提出了《欧盟物联网行动计划》。
1）欧盟的觉醒：
《布莱德宣言》
2008年3月31日至4月2日，350多位欧洲网络研究领域的顶尖专家，包括70个欧盟官方资助项目的负责人，在斯洛文尼亚的布莱德城聚会，讨论国际互联网的发展趋势。
并起草发布了一份宣言，即《布莱德宣言》。
《布莱德宣言》这是国际信息网络技术研究领域的一个重要事件，《布莱德宣言》宣言以敏锐的战略眼光，不仅看到了互联网和物联网资源的稀缺性，而且明确的指出了重新设计新一代互联网的重要性。
因此此次会议意义重大，影响深远。
它奖成为世界互联网和物联网发展史上的一座丰碑。
2）《欧盟物联网行动计划》
在《布莱德宣言》发表以后，欧盟在加快了新一代互联网研发的进程的同时，理念上也有了新的提升。
到2009年6月欧盟还明确的提出了新目标“物联网技术是我们的未来”，而且确定了欧盟要使“成为世界上最具有活力和竞争力的知识型经济”的战略目标，确定了提升物联网的可信度、接受度和安全性的战略重点和物联网战略标准的发展方向。
其后于2009年11月的全球物联网会议上，完整地提出了《欧盟物联网行动计划》。
这成为了欧盟在物联网发展进程中另一件非常有代表性的事件。
该计划也已经提出了物联网在药品、电力、物联网管理规则和标准化建设等方面的明确工作目标。
[5]
1.3.2物联网在美国的发展
美国在2009年9月提出的《美国创新战略》中，明确地将物联网作为振兴经济确立优势的国家战略；该战略一提出来，立刻在全球范围内得到了极大的响应，使物联网成为2009年最热门话题之一。
与此同时，在奥巴马上台以后，更是将物联网作为振兴经济的两大武器之一，投进巨大资金深入研究物联网的相关技术。
不管是基础设施、技术水平或者产业链发展程度，美国都走在了世界各国的前列。
而已经几近完善的通信互联网络为物联网的发展创造了良好的先机。
美国的《经济复苏和再投资法》提出，要鼓励物联网技术发展政策主要体现在推动能源、宽带和医疗等三大领域。
美国在物联网基础构架和关键技术领域已经占有领先的优势，物联网产业正在蓬勃发展与扩大。
例如美国国防的“智能微尘”、国家科学基金会的“全球网络研究环境”等等。
物联网已经在美国的军事、工业、农业、环境监测、建筑、医疗等领域得到了良好的运用、深入和推广。
如图1-2为物联网的主用应用方向。
图1-2物联网应用领域图解
1.3.3物联网在亚洲各国的发展
日本是世界上第一个提出“泛在”物联网战略的国家。
在2004年3月日本发布了针对RFID的《关于在传感网络时代运用先进RFID技术的最终研究草案报告》。
报告指出MPHPT将继续支持其所在UHF频段的被动及主动的店子标签技术，并在此基础上进一步深入讨论管制的问题。
2004年7月，日本经济产业省METI选择了包括电子消费、书籍、服装、音乐CD、建筑机械、制药和物流在内的七大领域进行RFID应用试验。
2009年2月，日本出台宏观指导政策——“ICT新政”。
其后有公布了“数字日本创新计划”刚要，并将其作为未来3年迎战经济危机中优先实施的政策。
同年7月6日，日本IT战略本部又发表了“I-Japan战略2015”目标。
韩国作为目前全球宽带普及率最高的国家，也是移动通信、信息家电、数字内容建设位居世界前列的国家。
这为物联网在韩国的发展奠定了基础。
1997年，韩国出台了“RFID先导计划”和“RFID全面推动计划”等建设U化社会的愿景。
2009年10月，韩国出台了《物联网基础设施构建基本规划》。
[5]
1.3.4物联网在中国的发展
2006年中国国务院发布的《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006--2020年）》中关于“重要领域及其优先主题”、“重大专项”和“前沿技术”部分均涉及到了物联网的内容。
2009年8月温家宝总理提出“感知中国”,物联网被正式列为国家五大新兴战略性产业之一，写入“政府工作报告”，物联网在中国受到了全社会极大的关注，其受关注程度是在美国、欧盟、以及其他各国不可比拟的。
随后在9月11日，“传感器网络标准工作组”成立。
2009年9月16日正式开幕的“2009中国国际信息通信展览会”上，三大运营商的“物联网”业务也全部亮相。
2010年10月10日，《国务院关于加快培育和发展战略性新兴产业的决定》出台，物联网作为新的一代信息技术里面的重要一项被列入，成为了国家首批加快培育的七个战略性新兴产业，并且被列入了国家发展战略。
现国家已经将物联网应用列入“十二五”规划。
2物联网的关键技术
物联网所设计的关键技术很多，有物联网各个层次的各类专用技术，也有作为探讨的特征性核心技术“云计算”和“海计算”，在不同的计算能力和存储能力下，需要的技术不尽相同。
2.1RFID技术
RFID（RadioFrequencyIdentifier，射频识别技术）是物联网感知层的最为重要技术之一，也是目前使用最为广泛的感知层技术，RFID技术集成了芯片设计与制造、天线设计与制造、无线通信、标签封装、信息安全等技术。
通常RFID系统一般包括以下几个部分：
电子标签、读写器、中间件及应用系统。
图2-1RFID系统架构图
2.1.1RFID标签
RFID标签是由线圈组成、标签天下或标签芯片，利用电感耦合或者电磁反向散射耦合原理实现读写器之间的通信。
每个RFID标签中存储一个唯一的编码，通常为64位码、96位码甚至更高位的编码，其存储地址空间大大高于条形码所能提供的空间，因此可以实现单品级的物品编码。
RFID标签有读写速度快、无磨损、低功耗、读写距离大等优点。
RFID标签种类繁多，目前已经广泛应用于各个行业。
2.1.2RFID中间件
介于前端RFID读写器硬件模块和后端数据库与应用软件之间的中介，称为RFID中间件。
应用程序端使用中间件的一组通用的应用程序接口，就能连接到RFID读写器，读写数据。
中间件实现对底层设备的精确控制，实时采集原始数据，对数据进行过滤，并在其中封装典型的应用逻辑，使系统接口简单透明，从而达到系统的协调工作。
RFID中间件在功能上可以分为数据采集层和事件处理层。
2.1.3RFID读写器技术
RFID读写器是对RFID标签进行读写操作的设施，共包括射频模块和数字信号处理模块两部分。
也称为阅读器或者询问器。
在RFID系统的研究中RFID读写技术是一个重要技术，从设计角度来说，RFID的追求是设计精简、成本低可远距离读写和同时处理多个标签的读写。
所以读写器的设计趋向于：
多数据接口、模块化和标准化、低成本、防撞能力强、兼容性大等特性。
2.2传感器和无线传感网技术
传感器即能把特定的信号按已经制定好的规则转化成某种信号输出的装置，传感器需要满足信息的传输、记录处理和显示控制等需求。
传感器的组成原件一般是敏感元件（光、温度、声音等）和转换元件。
一般常用的传感器有：
气敏传感器、温度传感器、湿度传感器和超声波传感器。
无线传感网络在物联网中扮演着一个重要角色。
无线传感网络是一种全分布的无中心节点的系统，无线传感网络也可以通过网关连接到现有的网络设备上，以此来将采集到的信息传送到远程的用户使用。
无线传感网络一般具有以下特点：
多跳路由、网络规模大、自组织网络、可靠性高、动态性。
3智能家居系统的概述
在互连网络时代，我们的家居没有实现智能化，那么在物联网时代呢？
物联网的普及和多年的发展，让人们家庭实现智能化成为可能，越来越成熟的技术，和越来越低的成本，以及国内经济的发展、国民收入的提高，让大众的家庭智能化不再是天边彩虹可望而不可及。
3.1智能家居的定义
所谓智能家居，顾名思义就是家庭实现智能化、自动化。
“智能家居”是以家庭住宅为单位，利用先进的互联网络、电气自动化技术、RFID、ZIGBEE、无线电技术，将家庭设备有机的结合在一起，通过网络来管理家中设备和实时监控家中情况的系统，“智能家居”集系统服务和控制管理于一体，以此来为人们提供优质舒适、高效节能、健康环保居住环境，让人们更好的享受生活。
图3-1智能家居控制系统结构图
3.2智能家居系统的组成
智能家居系统一般由以下几个部分组成：
1.智能灯光控制系统；2.智能家电控制系统；3.智能监控系统；4.智能安全报警系统；5.访问控制系统；6智能家居网关子系统。
3.2.1智能灯光控制系统
智能灯光系统可以对整个住宅的的灯光实现智能化控制与管理。
室内照明设备除了荧光灯外都可以做亮度调节，所以智能灯光系统的一个重要功能就是感知光强度，自动调节光亮度，给人眼以最佳舒适光照，并同时做到节能的效果。
“智能灯光”还可以通过还可以根据需求设置不同的灯光模式，如“会客模式”、“影院模式”等。
人么可以通过遥控器、手机或者IPAD实现对灯光的一体化控制。
智能灯光控制系统有许多优点诸如：
控制方便、安全性高、灵活性强，只需根据需求修改软件即可实现对灯光效果的修改。
3.2.2智能家电控制系统
家用电器主要指热水器、空调、电视机、插座、地暖、投影机、及家庭影院等设备。
智能家电控制子系统则是由智能电器控制面板组成，其可以与室内各电器设备对接，并实现相应的功能。
例如：
热水器可以设定热水温度、空调的温度等。
智能家电系统也可以实现家电与互联网、手机和一切可以上网的设备实现点对点连接，可以实现远程控制。
智能家电系统较传统家电的优点是可以实现就地控制、远程控制；并且能通过智能检测系统对家里的温度、湿度进行调节控制，也可以根据生活节奏自动开启或者关闭电器设备，避免了不必要的能源浪费，更能与智能电网相结合实现对接，对用电高峰期进行用电调节。
3.2.3智能监控系统
智能监控系统可以通过摄像设备进行录像，并将视频保存和传送至服务器，实现对住宅周边及室内状况的监视功能。
可以通过远程控制摄像头的运行、调用查看录像。
智能监控系统可以实时有效的了解家中情况，如小孩、老人的状况；也可以及时了解住宅是否有“不速之客”到访。
智能监控系统可以分为：
1.室外监控；2.室内监控；3.远程监控。
3.2.4智能安全报警系统
所谓的智能安全报警系统，即由智能探测器和智能网关组成。
智能探测器种类繁多，例如：
智能烟雾探测器，探测出烟雾浓度超标后发出警报；智能温度探测器，当温度达到一定值发出警报；智能燃气探测器，当可燃气体浓度超标时发出警报。
本系统可以实现远程控制访问设备、接收警报信号处理警报、实现布防、撤防的设置。
图3-2智能传感网系统
3.2.5访问控制系统
访问控制系统就是通过智能遥控器、计算机、手机客户端软件等实现对房间的设备进行访问和控制管理。
它从用户识别、验证、系统资源的使用特权和限制、文件的存取保护等几个方面，为系统提供安全的访问控制功能。
3.2.6智能家居网关
智能家居网关是智能家居系统的核心之一，在系统中有很大的作用。
该系统可以将家庭网络与外网连接，实现二者的信息交互；智能家居网关还可以自动收集各种在线设备的信息、运行状态，生成描述文件和日志，对各种设备进行集中的管理和简单的控制。
智能家居网关是实现家庭物联的重中之重。
3.3智能家居系统的设计原则
衡量一个智能家居系统的设计是否成功，并不是仅仅取决于智能化程度的高低、系统的先进和集成度的高低，而是取决于系统的设计是否经济便利、能否成功运行、系统的维护成本是否低廉、系统产品技术是否成熟和与人交互是否简单易用。
总的来说，就是是否能以最低的成本、最简易的实现途径来塑造最优质便利的生活。
3.3.1实用便利
智能家居最基本的目标，也是唯一的目的就是为人们提供一个舒适安全、高效便捷的生活环境。
对智能家居产品来说，其核心是以实用为主，去掉那些华而不实，只能作为摆设的功能，产品必须以实用性、易用性和人性化为主。
应根据用户对智能家居功能的需求来设计智能家居系统，整合以下几个最实用的家居控制功能：
包括电动窗帘控制、防盗报警、门禁对讲、煤气泄露警报、智能家电控制、智能灯光控制等，同时还可以拓展诸如三表抄送、视频点播、点歌祝福等服务增值功能。
对很多个性化智能家居的控制方式很丰富多样，比如：
本地控制、遥控控制、集中控制、手机远程控制、感应控制、网络控制、定时控制等等，其本意是让人们摆脱繁琐的事务，提高效率，如果操作过程和程序设置过于繁琐，就很容易让用户产生排斥心理。
所以在对智能家居的设计时一定要充分考虑到用户体验，注重操作的便利化和直观性，最好能采用图形图像化的控制界面，让操作所见即所得。
3.3.2可靠性
整个家居的各个智能化子系统应能二十四小时运转，所以系统的安全性、可靠性和容错能力必须予以高度重视。
对各个子系统，以电源、系统备份等方面采取相应的容错措施，最好对一些重要系统采取备份电源，以便能在突发断电情况下还能保证系统正常安全使用。
而且质量高、性能良好，具备应付各种复杂环境变化的能力。
3.3.3方便性
布线安装一定要简单，这涉及到非常多的问题，比如说成本（是否低廉）和可维护性（维护成本），可扩展性（还包括是否易扩展）等问题。
在施工的时候也可与小区宽带一起布线，这样简单又容易；同时设备方面也要容易学习掌握、操作和维护简便。
最重要的是其还要能够远程检查和维护，更新系统，提高响应速度降低维护成本。
3.3.4标准性
方案的设计方面应依照国家和地区的有关标准进行，一定要确保系统的扩展性和扩充性，在系统传输上采用标准的TCP/IP协议网络技术，用以保证不同产商之间系统可以兼容与互联。
4智能家居案例
4.1海尔U-Home
海尔U-home是海尔集团在物联网时代推出的美好住居生活解决方案，它采用有线网络与无线网络相结合的方式，把所有设备通过信息传感设备与网络连接，从而实现了“家庭小网”、“社区中网”、“世界大网”的物物互联，并通过物联网实现了3C产品、智能家居系统、安防系统等的智能化识别、管理以及数字媒体信息的共享。
海尔U-home用户在世界的任何角落、任何时间，均可通过打电话、发短信、上网等方式与家中的电器设备互动，畅享“安全、便利、舒适、愉悦”的高品质生活。
海尔智能家居公司是海尔集团的子公司，企业注册资金就达1.8亿。
公司建立了强大的海尔U-home研究团队并拥有世界一流的实验室。
海尔U-home以提高人类的生活品质为信念，提出了“让您的家与世界同步”的生活理念。
除了给用户提供个性化产品外，还面向未来提供多种智能家居解决方案和增值服务。
因为海尔U-home提出的生活理念被认为是未来智能化家居解决方案的发展趋势，所以其理念得到党和国家领导人的高度评价，为此国家简历专门的重点实验室，进行科技攻关和成果转化。
自2007年起，我国唯一的数字重点实验室、唯一的所数字家庭网络国家工程实验室陆续在海尔建立。
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