智能家居的体系与功能.docx

1、智能家居的体系与功能 第3章 智能家居的体系与功能 智能家居系统可以看作是以家庭网络为基础，构造信息家电的信息交互平台，在此基础上实现智能家居的各类功能，从而使住户享受智能化和人性化的家居生活。在实际应用时，智能家居各类功能之间密切相关，难以分割。本书根据实现功能的类型，将智能家居的功能划分为家庭娱乐与教育、家居控制、家庭安防、家居管理、其他网络增值服务5类，介绍各类功能，并讨论各部分功能实现的体系结构。必须认识到，智能家居实现的功能都是基于智能家居信息交互平台和社会支撑系统实现的。 3.1 智能家居的组成 随着家用电器的不断数字化与智能化，新的家电产品在为人们提供更加强大的功能的同时，也面临

2、着新的挑战，比如，产品的造价高，开发时间长，维护、升级费用昂贵等等。事实上，单个家电在不断增加功能的同时，也形成了彼此相互隔离的信息孤岛，因而造成了资源浪费，成为信息家电发展中的瓶颈。为了解决这一问题，人们通过先进的网络技术，将单个家电通过统一的接口与协议相互连接，并形成独立的功能模块以协同工作，实现资源共享。 学术界对智能家居的组成没有定论，综合各种观点，一个完整的智能家居系统除了具有各种功能的信息电器外，还必须包括以下几个模块： 1信息处理模块 为了使相互独立的信息家电可以实现信息共享与协同工作，智能家居系统中必须具有专门的信息处理模块。它的功能主要是收集家庭中各个家电的工作状态和服务请求

3、，对各种数据进行实时处理，并将结果送入功能驱动模块。现阶段，无论是基于家庭网关的智能家居系统（如春兰公司开发的智能家居系统），还是基于家居服务器的智能家居系统（如合肥工业大学信息电器实验室开发的智能家居系统），多采用了集中式信息处理模块。由于家庭网络的拓扑结构比较简单，集中式的信息处理设计实现都较为简单，控制的效率也较高，因而得到广泛的应用。但是随着家庭中信息家电的数量不断增加，采用分布式的控制方式将具有更高的灵活性，这是未来智能家居系统的发展趋势。 2通信模块 如果说信息处理模块是智能家居系统的大脑，那么通信模块就是实现信息传导的神经。根据家庭组网的特点，通信模块常利用已有的布线（如电力载波

4、），或者采用无线传输（如蓝牙、红外）等。由于不同的信息电器对传输时的带宽要求不同，实际中的通信模块常采用多种方式混合组网。如合肥工业大学信息电器实验室所开发的智能家居系统就灵活地采用IEEE 1394、蓝牙、电力载波等作为低端、中端和高端的主要组网方式。 3功能驱动模块 功能驱动模块是信息流入、流出各个信息电器的接口。由于各个电器生产厂商的产品在功能和实现上都有很大的不同，所以必须通过功能驱动模块将信息处理模块的指令翻译成电器可以执行的电平信号，以及将电器的各种状态信息转换成信息处理模块可以理解的二进制信息。 4外界信息接口模块 该模块可以看成是一个家庭通向外界（如Internet）的网关。它

5、在家庭内部各种电器信息共享的基础上，进一步实现了基于Internet的资源共享，从而更进一步实现了共享的深度和广度，也将是未来智能家居系统发展的热点。由于家庭内部网络通常不使用TCP/IP协议，所以外界的信息接口模块中最基本的功能就是从TCP/IP协议到各种家庭内部网络协议的转换（如TCP/IP到蓝牙协议的转换等）。 根据以上分析，一个具有集中式信息处理模块的智能家居系统（如由合肥工业大学信息电器实验室开发研制的智能家居系统）的组成可以由图3 -1表示。 图3 -1智能家居系统的组成 本章在随后的四节中将根据系统的功能，从家庭娱乐、家居控制、家庭安防和家庭事务管理几个方面，对各种先进的智能家居

6、系统作详细的介绍。 3.2家庭娱乐与教育 3. 2.1家庭娱乐与教育概述 娱乐是家庭中最需要的享受，教育是现代家庭中最重视的部分。近年来，网络技术和信息技术飞速发展，家庭宽带接人日益普及，在方便用户播放和共享各类音视频节目的同时，也促进了数字电视、数字广播、交互式多媒体等的发展。家庭娱乐以家庭网络为基础，连接各类家庭设备，从而形成了网络化和交互式的家庭娱乐系统。 与此同时，家庭教育也迈向了电子化和网络化。采用多媒体和基于网络的交互式媒体的远程教育成为了家庭教育的主要内容，并赋予原有娱乐类家庭设备新的用途，通过家庭网络，将它们有机地结合起来为家庭教育服务。 在智能家居中，由于家庭娱乐和教育都建立

7、在多媒体技术和网络技术的基础上，两者所采用的形式和手段基本相同，而且在内容上也互有交织的地方，家庭娱乐和教育系统的绝对界限已比较模糊。 一般来说，家庭娱乐和教育系统主要包括家庭影院、视频点播、交互游戏、远程教育等内容。 3.2.2家庭影院 1家庭影院简介 简单地说，家庭影院是在家庭环境中营造影院效果，让住户在家中享受到犹如电影院一般的视听觉效果。在家庭影院用环绕声放大器通用规范中规定了家庭影院系统的定义，明确指出，只有由环绕声放大器（或环绕声解码器与多通道声频功率放大器组合）、多个（4个以上）扬声器系统、大屏幕电视（或投影电视）以及高质量A/V节目源构成的，具有环绕声影院视听效果的家用视听系统

8、，才能称为家庭影院。 智能家居系统中的家庭影院功能，是在原有家电设备基础上，对原有家庭影院的扩充和集成，即通过智能家居信息交换平台为家庭影院提供各种多媒体数据访问和播放手段，一是在系统中集成了各类音视频编解码模块，使用户可以通过普通家电的接口来欣赏各类数字音视频节目；二是提供了便捷的节目预约录放功能；三是提供了各类手持设备（如遥控器、掌上电脑）对家庭影院系统的控制功能。其中，后两类功能可在家居控制中实现。详情请参看第3.4节“家居控制”。 2家庭影院的功能 具体来说，智能家居中家庭影院功能主要包括以下内容： 多种格式光碟的播放功能； 多种格式的多媒体音视频文件播放； 网络电视节目、数字有线电视

9、节目的录放； 无线广播节目、网络广播、有线电视数字广播、中短波段数字广播的录放。 3智能家居中的家庭影院系统 图3-2是智能家居系统中家庭影院功能的一个实现模型。其中，音视频编解码部分向各类家庭音视频设备提供各类多媒体数据的访问和控制接口，家庭影院控制模块用图3-2智能家居中家庭影院功能的实现模型图 交互游戏的特点主要表现在两个方面：一是游戏内容本身提供了复杂的虚拟世界，用户与游戏本身在提供的虚拟世界里进行交互；二是通过网络连接，多人同时参与游戏，相互影响，这就是网络游戏。不同于单机版游戏，网络游戏是以互联网络为信息交互平台，多用户同时参与、相互交流。目前所说的交互游戏主要是指后者。随着网络技

10、术的发展，游戏网络化已是不争的事实。 网络游戏基本架构如图3-4所示。 图3-4网络游戏的基本架构 2智能家居与交互游戏 近年来交互游戏得到了极大的发展，其主要原因是宽带网络的普及。而智能家居系统中为住户提供的宽带网络接口，为住户提供了极大的便利。同时通过智能家居中其他系统的配合，如音视频设备等，使住户在进行游戏时可以享受到更大的娱乐性。 3.2.5远程教育 1远程教育的简介 在智能家居中，远程教育是家庭教育的主要部分，它以家庭网络和多媒体技术为基础实现教育和培训，是现代教育发展的飞跃。在早期，远程教育采用印刷材料、广播电视、盒式磁带作为信息媒体。而伴随着智能家居的发展，基于家庭网络的交互式媒

11、体和多媒体成为远程教育的重要信息载体，通过家庭网络连接即与全球最大的信息系统因特网的资源共享，为家庭提供了更新、更广的学习内容。远程教育的发展如图3-5所示。 图3-5远程教育的发展阶段 远程教育的形式主要包括学术讨论组邮件组、电子杂志、专业数据库与检索系统、以专业教育机构为依托的教育网站等。 2智能家居与家庭教育 远程教育是伴随着网络技术和多媒体技术的发展而发展的，因而它的形式和内容也以各类网络服务和多媒体点播服务为主，最终通过计算机技术来实现。智能家居对远程教育的影响主要表现在两个方面：一是智能家居将家庭中的各类家电设备有机结合起来为家庭教育服务，如通过家庭影院接收视频教育；二是智能家居将

12、家庭娱乐和家庭教育系统有机地结合在一起，如融入教育内容的交互游戏。 3.3家庭安全防范 3. 3.1 家庭安全防范的概念 通常所说的安全防范是指安全技术防范，即以安全技术防范产品和基础防护设施为手段，以人力防范为基础，预防各类违法犯罪和重大事故，维护社会治安的技术防范措施。对于家庭住宅来说，最大的安全威胁有两方面，一方面是外来入侵（如入室偷窃、抢劫、凶杀等）；另一方面是内部隐患（如火灾、煤气泄漏等）。家庭安全防范主要就是针对以上两个方面。随着智能家居的发展，对于特定的险情，家庭安全防范系统也可以进行相关的处理。 一般说来，家庭安全防范系统包括室内防盗报警、室内消防报警、紧急求助、出人口控制、煤

13、气泄漏报警、周边防越、门禁对讲等子系统。以空间来分，可分为室内部分和室外部分。 我国建设部住宅产业化促进中心在居住小区智能化系统建设要点与技术导则（修订稿）中提出，小区安全防范子系统包括以下内容：住宅报警装置、访客对讲装置、周边防越报警装置、闭路电视监控装置和电子巡更装置。所以当前的家庭安防室外部分均在小区进行，家庭安全防范已与智能小区紧密集成，形成小区级安全防范网络。在实际的一些小区建设中，目前是在住户住宅中安装报警探测设备，通过专线接人小区报警中心，这种方式的灵活性和可拓展性不强。随着智能小区和智能家居的发展，住户室内部分的安全防范将通过家庭安全防范系统来实现。 在我国“安全技术防范”作为

14、一个专业领域已有多年的发展，但家庭安全防范系统的研制和应用则起步较晚。与国外相比，我国家庭安防系统的发展还处于初级阶段，应用的整体水平不高，地区发展不平衡，相关技术尚不适应市场需求。但近几年发展比较迅速，国家和有关部门批准成立了相应专业的标准化技术工作组织和产品质量检测机构，并制定了大量的技术规范和标准来指导和规范行业的技术行为。伴随着我国智能住宅的建设和发展，家庭安全防护系统的研究和应用有了很大的发展，市场也出现了比较成熟和可靠的产品。目前我国研制和生产安防产品的厂家较多，但推出的较为完整的、成熟可靠的家庭安防系统却为数很少，市场上的集成系统以国外产品为主。 3.3.2 家庭安全防范的功能

15、根据性质划分，家庭安全防范系统的功能可划分为3类：一是险情检测，主要指通过各类传感器来检测家中状态，判别各类险情。二是远程报警，即在险情发生后，除了必要的现场声光报警外，还通过小区网络或电话向外报警。三是联动处理，主要是协调安防系统与控制系统之间的工作，采取措施控制和处理发生的险情，以减少损失。 下面对这些功能作简单介绍。 (1)险情检测： 主要包括防盗报警、火灾报警、防漏报警、紧急呼叫等内容。 防盗报警主要用于发现是否存在非法侵入（如盗窃、抢劫、恶意破坏门窗等），其设备包括小区集中报警控制器、门磁开关、玻璃破碎探测器、人体移动探测器、紧急呼救按钮、报警扬声器、警铃、报警指示灯等。 火灾报警主

16、要通过设置感温探测器、感烟探测器和感烟感温复合探测器，监视各个房间内有无火灾的发生。 防漏报警主要通过设置煤气探测器、防漏水传感器、防漏电保护器等，监视有无煤气泄漏、自来水管道破裂之类现象的发生。 紧急呼叫用于家中发生紧急情况，住户通过紧急呼叫按钮发出紧急救助请求。 家庭安防系统在工作时会定期检查各传感器的状态，以确定各传感器是否正常工作，此外它还与小区安防系统保持热线联络，以便小区管理人员能及时发现住户与小区之间网络通道出现的障碍。 (2)远程报警： 当发现险情后，家庭安防系统通过电话和外接的计算机网络向住户和小区物业中心等相关的部门报警；住户也可通过网络或电话来查询家庭安防状态。 (3)联

17、动处理： 随着智能家居的发展，联动处理已经成为家庭安防系统的重要功能。发现险情时，通过预设的逻辑规则，安防系统请求家居控制系统协同工作，进行相关的险情自救，以减少损失。 3.3.3 家庭安全防范的智能化 随着智能家居的发展成熟，用户对家庭安全防范系统智能化和人性化的要求也越来越高。根据这些要求，同时为了提高系统的可靠性，在家庭安全防范系统中提出了安防模式设置、防区划分、联动控制。 安防模式设置是用来设定家庭安防系统的工作模式，安防模式有三种基本模式：全布防状态、半布防状态和撤防状态。全布防状态是指所有传感（探测）器均处于有效的工作状态，适用于家中无人时；半布防状态是指系统不响应部分特定的传感（

18、探测）器的报警信息，适于家中有人活动状态，保证家中正常活动不会触发报警；撤防状态是指仅保留紧急呼叫帮助等功能，暂停安全防范系统的其他工作。在实际应用中安防模式往往与家居控制系统的逻辑规则相结合，形成场景模式。具体参见第3.4.4节“场景设置”。 防区划分是根据安防要求和家庭活动的特点，将住宅划分为多类防护区域（如可划分为住宅周界和住宅内区域），并将房间进一步划分成多个防区。采用防区划分，可以方便地管理各类传感（探测）器。如不同的防区采用不同的安防模式，以适应家中成员的正常活动。 联动控制包括联动判断和联动处理，主要是通过预设的逻辑规则来协调家庭安全防范系统内部、家庭安全防范系统与家居控制系统之

19、间的工作。这里的逻辑规则主要包括以下几个方面的内容： (1)警情判别：当某一传感（探测）器发出报警时，安防系统同时对其他几个相关联的报警装置的状态进行检查，以确保报警的可靠性，减少误报率。 (2)报警方式：安防系统按照警情和对应的设定，通过网络和电话向外报警。 (3)联动规则：对于特定的险情，安防系统通过与家居控制系统的协同工作来控制家庭设备，减少损失；同时对于特定的防区，当某传感（探测）器报警时，安防系统将控制其他的传感（探测）器对该防区再次进行监测，以确认险情。一个典型的应用就是当监测到某窗户的红外探测器发出警报时，安防系统就会调整周边的摄像头转向该窗户检查情况。 此外，嵌入式系统和模式识

20、别技术（包括生物特征识别和外界环境的识别）的不断发展，也使得系统的智能化和可靠性大大提高。例如，可以采用人体的某个器官特征来进行安全识别、通过摄像机监控识别火灾等，并在尽可能短的时间里对所采集的信息作快速处理并得到可靠的结果。目前这是家庭安全防范系统研制发展的一个重要方向。 3.3.4家庭安全防范的体系组成 家庭安全防范系统是以家庭网络为通讯基础，并在此基础上与智能家居其他部分进行交互的系统。家庭安全防范系统接人家庭网络的方式与家庭网络本身的组网方式紧密相关。通常为了使用的灵活性和可拓展性，传感器与家庭网络之间通过专用的网络接口模块来实现通讯。 根据系统的工作流程和实现，可以将系统体系简单划分

21、。如图3-6所示： 图3-6家庭安防体系结构图 安防传感（探测）器用于监测家庭环境状态，通过家庭网络向安防监测模块发送各类监测信息，具体参见第3.3.5节“家庭安全防范中的传感（探测）器”。 安防接口设备这里主要指各类手持设备和安防设置接口设备，用户通过它们来发送安防系统设置信息，具体有掌上电脑、遥控器等。 安防控制模块对接收到的各类警报通过家庭网络实现向小区报警，通过电话向住户报警；对于特定的险情根据设置向家居控制系统发送联动控制请求；此外，对于接收到的安防查询命令进行响应，提供相关的查询信息。 安防设置模块对接收到的各类安防设置信息进行分析处理，具体实现：信息的有效性判断；安防模式的选择，

22、如撤防或布防；安防规则的设置，如多传感器的关联。 安防监测模块根据设置的逻辑规则和设定的工作模式，对接收的各类安防信息进行分析处理，具体包括：过滤无效信息；对安防信息进行分析判断，判断险情，进行安防日志等数据库的更新工作；向安防控制模块报告各类警报信息；向安防设置模块报告各类安防设置命令。 安防数据及规则库用于记录安防系统的设备信息、安防日志和安防的逻辑规则，具体包括各类传感器的信息、各类传感器的工作状态和安防系统运行日志、各类险情的判断规则等。在实际应用中，往往将安防日志和安防规则库分隔出来，由专门的数据库系统实现，安防系统通过数据库系统提供的接口来进行相关的维护工作。 当安防系统正常工作时

23、，安防设备监视家庭环境，向家庭网络发送各种状态的信息，安防监测模块接收这些信息后进行相关判断处理，发生报警后由安防控制系统对外报警和向外发送联动处理请求。安防模式和安防规则的设置通过安防设置模块来实现。安防监测模块、安防控制模块、安防设置模块的通讯方式依赖于它们的具体实现方式，目前往往采用安防控制主机的形式。随着家庭网络和嵌入式系统的发展，安防系统也可采取分布式系统。 在这里必须说明一点：安防系统的远程设置和查询不论采取何种手段，其实质都是家庭安防系统通过智能家居中电话模块或家庭网关来接收和响应这些请求。 3.3.5家庭安全防范中的传感（探测）器 传感（探测）器是家庭安全防范系统的“眼睛”。随

24、着传感（探测）器技术的发展，目前传感器的种类繁多，功能齐全，并在工程中广泛应用。现简单介绍一下常用的安防传感（探测）器，如表3 -1所示。 除表3 -1列出的外，常用的安防传感（探测）器还有紧急呼叫按钮等。近年来随着摄像头逐渐进入家庭，摄像头也成为一种常见的家庭安防探测设备。 表3 -1常用安防传感（探测）器简介 安防传感（探测）器名称安防类别 简 介 门磁开关 防盗用于判断是杏有非法入侵，安装在门窗上，通过输出的改变来判别门窗的打开和闭合 主动红外 对射探测器 防盗利用光束遮断方式的探测器，用于判断监控防护区是否存在非法入侵被动红外探测器 防盗利用人体表面温度与周围环境温度存在差别制成，用来

25、探测人体和一凿其他入侵的移动物体微波入侵探测器 防盗用来探测入侵的移动物体，在实际中常与被动红外探测器联合使用玻璃破碎探测器 防盗声发射探测器的一种，用于检测玻璃是否被打碎 火灾探测器 防火灾根据火灾探测方法和原理，有感烟式、感温式、感光式、可燃气体探测式和复合式等主要类型 烟感、燃气 泄漏探测器 防漏气 防火灾用于检测室内的烟雾、燃气泄漏程度 漏水探测器 防漏水用于探测室内供水管道的泄漏 3.4家居控制 3.4.1 家居控制的概念 随着进入家庭的家电产品越来越多，家电产品的单体分散控制日益不便，迫切要求对家电设备进行集中控制。同时，为了提高家居生活的便利性，根据当前家庭状况（家庭环境、时间、

26、住户活动状态）自动协同和控制各家电设备的工作，引入了家居控制。 家居控制是智能家居的重要组成部分，它是利用微处理电子技术、无线通信及遥控遥测技术来集成或控制家中的电子电器产品，如电灯、厨房设备（电烤箱、微波炉、咖啡壶等）、取暖制冷系统、视频及音响系统等。它是以家居控制网络为基础，通过智能家居信息平台来接收和判断外界的状态和指令，进行各类家电设备的协同工作。 3.4.2 家居控制的内容 根据控制的对象和方式，家居控制系统包括照明控制系统、居室环境控制系统、厨房设备控制系统、视频及音响控制系统等，如图3-7所示： 图3-7家居控制系统的功能模块图 照明控制系统是对室内的照明系统进行集中控制，实现住

27、宅内灯光的个性控制，一方面住户可以通过控制器方便地管理任一电灯，如遥控其他房间里的电灯，而不用起身操作；另一方面根据住户的活动和住宅光线的状态，自动进行照明系统的调整。 居室环境控制系统是指一方面接收住户的指令启关空调和窗帘等环境控制设备，另一方面根据预设的环境控制条件，自动启停环境控制设备。如根据设定的温湿度自动启停空调系统，根据室内光线的强弱自动开关窗帘等。 厨房设备控制系统包括3方面的内容：一是根据住户的指令启停相应的厨房设备，如微波炉、电饭煲等；二是根据这些设备的运行特点和家庭的实际生活特点，设置设备的运行规则，进行启停控制，以达到便利和节能效果，如对于饮水机，可以使其在家庭 成员离家

28、后停止运行，在家庭成员归家前半小时再启动运行；三是根据住宅状态，自动 进行相应设备的开启，如厨房煤气或天然气管道发生漏气时打开排气扇。 视频及音响控制系统是根据住户的指令和活动状态，自动开启和调节视频及音响系 统，实现音视频节目的预约录放等功能。 3.4.3 家居控制的集成 随着越来越多的智能化家用设备进入家庭，家居控制的内容越来越复杂，整个系统 的集成化程度越来越高。为此人们提出了场景模式，根据工作生活的实际情况和家庭当 前的状态设置不同的场景模式，协调、控制整个系统的运作。 场景模式是以安全防范模式为基础，根据家庭不同的状态来控制智能家居各系统的 工作状态。在安全防范模式的基础上，根据家中

29、活动的情况与家庭控制系统相互配合， 可以分别设定不同的场景模式，如无人模式、睡眠模式（指住户处于休息睡眠状态）、 正常模式（住户处于活动状态）等。 住户通过定义不同场景下各类设备的工作状态和规则来实现智能家居各部分的协同工作。例如住户可以通过设定睡眠模式，在进入睡眠模式后，关闭除夜灯以外的各类照明设备、电视音响，闭合窗帘，设置住户安防系统进入布防状态等。 在场景设置中，住户也可以定义家电设备之间的协同控制规则，例如定义一条规则：客厅电话处于接听状态时，客厅内音响设备音量应小于某规定值，以便用户清楚地接听电话。这样当住户在客厅收看电视时外界打人一个电话，住户在接听时智能家居系统就会降低电视的音量

30、。 随着信息电器和家庭网络的发展，系统可以根据各类设备的种类和工作特点，自行添加场景控制规则，从而实现家庭控制的智能化。 3.4.4 家居控制的功能 从性质上看，家居控制主要包括3个方面：一是住户对家电设备的集中控制；二是家电设备的自动启停控制；三是各设备之间的协同工作。 1住户对家电设备的集中控制 住户对家电设备的集中控制是指住户通过遥控器或电话等方式，可以控制住宅内的任一家电设备，从而大大提高住户生活的便利性。例如在卧室内可以通过按钮或遥控器对其他房间的设备进行相关控制。 从控制的方式来看，住户对家电设备的集中控制有两类，即户内集中控制和户外远程控制。户内集中控制是指在家庭里利用有线或无线的方式对家电设备进行集中控制。这里有线方式是指通过诸如控制盒这样的集中控制器对家电进行控制，无线方式则是以红外、蓝牙等方式，实现手持集中遥控功能。在实现家电设备控制时，住户通过对按钮或开关的关联定义，可以轻松控制家庭中任一设备。 户外远程控制是指住户利用电话或计算机网络在异地对家电设备进行控制，实现家电设备的启停。 2家电设备的自动启停控制 家电设备的自动启停控制主要是指家电设备根据时间、家庭环境的变化而自动调整工作模式。例如通过测感技术对家庭环境进行检测，根据湿度、温度、光亮度、时间等的变化自动启停相关的电器设备。主要应用有：根据室内光线的变化自动开启和关闭房间的电灯；