理想的智能家居

注：考生属哪种类别请划“√”

（博士、在校硕士√、工程硕士、师资硕士、同等学力、研究生班）

辽宁工程技术大学

研究生考试试卷

考试时间： 2015年7月3 日

考试科目：智能电器原理及其应用

考生姓名：曹庆春

评卷人：郭凤仪

考试分数：

注意事项

1、考前研究生将上述项目填写清楚

2、字迹要清楚，保持卷面清洁

3、试题、试卷一齐交监考老师

4、教师将试题、试卷、成绩单，一起送研究生学院；专业课报所在院、系

理想的智能家居

0 引言

随着科学技术的迅猛发展，人们开始步入网络化和数字化的智能化社会，对生活环境和工作环境的质量不断提高。伴随着数字化和信息化的进程，智能化成为不可抵挡的趋势，也是新世纪的发展趋势。智能家居概念的起源甚早，但一直未有具体的建筑案例出现，直到世界上第一幢智能建筑1984年在美国出现后，美国、加拿大、欧洲和东南亚等经济比较发达的国家先后提出了各种智能家居的方案。智能家居在美国、新加坡、日本等国都有广泛应用。1998年5月新加坡举办的98亚洲家庭电器与电子消费品国际展览会上，通过在场内模拟未来之家，推出了新加坡模式的家庭智能化系统。最著名的智能家居要算比尔﹒盖茨的豪宅，在他的未来之路一书中描绘了他在华盛顿湖建造的智能家居私人豪宅。智能家居是计算机技术、网络技术、控制技术向传统家电产业渗透发展的必然结果。我国的智能家居始于上个世纪90年代末，中国的智能家居行业取得了更加迅猛的发展并日益渗透到平常百姓的生活当中[1-2]。本文从智能家居的概念和功能、相关技术以及发展趋势来阐述智能家居。

1 智能家居的基本概念、分类及功能

1. 1智能家居的概念

智能家居为用户提供了以住宅为平台，兼备建筑、网络通信、信息家电、设备自动化，集系统、结构、服务、管理为一体的高效、舒适、安全、便利、环保的居住环境。它利用先进的计算机技术、网络通讯技术、综合布线技术，将与家居生活有关的各种子系统，有机地结合在一起，通过统筹管理，让家居生活更加舒适、安全、有效。与普通家居相比，智能家居不仅具有传统的居住功能，还能由原来的被动静止转变为具有能动智慧的功能[3]。它能提供全方位的信息交换，帮助家庭与外部保持信息交流畅通，优化人们的生活方式，帮助人们有效安排时间，增强家居生活的安全性，甚至节约各种能源和资金，起到绿色环保节约的功效。智能家居的概念最早出现在美国，一个智能家居系统的结构图如图1所示。

图1 智能家居系统的结构图

智能家居系统有以下几个特征：

(1)家庭中具备完善的、安全的保安防灾措施和生活服务的智能控制器；

(2)家庭与小区及社会具有高度的交互能力和沟通能力；

(3)家庭内部具备完善的安保措施、全面的设施监控管理和信息化的服务管理；

(4)为家庭提供多媒体信息服务；

(5)提供了一体化式、综合的服务。

1. 2智能家居系统的分类

按照用户和小区的需求，大致可以分为以下几类：

(1)需要集中连网和控制的智能家居系统[4-5]。包括楼宇对讲系统、抄表监控系统等，这些系统都需要集中控制和与外部联系。

(2)只需要在室内联网的系统。如灯光控制系统、家电控制系统等，这些系统的共同的特点是具有一定的私密性，不需要与公共管理单位发生信息的交换。

1. 3智能家居系统的主要功能

智能家居最终的目的是让家庭更舒适、更安全、更符合环保。随着人类应用需求和住宅智能化的不断发展，今天的智能家居系统将拥有更加丰富的内容，系统也越来越复杂。智能家居的基本功能是网络接入系统、消防报警系统、防盗报警系统、煤气泄露探测系统、远程抄表系统、紧急求助系统、远程医疗诊断及护理系统、室内电器自动控制管理及开发系统、网上教育系统、股票操作系统、视频点播系统、付费电视系统、有线电视系统等等[6]

智能家居系统提供的主要功能有如下几点：

(1)家庭联网功能。通过智能家居控制器的HUB功能，可接入电脑组建家庭局域网，并可同时使用一个账号上宽带网，节省费用。

(2)短信收发功能。通过液晶控制面板可以显示接收网络短消息，也可通过手机接收智能家居控制器发送的状态信息，并向其发送各种控制指令。

(3)防盗报警功能。通过接入各种红外探头、门磁开关，并可根据需要随时布防撤防，相当于安装了电子保笼、电子窗和电子防盗门，可以快速探知并警告闯入的不法分子，保卫人们的生命和财产安全。

(4)防灾报警功能。通过接入烟雾探头、瓦斯探头和水浸探头，全天候24小时监控可能发生的火灾、煤气泄漏和溢水漏水，并可在发生报警时联动关闭气阀、水阀，为家庭构建坚实的安全屏障。

(5)求助报警功能。通过智能家居控制器的求助功能，接入各种求助按钮，使得家中的人能及时求救。

(6)场景控制功能。通过无线遥控器或液晶控制面板，可快速启动各种灯光场景，还可以利用家庭控制软件设计属于自己的灯光场景和名字，并下载给智能家居控制器。

(7)定时控制功能。通过无线遥控器或液晶控制面板操作，设计家电的定时启停计划，如利用夜间电费比白天便宜的情况，实施热水器定时开启的设备运行计划，达到节约电费的目的。

(8)远程控制功能。利用电话或手机可在办公室或其他地点进行远程控制家庭电器开关及布撤防等。

(9)联动控制功能。可以方便设计各种联动控制方案，如盗警时，联动开启家庭所有灯光；煤气泄漏时，联动打开排风扇；回到家时，联动开启门厅灯光等，所有的联动控制均可以通过液晶控制面板操作启动。

2 智能家居系统的相关技术

从图1知道，智能家居系统从总体结构来说是由家居网关、家居控制器、家电设备、互联网组成，当然还得有家居网络组成，否则，整个系统是很难实现的。如图2所示。

图2 智能家居系统原理图

家居网关和家居网络是整个系统的关键所在，没有它们，整个系统的实现就成了一句空话，家居网络和网关的实现也要遵循一定的协议标准、规则和采用一定的通讯技术。既包括底层协议，又包括通讯媒体技术。

2. 1底层协议

底层协议是面向底层通讯、负责数据传送的。底层协议主要有：

(1)X-10协议。X-10协议是世界上出现最早的智能网络系统，是国际通用的智能家居电力载波协议(即一种通讯/语言0)。用这种/语言0的兼容产品可以通过电力线互相说话，不需要重新铺设控制线路，电力线在提供电流的同时又可以像网线一样传送控制指令，从而实现网络化的控制。系统主要由两部分组成：发射和接收控制，指令以广播的形式在电力线上的传送，在理想状态下可以达到21公里。由于X-10价格低廉，使其得到了一定的发展，但是它支持的实电力线，而电力线容易受到干扰，所以其抗干扰性较差。

(2)CEBus标准。它的全称是电子消费总线；其网络拓扑结构灵活多样，可以使星型、总线型，还可以是混合型的网络结构。对于多节点竞争访问网络资源的解决方法是采用冲突检测和冲突。CEBus目前支持的有电力线、双绞线、红外线、无线电、电缆线、光纤和音频视频总线。CEBus可划分为物理层、数据链路层、网络层和应用层。当前该标准主要应用于家庭器具的控制网络，是最重要的网络标准之一。除了上面介绍的两种外，还有许多家庭协议，如：Lonworks技术、HomePNA、HomeRF、Bluetooth、USB等等。

2. 2通讯多媒体技术

家庭网络传输介质分为有线和无线介质[7]。

(1)电话线。电话线网络不需要在家里安装任何新的电缆，便可像家庭以太网系统一样操作使用。随着ADSL的发展，数据传输速率更快。家庭电话网还可以应用在工业领域，由于它的完整性，导致市面上没有其它合适的协议与之相竞争。

(2)电力线。电力线传输系统提供了最为方便的在线访问，它不要求在每个房间都安装新的电线和多个端口。电力线传输系统必须处理复杂的环境。

(3)光纤电缆。目前还不适合家庭网络中。还有微波技术、4RF技术等等。 3 嵌入式技术在智能家居中的运用

嵌入式系统是指将应用程序、操作系统与计算机硬件集成在一起的系统[8]。它以应用为中心，以计算机技术为基础，而且软硬件可以裁剪，因而是能满足应用系统对功能、可靠性、成本、体积和功耗的严格要求的专用计算机系统。这种系统具有高度自动化，可靠性高等特点。随着嵌入式技术的不断进步和更广泛的运用，嵌入式系统在智能家居中的运用也会随之有更加广阔的发展前景。嵌入式系统主要由硬件和软件两部分组成，嵌入式系统的硬件主要包括以下几个模块，嵌入式核心芯片(嵌入式微处理器、嵌入式微控制器、嵌入式数字信号处理器、嵌入式片上系统)、存储器、I/O端口等。而嵌入式系统软件由嵌入式操作系统和相应的各种应用程序构成。有时把这两种结合起来，应用程序控制着系统的运作和行为；而操作系统控制着应用程序编程与硬件的交互作用。嵌入式的关键部分还在于核心芯片的选择，嵌入式核心芯片的特点有：

(1)可扩展的处理器结构，以能最迅速地开展出满足应用的最高性能的嵌入式微处理器。

(2)嵌入式微处理器必须功耗很低。

(3)对实时多任务有很强的支持能力。

(4)具有功能很强的存储区保护功能。这是由于嵌入式系统的软件结构已模块化，而为了避免在软件模块之间出现错误的交叉作用，需要设计强大的存储区保护功能，同时也有利于软件诊断。嵌入式技术，在家庭智能控制系统中的应用，特别是DSP的应用和发展，使得系统的语音和图像处理能力大大增强，不仅可以最大限度地利用硬件投入，而且还避免了资源浪费。嵌入式技术的应用，使得系统的架构更加清晰简捷。系统的软件采用分层设计，不仅方便维护，而且大大提高了代码的利用率，缩短了开发周期。此外，由于嵌入式技术是伴随Internet而产生和发展的，因此它具有更加卓越的网络性能，可以增加更多的网络应用。嵌入式Internet的广泛应用必将使家居控制变得更加自动化、智能化和人性化。在智能家居控制中，具有安全性和能快速地与外界进行信息交换，这就要求计算机对存储器、运算速度等性能指标要求比较高，而嵌入式系统一般情况下都是小型的专用系统，这样就使得嵌入式系统很难承受占有大量系统资源的服务。如何实现嵌入式系统的Internet接入、Web服务器技术以及嵌入式Internet安全技术，是嵌入式系统Internet技术的关键和核心。嵌入式智能家居控制系统主要可以对如下家居功能进行控制：