智慧家居解决方案分析

张孝林+张翰博

【摘 要】基于近年来智慧家居新技术、新应用和新方案的发展，梳理了智慧家居的传统功能和新出现的功能，并从智慧家居传统控制技术和基于云计算的远程控制方案2个方面对智慧家居的解决方案进行了分析。

【关键词】智慧家居 短距无线 智能网关 远程控制

1 引言

智慧家居是以家庭住宅为平台，利用综合布线技术、网络通信技术、安全防范技术、自动控制技术、音视频技术等将与家居生活有关的家庭设施进行集成，构建高效的住宅设施与家庭日程事务的管理系统，提升家居安全性、便利性、舒适性、艺术性，并创造出环保节能的居住环境。

智慧家居也是NGB（下一代广电）网络的核心业务之一，它是集远程控制、网络接入管理、多媒体娱乐于一身的综合管理系统。用户通过手机、平板电脑、计算机可以下载安装“智慧家居管理”客户端软件，登陆运营管理平台与智慧家居控制器（如NGB智能家庭网关）通讯，实现远程操控家里的电器设备，提高家庭生活的智慧化水平。此外，用户还可以通过智能家庭网关查看和使用运营管理平台提供的周边相关社区服务、远程医疗、视频内容等网络增值服务。本文在简要分析智慧家居所需功能的基础上，从智慧家居传统控制技术和基于云计算的远程控制方案这2个方面对智慧家居的解决方案进行分析。

2 智慧家居功能分析

智慧家居控制器（主机或智能家庭网关）是智慧家居的心脏，通过它可以把和家居生活相关的各个子系统，包括智能安防报警、智能电动窗帘、智能电器控制、智能照明控制等多个子系统有机地结合在一起，为用户创造一个安全、舒适、便利、高效的居住环境。

智能安防报警子系统的主要功能包括防盗、防火以及防煤气泄露，可以设置离家报警与在家报警2种模式，还有定时布防、定时撤防、分区布防、分区撤防的功能。当离家报警时，所有设备都在工作，无论是室内还是室外只要发生情况都可以让主机本地报警、手机报警。在家报警的情况下，主人是可以在室内活动的，终端设备带有方向识别功能，可以分辨出人体是进还是出，防止小偷有可乘之机。当家里出现火灾或者煤气泄露时，主机会自动联系主人并报警到相关部门，同时通过气阀自动将煤气总阀门关闭。

电动窗帘就是使用机电装置驱动帘幕，从而取代传统手动拉窗帘的方式。电动窗帘有开合型电动窗帘、升降型电动卷帘、电动百叶帘、电动天棚帘等。电动窗帘控制方式支持多种选择，包括本地开关控制、无线遥控、网络远程控制等。

智能电器控制主要针对传统的家庭设施进行智能控制，比如对家用的空调、热水器、饮水机等设备进行控制。在家中，通过手机或平板电脑可控制家中所有家庭设施，替代所有遥控器，操作简单，用户可轻松掌控全宅电器。也可通过手机和计算机进行远程控制，如提前开启家中空调和地暖系统，回家即可享受。

智能照明控制是用智能开关直接替换传统开关，实现对家里的灯光进行一对一的开和关、全开、全关以及组合的形式。目前多采用短距无线技术组成系统，控制种类分遥控控制、手机控制、电脑远程控制、定时控制和场景控制等。

近年来，随着NGB网络的发展以及智能电视终端（一体机、机顶盒）和智能家庭网关技术和产品的进步。智慧家居的功能引入了新的需求、出现了新的趋势，如扩展了多媒体娱乐功能和网络接入与管理功能。

在多媒体娱乐功能方面，要求智慧家居支持的功能包括电视直播，主要支持DVB-C高清接入、支持主流CA（智能卡）、支持主流视频格式播放能力（AVI、RMVB、MP4等视频格式）、支持主流音频播放能力（MP3、WAV、AAC、AC3等音频格式）、支持高清视频点播、支持主流网络电视内容播控平台、支持体感游戏等。这些功能主要是通过将智能电视终端复用为智慧家居控制器来实现。

网络接入与管理功能方面，通过复用智能家庭网关，智慧家居可支持的功能包括网络状态、带宽和流量监控、网络参数远程配置、Wi-Fi无线路由功能（支持802.11 b/g/n）、宽带网络接入（RJ-45端口或Cable网络接入）、3G/4G网络接入、通过局域网络互联接入小区物业控制中心等。

3 智慧家居控制技术分析

目前市场上的智慧家居控制技术，根据布线方式可划分为集中控制、现场总线控制、短距无线控制等。

3.1 集中控制技术

采用集中控制方式的智慧家居系统，主要是通过一个以单片机为核心的系统主机来构建，中心处理单元（CPU）负责系统的信号处理，系统主板上集成一些外围接口单元，包括安防报警、电话模块、控制回路输入/输出（I/O）模块等电路。

这类集中控制方式的系统主机板一般带8路的灯光、电器控制回路、8路报警信号输入、3～4路抄表信号接入等。由于系统容量的限制，一旦系统安装完毕，扩展增加控制回路比较困难。

这类系统由于采用星型布线方式，所有安防报警探头、灯光及电器控制回路必须接入主控箱，与传统室内布线系统相比增加了布线的长度，布线较复杂。早期市场上这类产品较多。

3.2 现场总线技术

现场总线控制系统是通过系统总线来实现家居灯光、电器及报警系统的联网以及信号传输，采用分散型现场控制技术，控制网络内各功能模块只需要就近接入总线即可，布线比较方便。

一般来说，现场总线类产品都支持任意拓扑结构的布线方式，即支持星型与环状结构走线方式。灯光回路、插座回路等强电的布线与传统的布线方式完全一致。“一灯多控”，在家庭应用比较普遍，以往一般采用“双联”、“四联”开关来实现，走线复杂而且布线成本高。

若通过总线方式控制，则完全不需要增加额外布线。这是一种全分布式智能控制网络技术，其产品模块具有双向通信能力，以及互操作性和互换性，其控制的部件都可以进行编程。典型的总线技术采用双绞线总线结构，各网络节点可以从总线上获得供电（24VDC），即通过同一总线实现节点间无极性、无拓扑逻辑限制的互连和通信，信号传输速率和系统容量则分别为10kbps和4G。endprint

3.3 短距无线技术

应用于智慧家居中的短距无线技术通常包括ZigBee、RFID、Wi-Fi这3类技术。其中ZigBee技术由于其通信可靠性和成本低廉等原因，目前更多地被应用于智慧家居的控制中。ZigBee技术采用蜂巢结构组网，每个家庭设施都可以通过多个方向与智慧家居控制器（如智能家庭网关）通信，一个方向断线不会造成家庭设施掉线，网络稳定性高。这是目前主流的智慧家居控制方式，同时也是近期的技术发展方向。ZigBee技术安全性高，采用AES加密（高级加密系统），严密程度相当于银行卡加密技术的12倍，可以较好地保障智慧家居不被入侵干扰。ZigBee网络容量巨大，理论节点65 300个，不仅可以满足家庭需要，用于智慧小区、智能楼宇、智慧酒店、智能工厂等也是绰绰有余的。ZigBee技术具有双向通讯的能力，不仅可以发送命令给家庭设施，家庭设施同时也会把执行状态反馈给智慧家居控制器，这提供了通过智能家庭网关用移动终端对智慧家居家庭设施进行远程控制的手段。

4 基于云计算的远程控制方案

随着智慧家居的逐步推广和使用，消费者对智慧家居功能和性能的要求越来越挑剔。智慧家居中不断扩展的多媒体娱乐设施，尤其是智能电视终端，如电视一体机和智能机顶盒的引入及快速普及，使得智慧家居中需要存储和传输的数据在快速的增加，如音频和视频数据，这些都需要极大的容量。为了满足智慧家居的这些新的需求，云计算及云存储技术就自然而然地被应用于智慧家居系统中。

云计算是基于互联网的相关服务的增加、使用和交付模式，通常涉及通过互联网来提供动态易扩展且经常是虚拟化的资源。智慧家居是物联网的典型应用，通过智慧家居可以将互联网与家庭智能设施紧密联系在一起，实现家庭的智能化。在智慧家居系统中，云计算可以提供最可靠、最安全的数据存储中心，用户不用担心数据丢失、病毒入侵等风险。云计算对用户端的设备要求最低，使用起来也最方便。另外云计算可以轻松实现不同设备间的数据与应用共享。而更多的是，云计算为用户使用网络提供了无限多的可能。这也就使得云计算成为智慧家居的必备技术。

云计算可以赋予用户前所未有的计算能力。尤其是云计算支持用户在任意位置使用各种终端获取应用服务。所请求的资源来自“云”，而不是来自固定的有形实体。因而，使用云计算便可以支持用户在任意时间、任意位置对智慧家居的设施进行相应的控制，所需要的也只是一个手机或者一个笔记本电脑之类的智能终端而已，具体如图1所示：

用户可以将智慧家居的相关信息储藏在云端，因为“云”使用了数据多副本容错、计算节点同构可互换等措施来保障服务的高可靠性。因而，即使终端出了问题，比如手机失窃，这些信息并不需要重置，很容易就能找回来，不影响后续的使用。

通常用户会根据自己的需要选择一部分智慧家居功能，日后也会根据需要或者兴趣进行扩展，如果是通过有线通讯或者是传统方式的话，难免会因此要修改布置，大动干戈，而通过云的动态收缩特性，不论是想要扩展或者是取消某些功能，都非常简单易行。因此，云计算技术将变成智慧家居系统的重要支撑，通过云计算整合一切可以整合的计算资源、存储资源，来共同处理全球化智慧家居业务的请求，并通过按需使用方式灵活扩展相应的计算资源、存储资源，联合物联网资源作为智慧家居领域的重要支撑平台。

通过这个支撑平台，智慧家居中的家庭设施可以与云计算中心进行信息的沟通，向云计算中心传递当前的工作状态，利用云计算中心的强大计算力和存储力为终端提供智能计算支持，这样家庭设施就实现了智能化的集成与管理。空调可以自动为室内提供适宜的温度，窗帘可以根据天气的变化自动开关等，使原本呆板的家庭设施具备了灵性，使物与物、物与人之间有效地进行互动，也使各种家庭设施为主人的生活提供更加贴心的服务。

5 结束语

智慧家居将是NGB网络的核心业务之一，智能家庭网关是智慧家居的心脏，通过这个家庭网关可以把和家居生活相关的各个子系统有机地结合在一起。随着NGB网络的发展以及智能家庭网关技术和产品的进步，智慧家居扩展了多媒体娱乐功能和网络接入与管理功能。ZigBee技术由于其通信可靠性和成本低廉等原因，更多地被应用于智慧家居的控制。随着越来越多智能化家庭设施的逐步应用和普及，云计算技术将变成智慧家居系统的重要支撑平台，通过这个支撑平台，可以支持用户在任意时间、任意位置对智慧家居的设施进行远程控制。

参考文献：

[1] 董裕艺，黎福海，何凯青. 智能家居控制系统的设计研究[J]. 移动通信， 2012，36（11）： 39-43.

[2] Dae-Man Han， Jae-Hyun Lim. Smart Home Energy Management System using IEEE 802.15.4 and Zigbee[J]. Consumer Electronics， 2010，56（3）： 1403-1410.

[3] Ghemawat S， Gobioff H， Shun T. The Google File System[J]. ACM SIGOPS Operating Systems Review， 2003（5）： 29-43.

[4] 安防知识网. 浅析智能家居技术现状和发展趋势[EB/OL]. （2014-05-05）[2014-10-11]. http：//news.21csp.com.cn/c21/201405/70293.html.

[5] Chang F， Dean J， Ghemawat S. BigTable： A Distributed Storage System for Structured Data[J]. ACM Transactions on Computer Systems， 2008（2）： 1-26.endprint

3.3 短距无线技术

应用于智慧家居中的短距无线技术通常包括ZigBee、RFID、Wi-Fi这3类技术。其中ZigBee技术由于其通信可靠性和成本低廉等原因，目前更多地被应用于智慧家居的控制中。ZigBee技术采用蜂巢结构组网，每个家庭设施都可以通过多个方向与智慧家居控制器（如智能家庭网关）通信，一个方向断线不会造成家庭设施掉线，网络稳定性高。这是目前主流的智慧家居控制方式，同时也是近期的技术发展方向。ZigBee技术安全性高，采用AES加密（高级加密系统），严密程度相当于银行卡加密技术的12倍，可以较好地保障智慧家居不被入侵干扰。ZigBee网络容量巨大，理论节点65 300个，不仅可以满足家庭需要，用于智慧小区、智能楼宇、智慧酒店、智能工厂等也是绰绰有余的。ZigBee技术具有双向通讯的能力，不仅可以发送命令给家庭设施，家庭设施同时也会把执行状态反馈给智慧家居控制器，这提供了通过智能家庭网关用移动终端对智慧家居家庭设施进行远程控制的手段。

4 基于云计算的远程控制方案

随着智慧家居的逐步推广和使用，消费者对智慧家居功能和性能的要求越来越挑剔。智慧家居中不断扩展的多媒体娱乐设施，尤其是智能电视终端，如电视一体机和智能机顶盒的引入及快速普及，使得智慧家居中需要存储和传输的数据在快速的增加，如音频和视频数据，这些都需要极大的容量。为了满足智慧家居的这些新的需求，云计算及云存储技术就自然而然地被应用于智慧家居系统中。

云计算是基于互联网的相关服务的增加、使用和交付模式，通常涉及通过互联网来提供动态易扩展且经常是虚拟化的资源。智慧家居是物联网的典型应用，通过智慧家居可以将互联网与家庭智能设施紧密联系在一起，实现家庭的智能化。在智慧家居系统中，云计算可以提供最可靠、最安全的数据存储中心，用户不用担心数据丢失、病毒入侵等风险。云计算对用户端的设备要求最低，使用起来也最方便。另外云计算可以轻松实现不同设备间的数据与应用共享。而更多的是，云计算为用户使用网络提供了无限多的可能。这也就使得云计算成为智慧家居的必备技术。

云计算可以赋予用户前所未有的计算能力。尤其是云计算支持用户在任意位置使用各种终端获取应用服务。所请求的资源来自“云”，而不是来自固定的有形实体。因而，使用云计算便可以支持用户在任意时间、任意位置对智慧家居的设施进行相应的控制，所需要的也只是一个手机或者一个笔记本电脑之类的智能终端而已，具体如图1所示：

用户可以将智慧家居的相关信息储藏在云端，因为“云”使用了数据多副本容错、计算节点同构可互换等措施来保障服务的高可靠性。因而，即使终端出了问题，比如手机失窃，这些信息并不需要重置，很容易就能找回来，不影响后续的使用。

通常用户会根据自己的需要选择一部分智慧家居功能，日后也会根据需要或者兴趣进行扩展，如果是通过有线通讯或者是传统方式的话，难免会因此要修改布置，大动干戈，而通过云的动态收缩特性，不论是想要扩展或者是取消某些功能，都非常简单易行。因此，云计算技术将变成智慧家居系统的重要支撑，通过云计算整合一切可以整合的计算资源、存储资源，来共同处理全球化智慧家居业务的请求，并通过按需使用方式灵活扩展相应的计算资源、存储资源，联合物联网资源作为智慧家居领域的重要支撑平台。

通过这个支撑平台，智慧家居中的家庭设施可以与云计算中心进行信息的沟通，向云计算中心传递当前的工作状态，利用云计算中心的强大计算力和存储力为终端提供智能计算支持，这样家庭设施就实现了智能化的集成与管理。空调可以自动为室内提供适宜的温度，窗帘可以根据天气的变化自动开关等，使原本呆板的家庭设施具备了灵性，使物与物、物与人之间有效地进行互动，也使各种家庭设施为主人的生活提供更加贴心的服务。

5 结束语

智慧家居将是NGB网络的核心业务之一，智能家庭网关是智慧家居的心脏，通过这个家庭网关可以把和家居生活相关的各个子系统有机地结合在一起。随着NGB网络的发展以及智能家庭网关技术和产品的进步，智慧家居扩展了多媒体娱乐功能和网络接入与管理功能。ZigBee技术由于其通信可靠性和成本低廉等原因，更多地被应用于智慧家居的控制。随着越来越多智能化家庭设施的逐步应用和普及，云计算技术将变成智慧家居系统的重要支撑平台，通过这个支撑平台，可以支持用户在任意时间、任意位置对智慧家居的设施进行远程控制。

参考文献：

[1] 董裕艺，黎福海，何凯青. 智能家居控制系统的设计研究[J]. 移动通信， 2012，36（11）： 39-43.

[2] Dae-Man Han， Jae-Hyun Lim. Smart Home Energy Management System using IEEE 802.15.4 and Zigbee[J]. Consumer Electronics， 2010，56（3）： 1403-1410.

[3] Ghemawat S， Gobioff H， Shun T. The Google File System[J]. ACM SIGOPS Operating Systems Review， 2003（5）： 29-43.

[4] 安防知识网. 浅析智能家居技术现状和发展趋势[EB/OL]. （2014-05-05）[2014-10-11]. http：//news.21csp.com.cn/c21/201405/70293.html.

[5] Chang F， Dean J， Ghemawat S. BigTable： A Distributed Storage System for Structured Data[J]. ACM Transactions on Computer Systems， 2008（2）： 1-26.endprint

3.3 短距无线技术

应用于智慧家居中的短距无线技术通常包括ZigBee、RFID、Wi-Fi这3类技术。其中ZigBee技术由于其通信可靠性和成本低廉等原因，目前更多地被应用于智慧家居的控制中。ZigBee技术采用蜂巢结构组网，每个家庭设施都可以通过多个方向与智慧家居控制器（如智能家庭网关）通信，一个方向断线不会造成家庭设施掉线，网络稳定性高。这是目前主流的智慧家居控制方式，同时也是近期的技术发展方向。ZigBee技术安全性高，采用AES加密（高级加密系统），严密程度相当于银行卡加密技术的12倍，可以较好地保障智慧家居不被入侵干扰。ZigBee网络容量巨大，理论节点65 300个，不仅可以满足家庭需要，用于智慧小区、智能楼宇、智慧酒店、智能工厂等也是绰绰有余的。ZigBee技术具有双向通讯的能力，不仅可以发送命令给家庭设施，家庭设施同时也会把执行状态反馈给智慧家居控制器，这提供了通过智能家庭网关用移动终端对智慧家居家庭设施进行远程控制的手段。

4 基于云计算的远程控制方案

随着智慧家居的逐步推广和使用，消费者对智慧家居功能和性能的要求越来越挑剔。智慧家居中不断扩展的多媒体娱乐设施，尤其是智能电视终端，如电视一体机和智能机顶盒的引入及快速普及，使得智慧家居中需要存储和传输的数据在快速的增加，如音频和视频数据，这些都需要极大的容量。为了满足智慧家居的这些新的需求，云计算及云存储技术就自然而然地被应用于智慧家居系统中。

云计算是基于互联网的相关服务的增加、使用和交付模式，通常涉及通过互联网来提供动态易扩展且经常是虚拟化的资源。智慧家居是物联网的典型应用，通过智慧家居可以将互联网与家庭智能设施紧密联系在一起，实现家庭的智能化。在智慧家居系统中，云计算可以提供最可靠、最安全的数据存储中心，用户不用担心数据丢失、病毒入侵等风险。云计算对用户端的设备要求最低，使用起来也最方便。另外云计算可以轻松实现不同设备间的数据与应用共享。而更多的是，云计算为用户使用网络提供了无限多的可能。这也就使得云计算成为智慧家居的必备技术。

云计算可以赋予用户前所未有的计算能力。尤其是云计算支持用户在任意位置使用各种终端获取应用服务。所请求的资源来自“云”，而不是来自固定的有形实体。因而，使用云计算便可以支持用户在任意时间、任意位置对智慧家居的设施进行相应的控制，所需要的也只是一个手机或者一个笔记本电脑之类的智能终端而已，具体如图1所示：

用户可以将智慧家居的相关信息储藏在云端，因为“云”使用了数据多副本容错、计算节点同构可互换等措施来保障服务的高可靠性。因而，即使终端出了问题，比如手机失窃，这些信息并不需要重置，很容易就能找回来，不影响后续的使用。

通常用户会根据自己的需要选择一部分智慧家居功能，日后也会根据需要或者兴趣进行扩展，如果是通过有线通讯或者是传统方式的话，难免会因此要修改布置，大动干戈，而通过云的动态收缩特性，不论是想要扩展或者是取消某些功能，都非常简单易行。因此，云计算技术将变成智慧家居系统的重要支撑，通过云计算整合一切可以整合的计算资源、存储资源，来共同处理全球化智慧家居业务的请求，并通过按需使用方式灵活扩展相应的计算资源、存储资源，联合物联网资源作为智慧家居领域的重要支撑平台。

通过这个支撑平台，智慧家居中的家庭设施可以与云计算中心进行信息的沟通，向云计算中心传递当前的工作状态，利用云计算中心的强大计算力和存储力为终端提供智能计算支持，这样家庭设施就实现了智能化的集成与管理。空调可以自动为室内提供适宜的温度，窗帘可以根据天气的变化自动开关等，使原本呆板的家庭设施具备了灵性，使物与物、物与人之间有效地进行互动，也使各种家庭设施为主人的生活提供更加贴心的服务。

5 结束语

智慧家居将是NGB网络的核心业务之一，智能家庭网关是智慧家居的心脏，通过这个家庭网关可以把和家居生活相关的各个子系统有机地结合在一起。随着NGB网络的发展以及智能家庭网关技术和产品的进步，智慧家居扩展了多媒体娱乐功能和网络接入与管理功能。ZigBee技术由于其通信可靠性和成本低廉等原因，更多地被应用于智慧家居的控制。随着越来越多智能化家庭设施的逐步应用和普及，云计算技术将变成智慧家居系统的重要支撑平台，通过这个支撑平台，可以支持用户在任意时间、任意位置对智慧家居的设施进行远程控制。

参考文献：

[1] 董裕艺，黎福海，何凯青. 智能家居控制系统的设计研究[J]. 移动通信， 2012，36（11）： 39-43.

[2] Dae-Man Han， Jae-Hyun Lim. Smart Home Energy Management System using IEEE 802.15.4 and Zigbee[J]. Consumer Electronics， 2010，56（3）： 1403-1410.

[3] Ghemawat S， Gobioff H， Shun T. The Google File System[J]. ACM SIGOPS Operating Systems Review， 2003（5）： 29-43.

[4] 安防知识网. 浅析智能家居技术现状和发展趋势[EB/OL]. （2014-05-05）[2014-10-11]. http：//news.21csp.com.cn/c21/201405/70293.html.

[5] Chang F， Dean J， Ghemawat S. BigTable： A Distributed Storage System for Structured Data[J]. ACM Transactions on Computer Systems， 2008（2）： 1-26.endprint