微集成技术在智能家居中的分析与研究

樊　宇,程　全

(1.周口师范学院 网络工程学院，河南 周口 466001；2.周口师范学院 机械与电气工程学院，河南 周口 466001)



微集成技术在智能家居中的分析与研究

樊宇1,程全2

(1.周口师范学院 网络工程学院，河南 周口 466001；2.周口师范学院 机械与电气工程学院，河南 周口 466001)

摘要：智能家居是融合自动化控制系统、计算机网络系统和网络通讯技术于一体的网络化智能化家居控制系统，它不仅能充分发挥家电设备的功能而且还能提供舒适、安全、健康的家庭生活空间；随着物联网、互联网和移动互联网及云计算的发展，智能家居已成为可能，也越来越受到社会的广泛认可.由原来的被动静止状态转变为具有能动智慧的工具，全方位的信息交互，使家庭与外部保持信息交流畅通，优化人们的生活方式.智能家居可以通过有线和无线两种方案实现设备的互联，用户可根据不同的功能要求对设备进行控制和管理.

关键词：智能家居;系统集成;控制中心

近年来，随着电子技术、信息技术、网络技术的飞速发展，电子设备智能化程度越来越高，这些智能化的电子设备使人们的生活更加安全、舒适.各类家用电器提高了人们的生活质量和效率，多媒体视听娱乐系统使得人们可以方便享受娱乐和教育，通信网络拓展了人们与世界的沟通和交流，越来越多的家用医疗电子设备保护着人们的身心健康.可以说每个人及其居家生活已经被各种电子设备所包围，这些家用电子设备已成了人们生活不可缺少的一部分[1].

家用电子设备在电子技术、信息技术和网络技术的助力下，功能化、智能化和网络化程度越来越高，大大方便了人们的生活，为人们的交流、娱乐、健康提供着越来越多的便利.但是随着电子设备数量的增加，如何统一方便地使用这些设备成为技术上一个棘手的问题.使用这些电子设备的目的是让生活更安全、便利和舒适，为了达到这个目的往往需要多种设备之间的协同工作[2].例如冬季要使室内环境舒适，需要通过空调制热，同时为了空气不至于过于干燥还要进行加湿，这就要同时用到空调器和加湿器.一般而言，电子设备的功能越多，其各种设置会越复杂，操作难度会越高.对电子设备的使用者来说希望其功能越来越强，使用越来越简单.家用电子设备功能的多样性、复杂性和操作的简单性、灵活性成为电子设备生产技术中很难兼容的问题.

现在的电子设备厂家多是以单个产品的形式提供这些电子设备，设备与设备之间既不能互通也不能互相操作.但是随着设备的增多人们希望这些设备功能能得到最大的发挥，设备操作越来越简单并且能够协同工作，以满足人们对家居生活便利性和舒适性的追求.

1家用电子设备的系统集成

家用电子设备主要指在家居生活中使用的各种电气和电子设备，这些设备为人们的家居生活提供了便利和舒适，已成为现代家庭生活的必需品.这些电子设备从功能上大致可以分为以下几类：(1)生活家电：空调、加湿器、冰箱、洗衣机、电视机、厨卫电器等；(2)媒体娱乐：电视机、DVD、音响、投影设备等；(3)信息网络：个人电脑、路由器、游戏机、智能手机、平板电脑等；(4)家庭安防：智能门锁、安防摄像头、可燃气体传感器、报警器等；(5)医疗电子：电子血压计、电子血糖仪、电子体温计、电子称、按摩椅等；(6)环境改善：净水机、空气净化器等；(7)健身设备：跑步机、健身车等.

这些家用电子设备体现出以下几个特点：(1)种类多、数量大.(2)智能化趋势明显，最简单的电饭煲现在也是智能程控的.(3)单件设备功能单一，一种设备一般只能提供一种功能.(4)设备之间没有互操作性，不能协同工作.(5)这些设备的生产厂家众多，不管多么强大的生产厂家都不能一下子提供全部解决方案.

在家居生活中，人们需要这些电子设备协同工作，低成本、高效率、高质量地为人们提供便利、舒适、安全的环境.这就要求人们不能再将这些家用电子设备当作一个个分散的个体，而是作为一个整体系统来看待.家电设备的多样化和智能化要求人们能以系统集成角度来看待这些家用电子设备，应用系统集成技术发挥这些电子设备的功能，以满足人们对家居生活的需要.

系统集成(SI，System Integration)，就是通过结构化的综合布线系统和计算机网络技术，将各个分离的设备功能和信息等集成到相互关联的、统一和协调的系统之中，使资源达到充分共享，实现集中、高效、便利的管理.简单地说就是将各类分离的设备组织起来，低成本、高效率地实现不同单位所关注的不同的功能性要求.

目前系统集成技术同样也适用于家用电子设备功能整合，只是这种集成的规模非常小，不妨称其为微集成.家电微集成是以系统的视角来管理和协调家用电子设备，将这些家用电子设备组成一个能为家居生活安全、舒适、便利、健康服务的家用电子系统.家电微集成通过对智能化和网络化的家电设备进行集中控制、协同工作，使其发挥最佳效能，提高家居生活质量，降低使用成本[3].

家电微集成因其面向的对象不同相对系统集成的要求有以下几个特点：(1)规模小，通常一个家庭不超过十万元；(2)设备种类多，这种微集成所面对的设备种类很多，但是每类设备数量往往不会很多；(3)需求多样，家居生活基本上都是个性化需求，很难统一和规范.

2面向家庭的微集成存在的问题

面向家庭的微集成，能够充分发挥这些家用电子设备的功能，显著提高家居生活质量，其需求是客观存在的，但在实际应用中存在着诸多问题.首先，统一的标准.标准一直以来都是家用电器智能化、集成化的一个最大障碍，没有统一的标准各种家用电器设备的信息不能互通，其互操作性和协同性也难以实现.各厂家都希望自己提出标准能一统江湖，于是几大集团都推出了自己的标准，以博取更大利益，这反而造成了标准无法统一.其次，规模小、需求多变.微集成的特点是“微”，其用户群的特点是“变”，即规模小而且用户需求多变.正因为这个特点，以致各个厂家都是以产品来看待，而很难让他们以系统来看待.以产品来提供，就是只能接受厂家所提供产品的功能和种类，厂家很难支持客户所提出的过多的个性化功能定制要求，更难以支持其他厂家的产品接入.最后，集成面广.家用电子设备的集成量虽不大，但是面却很广，在上文中列举了7大家用电子设备，其涉及范围很大，跨越几个行业.

随着物联网技术、移动互联网技术、微电子技术的发展，为解决这些微集成问题提供了技术基础.物联网技术的发展使得家用电子设备不仅越来越智能化，而且可以联网、外部访问及控制，使得这些电子设备互操作和协同工作成为可能.微集成所面临的应用面广、需求多变的问题可以通过互联网或移动互联网进行远程配置和调试得到解决，并能降低实施的成本.互联网所倡导的开源思路也可以为家用电子设备的互联标准提供一个可实施思路[4].

3家用电子设备微集成解决方案

3.1微集成的网络

家电微集成首先要解决的问题就是设备的互联，只有将家用电子设备组成一个系统网络，才能实现家电微集成的基本目的——设备的协同工作和互操作.互联网、物联网技术的发展，为家用电子设备的互联提供了大量的解决方案.目前微集成网络主要分为有线方式和无线方式两大类，有线和无线两种方式又分为很多不同的具体方式.表1为家电微集成的可用通信网络对比.表1说明：表中速率和覆盖范围所取数据，为适用于家电微集成使用场景下的数据.

表1中的几种网络方案，基本上是目前常用且较成熟的通信网络，都可用于家电微集成.从成本、稳定性、适用性等方面综合考虑，数据量、稳定性要求高的如安防报像机、娱乐视听系统可使用EtherNet(以太网)或WIFI，一般的家电设备可以使用WIFI，对功耗和实时性要求高的如家用便携医疗设备、烟雾传感器、可燃气体传感器等，推荐使用Bluetooth4.0或Zigbee[5-7].PLC通过供电线进行数据通信是一种理想方式，但目前标准尚未统一，还有待进一步完善.

表1　家电微集成的可用通信网络对比

3.2控制中心

家电微集成需要有一个控制中心控制和协调各电子设备协同工作，通过用户操作界面或网络接受用户的操作指令，然后协调各设备执行用户的指令.

控制中心需要有一定的处理能力和存储能力，以完成数据和设备管理等功能.控制中心的成本不宜过高，设备的功率也不宜过大，以降低系统成本和使用成本.家用电脑、平板电脑和智能手机都可以胜任.控制中心需要有与Internet联网，可以通过Internet获取必要信息，实现远程监控、远程配置、数据存储[8].

控制中心根据不同功能需求，分模块对设备进行控制和管理，如图1将控制中心分为家电照明控制、环境控制、安全防护、健康管理四个模块，这些模块分别管理不同类别的设备.这些管理模块可以积木式的组合拼装，使模块间可以协同工作.

控制中心要能提供不同类型数据接口，通过数据接口对各智能电子设备进行管理和控制，接口可以内置标准接口如蓝牙、WIFI、EtherNet等，也可以通过一些网关设备与那些非内置接口联接[9]，如PLC、CAN、Zigbee等.

3.3系统的操控

家电微集成的一个重要目的是解决家电系统使用的便利性，实际上这也是家电微集成成败的一个关键因素.功能再强大的系统，如果在操作上不方便，也难以走进家庭，因此微集成项目一定要解决易用性问题.

图1　家电微集成系统结构示意图

系统的操控首先应该提供一个友好的人机界面，目前这些通过PC、平板电脑、智能手机都可以实现.人机界面上用户可以像使用遥控器一样以单个设备进行控制，也可以通过预先设定的工作模式，一键完成对多个设备的控制，让它们在控制中心的协调下协同工作.经过系统安全认证和密钥审核，能够通过互联网或移动互联远程对家用电器设备进行远程的控制和设定.

4结论

家用电子设备涉及传统家电、安防、视听娱乐、信息技术、医疗健身、环境调节等多个领域. 随着家用电子设备的数量增加和智能化、网络化的发展，以及互联网技术、物联网技术的提高，特别是人们对家居生活便利、舒适、安全、健康的孜孜追求，已经不能再把家用电子电器设备作为一个个独立的产品来看待了，而应该把它们作为为家居生活提供高质量服务的系统来看待.把家用电子设备当成一个生活服务系统，用微集成的观念采用统一开放的标准，为家居提供更为优质的服务，开发出更大的市场.

参考文献：

[1]申斌，张桂青，汪明，等.基于物联网的智能家居设计与实现[J].自动化与仪表，2013(2)：6-10.

[2]赖敏，高薇，储妮晟.数字家庭发展现状分析[J].通信技术，2013,46(2)：58-61.

[3]郑纯军，张轶.多方式接入智能家居系统的研究与实现[J].微计算机信息，2010,26(5-2)：55-57.

[4]杨振宇.基于嵌入式Web 远程控制的智能家居系统[J].电脑知识与技术，2010,6(33)： 9354-9356.

[5]周时伟，谢维波.基于Android的智能家居终端设计与实现[J].微型机与应用，2012,31(14)：10-13.

[6]于翔海，吴小虎，徐磊，等.基于LAMP架设的信息家庭网络系统[J].物联网技术，2011(8)：50-52.

[7]戴敏，王宜怀，潘启勇.基于 Zigbee技术的智能家居系统设计[J].计算机测量与控制，2013,21(3)：706-708.

[8]王翔，樊强，王斌，等. 基于Internet 的智能家居网关设计与实现[J].电力系统通信，2011,32(230)：78-80.

[9]孙静.以太网智能家居控制器的设计[J].微计算机信息，2010,26(5)：123-125.

Study of micro integration technology in smart home

FAN Yu1，CHENG Quan2

(1. College of Network Engineering，Zhoukou Normal University，Zhoukou 466001，China;2.Mechanical and Electrical Engineering，Zhoukou Normal University，Zhoukou 466001，China)

Abstract:Smart home is the integration of automation and control systems, computer networking systems and network communication technology in networking intelligent home control system. It not only sufficiently functions as household appliances, but also provides us a comfortable, safe and healthy living condition. The development of networking, Internet, mobile Internet and cloud computing has made intelligent home possible and also has gained widely recognition. The transformation from passive original resting to dynamic intelligence tool and its comprehensive information interaction has enabled families to maintain the information unimpeded with the outside and also optimize people's lifestyles. Smart home devices can be interconnected through both wired and wireless solutions which users can control and manage the device depending on its functional requirements.

Key words:smart home;system integration;control center

收稿日期：2015-12-04;修回日期：2015-12-28

基金项目：河南省自然科学基金研究项目资助(No.152300410134)；河南省高等学校重点科研项目资助(No.15A880023)

作者简介：樊宇(1975- )，女，河南遂平人，硕士，副教授，主要从事智能控制和通信技术的研究.

中图分类号：TP23

文献标志码：A

文章编号：1671-9476(2016)02-0062-04

DOI：10.13450/j.cnki.jzknu.2016.02.014