智慧家庭体系架构技术研究

涂家贤

（武汉轻工大学，湖北 武汉 430000）

0 引 言

随着社会的发展，信息技术给家庭生活带来了很大变化，使家庭生活逐渐普及了信息网络，家庭环境变得更加智能化。因此，智慧家庭模式随之产生。这种模式给家庭生活带来更多的便利，逐步进入不同的家庭。智慧家庭利用网络信息技术将各类设备连接起来，形成舒适、安全、健康、节能的生活环境[1-2]。智慧功能融入家庭环境中[3]，在节省能源的同时，还能优化家庭的生活方式[4]。随着智慧家庭的广泛普及应用，作为支撑条件，智慧家庭技术的革新与发展具有必然性。研究智慧家庭相关技术，能够为实现智慧家庭发展奠定基础。

1 智慧家庭及其系统概述

智慧家庭的基础是人们生活居住的环境。这个环境融入了家电、家电信息技术、网络信息以及自动化设备等，使整个生活环境变得更为舒适且环保节能，能够提升家庭生活的质量，给人们带来优质的品质生活[5]。

智慧家庭是以多种网络为平台，运用计算机、网络、控制和集成等技术实现家庭智能化的体系[6]，是一个综合信息服务和管理系统[7]。智慧家庭体系的构成包括家庭安全防范、自动控制、家庭通信等内容。通过该系统及时了解家庭情况，通过线上监控进行家庭事务管理，能够确保家庭设备状态良好，实现家庭生活的智能化管理。

2 智慧家庭系统结构

2.1 系统逻辑结构

为了实现智慧家用电器的交互和安全性，本文设计了相应的系统逻辑结构，如图1所示。智慧家庭主要由终端设备、主控制、对外接口等模块组成。

图1 智慧家庭体系逻辑结构

对外接口模块主要把互联网接入其中，将家庭的主要设备嵌入到网络当中。目前接口模块主要包括因特网、3G/4G接口以及公共交换电话网络（Public Switched Telephone Network，PSTN）接口。

主控制模块的任务有两个：一是实时监听，即接收对外接口输入的控制命令；二是发出指令，即解释接受信息，然后将接收的命令反馈给终端，用来对相关设备传达指令。

终端模块控制设备应用，直接与各个家用设备或电器联系，将具体操作指令传输给设备或电器，从而促使设备或电器完成指令。

2.2 系统业务结构

智慧家庭系统业务结构较为复杂，大体分为4大类，各个大类又包含多个小模块，具体分析如下。

2.2.1 家庭安防与监控

家庭安防与监控包括家庭安防系统和特定位置监控两部分。

（1）家庭安防系统。智慧家庭里的报警系统是重要的安防部分，可以为家庭提供必要的安全服务。而且家庭可以通过系统形成彼此互联。安防系统主要包括门禁、火警、防盗、煤气泄漏等监控。一旦出现危险，系统可以发出报警信号，及时将报警信息传输给家庭服务机构。

（2）特定位置监控。人们可以利用智慧家庭系统来远程监控家庭环境。家庭成员可以根据自己需求利用终端设备来查看环境，控制家庭环境中的设备运作，如摄像机等，获取信息后传输给家庭成员。

2.2.2 家庭设备控制

家庭设备控制包括多个方面，可以是个体对家庭电器内容喜好的控制，比如对电视、影视等的选择，这种控制不仅可以实现网络融合，还可以把节目内容融合进来，如节目推荐，可以根据自己的喜好来选择节目，控制平台可以根据自己平时的喜好和观看历史记录分析出合适的节目，还可以自动执行下载、点播、多屏采集等服务；可以是个体工作方面的控制，如办公和会议的设置；还可以通过电视网络对购物、学习、就医等信息筛选。由此可见，智慧家庭终端可以选择服务生活中的各种设备，可以满足人们生活中的各种需求。这些服务都可以利用家庭控制中心来选择合适的终端，服务于人们 的生活。

2.2.3 设备能耗管控

家庭设备能耗管控涉及很广，包括室内温度、光照、环境等情况的监测。这些监测需要由其他设备如报警设备、操控设备等协同完成。在需要监控的环境中植入各种传感器，然后把相应数据集中到家庭控制中心，根据提前设定的指令发送控制信息。例如，对水、电等进行监控，可以安装带有传感器的计量表，利用网络将每日能耗信息传输到业务平台。一旦发现传输信息所显示的能源消耗异常，智慧家庭系统就会及时做出提醒。

2.2.4 医疗智能化

医疗智能化主要通过医疗监护来完成。医疗监护的对象主要是家中的老幼病人。居家远程看护病人过程中，还可以实现远程诊疗，更好地服务居家的老幼病患。

3 智慧家庭技术架构

智慧家庭系统所构成的整体包含了各种设备和网络平台，常规系统构成有四个，分别是网关设备、终端设备，手机App以及物联网平台。网关设备主要实现智慧家庭设备彼此之间的互联互通[8]，在智慧家庭系统中发挥着核心枢纽作用；终端设备是实现智慧家庭物联网平台服务所需要的元件，这些元件可以实现诸多业务功能，为家庭环境的舒适、智能提供良好的保障；智慧家庭物联网可以远程管理和控制终端设备；家庭成员可以通过App等相关设备控制家庭环境里的终端设备，实现家庭的智慧化控制。具体的技术框架如图2所示。

图2 智慧家庭技术架构

3.1 网关设备及网络设置

3.1.1 网关设备

在智慧家庭环境中，网管设备的作用是转换网络通信系统，它是整个智慧家庭的交互设备，既链接着通信网络平台，又链接着智能终端，同时负责数据上传和下传转发，起到核心作用，服务于智慧家庭设备的各个环节。目前的网关设备主要采用的系统是Linux操作系统，利用这种开放式的平台来完成终端操作，结合其他操作系统共同完成智慧家庭的信息传输，服务于设备的管理和应用。

3.1.2 内部网络设置

智慧家庭环境里，所有的家电信息设备都属于家庭内部网络设备，它们各自都有网络接口模块，既可以通过有线方式连接家庭网络，也可以通过无线方式连接移动网络，在这个交互的家庭网络里面，实现数据共享、互操作、链接外部信息等操控[9]。根据信息传输速度的差异，可以将家庭网络环境中的设备划分为两个部分，分别是控制和信息两个类型的内部网络。

（1）控制类网络。这种内部网络的信息传输是低速类传输，这类传输有两个部分，分别是自动和本地的控制。一般类似于遥控器或者PC机控制的就是本地控制部分。因为信息家电都是用家庭网关来实现所具有的高端功能，设备都统一装配了网络接口，因此遥控器与信息家电是通过家庭网关来交互信息，遥控器采用蓝牙技术实现人机互交信息。而PC控制家电的方式是通过太网接口连接以后，借助PC里面的软件来完成家电信息的交互，例如电脑的USB接口、Web控制等，这些可以让信息家电互相通信。自动控制的数据传输简单，而且数据量又少，涉及的主要设备有防盗、温控和照明等的控制。这些家电设备普遍运用无线编码技术，经过无线编码技术来处理传感器信息，然后把传感的信息传输给家庭网关。家庭网关获取信息以后，分析判断然后进一步做出相应措施，例如警报设备发出信号、设定温度、照明等。

（2）内部网络。功能类和信息类两部分组成信息类家庭内部网络。信息类所涉及的家电有网络电视、可视电话等，这类流媒体信号在传输过程中，对网络的要求是能够提供宽带网络和实时的同步传输，所涉及的数据速率也不高，服务设备也较为统一。而高速串行总线能够以高速率实时传输图像和声音，设备没有主从关系，数据传输也可以在设备之间完成。此过程也无需其他设备介入，整个系统的连接只需要一个总线就可以实现，因此，多数媒体家电类都采用此技术。像智能洗衣机、空调及冰箱等功能家电，数据传输对它们的作用有限，而且要求也不高。蓝牙技术具有成本低、功耗低的特点，在家庭短距离通信场景中，还有很强的抗干扰性，在使用过程中也比较安全，因此，一些家电的无线通信方式采用蓝牙技术，可以在近距离内安全、防干扰地完成通信传输，极大地节约了成本和资源。

3.2 物联网云平台

物联网云平台把家庭环境中的设备与平台连接起来，整合不同设备硬件。设备信息通过物联网云平台上传。物联网云平台还可以远程管理这些设备运用，如果发现异常数据，就会传送给上层，起到监测和控制设备的作用。另外，安全认证和身份认证也需要物联网平台来实现。

家庭设备的故障监测、系统的设置和升级等，都可以通过设备管理来完成物联网平台的远程控制，同时也能实时监控运行中的网关和应用状态，可以在一定情况下预处理设备故障[10]。管理平台通常通过运营商网络来连接，运营过程中会有一些具体管理，如通知、账户、设备生命周期等。平台支持的设备工具很多，也包括一些应用服务，如一些存储数据、中间设备等。

3.3 终端设备

终端设备在智慧家庭运用过程中有监控、控制、应用三种设备类型。控制设备的功能是管理终端设备，如智能插座、入户门智能开关、智能窗帘等设备；监控型设备与控制型设备相似，是通过监控来实现对家庭环境的有效管理，如智能摄像头、录像机等；应用型设备是生活环境中满足生活需求的家用设备，例如冰箱、空气净化器及热水器等。终端设备是所有设备服务的基础，是实现智慧家庭的基础。有了这些基础设备，才能更好地发挥智慧家庭系统的作用，更好地服务于人们。

3.4 App客户端

App客户端通过连接第三方软件、配置家庭网管、控制智慧家庭环境中的设备，实现监测、安防、学习、交流等目的，为智慧家庭提供良好的介入面，形成人机互动的模式，使整个智慧家庭系统能够连接畅通。人机互动中的图像特征都是通过图形表现出来，App客户端在识别过程中具有良好的效果，因此，App也是智慧家庭高频使用的移动操控入口，具有高流量价值。

4 结 语

目前新一代通信技术已经不断地运用到智慧家庭系统当中，使家庭生活涉及的健康、安全防护、学习、设备管理等能够通过智慧家庭系统互相交流，进而使家庭生活变得更为舒适、健康，便捷方便生活所需，同时能够实现智能的节能环保，而且把工作、学习应用其中，实现了智能化的服务。本文的目的就是建设智慧家庭，从系统结构、架构技术等方面做了详细的介绍，分析智慧家庭系统所涉及的模块和设备，并做了详细的分析，为智慧家庭系统的应用和发展提供了参考。