苏南地区智能家居解决方案设计

杨建华，聂章龙

（常州信息职业技术学院 江苏 常州 213164）

近些年来，苏南地区的经济得到飞速发展，生活水平逐步提高，居民对住宅环境提出了更高的要求。智能家居，正因为满足这一要求而逐渐被人们接受，一些有能力的居民已经开始考虑用科学技术装饰家庭。基于智能家居基本要素，根据对苏南地区的人文、地理环境和经济发展进行充分调研后，提出了一种适合苏南地区的智能家居解决方案，它的智能化程度总体上体现了智能家居概念中提出的要求，相信该方案的实现一定能提高该地区国民生活质量，为他们寻求一种更加舒适、方便、节能、环保的高度智能化的居住环境。其应用系统具有功能稳固、可个性化配置的特点，可以适用于该地区中、高层次居民对其居室进行现代化装饰的需求。

1 方案架构

首先对智能家居的基本功能模块做了系统的描述，然后在比较国内外模块的优缺点的基础上，确定方案的模块选型，结合对江苏南部地区人文、社会环境的调查，最终提出一套适合苏南地区中高档收入家庭的智能家居解决方案。

目前的智能家居行业[1]，首先，处于一个初始发展时期，国际社会暂时还没有形成一个公认的标准；其次，智能家居的应用场所-家庭住宅或住宅小区，不同的实际环境也对智能家居提出了不同的要求与解决办法；此外，居民都希望能够对智能家居进行个性化配置，满足自身的特殊需求。这样的形势，致使开发商在实施智能家居时的方式、范围及侧重点也不尽相同。有些用户比较注重家电的智能控制，而有些用户可能更加关心家庭安全防范，还有些用户则希望建立相对全面的智能家居系统[2]，满足多方面的需求。方案充分分析现有的智能家居解决方案，结合苏南地区现状，从中提取出四个最为基本的功能模块：家庭对外通信模块、家庭内部通信模块、家庭安全防范模块、家庭设备自动控制模块，在此基础上提出一套适合江苏南部地区中高档收入家庭的智能家居解决方案，功能模块如图1所示。

图1 智能家居模块结构Fig.1 Smart home block diagram

2 技术性分析

2.1 家庭对外通信模块

智能家居的最终目的都是为“满足人们对安全、舒适、方便、高效和符合绿色环境保护的需求”，其中“方便”要求家庭内部系统能够通过家庭对外接口，实现家庭外部的远程控制。家庭对外通信模块的作用在于此，它在智能家居系统中扮演着非常重要的角色。具体来讲，该模块的功能是提供一个家庭内部与外部的通信链路，通信的内容是数据信息或指令信息，常用的通信媒介有电话、GSM短信、Internet等。

下文将分别介绍国外、国内的各种通信方式[3]，并在比较的基础上，提出方案解决方案中所选择的方式。

2.1.1 国外常用通信方式

1）Internet

Internet代表了家庭对外通信方式的最新潮流和未来发展方向[4]。远程终端通过Internet访问家用计算机，两者之间信息的传输实现各种家庭设备的远程控制。

基于Internet的家庭对外通信方式，首先要求Internet接入家庭，其次是远程Internet终端，最后也是最重要的便是家庭网关。家庭计算机与Internet的连接一般都是基于TCP/IP协议的网络通信，而家庭内部可以根据需求采用其他类型的通信方式。

作为最新潮流和未来发展方向，Internet有其自身的原因：首先，Internet正逐步走入普通百姓家庭，而且普及的速度非常快，欧美国家计算机普及率比较高，网络用户数量巨大，亚洲地区普及率不高，但在家上网的用户数量在2005年也达到了超乎想象的1.45亿；其次，Internet作为信息通道，有传输速度快、信息量大、准确可靠、交互性好等优点，文本、音频、视频信息都可以无障碍的高速通信；第三，信息家电是将来家用电器发展的方向，为了提高其智能化，越来越多的电器都带有网络接入功能，与远程的厂商服务器联系，实现远程升级维护，与在线商店连接，实现远程购物；最后，Internet是一个全球信息系统，不受时间和空间的限制，接入网络后便可随时随地进行远程操作。

目前，这种平台还有许多不足，首先，它不能兼顾家庭里已经大量存在的非智能家电，不能兼顾有几千万人需要通过电视实现上网的群体；其次，宽带网运营商、接入商、增值服务商、宽带设备与宽带应用软件生产商，智能小区投资开发商、物业管理商等一系列商家的配合还尚需时日；第三，现阶段有不同实际功能需求等因素，导致市场真正启动还需要相当长的时间。最后，与我国居民住房情况（特别是经济住房、旧房改造、单体别墅等）不太吻合。

2）电话

电话控制是基于DTMF技术的远程通信系统。由于电话在全球范围内获得最广泛的应用，并且DTMF信号的收发操作抗干扰能力强，信号传输稳定，基于此的通信系统操作简便，是远程控制的理想选择。通常DTMF信号代表的内容是16个不同的数字按键或功能按键，电话拨号或者通信过程中的任何按键，都对应于一个独立的DTMF信号。这样的传输方式，显然无法与Internet比拟，它更适合于远程控制信息的传送。例如通过远程普通电话或手机，在系统语音的提示帮助下，输入正确密码后对家中的电热水器、电灯、窗帘、电源等进行控制。

由于电话在世界范围内都有相当普遍的使用，不论时间、地点，只要拨通家庭电话，就可以实现远程控制，因此采用电话方式的远程控制得到普遍的应用。但随着居民对智能家居系统功能上要求的不断提高，特别是医疗、教育等方面的需求，出现了电话在数据通信方面的瓶颈，相对于Internet和机顶盒，电话远程通信无法满足用户对大量数据传输的需求。

2.1.2 国内常用通信方式

1）Internet

Internet通信方式不仅在国外流行，在国内也深受用户欢迎；在将来一段时间内，它都代表了智能家居对外通信方式的发展趋势。这主要有以下4个原因：1）Internet已经走进千家万户，而且将得到更大的普及；2）Internet在控制信息和数据信息的传输方面，都具备一定的能力和足够的优势；3）Internet的使用范围可扩展到地球的任何角落；4）远程计算机提供的Internet操作接口具有直观明了、容易操作的特点。

2）电话

电话比Internet更具有普及性和方便性，这是中国国内行情；国内信息家电的发展落后于欧美发达国家，家庭中信息家电的数量少，无需Internet提供的宽带数据通信链路；现阶段家庭内部智能化方面的需求主要是开关量家庭设备，例如电灯、窗帘。因此，智能家居的远程控制方面，电话通信具有更高的优越性。中国国内智能家居的研究开发，很多都将电话通信作为远程控制的方式，而且，即使提供基于Internet的通信方式，很多解决方案还是将电话通信纳入其中，以提供更加全面、方便、可靠的通信手段。

3）手机短信

GSM短信通信方式，利用GSM全球无线移动通讯网络，实现短信数据的传输，完成远程系统的控制，例如家庭、商店、办公场所的控制和私家车的远程监控等。GSM通讯网络信号覆盖面积广的优点，使其具有低价优质的远距离、超远距离无线传输的特点，弥补了Internet网络和固定电话有线控制的缺陷。GSM全球无线移动通讯网络已在全世界普及，因此GSM短信控制系统可广泛应用于单一家庭、小区物业、电力、交通、石油、煤炭、铁道、市政、公安的安防装置、数据监测以及远程监控系统。国内吸取GSM短信的优势，将其作为智能家居的远程通信方式，作为家庭内外信息连接的桥梁。

GSM系统有几项重要特点：防盗能力佳、网络容量大、手机号码资源丰富、通话清晰、稳定性强不易受干扰、信息灵敏、通话死角少、手机耗电量低。但明显的缺点是一次通信的容量比较小，与电话通信类似。

2.1.3 本方案选择的通信方式

本设计选择电话作为智能家居远程通信方式，主要基于以下几点考虑：1）Internet在中国的普及程度有限，即使家庭内部、办公场所都能方便登陆网络，但是在回家途中、旅游景点等场所却难以完成；2）电话在中国的普及率非常高，特别是手机，任何时间、地点都可以建立无障碍连接；3）国内智能家居通信的数据内容相对较少，基于电话的远程通信方式在带宽上已经足够。

2.2 家庭内部通信模块

家庭内部通信模块的作用是，在家庭内部建立一个家庭通信网络，对内连接包括家庭安防、计量、学习、娱乐等在内的所有家电设备与活动，对外与家庭外部通信模块连接，建立对外通信接口，组建家庭网关。家庭内部通信模块，与智能建筑的综合布线有着最大的共同点，目的都是为了建立内部通信网络，但区别是前者注重开发适合不同家居环境的多种通信方式，而后者则是采用以太网通信方式建立高层建筑、政府机关、公司总部、新闻机构、交通运输的通信系统；家庭内部通信模块，与现场总线技术也有着很多联系。

2.2.1 国内外常用通信方式

1）以太网

国内比较常见的方式是以太网。网络的普及以及在人们生活中体现出的重要性，逐步呈现在人们眼前，居民更多地去考虑或选择家庭内部Internet网络登陆的方便性，因此装潢时在居室、客厅，甚至厨房、卫生间都布置网络接点。硬件环境保证了基于家庭以太网的智能家居控制系统能够得到普遍的应用。智能家居控制系统的主控制器与执行机构通过以太网连接，实现双方数据信息、指令信息的通信[5]。一般家庭内部的通信主要采用10/100Base-T局域网技术。以太网通信的另外一个优点是网络节点数的数量。一个网段内最多可以支持256个节点，通过路由器建立的多网段，可以支持更多的网络节点。

2）无线通信

BlueTooth、ZigBee、普通无线通信模块构成的家庭内部通信方式，成为居民追求的时尚。BlueTooth和ZigBee属于无线网络技术，可以组建相应无线网络，而普通无线通信模块更多的只是单一的点对点通信体系。BlueTooth支持IEEE802.15标准，工作频率2.4 GHz，全双工的工作方式，支持电路交换及分组交换业务，带宽可达1 Mb/s，此类参数完全可以满足智能家居系统的需求；然而10 m的有效距离，作为智能家居通信方式显然不足。ZigBee支持IEEE802.14.4标准，是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术。具体参数有：有效距离10到75米，传输速率10 kB/s到250 kB/s，一般操作时间延时15 ms，一个ZigBee网络可支持254个从设备和1个主设备。有效距离与速率是其不可忽略的弊端，目前还不适合智能家居系统中的应用。

无线通信比有线通信更具有优势，具体体现在：①无线通信无需另外布线，特别适合智能家居系统对旧房的改造；②无线通信的辐射范围可以涵盖到家庭中任何一个角落，对家庭设备没有任何位置方面的要求；③由于没有物理连线，无线通信具有更高的可靠性。

优势背后，无线通信也有其自身的弊端，主要体现在：①无线通信传输的有效距离和方向受墙壁影响；②无线通信的频率易受外部信号影响形成串扰，阻断无线传输；③无线相对于有线，成本更加高。

无线是将来发展的趋势，具备传输距离远、可靠性高，以及节点数目可扩展等特性的无线通信，将在智能家居和其他行业获得广泛应用。

2.2.2 本方案选择的通信方式

本设计选择以太网作为家庭内部通信的方式。主要基于以下考虑：首先，智能家居面向的对象是中高档住宅，家庭中Internet网络布线及接口必定周全、丰富，除了能够满足家庭网上冲浪的基本需求外，依然可以用于组建家庭内部通信网络；其次，以太网的通信方式不受家庭环境的影响，可以覆盖到家庭内部的任何一个位置；第三，以太网拓扑结构灵活，布置Hub和网线便能解决设备移位、裁减等问题；第四，家电发展的方向是信息化，其显著特性是网络接入功能，基于以太网的家庭内部通信方式，具有非常好的适用性；第五，无线网络与电力线的通信实质上都是计算机网络，以太网与两者在兼容性方面有足够的优势，为混和使用提供很好的扩展空间；最后，综合布线技术依托的技术是以太网，目前已经形成全面配套的行业标准，双绞线、光纤是其主要传输介质，由于后者正迅速渗透到智能家居行业中，以太网的内部通信方式，为两者的连接提供一种可能和一种廉价的接入方式。

2.3 家庭安全防范模块

安全防范就是保障人们在生产、生活和一切社会活动中人身生命、财产和生产、生活设施不受侵犯，防止侵害行为的总称[6]。智能家居在满足人们舒适、方便生活的同时，也要求为家庭提供安全防范方面的保障。它包含的内容有防止入侵、盗窃、破坏、爆炸等，它的原则是“以防为主，打防并举”，安全防范工作贯彻“人防、技防、物防”相结合的方针政策。因此，智能家居将家庭安全防范模块定义为其4个基本要素之一。方案将安全防范的内容分为两部分，分别是家庭内部环境安全、家庭对外非法入侵预防，这两方面都体现了现代技术在智能家居中的应用。

2.3.1 家庭内部环境安全

家庭内部环境安全的目标是：环境检测、判断与远程交互、报警。检测的内容包括可燃气体浓度、有毒气体浓度、二氧化碳浓度、一氧化碳浓度、甲烷浓度、火警，高档家居还配有噪音、湿度、温度等检测内容。所有对象数据都通过特定传感器获取，检测的结果作为报警的依据，可以通过家庭网关将报警信息发送至用户、小区物业或者相关部门，也可以通过电话直接报警。

2.3.2 家庭对外非法入侵预防

家庭安全防范模块除了具备环境检测功能外，还须具有防盗、防入侵、防破坏等功能。从其作用范围来讲，有庭院墙壁上的红外探头检测报警系统；有住宅门附近的视频或语音检测报警系统，以及非法入侵检测报警系统；有住宅窗户磁检测报警系统（有些系统包括门与窗）；有家庭内部紧急求助系统。当然，一些高档住宅可能会配备更加全面的安防系统，例如指纹、视网膜检测系统。

2.3.3 本方案选择的解决方案

方案中，对于传感器一级的检测报警系统，都可以由智能家居系统留出的相关接口连接与处理，但对于需要特殊模块处理的报警系统，暂时没有给出具体解决方案，例如红外探头、视频检测系统。

2.4 家庭设备自动控制模块

智能家居的初衷是解决家庭设备的自动控制问题，将更多的设备通过某种方式连接，达到统一、集中控制，为家庭生活带来方便。因此，现代智能家居的最基本的功能需求体现在家庭设备的自动控制，家庭设备自动控制模块也就成为其最基本的模块。

2.4.1 家庭设备控制方式

不同类型的家庭设备，由于存在不同的操作方式，有些需要纯手工控制，例如电灯开关、窗帘、电饭锅；有些可以通过红外线控制，例如电视机、空调；而有些则提供网络接入功能，支持远程平台的智能控制，例如智能冰箱。随着信息技术的发展，将来也许还会出现其他不同的方式，趋势是更加智能化。目前，家庭设备控制中主要解决传统家电的控制问题，例如，如何将人们从手工拨电灯开关、拉窗帘中解脱出来，如何实现电视机、空调的统一遥控等。

对于电灯、开关这一类型传统家庭设备，一般的解决办法是添加辅助控制器，通过联入家庭以太网的辅助控制器间接控制家庭设备；对于电视机、空调等设备，通过其自身提供的红外通信接口，采用带有以太网接口的通用控制器统一遥控；带网络功能的信息家电，接入家庭以太网即可。

上述控制方式，在目前智能家居市场上具有极高的适用性和普遍性，能够解决绝大多数传统家庭设备远程控制问题。

2.4.2 本方案选择的解决方案

对不同的家庭设备，方案给出了不同的解决方案：1）对于电饭锅、窗帘一类的开关量家庭设备，通过外接控制器接收指令，执行操作；2）对于电视机、空调一类提供红外接口的家庭设备，通过统一的红外控制器控制；3）对于信息家电，首先通过网络接口接入家庭以太网，如果信息家电支持家电生产厂商的远程服务，智能家居系统便可以减少对它的操作，如果不支持，则需要借助于信息家电提供的以太网交互命令，通知智能家居系统执行相关操作。考虑中国南方、北方的差异，家庭设备包含的内容会不一样，例如北方有暖气，而南方没有，因此从这一点就可以反映出智能家居整体解决方案具有一个区域适用性。方案强调：解决方案适用于苏南地区。

2.5 模块组合-智能家居解决方案

方案提出的智能家居解决方案如表1所示。需要指出的是，方案给出的解决方案在“功能配置”方面还有很大的扩展空间，这里只是以客厅、卧室、厨房、卫生间和阳台为例做出的说明。

表1 智能家居解决方案Tab.1 Smart home solutions

3 结 论

智能家居解决方案的提出，需要结合多方面的因素，首先是房源信息，房型将直接决定家庭以太网以及安全防范的布局；其次是客户的功能需求，这将决定家庭四大模块中各子模块的取舍及选型；最后是地区特性，南方气候温暖，湿度较大，北方干燥严寒，环境因素对系统有适应性和功能方面的要求。方案给出的解决方案，是从多样化的需求中提取出的整体解决方案，实现不同层次用户的个性化选择。

设计团队成员的调查分析显示，智能家居四个基本模块涵盖了当今绝大多数智能家居系统，是各系统不可或缺的组成部分。设计团队成员认为方案对家居智能化程度的定义处于国内中高层次，与比尔?盖茨的智能家居显然没有可比性，与国内武汉大学智能家居控制系统比，后者将防盗报警、可视对讲、信息发布、短消息遥控等功能集成在控制系统中，而方案给出的解决方案更加体现出智能家居全面、完善的应用需求。

[1]吕莉，罗杰.智能家居及其发展趋势[J].计算机与现代化，2007（11）：18－23.LV Li，LUO Jie.Smart home and its development trend[J].Computer and Modernization，2007（11）：18－23.

[2]周洪，胡文山.智能家居控制系统[M].北京：中国电力出版社，2006.

[3]李鸿.几种智能家居网络控制系统方案的分析与比较[J].现代电子技术，2010（3）：143－146.LI Hong.Analysis and comparison among several network control system solutions for smart home[J].Modern Electronics Technique，2010（3）：143－146.

[4]康 萍，袁红超.智能家居系统接入Internet的实现方法[J].计算机应用研究，2006（12）：256－258.KANG Ping，YUAN Hong-chao.Method of how smart home system connect to internet[J].Application Research of Computers，2006（12）：256－258.

[5]徐海黎.基于嵌入式以太网的智能小区安防系统设计[J].自动化技术与应用，2005（5）：48－50.XU Hai-li.The safeguard system of smart home based on embedded ethernet[J].Techniques of Automation and Applications，2005（5）：48－50.

[6]刘海亮，曹家年，郭逢丽.嵌入式智能家居安防系统的研究与实现[J].应用科技，2011（2）：61－66.LIU Hai-liang，CAO Jia-nian，GUO Feng-li.The design and implementation of embedded smart home security system[J].Applied Science and Technology，2011（2）：61－66.