智能家居系统

智能家居产品综述报告一、智能家居的概念智能家居(smartHome)，又称为电子家庭(ElectronieHome)、e-Home、数字家园(DigitalFamily)、家庭自动化(HomeAutomation)、家庭网络(Homenet/NetworksforHome)、网络家居(NetworkHome)、智能化家庭(Intelligenthome)等[1~2]。通俗地讲即是利用嵌入式系统和物联网终端信息模块，将家庭中的各种设备(如照明系统、环境控制、安防系统、智能家电)通过物联网络连接到一起。让用户有更方便的手段来管理家庭设备，如：通过触摸屏、无线遥控器、电话、互联网或者语音识别控制家用设备，更可以执行场景操作，使多个设备形成联动；另一方面，智能家居内的各种设备相互间可以通讯，不需要用户指挥也能根据不同的状态互动运行，从而给用户带来最大程度的高效、便利、舒适与安全。其出现得益于计算机嵌入式系统、感应技术、通信与信息技术的发展。在20世纪80年代初，随着大量采用电子技术的家用电器的面市，住宅电子化开始出现。至80年代中期，将家用电器、通信设备与安全防范设备各自独立的功能综合为一体后，形成了住宅自动化概念。80年代末，随着通信与信息技术的发展，出现了通过总线技术对住宅中各种通信/家电/安防设备进行监控与管理的商用系统，这在美国被称为smarthome，也就是现在智能家居的原型。整个智能家居系统涉及终端设备、信息网络、网络协议、控制编程等复杂的系统，其中基本的当属物联网络及智能家居产品。1.1物联网在智能家居系统中，各独立的智能设备、系统通过物联网被连通在一起。根据物联网络设置的不同，各设备间可以实现智能互通，或由室内总控端、室外移动控制端或云计算进行控制、管理。可以说，物联网是整个智能家居系统中最关键的部分。1.1.1物联网的定义及特征物联网的概念最早出现于比尔。盖茨1995年出版的《未来之路》一书。在这本书中，比尔.盖茨多次提到“物-物互联”的设想[3]，但受限于当时的网络技术及传感器应用水平，其“物联网”理念并没有引起人们的重视。至1999年，麻省理工学院，Auto-ID实验室再次提出物联网的概念，其核心思想是利用无线射频识别技术(RFID)对物品编码并通过互联网，组建一个全球信息共享的实物性互联网“InternetofThings”。2005年，在突尼斯举行的信息社会世界峰会(WorldSummitontheInformationSociety，简称WSIS)上，国际电信联盟(ITU)正式确定了物联网的概念，并发布《ITU互联网报告2005：物联网》[4]，报告指出，信息与通信技术(ICT)的目标已经从人与人(H2H)的沟通，发展到人与物(H2T)、物与物(T2T)之间的连接与交互，无所不在，无处不连通的物联网通信时代即将开始。因此物联网可以简单的理解成，“人与物、物与物交互连通的网络”。工信部物联网白皮书认为，“物联网是通信网和互联网的拓展应用和网络延伸，它利用感知技术与智能装置对物理世界进行感知识别，通过网络传输互联，进行计算、处理和知识挖掘，实现人与物、物与物信息交互和无缝链接，达到对物理世界实时控制、精确管理和科学决策目的[5]。”根据国内外各机构对物联网的表述，其应该具备如下三个特征：1.全面感知：利用传感器，RFID，二维码等技术，随时随地获取用户或者产品信息；2.可靠传送：通过通信网与互联网，信息可以随时随地的交互、共享；3.智能处理：利用云计算、模式识别等智能计算技术，对海量的信息数据进行分析与处理，并实现智能决策与控制[6]。1.1.2物联网的发展2008年，为应对经济危机，促进科技发展，寻找新的经济增长点，各国政府开始重视规划下一代技术创新，物联网成为重点技术之一。2009年，奥巴马就任美国总统以后与美国工商业界领袖举行圆桌会议。IBM首席执行官彭明盛首次提出“智慧地球”的概念，建议政府投资新一代智慧型基础设施。新能源与物联网列为振兴经济的两大重点科学技术。同年，欧盟发布《Internetofthings-anactionplanforEurope》，系统地阐述了物联网的发展前景与管理设想，提出了促进物联网发展的14点行动计划。亚洲的日本也提出u-Japan计划，将物联网规划为四项重大战略之一。而韩国的U-IT839战略中三大基础建设重点之一也是物联网。我国物联网的发展与全球同处于起步阶段。2009年，温家宝总理视察无锡物联网基地时，就提出过“感知中国”的概念。2010年政府工作报告中将物联网正式列为中国五大新兴战略性产业。据不完全统计，2010年中国物联网产业市场规模接近2000亿。物联网受到全社会极大的关注与重视，许多省市、产业、行业，均制定了物联网的相关发展规划。但从整体上讲，基本处于各自为政的状态，缺乏统一的规划。因此近年来我国虽然投入了数万亿进行信息化建设，并取得了一些成果及进步。但其成果转化率较低，对我国GDP的贡献十分有限且在核心产品、高新技术、基础性软件方面还有待进步。尤其是在在传感器技术方面，大量的核心技术及相关标准均由国外掌握、制定[7]。在各国政府的大力推动之下，多个物联网研究项目被确立。物联网硬件相关项目有Zigbee，WirelessHART，QRCode，SunSPot；参与物联网标准制定的国际化组织有ETSITCM2M，ITU-TUSN，ISO/IECJTC1WG7(WorkingGrouponSensorNetworks)，IETF，EPCglobal；物联网相关研究项目有SENSEICASAGRAS，BRIDGE，IPSOAlliance，SemSorGrid4Env，SmartProducts等等，涵盖了从底层设备到高层应用。1.1.3可用于家庭物联网的通信技术现今可用于组建家庭物联网技术较多，按布线的方式可以分为有线网络及无线网络，有线家庭网络连接技术的优点在于数据传输的可靠性强，传输速率高，而缺点在于网络体积庞大，灵活性差，且布线复杂，主要应用于早期点对点网络和星型网络的拓扑结构中。常见的有线网络包括LONWORKS，CEBUS，X-10，RS485，CANBUS，Ethernet等。其中X-10是智能型家庭网络系统中被广泛采用的技术，主要是因为价格便宜以及部分消费者可自行装设。以上各种技术都分别对应于不同的应用场合，一些技术发展已经相对比较成熟，而且在行业已经具有一定的标准性和通用性，但其组建的家庭网络普遍还存在以下缺点[8~11]：(1)布线复杂，影响美观。当系统连接控制多个家庭设备或者增减设备时，需要重新布线。(2)通信接口标准不统一。智能家居内部设备的通信和控制都没有一个国际上统一的通信接口标准，内部编码方式随便、混乱。(3)对电脑的依赖性太高，灵活性不强。传统的智能家居系统中的家电只用电脑进行控制和管理，对后期的升级和维护很不方便。(4)系统的可扩展性差。增减家庭设备时就需要系统具有良好的软硬件可扩展性。(5)安装和维护费用高。在安装系统时，需要线缆和安装建材等材料，增减家庭设备时，还需要专业的施工人员，这无疑增加了系统设计的成本。常见的无线网络技术包括，红外技术、无线电射频技术(HomeRF)、数字增强无绳电话技术（DECT）、蓝牙技术（Bluetooth）、超宽带无线通讯技术（UWB）、智蜂技术（Zigbee）、WiFi、433MHz，等等。其各自技术特点如下表所示：表1各无线技术对比红外通讯技术是一种点对点的数据传输协议，是传统的设备之间连接线缆的替代，通常采用850nm的红外光传输数据信息。它的通讯距离一般在0到10米之间，传输速率最快可达16MbPs。它是目前在世界范围内被广泛使用的一种无线连接技术，被众多的硬件和软件平台所支持。其通过数据电脉冲和红外光脉冲之间的相互转换实现无线的数据收发。适宜小角度(30度锥角以内)，短距离，点对点直线数据传输，保密性强。传输速率较高，目前4M速率的FIR技术己被广泛使用，16M速率的VFIR技术已经发布。虽然红外技术在网络发展中己形成趋势，但由于其传输距离有限、传输方向性强等缺点，在应用范围上受到了一定程度的限制。家庭无线电射频技术集成了语音和数据传送技术，工作频段为10GHZ，数据传输速率达到100Mbit/s。其无线联网标准是由Proxim、西门子、摩托罗拉、康柏电脑等技术巨头于1998年发起组建的HomeRF研发。HomeRF是对现有无线通信标准的综合和改进:当进行数据通信时，采用IEEE802.11规范中的TCP/IP传输协议。当进行语音通信时，则采用数字增强型无绳通信标准。但是，该标准与802.llb不兼容，并占据了与802.llb和Bluetooth相同的2.4GHz频率段，所以在应用范围上会有很大的局限性，更多的是在家庭网络中使用。但是，由于HomeRF技术标准没有公开，仅获得了数十家公司的支持，在抗干扰能力等方面与其他技术标准相比还存在着不少缺陷，并且后续研发技术升级进展迟缓，在同IEEE802.n标准协议和其他标准协议的竞争中渐渐失利，丧失了其技术的优势地位[12]。数字增强无绳电话技术为欧洲下一代无绳电话标准，DECT采用1.8GHz频段以及微小区蜂窝结构，话音编码采用32kbps的ADPCM，无线接口技术基于TDMA/FDMA/TDD/MC(MultiPleCarrier)技术，一个终端可在所有载频和任意组合时隙单元中进行无线寻址，传输的信息通常为话音信息，但随着技术的发展和社会的需要，其技术也在不断地发展和改进，在不影响话音信息的传输质量的基础上，增加了数字传输业务，数据可在同一话音信道上传送，因此，数字增强无绳电话技术标准可支持话音、高速数据和视频传输，这些特点使它成为了无线通信标准之一。它主要用于住宅、商业区、居民区、公众区域的本地环路内慢速移动设备之间的通信。蓝牙技术最初由爱立信创制。1999年5月20日，索尼爱立信、IBM、英特尔、诺基亚及东芝等业界龙头创立蓝牙特别兴趣组，制订蓝牙技术标准。蓝牙用于在不同的设备之间进行无线连接，例如连接计算机和外围设施，如:打印机、键盘等，又或让个人数字助理（PDA)与其它附近的PDA或计算机进行通信。目前市面上具备蓝牙技术的手机选择非常丰富，可以连接到计算机、PDA甚至连接到免提听筒[13]。事实上，根据己订立的标准，蓝牙可以支持功能更强的长距离通讯，用以构成无线局域网。每个Bluetooth设备可同时维护7个连接。可以将每个设备配置为不断向附近的设备声明其存在以便建立连接。另外也可以对二个设备之间的连接进行密码保护，以防止被其他设备接收。蓝牙的标准是IEEE502.15，蓝牙协议工作在无需许可的ISM频段的2.45GHz。最高速度可达723.Ikb/s。为了避免干扰可能使用2.45GHZ的其它协议，蓝牙协议将该频段划分成79条渠道，并且最多每秒可更换渠道1600次[14]。在经历了前几年的低潮时期后，蓝牙技术己在手机的无线耳机上找到应用市场，推动了它的迅速发展，特别是在蓝牙V1.2协议推出以后，一股新的蓝牙技术热潮又将掀起，目前，蓝牙技术已在许多新的领域找到了应用点[15]。相对于物联网在其他领域的应用，家庭物联网有其自身的特点及要求。首先室内空间较小且阻碍物较多，因此对组网的技术通讯距离要求较低，相应的要求其通信频段较高，以获得较好的穿透能力。其次组网尽可能简单、各节点互联程度高、且组建/维护成本低，以适应普通家庭的需求。最后，按中国人的传统，家庭是一个私密度较高的区域，故通讯必须具备相应的安全性。综上所述，Zigbee技术是较适宜用于我国家庭物联网的通讯技术，故以Zigbee技术为例对家庭物联网进行说明[16~19]。1.1.4基于Zigbee技术的家庭物联网智蜂技术是由Zigbee联盟共同研究开发，其成立于2002年8月，由英国Invensys、三菱、美国摩托罗拉及荷兰菲利浦组成，至今己吸引了上百家芯片公司、无线设备公司和开发商加盟。其成立初衷是面向工业控制、环境监测、商业监控、汽车电子、家庭数字控制网络等，针