电子信息新技术系列讲座报告 (3)

电子信息新技术系列讲座报告
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2014年12月
题目：人工智能之智能家居
一．对该技术或方向进行简单的介绍
21 世纪是信息化的世纪，随着经济的快速发展和人们生活水平的提高以及房地产业的发展加上计算机技术、通信技术、网络技术和物联网技术的发展，智能家居逐渐成为未来家居生活的发展方向。

智能家居不仅能给用户提供安全、健康和舒适的生活环境，而且用户能够远程监控自己的家居状态和控制家电设备。

智能家居将各种信息设备和住宅设备通过家庭网络连接起来，并保持这些设备与住宅的协调，从而构筑成舒适安全的信息化居住空间，满足人们在家中生活、工作、娱乐和交流的需要，提供安全防护、社区管理的手段。

一般意义上的家庭设备不仅仅包括传统家电、信息家电等家电产品，还包括窗帘控制器、开关量控制器等其它设备。

其中传统家电可分为黑色家电、白色家电和小家电；信息家电属于新生代的蓝色家电。

黑色家电主要包括电视机、录像机、音响、VCD、DVD 等；白色家电则以空调、电冰箱、洗衣机为主；小家电指的是电磁炉、电热水壶、风扇等家电产品。

广义上的蓝色家电指网络游戏机、网络电话、掌上电脑、可穿戴 PC 等所有能通过网络交互信息的消费类电子产品。

智能家居的控制对象是包括传统家电在内的所有家庭设备。

二．该技术发展的背景和研究现状
随着IT产业的发展和人们生活水平的提高，“家庭自动化”，“智能家居”，“网络家电”，“家庭网络”等技术的发展正受到人们的密切关注，相关产品也逐渐成熟。

进一步完善“智能家居”（Smart Home）,更好地实现这一描述的情景，给人们的生活带来本质的变化，就是研究家庭自动化技术的意义所在。

家庭自动化系统的出现是以计算机、嵌入式系统和通讯技术的快速发展为前提的。

可以说没有先进的计算机、嵌入式系统和通讯技术，就不可能实现将家中的各种设备（如照明系统、环境控制、安防系统、网络家电）通过家庭网络连接到一起的高度智能化系统。

一方面，智能家居将让用户有更方便的手段来管理家庭设备，比如，通过无线遥控器、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之间可以通讯，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。

家居智能化系统需要大量的适合中国国情的产品和运行软件，目前国内开发的软硬件产品的种类较少，水平较低。

因此，这一方面的研究开发急需加强。

但智能家居在国内的发展并不像预期那样顺利。

智能家居进入国内已多年时间，但至今还是没有得到普及，从某种意义上讲，这关系到人们生活方式和观念的问题，因为在很多人们看来，智能家居是锦上添花，不是生活必备，而且其高昂的造价让他们望而却步。

智能家居在未来家庭信息化中具有举足轻重的地位，但其造价昂贵，影响了其推广，所以如能通过技术攻关降低其成本，则能使智能家居这“旧时王谢堂前燕"，早日“飞入寻常百姓家"。

海尔、TCL等家电巨头的高调介入，充分显示了研发智能家居的重要性和意义，相信在不久的将来智能家居。

必会普及到普通用户家里。

该系统系统采用了嵌入式设备来降低功耗和成本，结合网络和视频技术提高操作性和应用范围[1]。

智能家居的开发与建设是 21 世纪发展的必然趋势。

通过家庭设备的网络化，帮助家庭与外部保持信息交流畅通，优化人们的生活方式，增强家居生活的安全性，甚至为各种能源费用节约资金。

实现对各种家用电子设备的智能管理和对家庭安全环境的监控保护，从而达到提升家居安全性、便利性、舒适性、艺术性，并实现环保节能的目的
三．对该技术的原理进行介绍；
智能家居的设计原理：衡量一个住宅小区智能化系统的成功与否，并非仅仅取决于智能化系统的多少、系统的先进性或集成度，而是取决于系统的设计和配置是否经济合理并且系统能否成功运行，系统的使用、管理和维护是否方便，系统或产品的技术是否成熟适用，换句话说，就是如何以最少的投入、最简便的实现途径来换取最大的功效，实现便捷高质量的生活。

为了实现上述目标，智能家居系统设计时要遵循以下原则：实用方便、可靠性、标准性、轻巧性和方便性。

智能家居的设计系统包含主要子系统有：家居布线系统、家庭网络系统、智能家居（中央）控制管理系统、家居照明控制系统、家庭安防系统、背景音乐系统（如TVC平板音响）、家庭影院与多媒体系统、家庭环境控制系统等八大系统。

其中，智能家居（中央）控制管理系统、家居照明控制系统、家庭安防系统是必备系统，家居布线系统、家庭网络系统、背景音乐系统、家庭影院与多媒体
系统、家庭环境控制系统为可选系统。

在智能家居系统产品的认定上，厂商生产的智能家居（智能家居系统产品）必须是属于必备系统，能实现智能家居的主要功能，才可称为智能家居。

因此，智能家居（中央）控制管理系统、家居照明控制系统、家庭安防系统都可直接称为智能家居（智能家居系统产品）。

而可选系统都不能直接称为智能家居，只能用智能家居加上具体系统的组合表述方法，如背景音乐系统，称为智能家居背景音乐。

将可选系统产品直接称作智能家居，是对用户的一种误导行为。

在智能家居环境的认定上，只有完整地安装了所有的必备系统，并且至少选装了一种及以上的可选系统的智能家居才能称为智能家居。

四．该技术的关键内容进行分析
1、智能家居总体结构设计：智能家庭网络随着集成技术、通信技术、互操作能力和布线标准的实现而不断改进。

它涉及到对家庭网络内所有的智能器具、设备和系统的操作、管理，以及集成技术的应用。

其技术特点表现如下[2]：
①通过家庭网关及其系统软件建立智能家居平台系统
家庭网关是智能家庭局域网的核心部分，主要完成家庭内部网络各种不同通信协议之间的转换和信息共享，以及同外部通信网络之间的数据交换功能，同时，网关还负责家庭智能设备的管理和控制。

②统一的平台
用计算机技术、微电子技术、通信技术，家庭智能终端将家庭智能化的所有功能集成起来，使智能家居建立在一个统一的平台之上。

首先，实现家庭内部网络与外部网络之间的数据交互；其次，还要保证能够识别通过网络传输的指令是合法的指令，而不是“黑客’’的非法入侵。

因此，家庭智能终端既是家庭信息的交通枢纽，又是信息化家庭的保护神。

③通过外部扩展模块实现与家电的互联
为实现家用电器的集中控制和远程控制功能，家庭智能网关通过有线或无线的方式，按照特定的通讯协议，借助外部扩展模块控制家电或照明设备。

④嵌入式系统的应用
以往的家庭智能终端绝大多数是由单片机控制。

随着新功能的增加和性能的提升，将处理能力大大增强的具有网络功能的嵌入式操作系统和单片机的控制软件程序作了相应的调整，使之有机地结合成完整的嵌入式系统[3]。

现将智能家
居系统简化为如下结构，系统框图如图所示
上图中手持终端即用户的远程控制终端，用户可以通过此终端控制、监测家居内部设备，一般包括带有可视界面的计算、手机、PDA 等。

网络即家庭外部网络，负责将家庭网关采集到的数据传输到用户终端，同时将用户的各条指令传输给家庭网关，主要有 Internet网、GPRS 网络等。

嵌入式网络服务器及相关模块是家庭网关的主要硬件设备，在其上承载操作系统，应用软件等，同时还负责家庭网络的组建，是整个家居系统的核心。

家电设备是要连入家庭网络的家居终端设备，也即控制的主要对象。

2，家庭网关结构
每个系统都需要有负责数据收集、分析、处理、发出指令的控制中心，以此来集中管理各种设备以及各设备之间的协同工作。

智能家居系统中家庭网关的主要的功能就是对内完成组网和网络管理的功能，实现系统内设备的控制和管理，对外实现与外部设备的互联，与公共网络相连实现远程控制，与智能家居中的智能家电相连实现信息交互与互动[4]。

家庭网关采用模块化设计，由硬件驱动层、操作系统层、网络协议层以及应用程序层组成[5]。

家庭网关结构如图2：
图2 家庭网关结构
家庭网关总体上可以分为硬件模块和软件设计两部分。

软件包括了操作系统、通信协议和 Web 应用程序。

硬件主要有以下部分组成：核心控制器、外围通信模块、人机交互界面、其他还包括接口、电源、存储器、屏幕等设备。

传感器负责采集家电设备的状态。

五．如果可以，增加一定的仿真或实验（此处为选择项，不是必须）；六．总结，用自己的语言来描述对该技术或方向的认识、收获和感触。

（请认真撰写这一部分，将成为成绩判定的主要依据之一，该点字数不得少于800字）
由于种种因素，如：人们的生活理念、生活方式、智能家居的高昂费用，国内技术水平等。

“智能家居”（Smart Home）这一美好的愿景虽然并未在国内大规模出现，但是智能家居的理论基础在计算机技术、通信技术、网络技术和物联网技术的发展下以及在以计算机、嵌入式系统和通讯技术的高度融合下近几年得到了突飞猛进的发展。

首先，虽然并不是人人都能够在上班前打开安全防盗报警系统来为您守卫自己的家（一旦家中有非法入侵、起火、燃气泄露、老人突发心脏病等，就会立即自动通过普通电话通知您，由您来选择报警方式和监控方式）。

但是目前许多豪宅等设置了无线智能安防系统。

该系统主要针对家庭用户设计其主要是使家庭的主人通过该系统方便的进行远程家庭的内部监视。

其主要实现的功能是，可以通过手机短信控制，并通过短信方式发送到主人手机，其触发条件是热释红外传感器、门磁传感器、烟雾探测传感器、煤气探测传感器[6]。

该智能系统使得人们可以较之放心的外出办事、能够实时的监测家里可能发生的状况，比如：亲戚朋友突然到访、家中煤气或天然气泄漏、家中突发的火灾或者小偷的光顾等人们难以预料且避免的突发现象。

其次，智能化照明系统选择预设的灯光场景，读书时营造书房舒适的安静，卧室里营造浪漫的灯光氛围等等这些人性化的设计可以让我们更加实时方便的选择自己所处空间的亮度避免了电量的浪费以及手工调节灯光带来的麻烦。

这里一个控制器可以遥控家里的一切，比如拉窗帘，给浴池放水并自动加热调节水温，调整窗帘、灯光、音响的状态，接听电话，家里的简易消防系统以及安防系统，智能家居系统扮演了一个专业有效的管家角色。

最后，让我获益颇多的是嵌入式系统在智能家居中的应用，先进的计算机、嵌入式系统和通讯技术完美实现了将家中的各种设备，如照明系统、环境控制、安防系统、网络家电等通过家庭网络连接到一起的高度智能化系统。

其中短距离无线通信技术及嵌入式微控制器技术将在智能小区、智能家庭的建设和控制系统中有广泛的发展前景。

“一体化系统集成”将自动化管理、安全防范监控、火灾报警、三表计量、对讲呼叫、设备监控等六方面功能内容有效集成，以降低研发和生产成本，一体化系统集成是破解智能家居高昂费用的手段之一，可以想象在生产成本日益降低，产品集成度更加精密，产品功能效益更加持续走好的情况下，智能家居落到寻常百姓家的可能性也变得越来越大。

七．参考文献：
[1] 祁志强．智能家居的现状及发展趋势[J]．智能建筑,2008,(12):42-44．
[2] 宋超．智能家居系统及其关键技术研究[D]．长安大学，2010．
[3] 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，(02)．
[4] 郭海杰，吴飞，雷必成．嵌入式智能家居控制系统的研究[J]．福建电脑，2009，(03)．
[5] 于军琪、任庆昌．智能家庭的一种新型网关设计[J]．智能建筑．2004.1．
[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，(02)．。