智能家居综述教学教材

智能家居综述

1 概述

工业化、信息化社会的发展，对家居生活的影响带来了日常生活的革命性变化，从而诞生了智能家居的概念。80年代末期，由于通信与信息技术的发展，出现了对住宅中各种通信、家电、安保设备通过总线技术进行监视、控制与管理的商用系统，这在美国称为Smart Home，也就是现在智能家居的原型。最初的智能家居主要源自智能建筑行业，主要包括楼宇自动化系统、通信自动化系统和办公自动化系统，通过结构化综合布线系统把上述三个系统有机结合起来。随着数字化和网络化技术的发展，智能建筑技术逐渐向家庭发展，在家庭中应用最多的3C 产品之间的界限日益模糊，融合协同的趋势日益明显。各终端厂商以此为切入点，纷纷启动了家庭网络和终端互联技术研究，并提出多种智能家居的应用方案。

2 智能家居的发展现状

自从1984 年世界上的第一幢智能建筑在美国康涅狄格州出现以后，智能家居在国外得以快速发展，美国、加拿大、欧洲、澳大利亚和东南亚等经济比较发达的国家和地区先后提出了各种智能家居方案。到目前为止，智能家居系统已经开始应用在新加坡、韩国和中国的多个社区家庭，许多国内外的知名企业也开始研究与智能家庭相关的设备和技术。

智能家居从结构角度的变化经历了三次较大的变革，从最初的雏形式的智能家居系统，采用了同轴电缆组建网络，只是简单的实现开关物理量的控制的功能；后来变革到相对成熟、多功能、高效的基于总线模式的视频音频通信的模式；再到以中心处理器为核心，融合所有家居系统，实现真正的集中智能化控制；到现如今主流方向的基于物联网技术，模块化选择服务功能的智能家居系统。一共经历了四代的发展，其相关技术也日趋成熟。

而从智能家居系统相关的协议标准来分，目前市场上被认可的主流系统主要有以下几种：X-10系统，它是美国的主流应用系统，是利用电力线来作为构建网络的平台，用来保证数据的相互传递。同时，它采用集中总控制的模式来实现网络各终端的功能，这就使得该系统的操控相对简单、便利。而此系统的最大优点在于无需重新布线，它是利用电力载波技术，使用发射器将信号发出，再通过接收器接收信号处理后执行相应的操作。这就使得系统在安装工程上不需要为此单独钻孔开槽安装，大大节约了相应的费用和工期。但由于此系统的价格偏于昂贵，且相应的技术还有待提高，如抗干扰性差，通信速度低，所以在国内的推广并不是很成功；EIB系统，这是德国开发的系统，它的设计思路和美国的X-10系统恰好相反，系统各部分数据的交换都是采用总线连接的方式，使用前需要安装好相应的总线系统，并且也是采用中央控制的方式。此系统的最大特点是稳定性及安全性比较高，功能也很强大。但它缺点同样明显，预埋总线的方式不但增加了

安装的复杂度和工期，同样此系统的成本也不低；HBS系统，由日本开发研制的家庭总线技术，由日本的电子工业联合会和无线工程电子协会HBS 标准委员会一同制定，采用以双绞线、同轴电缆为媒质，控制通道最大可达64 节点，由物理层、数据链路层以及网络层构成的系统。此系统的功能同样非常丰富，可以实现电话与家居电器以及相应的音视频设备的互相连接，达到家居生活全方位的自动化服务。此系统主要用于家电开关以及相关模拟量的控制，也是采用总线模式，其特点是具有较好的抗干扰、快速的反应速度、良好的系统稳定性、成本相对低廉的特点；8X系统，新加坡的8X系统结合了EIB系统和X-10系统的性能优点，在数据交换方面，和EIB系统相同，使用总线方式；而控制方面，与X-10 系统相同，采用集中的控制方式，使得该系统便于扩展，也有很好的安全性和稳定性。但此系统同样有着类似的缺点，系统的架构复杂，产品的价格高昂等方面还有待进一步去改进。

在2014年的开始，全球互联网巨头谷歌宣布斥资32亿美元收购了智能家居公司Nestlabs，该交易是谷歌史上规模第二大的一笔收购，仅次于2012年对摩托罗拉的125亿美元收购。分析师认为，Nest专注于恒温控制器和烟雾检测器，不过谷歌将该公司的技术拓展至其它设备也并非遥不可及。家庭自动化是物联网领域的较为重大的机会之一，该收购将进一步推进谷歌的相关战略。

国内的智能家居概念引入及研究都较晚，现在仍然是作为一个新兴产业，处于成长期，人们的消费理念也未完全形成，面向对象只是少数高端层次人士的需求。但随着市场的普及和一步步推广，此产业的前景必然非常光明。据统计国内智能家居系统的普及从2000年的不到2万户，到2007年发展到了40万户左右，到2010年已约有70万户。据《2010-2015 中国智能家居产业发展趋势与投资机会研究报告》预测，2015 年智能家居市场的规模将达1240 亿元，而在2014 年这一数据仅约为300 亿元。另据英国一份2014 年的研究报告预测，2018 年中国智能家居市场规模或将达到1396 亿元，约占2018 年全球智能家居市场规模710 亿美元的32%。

现如今随着电子技术的不断更新，网络传输技术的飞速发展，智能家居系统的成本大幅下降，对其的普及有了极大的改善，人们不断追求高品质的生活，但价格仍是主导消费的主要因素。我国的一些企业开发的智能家居系统已经开始占据着一些市场份额。

有两个比较成熟的厂家已经在推广自己的智能家居系统，首先是海尔的“U-home”系列。它主要以海尔电脑为中心控制处理器，各种网络电器作为其终端设备，移动电话则用来进行日常家居系统的移动控制器，打造“智慧家庭”新概念。此系统技术与微软进行合作，采用Windows Me技术与海尔网络家电结合，并已经成功推出了相关产品，如网络冰箱、网络洗衣机、网络空调、网络微波炉等一系列网络家电。也解决了安防、音视频等各个子系统间的相互连接。

其次，清华同方开发的“e-home 数字家园”。它主要针对国内的家庭需求

来设计，按照国际技术的高标准，用嵌入式软、硬件的技术，提供网络节点和终端设备。以定制化开发功能模块方式，根据使用的环境不同应用不同的系统模式。主要三大类产品模式：适用中高端住宅的以德国Effi 为协议的系统、遵循美国X-10 协议的中档住宅小区、以及普及性的以配电箱的集中安装类型的家居控制产品。

此外，百度在智能电视、智能路由器、可穿戴设备等领域四处出击，小米强势杀入机顶盒、智能路由器行业；苏宁重心转移到O2O模式的“苏宁云电”和智能家居，并提出“苏宁私享家”的智能家居解决方案。安居宝、索博、朗讯科技等智能家居厂商，如雨后春笋般的大量出现。现如今国内的各大软硬件公司都在积极研究更能符合中国市场的智能化家居设备，以解决当前产品安装、使用、维护复杂，价格昂贵等缺点，同时技术上也力求突破创新，向国际先进水平靠拢。

3 智能家居的技术手段

3.1 有线网络技术

作为传统主流的有线智能家居系统，它具有自身的特点：稳定性相对较高，数据传输快，各个功能结构简单。但它的缺点同样也是致命的，以至于一直不能被广泛推广——网络布局复杂，灵活性差，产品升级扩容不便，传输距离短，协议标准不统一、不兼容，布线量大，成本高昂，功能相对单一等诸多不便，所以有线组网技术在智能家居系统的内部组网上的应用有很大的局限性。X-10系统、EIB系统、HBS系统和8X系统都属于有线智能家居系统。其中X-10系统较为特殊，使用电力载波，无需额外布线，但也限制其应用范围只能为电力系统。

有线网络布线方式主要分为总线方式和星型方式，前者应用于分布的控制场合，后者应用于集中控制的场合。常用的有线网络通信技术有：RS485、CAN、LonWorks和以太网。其中，前3中都是总线型的拓扑结构，以太网即可以是总线型也可以是星型的拓扑结构。RS485是一种定义于物理层面上的通讯技术，不具有任何通讯协议，所以可以提供低成本的局域网络的多点通讯；CAN是一种现场总线，广泛应用于汽车电子领域；LonWorks是应用于控制的网络平台，它基于网络协议LonWoeks，已广泛应用于建筑和控制行业，事实上LonWorks 通信技术已成为了建筑行业和控制行业的标准；以太网则是一种计算机局域网络技术，它使用交换机进行网络连接和数据传输。

3.2 无线网络技术

随着无线网络技术的飞速发展，加之人们对便利性需求的进一步提高。“无

线智能家居”概念成为了当前智能家居行业重点发展的方向，也是现如今众多智能家居系统厂家重点开发的技术。与传统有线的方式相比，它更加灵活，扩展性更强，更便于维护和使用便捷，也更加有利于智能家居系统的不断更新发展。

当今常用的无线技术有几下几种：蓝牙技术（Bluetooth）、红外技术（IR）、射频识别技术（RFID）、Wi-Fi技术、Zigbee技术等。这些丰富多样的无线技术为我们提供了更多更加灵活的内部组网选择，通过各技术自身的性能，其应用的场合和领域也有所区别。

蓝牙技术是由五家公司（东芝、IBM、Intel、诺基亚和爱立信）共同提出一种近距离无线数据通讯传输技术标准。在10~30米的半径范围内它可以实现单点对点的无线数据传输和声音传输，其速度最高可达到1Mbps。它的主要技术特点是：工作在全球开放的2.4GHZ频段，能保证它的连接在世界各地畅通无阻；它使用的是跳频频谱扩展的技术，在一次连接过程中，无线电收发设备按一定码序从一个信道跳到另一个信道；它还可以同时连接七台蓝牙设备建立1Mbps传输速度的数据传输，并能在一定范围内的穿越障碍进行连接的能力，组网也简单方便，具有安全性高、功耗低等众多优点。主要的用途在于数据、语音的传输、外围设备的连接以及个人局域网。所以蓝牙技术的发展前景非常开阔，具有巨大的开发能力和商业价值。但蓝牙技术也有着自身的限制，其组网节点个数少，效果较差。因此，蓝牙设备更适合低功耗单点控制，尤其是对于低功耗蓝牙BLE来说。

红外线传输技术1974年发明，1993年由上百家电脑周边厂商组成了一个相关组织，将此技术广泛应用，如遥控、鼠标、键盘、打印机等。它是一种点对点式的无线传输方式，传输速度快，能达到4Mbps。但它的传输距离非常有限，只有1到2米的距离，而且必须对准对象，不可以绕弯，信号不能加强且会被障碍影响，信息的传输也无法控制。红外线传输技术的优缺点都非常明显，它适用在低成本、安全性要求高、点对点高速传输、跨平台的领域，如信息网关，设备的互联。但它的致命缺点就是必须在可视范围之内进行使用。

射频识别RFID，它是通过无线电信号识别特定的目标读写相关的数据，即利用射频阅读标记上信息的技术。而且无需识别系统和特定目标进行机械或光学的接触。射频识别技术最大的优点是非接触式识别，能穿透冰雪、灰尘、涂污等恶劣的环境进行数据读取，并且读取速度快，不到100ms，且成本低廉，广泛应用于流程跟踪、医疗等交互性业务领域（如物流管理）。

Wi-Fi是以无线网络的方式将电脑、手机等终端设备相互连接的一种技术。它是由Wi-Fi联盟所制定的一种商业认证的短距离无线通信技术，也是目前最广泛应用的一种无线网络传输技术。它通过无线路由器这个转化设备把所有有线网络信号保真的转化为无线信号，虽然其传输过程中的安全性和传输质量略差，但传输速度快是它的最大优势之一，能达到54Mbps，能大大满足当今网络信息化的需求。它的另一大优势就是不受布线条件的限制，不需要单独布线，非常适合

移动用户的需求。

Zigbee最初主要是由Honeywell公司制定，由1998年开始发展，2001年纳入IEEE 802.15.4标准规范，并逐渐成为通用的低速近距离无线通讯技术之一。Zigbee技术是一种近距离、低速、低功耗的双向无线通讯技术，它的优点就是复杂度低、功耗低、成本低。主要应用与自动控制领域和远程控制的领域，可以很方便的嵌入各种设备之中，进行无线组网通讯。