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(smart Home)，又称为电子家庭(Electronie Home)、e-Home、数字家园(Digital Family)、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smart home，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“Internet of Things”。2005年，在突尼斯举行的信息社会世界峰会(World Summit on the Information Society，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《Internet of things-an action plan for Europe》，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，Wireless HART，QR Code，SunSPot；参与物联网标准制定的国际化组织有ETSI TC M2M，ITU-T USN，ISO/IEC JTC1 WG7(Working Group on Sensor Networks)，IETF，EPC global；物联网相关研究项目有SENSEICASAGRAS，BRIDGE，IPSO Alliance，Sem Sor Grid4 Env，Smart Products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(Home RF)、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。Home RF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(MultiPle Carrier)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.I kb/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，针对其数据传输数据量小、传输速率低、系统终端多为电池供电的嵌入式设备等特点，开发一种成本低、功耗小的通信技术[20]。因此，其具有如下的特点：

1.设备省电，zighee采用了多种节电的工作模式，可以确保两节五号电池支持设备长达6个月到2年左右的使用时间；

2.通信可靠，zighee采用了CSMA-CA的碰撞避免机制，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙，避免了发送数据时的竞争和冲突；MAC层采用了完全确认的数据传输机制，每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息；

3.网络的自组织强，Zigbee无需人工干预，网络节点能够感知其他节点的存在，并确定连接关系，组成结构化的网络；

4.自愈功能强，增加或者删除一个节点，节点位置发生变动，节点发生故障等等，网络都能够自我修复，并对网络拓扑结构进行相应地调整，无需人工干预，保证整个系统仍然能正常工作。具备自组织、自愈能力的无线通信网络才是自动抄表系统最理想的通信方式；

5.成本低廉，设备的复杂程度低，且Zigbee协议是免专利费的，这些可以有效地降低设备成本，Zigbee的工作频段灵活，为免执照频段的2。4Gllz，就是没有使用费的无线通信；

6.网络容量大，一个zighee网络可以容纳最多254个从设备和一个主设备，一个区域内可以同时存在200多个zighee网络；

7.数据安全，Zigbee提供了数据完整性检查和鉴权功能，加密算法采用AES-128，同时各个应用可以灵活确定其安全属性。

Zigbee设备共分为两种类型:全功能设备FFD(full Function Device)和精简功能设备RFD(Reduced FunetionDeviee)。这里的设备一般指Zigbee通信模块，其集成了射频、协议和程序功能，能自主采集智能设备数据并按程序对数据进行处理、发送。Zigbee“模块”一般设计紧凑，体积小，常采用贴片式焊盘设计，可以内置Chip或外置SMA天线，通讯距离从100米到2500米不等，还包含了ADC，DAC，比较器，多个IO，I2C等接口和用户的产品相对接。软件上包含了完整的Zigbee协议栈，采用串口和用户产品进行通讯，并可以对模块进行发射功率，信道等网络拓扑参数的配置[21~22]。下表为各厂商Zigbee芯片产品对比：

表2 各型Zigbee芯片对比

FFD设备可以与任何Zigbee设备进行通信，但RFD设备仅能与FFD设备通信，两个RFD设备之间如要进行通信需通过FFD设备的中转传输。由于这两种设备的独特性质，因此在组建一个Zigbee网络的时候就出现了三种设备角色：网络协调器(由一个FFD组成)、路由器/中继器(由一个FFD组成)和终端设备(由一个FFD或RFD组成)。网络协调器除了直接参与应用外，还要完成成员身份管理、链路状态信息管理以及分组转发等任务；路由器的任务则是增加网络节点数量和扩展网络物理范围；终端设备仅仅只能完成监测和控制的功能。根据应用的需求，zighee技术网络有两种拓扑结构：星型的拓扑结构和对等的拓扑结构。

星型网络拓扑结构由PAN主协调器和多个从设备组成，主协调器必须为一个具有完整功能的设备(FFD)，从设备既可为完整功能设备（FFD)，也可为简化功能设备(RFD)。在实际应用中，应根据具体应用情况，采用不同功能的设备，合理地构造通信网络。在网络通信中，通常为这些设备分为起始设备或者终端设备，主协调器既可作为起始设备、终端设备，也可作为路由器，它是PAN网络的主要控制器。在任何一个拓扑网络上，所有设备都有唯一的64位长地址码，该地址码可以在PAN中直接通信，或者当设备直接已经存在连接时，可以将其转变为16位的短地址码分配给PAN设备，因此，在设备发起连接时，应采用64位长地址码，只有在连接成功后，系统分配了PAN标识符后，才能采用16位的短地址码进行连接，因此，短地址码是一个相对地址码，长地址码是一个绝

对地址码。在Zigbee技术应用中，PAN主协调器是主要的耗能设备，而其他从设备均采用电池供电，Zigbee技术的星型网络拓扑结构通常在PC外围设备、玩具、游戏以及个人健康检查等方面得到应用。

星型网络的基本结构如下图所示，当一个具有完整功能的设备(FFD)第一次被激活后，它就会建立一个自己的网络，将自身成为一个PAN主协调器。所有星型网络的操作独立于当前其他星型网络的操作，这就说明了在星型网络结构中只有一个唯一的PAN主协调器，通过选择一个PAN标识符确保网络的唯一性，目前，其他无线通信设备的星型网络没有采用这种方式。因此，一旦选定了一个PAN标识符，PAN主协调器就会允许其他从设备加入到它的网络中。

图1 星型拓扑网络

在对等的拓扑网络结构中，同样存在一个PAN主设备，但该网络不同于星型网络拓扑结构，在该网络中的任何一个设备只要是在它的通信范围之内，就可以和其他设备进行通信。对等拓扑网络结构能够构成较为复杂的网络结构，例如簇型网络拓扑结构和网状网络拓扑结构。这种对等网络结构在工业检测和控制、无线传感器网络、供应物资跟踪、农业智能化，以及安全监控等方面都有广泛的应用。一个对等网络的路由协议可以是基于Ad hoc技术的，也可以是自组织式的和自恢复式的，并且，在网络中各个设备之间发送消息时，可通过多个中间设备中继的传输方式进行传输，即通常称为多跳的传输方式，以增大网络的覆盖范围。其中，组网的路由协议，在Zigbee网络层中没有给出，这样为用户的使用提供了更为灵活的组网方式。在对等拓扑结构中，任何一个设备都可定义为PAN 主协调器，例如，可将信道中第一个通信的设备定义为PAN主协调器。未来的网络结构很可能不仅仅局限为对等的拓扑结构，而是在构造网络的过程中，对拓扑结构进行某些限制。簇型网络也是对等网络的一种应用，在此种网络中，绝大多数的设备是FFD设备，而RFD设备总是作为簇树的叶设备连接到网络中。任意一个FFD都可以充当RFD协调器或者网络协调器，为其他设备提供同步信息。

在这些协调器中，只有一个可以充当整个点对点网络的网络协调器。网络协调器可能和网络中其他设备一样，也可能拥有比其他设备更多的计算资源和能量资源。网络协调器首先将自己设为簇头(Cluster Header，CLH)并将簇标识号(Cluster Identifier，CID)设置为0，同时为该簇选择一个未被使用的PAN网络标识号，形成网络的第一个簇，接着，网络协调器开始广播信标帧。临近设备收到信标帧后，就可以申请加入该簇。设备可否成为簇成员，由网络协调器决定。如果请求被允许，则该设备将作为簇的字设备加入到网络协调器的邻居节点列表中，新加入的设备将簇头作为它的父设备加入到字节的邻居节点列表中。其网络拓扑结构如图

2所示:

图2 簇型拓扑网络

上面讨论的只是一个由单簇构成的最简单的簇树。PAN网络协调器可以指定另一个设备成为邻接的新簇头，以形成更多的簇。新簇头同样可以选择它的子设备成为新的簇头，进一步扩大网络的覆盖的范围。但是许多的簇头会增加簇间消息传递的延迟和通信的开销。为了弥补这个缺陷，簇头可以选择最远的通信子

设备作为相邻簇的簇头，这样可以最大限度的缩小不同簇间消息传递的条数，达到减小延迟和通信开销的目的。另外，还有一种对等网络-网状网络，他与簇型

网络有很多相似之处，但最大的不同在于一个RAN网络中，任何两个终端设备，只要是由FFD构成的，相互之间就可直接通信。但是，这种网络结构比较复杂，相比之下价格昂贵，并且由于可通信节点过多，容易产生信道冲突，会增加消息传递的延迟和通信开销。其网络拓扑结构如图3所示：

图3 网状拓扑网络

Zigbee协议使用IEEE802.15.4规范[23]作为介质访问层(MAC)和物理层(PHY)。IEEE802.15.4总共定义了3个工作频带：2.4GHz，915MHz，868MHz。每个频带提供固定数量的信道。例如，2.4GHZ频带总共提供16个信道(信道11-26)、

9l5MHz频带提供10个信道(信道1-10)而868MHZ频带提供1个信道(信道0)。IEEE502.15.4标准是针对于低速无线个人区域网(Low-rate Wireless Personal Area Network，LR-WPAN)，把低能量消耗、低速率传输、低成本作为重点目标，旨在为个人或者家庭范围内不同设备之间低速互连提供统一的标准。

1.1.5家庭物联网的架构

工业与信息化部电信研究院在其物联网白皮书中提出，物联网网络架构由感知层、网络层和应用层构成，如图4所示。

图4 物联网架构

感知层能够实现对物理世界的识别感知、信息采集和处理控制。在在家庭物联网中，中感知层主要指布置于室内的各种感应器、智能电器等，其一般具有嵌入式微控制器/单片机。单片机（Microcontrollers）是一种集成电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU、随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计数器等功能（可能

还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的微型计算机系统。上文所述的通讯模块，即通过I/O接口与单片机/微控制器相连。

网络层主要通过现有的互联网、通信网或者下一代通信网，实现信息的可靠传递、路由和控制。在智能家居系统中，即是由各种有线/无线网络技术组成的

物联网络。家庭物联网络还可通过家庭网关进行不同协议网络间的数据传输，如Zigbee网络通过Zigbee-IP网关即可以通过互联网、GPRS与远距离设备互联，

达到远程控制的效果。

应用层主要包括基础设施/中间件和各种物联网应用。即对物联网集采集到的设备数据进行管理、控制。对家庭物联网来说，即可以实现智能抄表、自动监控等，通过不同的应用程序，甚至可以实现网上智能缴纳水电费等。

1.2嵌入式系统与智能家居产品

如报告第一部分所述，智能家居产品的智能是指能够通过物联网进行人物、物物之间联动，因此其自身的智能化是前提，通过嵌入通讯模块连入物联网是基础。作为家居产品要实现智能，最常规的手段即使植入嵌入式系统。

SoC嵌入式系统(System on Chip）是专用单片机（Microcontrollers）技术的延伸，其是指多个具有特定功能的集成电路组合在一个芯片上形成的系统或产品，其中包含完整的硬件系统及其承载的嵌入式软件。

嵌入式系统从从本质上来讲是一种专用的计算机系统，通常作为装置或者设备的一部分。嵌入式系统是一个控制程序存储在固态存储中，并且能够运行在嵌入式处理器控制板的平台系统。实际上，生活中嵌入式技术随处可见，如手机、平板电脑、车载导航、电视机机顶盒等都使用了嵌入式系统，有些嵌入式系统不带操作系统，而有些嵌入式系统还包含操作系统，常见的有usos-II、Linux、winCE 等等，总的来说，嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁剪，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等严格要求的专用计算机系统。

本部分参考文献

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二、智能家居产品发展现况

2.1 智能地板

地板作为传统的地面装饰材料，其装饰属性远大于功能属性。因此其不能像家用电器一样，可以通过植入嵌入式系统和物联网终端通信模块达到智能化或被远程控制。其更多的是以地板为基础，通过建立与物联网相连传感器网络，将其纳入具有特定功能的智能系统。目前国内的智能地板开发主要集中于智能控温地板、基于功能性材料的地板及基于地板的智能系统这四方面。

根据文献、专利检索的结果来看，被冠以智能化的地板产品较多。从1994年起，至2015年7月9日为止，共申请专利219篇。各年申请量如图5所示，其年申请量从2008年开始突破10件，其后以较快速度发展，至2012年已突破35件。这与传感器技术、单片微控制器技术（特别是嵌入式系统）、通讯技术等基础科技的飞速发展及国家政策的扶持息息相关。

图5“智能地板”专利申请数

发表刊文方面，至2015年7月9日止，共发表刊文115篇，其中期刊论文55篇，学位论文49篇，会议论文11篇，学位论文占发表文章总数的43%。这也从侧面表明，作为基础科研单位的大学对智能家居系统的重视。各年份发表的刊文数如图6所示。

图6“智能地板”刊文发表数

介于目前智能家居系统、智能家居产品在我国尚处于初级阶段，其产品的开发也尚处于探索阶段，无法严格的按照基于物联网络、嵌入式系统通过制定网络协议和编制程序而形成的物物、人物的交互式系统进行界定。故本文对其的界定为，只要能够通过某种方式赋予其某种自动运作功能的产品或系统，均被认定为是智能家居产品。

2.1.1智能控温地板

智能控温地板的平台为常见的各类采暖地板，按介质的不同可以分为电加热和热水加热。其加热管道置于地板下部，通过热辐射、热传导等方式来加热地面，

再通过地面作为散热面，利用热对流加热室内空气，达到提高或保持室温的目的。

2.1.1.1 智能化的实现

现有的智能温控地板，基本都以地暖系统为基础，通过建立感应-反馈系统来达赋予产品智能，其以温度感应器探知初、末温度，以单片机或具有控制功能的其他电子设备(如PLC、PID等)作为控制终端，通过通讯技术联通二者，建立一个简单的感应-反馈系统，来实现对温度的智能控制。

各专利中，感应-反馈系统的建立方式分为两种，一种是基于感应器-通讯模块-单片机的感应-反馈系统，其可以通过家庭网关实现远程控制，其属于文章第一部分所述简单的智能家居子系统；另一种则是基于PID控制器-感应器的感应-反馈系统，作为控制部分的PID控制器其相对于单片机来讲，功能简单，只能通过感应器采集的数据，对设定的值进行偏差调整，其与感应器的连接方式亦是通过有线连接，其基本的应用如烘箱的温度控制系统。其最大的优点在于技术成熟，成本较单片机低廉，完全能够满足简单的温度控制需求。但相应的其不具有单片机的程序控制功能，不能完成复杂的指令，如根据地面材料不同，选择不同的输出功率；亦没有如单片机那样丰富的I/O接口，也就是说无法通过I/O端口与通讯模块相连而进入物联网络，其本质上仍属于自动温控设备，而非可互联乃至互动的智能家居产品。

2.1.1.2 控制方法

按感应-反馈系统的建立方式不同，其控制方式也所不同。基于感应器-通讯模块-单片机的感应-反馈系统可以通过室内的控制终端，如PC、平板电脑、智能手机等对其进行控制。也可以通过家庭网关，将家庭物联网与3G网络或互联网连接在一起，从而达到室外远程控制的目的。而基于PID控制器-感应器的感应-反馈系统，因PID控制器与感应器之间以有线形式互联，其通讯网络仅限于两者，且PID控制器没有丰富的数据接口，无法与其余设备互联，故只能在室内通过控制面板或遥控器进行控制。

2.1.2 基于地板的智能系统

2.1.2.1基于地板的预警系统

家庭预警系统是智能家居产品的研究热点，按目的不同。其可分为燃气预警、防盗预警、防摔倒预警、监护系统、漏水预警等等。其均是通过建立感应-反馈系统，赋予产品智能属性。其系统体系如下图所示。

图7 智能预警系统

首先随系统功能不同，在家庭相关地点设置传感器，如压力传感器、光电传感器、燃气传感器、湿度传感器等等。传感器将收集到信息反馈给微处理模块，即单片机，单片机通过I/O接口与物联网通讯模块相连接，并通过物联网将信息传送至家庭网关。家庭网关可以将两种采用不同网络协议的网络连接在一起，比如，将各种通讯技术组网的家庭网络与互联网络或3G网络等连通，从而实现远程预警、控制。下面以防摔倒预警系统为例对预警系统进行说明。

基于地板的防摔倒系统主要通过在地板下设置压力感应器采集地板的受压信息，并通过如上文所述的设备及网络对信息进行处理并传送至云端。一般云端服务器由单片机或其他智能设备担任，其可以处于室内与网关组合在一起，也可以是由互联网连接的第三方智能设备。云端服务器通过预制程序对压力数据进行整理分析，当超过报警阈值，云端服务器会进入报警及处理程序。或通过向智能终端发送信息，或向室内与物联网相连的智能电话控制模块下达指令启动报警程序。

同样是基于压力传感器，根据云端控制器程序设定的不同，其亦可以有更为多样的功能。如防盗功能，当主人离开家以后，开启防盗程序，当屋内压力感应器感应到压力数据后，会自动通过程序向智能终端发出警告或依程序采取其他措施。

在屋内除了布置单一传感器，也可以布置多种传感器。如同样是基于压力传感器的防摔倒系统，在厨房增加布置燃气传感器，燃气传感器检测到燃气信息并上传至云端后，云端根据并行的程序向智能终端发出报警或采取其他措施。

2.1.2.2基于地板的引导系统

图9 基于RFID的智能引导地板

的室内智能系统。由于室内空间较小，要提供

正确的引导，必须基于精准的定位。如左图所

示，是一种基于RFID(无线射频技术)的引导

系统，其先将房间分为若干个单元格，每个单

元格都有一个独一无二的RFID标签。用户通

过鞋底的RFID接收器读取出自己所处单元格

的标签信息，并通过物联网将信息传送至上位

机（PC等，区别于采集功能的微信计算机，

如单片机）或总控制端。上位机接收并解析信

息，获得用户的坐标后，依据程序计划出最优

路径并由定向系统传送给用户。由于针对人群

的特殊性，定向系统和输入系统均采用语音系

统。

除了针对人的系统外，亦有针对智能机械设置的交互系统，如智能机械定位

与引导系统。该地板系统将地板划分为多个栅格，在每个栅格上均设置有压力传

感器和引导装置，当压力传感器检测到被引导物，会将采集到的数据传给MCU

（即单片机）并由其通讯模块将数据发送至上位机，以确定被引导物的位置。再

由上位机合理规划出被引导物的移动路径，并通过LED灯、超声波发射器、红

外线发射器或电磁发射器指引被引导物体运动，相应的被引导物具有相应指引技

术的接受模块，用于感知已设定的指引路径。

对于智能机械的定位，除了采用压力传感器，也可以采用光纤传感器。其也

将地板划为若干网格，将光纤传感器铺设在网格中，并构建光纤感应器测量模型。

在模型构筑时可以将传感器的触发模式设置为以下三种，其一、不被触发；其二、

被机器人触发；其三、被人触发或同时被人和机器人触发，并针对这三种情况设

置不同的输出值。再根据输出值构造标记唯一可解码，使人和机器人处于任何一

个网格都有唯一的光纤传感器输出与之对应，并以此保证定位的准确性。

2.1.2.3基于地板的灯具控制系统

基于地板的灯光控制系统较多，其感应器一般为置于地板内的压力感应器，

压力感应器采用有线或无线的方式与灯光控制模块相连。按照控制模块所设定的

程序不同，其可以让灯光向被触发的感应点集中，也可以控制灯光的颜色、明暗

等。

除了针对照明灯具外，亦有针对装饰灯具的专利设计。地板灯是一种安装于地板内，由灯具上表面发光，起到装饰照明或者道路引导作用的灯具系统。其多用于酒店、宾馆、商场和超市等消费场所的走廊或过道中。针对地板灯的智能设计旨在增加灯具与人的互动感，如随人的前进，前方的地板灯依次点亮，后方的灯依次熄灭，同时随控制模块程序的设定不同，其颜色亦可以发生不同的变化。其感应器一般采用压力传感器，感应器与控制器一般采用有线连接的方式。

2.1.3基于功能性材料的智能地板

基于功能性材料的智能地板，主要通过将特定的功能性材料用于地板制造，从而间接的使地板具有与材料相应的功能。根据专利检索结果来看，目前国内此种地板较少，可查的有相变颗粒填充木塑复合地板和温敏可逆变色地板，其各自的简介如下。

1）相变颗粒填充木塑复合地板

其以中空的木塑地板为基本结构，在地板空腔中填满相变珍珠岩颗粒。其特殊之处在于，地板空腔内的相变材料在日间25℃左右，吸收多余的热量发生相变，在夜晚温度降低时再次发生相变释放热量，从而实现室内热环境的智能调节。

其结构示意图如上图所示。该产品所用的相变材料为80%的液体石蜡和20%固体52#石蜡的混合物，通过常压、75℃高温吸附工艺，将其吸入膨胀珍珠岩基体内。后将吸入石蜡的珍珠岩基体先放入钾水玻璃溶液中再放入氯化钙溶液中浸泡各24h，如此重复三次，使石蜡被硅酸钙封于珍珠岩基体内部。

2）温敏可逆变色地板

该专利在地板表面覆盖设置有温敏变色功能层，其在温度变化时会自动变换其颜色，丰富了木地板的色彩。

其温敏变色功能层主要由温致变色剂组成，温致变色剂的主要成分为隐色剂、

显色剂和溶剂，其各自比例为1：（0.1-30）：（1-200）。

2.2 智能家具

2.2.1 智能家具的概念

智能家具的概念出现较晚，国内外对其尚无统一的定义。但如同智能小区、智能建筑、智能家居系统、智能电器等，这些智能产品都是通过取代人类的活动来完成一些功能，从而具有了一定程度的智能。所以理论上可以把能够自动实现一些功能的家具都可以称之为智能化家具。

相对于众多的智能智能化产品，智能家具的自我定位应如下图所示，其和智能家电一起作为智能家具系统的节点，共同构成了智能系统的基础。

2.2.2 智能家具“智能”的实现方式

1）多元智能化材料

在众多智能家具的研究中，主要通过两种方式实现家具的智能。一种是从家具材料的角度提出将自然材料与模拟仿真材料结合在一起，向多元智能化人工材料方向发展。如形状记忆材料，它具有一些奇异的性能，如形状记忆效应、伪弹性等，具有巨大的科学工程意义。

2）智能化系统

目前，智能家具的主流研究方向为利用计算机技术结合家具材料进行智能化系统的设计与控制。其研究主要集中于硬件和软件两方面，硬件上，研究者多着眼于芯片的嵌入技术及家具的自动化。软件方面，研究者更倾向于探讨基础概念及在实际中普及的可行性。其以这两方面的研究为基础，通过将电子技术与传统家具进行组合，形成了典型的智能家具产品。目前国外的智能家具研究已经取得了很大的进展，部分企业甚至推出了一些初级产品或概念产品。

微软surface触控桌面飞利浦概念茶几产品

如微软的surface触控桌面和飞利浦的概念茶几，二者均是以IT 企业或家电企业主导的电子产品的家具化。其出现的原因，是为了将电子产品更好的融入到家庭环境之中，所采用的淡数字产品特征的处理。本质上，其以茶几这种传统家具作为基础，在其中植入触屏、微晶片控制器等所形成的超越传统茶几功能的独立电子产品。其稍加改进即可连入智能家居系统，成为智能家居的节点或控制端。

SieM atic 智能整体厨房产品

除了单体家具以外，国外也出现了整合多种家具功能的的整体智能家具产品。如SieM atic智能整体厨房，其将储物柜、冰箱、碗柜等家具的功能整合为一体，推出了具有智能化的整体厨房系统。

除了各企业外，科研学府间也积极开展合作，研发除了一系列智能家具产品。2003 年爱尔兰的兰开斯特大学与苏黎世、德国、瑞典及芬兰等学府合作开发智能科技，发明了一系列智能家具。如其开发的“智能书架”会在负荷过重时做出

投诉；“智能药品柜”会在药物过期时发出警告；“智能沙发”可以开启电视机、

激活电话录音机、订外卖，甚至还可以认出是谁坐在沙发上，懂得说欢迎辞。德国乌尔姆大学的一个研究小组研制出了一种智能轮椅，它安装有一个先进的导航系统，这一系统利用它的传感器和激光仪连续不断地搜索其周围的障碍物，然后利用自身的嵌入式小型计算机分析出如何选择穿过人群的最佳路线，从而能自动

穿行于拥挤的火车站大厅，而不会与人相撞。美国纽约现代博物馆展馆中央放着一张智能化桌子，里面装了400 多个芯片及20 多个网络接入点，通过感应手的动作，控制有信息装置的特定物体。

2.2.3 国内智能家具发展现况

从所申请的专利来看，国内的智能家具实现智能的方式主要是将传统的柜体、茶几等家具与电子设备进行简单的复合，形成具有一定功能的家具产品，这些电子设备既包括简单的电子设备如报警器、音响系统，亦包括多个设备组合而成的系统或智能系统，如健康监测分析系统、拍照记录系统等。

中国台湾一发明人将通讯原件嵌入传统家具内，通讯原件内储存由该商品的所有信息，包括保修内容、保养信息、维修信息、组装说明、使用说明、商品信息、网站链接、手机模式或广告信息。其特点在于将通常以纸质形式发放的说明书、保修卡、客服电话等变为电子储存，以方便使用者对这些进行保存和管理。同时该通讯原件内的信息还可以导出到其智能设备，如手机、PC、平板电脑等，其发明适用于所有的家具。

陕西西蜂翼智能科技有限公司将红外报警器和茶几复合在一起，申请了一款防盗智能报警茶几。“其包括茶几本体及上面板，所述茶几本体具有的面板下表面固定有红外报警器；所述红外报警器的红外感应开关固定于面板周边的下表面。所述红外报警器包括声光报警装置和与声光报警装置连接的时间设定模块；所述时间设定模块的作用在于对声光报警装置的工作时间进行设定。所述声光报警装置的光报警为置于面板下端周设排布的闪光灯；所述声报警装置为大功率蜂鸣器。该方案的实现在茶几具有了对盗窃者经过茶几时进行报警威慑的功能。优选时间设定模块可以设定其感应报警的时间，避免不必要的误报；加之声光双重报警设计使其报警效果更好。”

深圳华美兴泰科技公司申请了一款具有音响系统的无限智能家具，其将传统的电视柜与音响系统复合在一起。主要结构“包括柜体和布置于柜体的存储空间内的包含一个以上音箱的音箱组，柜体内还设有主控处理模块，主控处理模块上电连接有WIFI 模块、存储路由程序数据的存储器、控制音频播放的播放控制模块和音频解码器，音频解码器还电连接有功率放大器，功率放大器上连接有音频输出端，功率放大器与音箱组电连接。本发明中智能家具中直接集成了音响系统和路由系统，使整个客厅或卧室布置更加简洁，大大减小占用空间，且本发明中电视柜上设有滑槽，音箱上设有滑块，能够左右调节音箱，音箱与滑块活动连接，