【智能家居论文】高端小区的智能家居系统的研究与实现.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 本文通过研究国内外智能家居系统的发展现状，详细分析论述了系统的基本 构成，并对现有智能家居的解决方案进行了细致阐述和讨论。通过对不同技术方 案的优缺点的分析比较，结合我国的实际情况，基于智能家居的以人为本的原则， 设计实现了集散式智能家居系统方案，并在国内某些工程有所体现。 现有智能家居系统多是以单项功能为主，辅助带有少数相关功能，根本无法 真正体现智能家居的优越性，更不能有效地协助生活。本文针对智能家居面对的 这样复杂环境要实现真正的智能化，设计采用A T m e g a 8 单片机为控制核心，应用 现有的计算机技术融合传感变送技术、将现场总线技术结合建筑技术、机械设计 技术，形成一个智能网络系统，实现了对住宅室内环境参数和家用电器的实时监 控及室内相关装置的智能化铃；理。 文中的集散式智能家居系统方案采用组网简便的R S 一4 8 5 的通信协议，运用多 机通信技术实现了虚拟丰机与各个分机的信息交换，克服了依靠丰机导致系统可 靠性差的问题，保证整个系统运行的灵活稳定。系统通过设计专用家居总线，来 有效的实现了住宅信息的共享和设备的控制。另外，本文还设计了几个特色功能 装置，如节水装置可以回收中水；温水保持装置可以保证人在室内时随时供应热 水；温湿度系统能保证室内的舒适度；室内牛态系统能够保障植物的牛长环境，并 可调节产生氧气的利用和二氧化碳的隔离排放；安全防盗系统能够保障无需人为 设置而自动识别并自动设置解防或设防；其他人性化的功能如换气消毒、住宅节 能、网络音响、电话铃声都显示了该系统与众不同的智能化特色，充分体现了系 统的安全、舒适、节能、环保牛态效果，较为完整的展现了智能家居的本质特征。 该系统具有通信灵活可靠，操作简单，性价比高，易于维护等特点，具有很 高的推广价值。 最后，论文还结合试验论述了智能家居的组建步骤和设计原则，论证了该行 业的发展现状和应用前景，着重对“以人为本”的设计原则进行了蜊述和倡导。 关键词：智能建筑；智能家居；控制总线；单片机 山东大学硕士学位论文 A BS T R A C T T h et l l e s i sb e g i 璐、析ms t u d 妒n gt l l e d e V e l o p m 锄tc o n d i t i o no fd o m e S t i ca n d i I l t 锄a t i 伽u a lS m a nH o m eS 归e I I l ，觚di I l 臼0 d u c 懿t h ep r e s e n ts o l u t i o nb yd e “l e d 锄a l y z i n ga n dc o m p a r i n gm ed e V e l o p m c I l ta l ll ( i n d so ft c c l l l l o l o g i 伪C o m b i r l i I l gt h e t I I a lc i r c u 撇eo ft 1 1 eo u rc o u 呲b 嬲c d0 nt h ed e s i 四研n c i p l eo f ”h 啪a I l i 刚，t l l e m e s i sd e S i g n s 锄dr e a l i z e saD i s 伍b u t eS m a n H o m eC o l l t I - o lS y s t 锄。 T h ep r e s e n tS m a nH o m eS y S t e mm o s t l yw i ms i n 百e i t e I I l 胁c t i o 璐锄d 鹊s i s t e da h a n d 向lo fr e l a t e dm n c t i o 璐，c 锄t e m b o d y 也e 鲫p 嘶o r i t yo fi n t e l l i g e n c e ，o r 嬲s i S tl i f e A i m sa tt 1 1 er e 羽m e 枷n go fi n t e l l i g e n c eo ft h ec o 唧l i c a t e d 锄v 的r u n e n t 也et h e s i s d e s i g t l St 0a d o p tA r m e g a 8s i n g l e c h i p 罄t l l ec o n t r o l l i n gc e I l t a p p l i e st I l ee 妇s t i n g c o m p u t e rt e c l l I l o l o g y ，s e n S o r 慨1 1 l l o I o g y 觚dc o m b i n ef i e l db u st e c h n o l o g Ma r c l l i t e c t u r e t c c l l l l o l o g y 肌dm e c h a I l i s md e s i g nt e c h n o l o g y 觚dc o m p o s 髂锄i n t e l l 追e n tn e t w o r k s y s t e m t or e a l i z et h e 如n c t i o no fa d j u s t i n gi n d 0 0 r V i r o n m e n t ，c o n t m l l i n ga n d s u p e r V i s i n gh o m e 印p l i 锄c e s e 觚dm a n a g i n g i n d 0 0 rr e l a t e dd e V i c e si n t e l l i g e n t Iy 1 r t l cD i s t r i b u t e dS m a r tH o m eS y s t e ma p p l i 鹪R S - 4 8 5c o m m u n i c a t i o np r o t o c o l w h o s ef r 暑衄ei s s i I n p l e a I l du S c sm u n i m a c h i n e c o n e s p o n d e n c et c c h n i q u e c 硎e do u tm ei n f o 肌a t i o nc o m m u t a t i o no ft l l ev i r t u a lh o S t 锄de a C he x t e I l S i 咀 o V e r c o I l l i n g l ew e a l ( d 印锄d a b i l 时o fd 印锄d i n go no n eh o 鸥锄dg u a r 锄t e 懿t l l ev i v i d s 讪i l i t yo ft l l ew h o l es y S t 锄c i r C u l a t e B 勰e do nd e s i g 衄血gt I l eh o m eb u s ，r e a l i z e st o s h a r e t h er e s i d e n c ei n f 0 r n l a t i o n 锄dc o n 仃o la l lt h ee q u i p m e n t s e se 骶c t i V e l y 1 1 1a d m t i o I l t l l ep a p e rd c s i 印saf e wS p c c i a lf e a 眦s 鼬1 c t i o n se q u i p ，s u c ha ss a V i n g w a t 丽n s t a l l m e n t t l l ew 洲1w a t e rm a i n t e n 锄c ei n s t a l l m e n t t e m p e r a t u r ea n dh 啪i d i t y s y s t e mc 锄g u a r a n t e em ei n d 0 0 rc o m f b r t a b l em o d e r a t i 伽，e c o s y s t e ms y s t 锄i n d o o rc 舭 g u a r a n t e et h ea i ri n d o o r 肫s h ，t h es a f e t yg u a r da g a i 璐tt l l e f ts y s t e mc a I lg u a r a n t e e w i t l l o u tt h ea r t i f i c i a lc o l l S t i t u t i o n 锄dc o n t r o lm es o l u t i o nt 0d e f 醯do r 懿t a b l i S ht o d e f 酮db yi d e I l t i 聊n ga u t o m a t i c a l l y A n do l c rh u m a m z e d 劬c t i o na l s om a l l i f e S t e so u t o fm eo r d i n a 叮锄dt 1 1 ei n t e l l e c t u a J i z e dc h a r a c t 甜s t i co ft h eS m a nH o n l eS y s t e m ，锄d s h o w so u tt l l ec h a r a c t e ro fc o m f o r t ，s a V i n g 饥e r g y ，e c o n o m 弘伽e 唱e st h eb a s i c c h 缸a c t 硎s t i co f i n t e l l i g e n c eo ft h es y s t e mc o m p l e t e l y N o wt l l e s y s t e r I l i sr e l ia _ b l ei l l c o m m 岫i c a t i o 玛 s i m p l ei no p e r a t i n g ， 2 山东大学硕士学位论文 衔锄d l yi I lm 锄m a c h i n em 刊沁e h i g l lm t i oo fp e f f 0 咖a n c et 0 p r i c e ，e a s yt 0 b e m a i l l t a i l l e d 锄dw o r h yt ob e 代：c o 棚【I n e n d e d A tl a s t t l l en l e S i sa l s oc o m b i l l e St 0 唧荫m 印tt o 击s c 憾sm eS t e p 锄dt l l ed e s i g n p 血1 c i p l e so fS m a r tH o m e ，缸t h cs 锄et i I I l ea r g u c dt h ed e v e l o p m e n to fp r 瞄e n t c o n d i t i o na n dm ea p p l i c a t i o ni nn m 鹏，e n l p h 嬲i z 。d ，e l d b o m 伽锄di l l i t i a t e d l ed e s i 弘 p m c i p l eo f I t h u m a n j s t ” K e yw o r d s ：I n t e l l i g 耐B u i l d i n g S r 衄r tH o 鹏C 0 n 们l - b u SS i n 出c c 啦T h e S i s ： R e s e a r c hf o rA p p l i c a t i o n 3 山东大学硕士学位论文 1 1 课题背景 l 绪论 信息技术的发展迅速，己深入人类牛活的各个领域，并对人类的居住环境和建 筑业发展产生了巨大的影响，人们已开始追求充满信息技术、安全技术、高效节 能、并具有丰富人文环境的绿色住宅【l 】。不断加快的生活节奏，使人们有了掌握海 量信息的需求，急需有一个方便快捷的系统平台，智能家居系统就是把人们从繁 重的家务劳作和繁琐的家电操作中解放出来，并能自动协助人们生活的智能化系 统。智能家居是信息技术和建筑的完美结合，其目标是使人们拥有安全、舒适、 便利、节能、娱乐和优美的牛活环境，这是新世纪住宅发展的必然趋势。 在2 0 世纪8 0 年代末的美国诞牛了智能建筑，并在美、日、欧及世界各地蓬勃 发展，为人们的工作和牛活带来了很大便利，而2 0 世纪9 0 年代初出现的智能家 居，则是真切切让人们感觉到了建筑智能化的实际功用。同时，智能家居节能环 保的特性，正是可持续发展的基本思路，这进一步表明了智能家居的广阔应用前 景和也孕育着巨大的市场潜力。 目前，针对建立高效率、低成本和网络化的智能家居终端，国内外的许多公 司都提出了相应的解决方案，中国国内市场相关产品还较少，国际上的产品价格 较高且还没有进入国内市场，随着市场的高速膨胀，产生的商机将是非常巨大的。 令人欣喜的是，第一代的国产嵌入式智能家居终端已经推出，日前正在向第二代 过渡，国内的许多智能家居控制器都是基于R S - 4 8 5 协议的数据总线通讯方式，该 总线通讯接口是系统内部通讯的统一接口，可以在此总线上接入无线收发和家庭 自动化控制模块，从而实现多种通讯方式，在此总线上采用统一供电的方式，使 模块接入非常方便。虽然，基于R S - 4 8 5 总线的系统结构并不先进，但由于其结构 简单，布线方便，构成系统功能合理，所以本文深入研究了基于R S 4 8 5 总线的智 能家居系统。 4 山东大学硕士学位论文 1 2 研究意义 随着信息技术的飞速发展，可以预见，不远的将来智能家居市场必将迎来它 的繁荣发展阶段。但是，当前的智能家居产品大都功能贫乏，系统设计不规范， 较难适应当前的发展形式，同时智能家居技术在我国还是刚刚起步，许多技术标 准都还不统一，还有很多工作需要做。因此加强这方面的研究，如何选取合适的 技术，进行合理的方案设计，进而组建一种符合我国国情的、具有自主知识产权 的智能家居系统己成为当前智能家居领域中极富挑战的课题。本设计课题就是在 这种背景下，经导师细心指导后选定的。 1 3 研究目标 该试验着重研究智能家居功能的完备性，系统的合理结构，具体实现以下系 统功能： ( 1 ) 灯光系统实现自动识别需求和丰人的牛活习惯。 ( 2 ) 音乐系统实现联网设备共享并能独立工作。 ( 3 ) 安全防盗系统自动设防撤防，自动识别盗贼并采取必要的措施。 ( 4 ) 生活保证系统自动探测室内温湿度并进行实时处理。 ( 5 ) 牛态系统自动料理植物花卉，实现对室内环境的营养调节。根据室内情 况决定空气的清新和消毒。 ( 6 ) 节能系统能够保证住宅整个能量利用的合理性，电能的合理分配：洗浴用 水的利用；太阳能与其他能量的协调利用。 1 4 智能家居与智能建筑的关系 社会的进步促使家庭环境发生了质的变化，家庭住宅需求的概念也发生了彻 底变革：从追求宽敞豪华的居室空间向着享受现代化精神内涵与浪漫生活情趣的方 向发展。这种思想的出现促使了智能建筑的出现，人们较早的了解了智能建筑的 概念，但由于成本较高，所以一直未在家庭中应用，故智能家居的出现较晚。其 实，智能家居是智能建筑的一种形式，是其功能的延伸与细化，有着智能建筑的 固有特点。具体来说，智能建筑是从宏观上实现建筑的智能化，使孤立的建筑信 山东大学硕士学位论文 息瓦通，而家居是一个个与人们亲密接触的具体的建筑单元，它能够优化人们的 居住环境，使住宅环保舒适。 为了更好的说明智能家居与智能建筑的关系，下面介绍一下智能建筑的具体 存在形式。智能建筑( I n t e l l i g e n tB u i l d i I l g ，I B ) 是信息时代的产物，是随社会信息化 和经济全球化应运而牛的，是现代高科技的结晶。智能建筑完美地体现了建筑艺 术和信息的融合，大大改善了人类的居住和牛活环境【2 1 。根据规模和用途的不同可 以分为以下几种：智能大楼、智能广场、智能化住宅、智能化小区、智能城市、智 能国家如图1 1 所示 ( 1 ) 智能大厦 智能大厦的基本框架是将B A ，C 八O A 三个子系统结合成一个完整的整体，发 展趋势则是向系统集成化、符理综合化和多元化以及智能城市化的方向发展，真 正实现智能大楼作为现代办公和牛活的理想场所。 国 图1 1 智能建筑的分类示意图 ( 2 ) 智能广场 智能建筑将从单幢大楼转变为成片开发，形成一个位置相对集中的建筑群体， 称之为智能广场( ( P l a z a ) 。而且不局限于办公类大楼，还向公寓、酒店、商场、医 院、学校等建筑领域扩展。 ( 3 ) 智能化住宅 智能化住宅是指通过家庭总线( H o m e D i s t r i b u t i o nS y s t e m ，H D S ) 把家庭内的 F I 黔| l 山东大学硕士学位论文 各种与信息相关的通信设备、家用电器和家庭保安装置都并入到网络之中，进行 集中或异地的监控和家庭事务性管理，并保持这些与住宅环境的协调，提供工作、 学习、娱乐等各项服务，营造出具有多功能的信息化居住空间。 ( 4 ) 智能化小区 智能化小区是对有一定智能程度的住宅小区的笼统称呼。智能化小区的基本 智能被定义为“家居牛活信息化、小区物业管理智能化、I C 卡通用化”。智能小区 建筑物除能满足基本生活功能外，还要考虑安全、健康、节能、便利、舒适五大 要素，以创造出各种环境，从而使小区智能化有不同的等级。 ( 5 ) 智能城市 在实现智能化住宅和智能化小区后，城市的智能化程度将进一步强化，出现 面貌一新的信息化为特征的智能城市。 可以看出，智能家居是智能建筑的一个组成部分，是智能建筑功能的延伸。 智能建筑提供了巨大的系统互联环境，使得各个大厦之间紧密结合，协调控制， 而智能家居则完成了住宅智能化的最后十米，真正的使人们感受到智能牛活的便 利，故选取智能家居系统为研究对象有着深刻的意义。 国内智能家居行业刚刚展开，各系统集成商之间的竞争也是日渐激烈，但是 所提供系统的实际性能价格比还有待商榷。智能家居的各厂商的激烈竞争，产品 多样，技术路线各异，没有统一的标准规范，相互之间无法兼容，导致系统构建 必须固定一家厂商，无法形成合理的价格竞争机制，同时在系统更新换代方面严 重受限，甚至会出现厂家倒闭，系统随之报废的情况。为了促进智能家居的健康 发展，必须探索规范化、标准化的道路，类似于采用分布式控制系统，模块化组 建系统，使各J 家的产品遵循统一的接口协议，实现瓦用互换，所以本文系统构 建采用了分布式控制系统结构并且模块化组建，根据统一的协议各模块独立工作 互不影响，保证了系统的可靠性和功能的可扩展性。这不仅是智能家居系统的一 次尝试，更是体现了智能家居系统设计合理结构的优越性，为以后产品研发提供 了参考。 山东大学硕士学位论文 1 5 本文的特色 本文的特色在于不只是从理论上分析蜊述智能家居的系统构成，而且通过工 程实例细致的描述整个研制实施过程，希望从实践中发现问题、解决问题，同时 为我国智能家居技术的研究提供一些现场试验的资料素材。由于技术水平所限， 试验采用的控制技术和通信方式并非先进，但是从系统结构形式上完全符合最新 的发展趋势，能够较为真实的展现现实的状况。通过实践研究，对智能家居的现 场实施过程、系统功能、以及软硬件的开发技术均进行了详细叙述，最后，从工 程实际中提炼出经验教训，客观的进行了论述。 1 6 本文的实际工作 由于智能建筑体系庞杂，内容繁多，工程集成商为了获得利润进行的商业炒 作，以及工程习惯的影响，使许多问题被严重的误解。系统总线实现了整个住宅 内的音乐设备共享、室内环境自动调节、家用电器的自动控制以及节能节水装置 的自动运行等。 具体的，根据掌握的技术水平进行了样板工程的设计与实施，亲历智能家居 系统的实现过程，完成了以下具体工作： ( 1 ) R S _ 4 8 5 总线技术多机通信方式：组建了智能家居系统样板工程控制网络。 ( 2 ) 智能家居控制器的研制：利用A T m e g a 8 单片机作为处理器，开发了控制 模块。 ( 3 ) 环境参数采集模块：以A t l I l e g a 8 单片机作为处理中心，以各种传感器作为 采集单元 开发了信号采集模块。 ( 4 ) 学习型红外遥控器：可以现场学习红外遥控信号，系统智能控制相关家电。 ( 5 ) 随时洗漱温水供应装置：设计实施了一套基于太阳能和燃气锅炉的热水供 应调温装置，有人在家时温水管自动循环，保证水温适宜。 ( 6 ) 家庭洗测后的污水回用装置：为了节约用水，将洗于、洗衣、洗浴等可利 用废水，统一收集储存，处理后回用于冲洗马桶。 山东大学硕士学位论文 2 1 智能家居概述 2 智能家居系统概述 2 0 世纪9 0 年代初，美国、欧洲和新加坡等经济比较发达的国家先后提出了“智 能家居”( S m a nH o m e ) 的概念。通过家庭智能化技术，实现家庭中各种与信息相关 的通信设备、家用电器和家庭保安装置通过家庭总线技术( H o m eB u s ，简称H b 哪) 连接到一个家庭智能化系统上，进行集中的或异地的监视、控制和家庭事务性管 理，并保持这些家庭设施与住宅环境的和谐与协调。 2 1 1 智能家居的相关概念 国家建设部住宅产业化办公室对于住宅小区智能化的基本概念是这样叙述的： “住宅小区智能化是利用4 C ( 计算机、通讯与网络、自控、I C 卡) 技术，通过有效 的传输网络，将多元信息服务与倚理、物业仟理与安防、住宅智能化系统集成， 为住宅小区的服务与管理提供高技术的智能化于段，以期实现快捷高效的超值服 务与符理，提供安全舒适的家居环境。”根据对数字社区和家庭自动化技术的长期 跟踪开发与市场调研，结合目前家庭应用的实际情况，有关人士提出了一个的智 能家居系统的基本概念，即通过综合采用先进的计算机、通信和控制技术，建立 一个由家庭安全防护系统、网络服务系统和家庭自动化系统组成的家庭综合服务 与毹；理集成系统，从而实现全面的安全防护、便利的通讯网络以及舒适的居住环 境的家庭住宅。 智能家居利用先进的计算机、嵌入式系统和网络通讯技术，将家中的各种设 备通过家庭网络连接到一起。智能家居是以住宅为平台，兼备建筑、网络通信、 信息家电、设备自动化，集系统、服务、篱理于一体的高效、舒适、安全、节能、 便利的居住和生活环境【3 】o 要完整论述智能家居，首先要对若干在智能家居发展过程中有着重要影响的 系统进行介绍。 ( 1 ) 家庭自动化： 9 山东大学硕士学位论文 利用微处理电子技术，集成或控制家中的电子电器产品或系统，例如：照明灯、 咖啡炉、电脑设备、保安系统、暖气和冷风系统、视频和音响系统等。它是智能 家居的一个重要系统，在智能家居刚出现时甚至等同于智能家居。 ( 2 ) 家庭网络： 家庭网络是在家庭范围内，将电脑、家电、安全系统、照明系统与网络相连 接的一种新技术。它的发展趋势是将智能家居相关的各种设备与系统不断地融合 进去，最终一统天下。 ( 3 ) 网络家电： 利用数字技术，网络技术及智能控制技术将普通家电进行设计改进的新型家 电产品。其未来的发展方向是充分融入到家庭网络中间去。 ( 4 ) 信息家电： 信息家电( 3 C ：C o m p u t C o n s u m C o m m u n i c a t i o n 或I A ：I n f o 肿a t i o n A p p l i c a l i o n ) 是一种价格低廉，操作简便、实用性强、带有P C 主要功能的家电产 品，是将电脑网络技术和通信技术与传统家电相结合的新产品。由此可见，家庭 自动化产品、家庭网络产品、网络家电产品、信息家电产品实际上都是一种智能 家居系统产品，它们有各自不同的产品特征，不能简单的将它们划等号。 2 1 2 智能家居的发展现状 智能化住宅发展分为三个层次，首先是家庭电子化( H o m eE l e c t r o n i c s ，H E ) ， 其次是住宅自动化( H o m eA u t o m a t i o n ，H A ) ，最后是住宅智能化，美国称其为智 慧屋( w i s e H o u s e ，w I I ) ，欧洲则称其为时髦屋( CS m a r tH o m e ，S H ) ，在我国称为 智能家居或智能住宅。 目前，智能家居在国内的发展己全面展开，不论是技术还是市场方面都出现 了可喜的局面。近几年，在各大公司和媒体的强大概念宣传攻势下，智能家居行 业逐渐形成，可用的、接近现实需求的产品不断增加，集成商、开发商以及装修 公司己经积累了很多经验，也出现了大量具有实力的产品提供商。2 0 0 5 年1 2 月 1 7 日，正值第七届中国住交会举办的第二天，由千家网丰办的第六届中国国际建 筑智能化峰会上，揭晓了“2 0 0 5 年中国智能家居十大品牌”分别是：索博、瑞朗、 普力特、安居宝、海尔、波创、麦驰、松本智能、美联国际、美格数码。虽然这 1 0 山东大学硕士学位论文 种评选并不能代表这些厂商的真正实力，但至少从侧面反映了我国智能家居行业 发展的良好态势。 从表面看来，国内的智能家居厂商的构成较为复杂，技术实力也相差悬殊， 无法准确评价技术水平。主要是因为目前市场局面没有完全打开，一些有较强实 力的公司均己开始了技术储备，其技术水平不可估量，但市场没有较好的展开之 前，他们不会大规模投入市场，故我国智能家居的蓬勃发展指日可待。 下面就目前就选取一些较为活跃的厂商进行阐述。 ( 1 ) 家电厂家从概念走向产品 先从大家熟悉的家电企业开始，从最近两年的媒体报道也知道，许多企业都 开始“触网”，有些走得更快的已经树起了“信息家电”或、智能家居”的大旗。 国内较有实力家电厂商均进行了涉足，比如，康佳、创维、厦华、美的、春兰等， 他们或推出系统或改进产品推出信息家电。这些厂商的努力，可以提供更多更好 的适合未来家庭的家电设备，为智能家居的实施提供功能终端设备。 ( 2 ) I T 厂家全力出击 国内r r 厂家最早从信息家电概念开始涉足智能家电领域，自从1 9 9 4 年，国 内出现的第一个智能家电的雏形，到1 9 9 9 年3 月l O 日，微软的比尔盖茨的深圳 之行推出的“维纳斯”计划，使兀 厂家加快了产品研发进程，经过一段狂热的炒 作，各，一家终于有清晰的定位。他们的研究可以从系统构成上提供高层次的技术 进步，从根本上解决目前智能家居存在的弊端和问题。 ( 3 ) 专业智能家居厂家正在成长 目前，国内专业的智能家居厂家的数量正在迅速增长，这些J 。家包括上面提 到的2 0 0 5 年的中国智能家居十大品牌在内，他们有些是独立开发，有些是引进国 外技术在国内进行牛产和集成。 就智能家居解决方案而言，丰要闲难是系统通信，仙由于该行业的初级阶段， 产品技术水平还不太高，人们对通信流量的要求也较低，所以，采用电力线载波 的产品占有优势，索博和瑞朗的通信方案都是如此。普力特的通信有线和无线均 有，技术实力较强，有电力线载波和具有专利产权的A p b u s 总线技术尤为值得称 道。其他厂商也不甘示弱，纷纷投入大量的人力财力进行研发，行业的发展趋势 一片大好。 山东大学硕士学位论文 ( 4 ) 智能家居咨询顾问活跃 除了以上产品牛产的相关的或专业的智能家居厂家，在这一领域，还活跃着 一些专业的智能家居媒体、咨询顾问、产品分销和集成商，它们也是这一行业的 中坚力量。在智能家居大量普及应用前，这些市场先锋甚至在做着知识普及和方 案推荐的工作，而不是直接业务。他们为这个市场擂鼓呐喊、为厂家出谋划策、 为用户多方考虑。由于这方面的咨询顾问服务也没什么先例可循，这就需要有更 多的勇气，具备更多创新精神和投入更多精力，主要包括一些专业公司、媒体和 网站，也在智能家居的发展中起着重要的作用。 2 1 3 智能家居的功能 作为独立的个体，智能家居主要包含：家居综合布线、家居安全防范系统、家 居背景音乐系统和家居电器自动控制系统【4 1 。本文根据作者所掌握的技术情况，尽 可能完善的设计系统功能，同时考虑了实际的居住需求，适当的作了一些个性化 的设计，使整个系统效果良好，体现了最新的系统特点。由于智能家居的功能相 当强大，为了达到业丰要求，首先考虑满足以上四种最基本的功能。另外，要视 情况考虑其他的个性化设计，比如在工程中添加了热水供应、污水回用等功能， 共同实现完美的智能家居环境。 2 1 4 智能家居的设计的原则 在智能家居系统规划中，系统遵循的总体规划原则应该是”以人为本”，也可 以说是以管理和服务为本，这是贯穿整个系统规划的中心思想。智能家居的智能 化设计应该始终站在使用者的角度进行设计，务必做到智能家居功能适当、系统 稳定、操作方便。在智能家居的各个组成部分的实际规划设计中必须紧扣用户的 实际需求去展开规划和设计，这样才能充分体现“以人为本”的总体规划原则。 2 2 智能家居系统产品的国内外发展现状 2 2 1 国外产品的特点 总的来说，国外智能家居产品丰要注重于家庭内部的功能实现，市场上有两 类产品：以安防报警为丰的系统和同时具有安防报警与家庭自动化功能的系统。 山东大学硕士学位论文 以安防报警为主的产品或厂家很多，中国市场上比较熟悉的如C E N T R O L ， A D E M C O ，R o K I ) N E T 脚O X 等等。这些产品的自动控制功能包括远程电话 控制，本地灯光控制功能，有的系统还包括本地界面二次设计，音响电视等娱乐 系统的多点控制功能以及内部对讲等。国外的市场一般都是单户使用，因此家庭 智能化产品的厂家比较注重单户家庭里功能的实现，其价格比较高和联网的能力 方面差，在中国这个以小区为丰流市场中推广时遇到了阻力，这种弊端，却很好 的促进了智能家居在中国的本土化研究，避免了进口产品的各种不利影响。 2 2 2 国内常见智能家居系统的技术特征 由于发展时间较短，国内智能家居系统还很不成熟，其系统构建方式多样。 目前，国内市场上存在以下几类不同结构形式的系统类型。 ( 1 ) 拼凑型控制系统 功能间无关联的孤立，各个功能子系统独立设计、自丰工作。例如安防系统、 灯光系统。各子系统相互之间互不相连，不能交换数据。这类系统的缺点是各予 系统不能相互协调，统一控制，网络的潜能与优势未能开发。 ( 2 ) 主机式集中控制系统 在住宅内安装一台“智能控制中心一，它可以是一台普通计算机、嵌入式或者 单片计算机系统。一般采用星形拓扑结构，从控制中心引出多种控制与数据线， 连接到住宅中所有需要实施控制或者获取数据的监控节点，现场设备与中央控制 单元，使用标准模拟信号传输现场信息。每个监控节点不安排任何数据处理能力， 只是单纯地完成对继电开关控制( 例如控制灯光或电源) ，或者采集无源的数据( 例 如门磁开关信号1 。系统的逻辑关系固定在丰控制器上，有的可以通过软件修改。 这种结构有着非常严重的问题，首先不可靠，大量数据集中处理，无法保证系统 的实时性，另外一个控制中心容易出现系统瘫痪，造成严重的后果。 ( 3 ) 分级集中控制系统 它是前一类型的扩展，同样也采用在住宅内安装一台“智能控制中心”，星形 拓扑结构。如果现场采集量较大，通常在中央控制单元和现场设备之间加入现场 级的控制单元( P L C ，单片机等) ，现场控制单元与中央控制单元之间使用R S 2 3 2 ， R S _ 4 2 2 ，R S - 4 8 5 等通信标准。 山东大学硕士学位论文 ( 4 ) 分布式现场总线控制系统( D F C S ) 采用分布式智能现场设备，控制功能下放到各个现场节点，不需要个中央 控制单元来集中控制和操作，智能现场设备各自完成控制和通信任务。现场设备 与通信线直接连结，采用开放式结构和现场设备互连，一般采用总线型拓扑结构。 本方案虽然不是最优方案，但是技术难度适中，符合试验现场要求，故本文的系 统设计即采用该结构形式。 ( 5 ) 分布式网络控制系统( D N C S ) 采用分布式智能现场设备，控制功能下放到现场节点，不需要一个中央控制 单元来集中控制和操作，通过智能节点来完成控制和通信任务。混合的通信媒介， 可以使用双绞线、电力线、光纤、无线电射频、红外线和同轴电缆等等。 2 3 控制技术 智能控制技术包括智能检测和控制技术两方面，是以计算机为核心部件，将 信号监测、数据处理与计算机控制融为一体的一种新兴综合性技术。它既能完成 较高层次信号的自动化检测，又具有多种智能控制作用f 卯，以往国内的智能家居的 系统架构，各种智能化系统和产品应用很多，但大部分都是系统相瓦独立、集成 度比较低、各个系统相瓦联系不大、家庭内部没有统一的平台。 2 3 1 智能家居平台系统的技术特点 智能家居网络随着集成技术、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。 ( 1 ) 通过家庭网关的互联 家庭网关是智能家庭局域网的核心部分，丰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 网关一般还负责家庭智能设备的管理和控制。 ( 2 ) 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。 1 4 山东大学硕士学位论文 ( 3 ) 嵌入式系统的应用 以往的智能家居中，绝大多数是由单片机控制，随着新功能的不断增加和性 能的不断提升，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。 2 3 2 智能家居平台系统的技术发展趋势 ( 1 ) 硬件平台的处理能力日益增强 早期的智能中控器采用8 位单片机作为核心处理单元，功能比较简单、纯粹， 往往只具备安防、三表采集、简单文字信息发布和简单的家电控制功能。近几年 很多厂家为了使自己的产品功能更全面、显示更美观，采用了处理能力更强的单 片机或使用多颗单片机协同工作。 ( 2 ) 智能家居平台逐步成为一个综合平台 最初的智能中控器往往独立于传统的安防和对讲系统，用户的家中需要安装 几套彼此独立的子系统，增加了安装和使用的复杂性。行业间的技术整合促使智 能家居平台成为包括安防、对讲、信息、家电控制、家庭数字影音为一体的智能 化家居平台。 ( 3 )由模拟向数字化转变 如同模拟电视向数字电视、模拟于机象数字手机的逐步转变样，智能家居 平台也正在经历着一场由模拟到数字的变革。现在是数字化的时代，数字信号比 模拟信号所传输的信息量要大很多，而且不象模拟信号那样因为信号容易受到干 扰或者衰减而导致信号缺失。 ( 4 ) 从有线走向无线 无线传输的盛行来自于人们对于灵活、便携、无所不在的需求。无线传输特 点就是灵活，移动性和可扩展性是有线传输方式所无法具备的，同时无线技术所 需要解决的难题也多的多。尽管有很多问题需要技术研发人员不断的去钻研创新， 相信从有线走向无线的总趋势无法逆转。 2 3 3 智能模块 智能模块是智能家居平台的执行单元和控制末端，它利智能中控系统是个 有机的整体，如同大脑和神经末梢的关系一样，协调动作才能完成整个控制过程。 山东大学硕士学位论文 智能中控器象是一个大脑指挥整个家居智能化系统并发出各种指令，但是发出的 指令依赖外围的智能模块来执行，缺少了这些模块智能中控器就如同失去了手脚 的残疾人而变得寸步难行，所以他们必须协同一致才能实现系统的预期目标。 ( 1 ) 智能模块的种类 根据实际需要，作者按照功能将这些模块大致分为如下几类： 红外控制模块： 此类模块主要用于控制电视、空调等具备红外遥控功能的普通家用电器，它 最主要的特点是具备红外学习功能，不需要改动家用电器。 照明控制模块： 家中的照明是使用比较多的，开关从最初的拉线开关到目前普遍使用的机械 开关虽然外观形态发生了比较大的改善，但是仍然没摆脱手动操作的范畴。在 家居智能化中照明的智能化占着举足轻重的作用。 远程控制模块 远程控制模扩展了智能家居的空间限制，大大丰富了控制载体，借助电话、 网络、短信息使您即使和家远隔千里也能够掌控自如。 手持遥控器 遥控器作为便携的遥控设备成为智能中控器的辅助设备。它往往可以脱离中 心控制系统独立承担最基本的功能。 ( 2 ) 智能模块的技术特点 智能模块通过有线或无线的方式和智能中控器相连，接受中控器的集中控制 指令，与中控器一起组成整个智能家居系统平台；另外智能模块相对独立，往往 可以脱离智能中心独立工作。照明控制模块可以独立成为照明控制系统，而其它 模块也可以相应的独立成为系统。 2 4 通信技术 现代住宅不仅应该具有安全、便利、舒适、节能和娱乐等特点，还要求具备 继承的音频视频、计算机、自动化及安全防范等功能【6 1 。这样就要求家居拥有一 套统一的连接基础即家居综合布线系统。智能家居系统的设计要根据不同的情况， 1 6 山东大学硕士学位论文 选取相应的技术手段，其中最关键的是家居控制系统所采取的控制网络，常用总 线技术有如下几种。 2 4 1 以双纹线为基础的家居控制总线 双绞线是一对按一定的绞距编结而成的线缆。常用双绞线的交流阻抗为1 0 0 5 2 或1 2 0 5 2 。目前常用的采用双绞线作为通信介质的家居控制总线主要有：C E B U S 消 费电子总线、L 0 n W b 幽总线、A p B u s 总线、E I B 电气安装总线，就总线本身而言， 其拓扑结构是基本相同的。 ( 1 ) 消费电子总线C E B U S 消费电子总线技术( C 0 n s u m e rE l e c 仃c 碰cB u SC E B u S ) 是美国电子工业协会 ( E 认) 于1 9 8 4 年4 月开始组织开发出的家居网络标准，于1 9 9 2 年正式推出，并定 义为I S 6 0 E L 0 6 0 0 标准。但由于C EB u S 接口技术比较复杂，价钱非常昂贵，因 此C E B u s 在中国的应用也不多见。 ( 2 ) A p B u s 总线 香港永泰锋发明的埃普总线技术( A p B u s ) ，是目前唯一拥有自丰产权的总线技 术。A p B u S 总线是一种电源信号混合传输技术，即一种自动化网络总线技术，该 总线技术丰要用于网络化控制系统，特别是应用智能家居网络、住宅小区网络方 面。具有低成本、无干扰、高效率、高可靠性的特色。 ( 3 ) I 峪- 4 8 5 总线 严格的讲，R S - 4 8 5 总线并不是一个完整的总线技术标准，R S 4 8 5 只是定义了物 理层和链路层的通信标准，许多J 商都采用R S 4 8 5 技术重新定义了自己的总线技 术标准，比较有代表性的是美国霍尼维尔公司的C B U S 总线技术，还有在R S 4 8 5 技术基础上应用较多的是M O D B U S 标准。 ( 4 ) C A N 总线 C A N 总线最初是德国B o S c h 公司为汽车监控控制系统设计提出的，现在它已 经成为一种国际标准，在电力、石化、空调、建筑等行业均有应用。 ( 5 ) L o n W b r b 总线 1 9 9 2 年美国的E c h e l o n 公司推出基于L o n e T a l k 协议的L o n w b r l ( S 总线技术，该总 线采用自由拓扑结构，L 0 n W b r k s 协议符合国际标准化组织( I S O ) 制定的开放系统互 山东大学硕士学位论文 联( O S D 模式。L D n W b r k S 技术具有开放、互操作，控制节点间采用多种媒体连接 进行通信等特点，且可靠性高、应用编程采用高级语言符合国际标准。 2 4 2 无线通信技术 由于有线智能家居系统的布线工程比较费事，所以一些新的智能家居商家所 研发的系统，就立足解决这个难题。无线射频无需重新布线，利用点对点的射频 技术，实现对家电和灯光的控制，安装设置都比较方便，主要应用于实现对某些 特定电器或灯光的控制，但系统功能比较弱，控制方式比较单一，且易受周围无 线设备环境及阻碍物干扰，适用于新装修户和己装修户【6 】。 ( 1 ) H o m e I 心技术简介 作为无线技术方案，H o m e R F 代替了需要铺设昂贵传输线的有线家庭网络。在 美国联邦通信委员会( ( F C C ) 正式批准H o m e R F 标准之前，H o m e R F 工作组已为在 家庭范围内实现语音和数据的无线通信制订出一个规范，这就是共享无线访问协 议( S W A J P ) S W A J P 规范问世以后，除了扩展高性能、多波段无绳电话技术以外，还 极大地促进了低成本无线数据网络技术的发展【7 1 。 ( 2 ) Z i g B 技术 Z i g B e e 技术的特点完全符合家庭网络通讯的需要，因此选择Z i g B e e 技术构建 智能家居无线网络系统如图2 1 所示。基于Z i g B e e 技术的智能家居无线网络系统， 由于其具有低成本、低功耗、较远的覆盖范围及通用性的特点，将成为智能家居 系统中的又一亮点，必将给现代智能家居系统带来一场新的变革。 图2 1 智能家居网络基于Z i g B e e 的组成结构 山东大学硕士学位论文 ( 3 ) 蓝牙技术 蓝牙技术具有以下几个特点：工作于2 4 G H z 的I S M 频段，无需申请频率许可 证；采用1 6 0 0 h o p s 的快速跳频技术；采用正向纠错编码( ( F E C ) 技术；采用F M 调制方 式，设备简单；支持点到点、点到多点通信；协议体系完备，充分支持现有高层协议； 设备体积小，便于携带或移动，成本低廉。基于蓝牙技术的家居智能网络是用近 距离的无线通信技术取代线缆，构建智能化的无线家居网络。 2 4 3 电力载波通信技术 ( 1 ) P L C B U S 技术 荷兰的P L C B U S 为电力线通信总线技术，来实现家居智能化控制，P L C B U S 技术是一种高稳定性及较高价格性能比的双向电力线通信总线技术，它主要利用 己有的电力线来实现对灯光、家用电器及办公设备的智能控制。 ( 2 ) x 1 0 协议 X 1 0 是以照明电路中5 0 H z 或6 0 H z 为载波，再以1 2 0 K H z 的脉