（精密仪器及机械专业论文）基于嵌入式的智能家居系统研究.pdf

摘要 摘要 现代科学技术的发展，尤其是计算机技术和网络技术的高速发展，不 仅改变了我们的工作方式，也逐渐地改变了我们的生活方式。不仅要求办 公可以自动化、智能化，也需要家居生活逐渐地变得自动和智能起来。智 能家居即是在这样的背景下产生的。 智能家居是融合了计算机、网络、自动控制、传感等多种技术，并涉 及生态、环境、能源等多个领域的综合性系统性工程。除了要满足自动控 制的需求之外，还要实现节能，环保，人性化，以及个性化。虽然这些听 起来有点理想化，但是，微电子技术和嵌入式系统技术的发展，使得这一 切都可以成为现实。本文即阐述了一种实现智能家居园区的系统结构，以 及基于嵌入式系统的智能家居终端的实现方法。 智能的实现归根到底是基于策略的自动控制和信息交换，所以，智能 家居系统也就是一个综合了信息流和控制流的网络系统。在这个网络中有 负责传感器、控制策略处理器、执行器之间通信的各种总线系统或者无线 系统；也有负责信息交换的计算机网络系统( 在实现园区智能和远程控制 方面更能充分发挥其优势) ，但智能的核心还是负责控制策略执行的控制系 统，也即嵌入式智能家居控制终端。控制终端接收来自传感器的信号，并 根据控制策略对执行器发送控制命令，从而实现家居自动化；同时，还可 以通过网络、电话、短信等方式接收来自远程的命令，实现远程控制。但 是孤立的智能家居系统在功能上有很多的局限，也不适合我国小区化的住 宅环境，所以智能的范畴必然要扩大至小区。 智能小区可以在智能家居的基础上，补充对公共设施的监控功能，从 而可以方便的查询公共资源的利用情况，了解公共设施的远行状况，及时 获取各种公共信息，享受小区提供的其他服务。整个小区组成一个大的网 络系统之后，可以整合整个系统的资源，提高关键资源的利用率，并提供 更加完善的公共安全服务。本文设计的智能家居终端具有网络接1 3 ，可以 通过成熟的网络产品及网络安全技术来组成小区智能专用网。 摘要 为了保证整个系统的高可用性，除了对网络系统作优化而外，还把对 电梯、水泵、门禁等各种公共设施以及室内安防等关键子系统的控制采用 可编程器件和软件结合的方式实现。基本控制逻辑由可编程器件实现，可 以脱离系统软件运行，仅向其提供状态信息；避免因软件问题导致整个系 统的混乱甚至崩溃。软件可以为控制逻辑提供参考信息，实现更加完善的 控制。 随着科学技术的发展，生活水平的提高，智能家居、智能小区必将得 到长足的发展并为广大人们所接受。 关键词：智能家居，安防，嵌入式系统，w i n d o w sc e a b s t r a c t a b s t r a c t t h ed e v e l o p m e n to fm o d e r ns c i e n c e sa n dt e c h n o l o g i e s ，e s p e c i a l l yh i g h l y d e v e l o p i n go fc o m p u t e ra n dn e t w o r k i n gt e c h n o l o g i e s ，n o to n l yc h a n g eo u r e v e r y d a yw o r k ，b u ta l s oo u rl i f e a u t o m a t i o na n di n t e l l i g e n c ei no f f i c ew i l ln o t e n o u g h ，i t sat r e n dt oa s kf o rm o r ei n t e l l i g e n te v e r y w h e r e ，h o m el i f ei n c l u d e d t h a ti sw h ys m a r th o u s ec o m eo u t s m a r th o u s ei sas y s t e m i c e n g i n e e r i n gi n o s c u l a t e st e c h n o l o g i e s o f c o m p u t e r ，n e t w o r k i n g ，a u t o m a t i o n ，s e n s o r s ，e t c ；a n d r e f e rt o b i o n o m i c s ， e n v i r o n m e n t s ，e n e r g ys o u r c e sa n de v e nm o r ef i e l d s a u t o m a t i o ni sn o tt h eo n l y o b je c t ，i tm u s tb ee n e r g ys a v i n g ，e n v i r o n m e n tp r o t e c t i n g ，p e r s o no r i e n t e da n d i n d i v i d u a l i t y t h o u g hi ts e e m sal i t t l ei d e a l i s t ，m i c r o e l e c t r o n i c sa n de m b e d d e d a p p l i c a t i o n sp r o g r e s sm a k e si tc o m et r u e t h i sa r t i c l ed i s c u s s e sa r c h i t e c t u r e o fs m a r th o u s e c o m m u n i t y , a n dd e s c r i b e sad e s i g no ft h ec o n t r o lt e r m i n a l b a s e do ne m b e d d e ds y s t e mt e c h n o l o g i e s s m a r to r i n t e l l i g e n c e ，i nt h ef i n a la n a l y s i s ，i s as y s t e mc a na c h i e v e a u t o m a t i o na n di n f o r m a t i o ne x c h a n g eb a s e do np o l i c i e s s oi na n o t h e rw o r d ， s m a r th o u s es y s t e mi san e t w o r k i n gf o ri n f o r m a t i o nf l o wa n dc o n t r o l i n f o r m a t i o nf l o w i nt h en e t ，t h e r ea r es o m eb u s e so rw i r e l e s ss y s t e m st o c o n n e c ts e n s o r s ，p r o c e s s o r s ( f o rc o n t r o lp o l i c i e s ) a n de x e c u t o r s ，a n dc o m p u t e r n e t w o r k sf o ri n f o r m a t i o n ( e s p e c i a l l yu s e f u li nc o m m u n i t yi n t e l l i g e n c ea n d r e m o t ec o n t r 0 1 ) ，t h e ya r et h eb a s i s t h ek e r n e lo fs m a r ti st h et e r m i n a l ，a c o n t r o ls y s t e mw h i c hi su s e dt op r o c e s st h ec o n t r o lp o l i c i e s ，a n dg i v ea f r i e n d l yi n t e r f a c et ou s e r s i tc a nr e c e i v es i g n a l sf r o ms e n s o r s ，g e n e r a t e c o m m a n d sb a s e do nd e m a n d s ，a n ds e n dt h e mt oe x e c u t o r s a n d ，i tc a na c c e p t r e m o t ec o m m a n d st h r o u g hn e t w o r k s ，t e l e p h o n e ，g s ms h o r tm e s s a g e so ro t h e r w a y s t h a ti sh o w i ta c h i e v e sh o m ei n t e l l i g e n c e i s o l a t e ds m a r th o u s es y s t e m i sl i m i t e di nf u n c t i o n s ，a n di ti sn o tf i tf o rt h es i t u a t i o no fo u ru p t o w n ，s o ， h i a b s 仃a c t s m a r tc o m m u n i t yi sa ni n e v i t a b l et r e n d as m a r t c o m m u n i t y c a np r o v i d em o r ei n f o r m a t i o na b o u t p u b l i c e s t a b l i s h m e n t s ，a sas u p p l e m e n tt oi s o l a t e ds m a r th o u s e s ，s u p p l ym o r e c o m m o ns e r v i c e so ft h ec o m m u n i t y a f t e rc o m p o s i n gal a r g es c a l en e t w o r k ， t h er e s o u r c e si nt h ec o m m u n i t yc a nb ei n t e g r a t e d ，s o m ec r i t i c a lr e s o u r c e sc a n b eu s e dm o r ee f f e c t i v e ，a n ds e c u r i t ya s s u r a n c ec a nb em o r es o p h i s t i c a t e d t h e t e r m i n a ld e s c r i b e di nt h i sa r t i c l ei sp r o v i d e dw i t han e ti n t e r f a c e ，i tc a n e a s i l y c o n n e c tt ot h ec o m m u n i t y sn e t w o r k ，c o m p o s ead e d i c a t e dn e t w o r ks y s t e m i no r d e rt oa s s u r eh i g hu s a b i l i t yo ft h es y s t e m ，e x c e p tf o ro p t i m i z i n gt h e n e t w o r ks y s t e m ，a l lt h ec r i t i c a ls u bs y s t e m ，s u c ha se l e v a t o r s ，p u m p s ，g a t e s ， a r ec o n t r o l l e db yp r o g r a m m a b l ed e v i c e sc o o p e r a t e dw i t hs o f t w a r e t h eb a s i c c o n t r o l sa c h i e v e dt h r o u g hh a r d w a r ew h i c hc a nw o r kw i t h o u ts o f t w a r e ( t h e y o n l ys e n ds t a t ei n f ot os o f t w a r e ) t oa v o i du n e x p e c t e ds y s t e mb r e a k d o w n b u t ， s o f t w a r ec a nm a k ec o n t r o l sm o r ef l e x i b l e a ss c i e n c e sa n dt e c h n o l o g i e s d e v e l o p i n g ，s t a n d a r d so fl i v i n gi m p r o v i n g ， s m a r th o u s ea n dc o m m u n i t yw i l lb ed e v e l o p e dm o r ea n dm o r e ，a n dw i l lb e m o r ew e l c o m e d k e yw o r d s ：s m a r th o u s e ，s e c u r i t ya s s u r a n c e ，e m b e d d e ds y s t e m ，w i n d o w s c e i v 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他入已经发表或撰写过的研究成果。也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名：丛丝日期：驷6 年3 月业日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：丝丝导师签名：垄垒煎；二 日期：训年歹月芦工日 第一章引言 第一章引言 随着科学技术的发展和物质生活水平的提高，人们对家居生活环境的 要求也越来越高。家居不再只是居住的场所，同时也是休闲、娱乐的地方。 目前，高新技术已经融入智能建筑当中，智能的概念也不断的得到深化和 更新。现在不仅要求能够在家中对电气设备进行控制，得到全方位的信息 服务；而且希望能够随时随地地了解家中的情况并进行一定程度的远程控 制。近年来，智能的范围已经从住宅扩展到了园区，除了提供一个安全、 舒适的居住环境外，还要在环保和节约资源、能源方面发挥重要作用，以 配合可持续发展战略。 下面概述一下智能家居的起源、发展及其现阶段的主要功能。 1 1 智能家居的起源和发展 1 9 8 4 年，世界上第一幢智能建筑在美国康涅迪格州哈特福德市出现， 当时它只是对一座旧式大楼进行了一定程度的改造，仅仅采用了计算机系 统对大楼的空调、电梯、照明等设备进行监测和控制，并提供语音通信、 电子邮件和情报资料等方面的信息服务。这就是所谓的住宅电子化。而到 了8 0 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，就形成了住宅自动化的概念。8 0 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s m a ah o m e ( 智慧屋) ，也就是 现在智能家居的原型【l 】。 现代科学技术的发展，尤其是计算机技术和网络技术的高速发展，不 仅改变了我们的工作方式，也逐渐的改变了我们的生活方式。不仅要求办 公可以自动化、智能化，也需要家居生活逐渐地变得自动和智能起来。智 能家居即是在这样的需求下产生的。 电子科技大学硕士学位论文 1 1 1 什么是智能家居 在不同时期，不同地区，因为科学技术发展水平的不同，人们对居住 环境要求的不同，以及生活习惯的不同；对智能家居概念的理解也不同。 综合国内外现有的应用，参考学术界的各种观点，得出下面的定义： 智能家居是现代科学技术和居住环境艺术相结合的产物，它为人们提 供舒适、安全、高品位、宜人的家庭生活空间，实现人与环境的和谐与可 持续发展；它是一个多功能的技术系统，其众多的功能子系统间具有协同 配合的能力；是以技术为基础，以服务为手段，以客户需求( 而不是以产 品) 为中心，以技术文化为灵魂，通过量身定制式服务，由居家智能专业 服务商为不同的用户出品各具特色的个性化系统【2 】，是高新技术向传统家 电产业渗透发展的必然结果。其功能包括可视对讲、家庭内部的安全防范、 家居综合布线系统、照明控制、家电控制、室内环境状况监测和设备控制、 远程的视频监控、音频监听、家庭的影音系统，甚至远程医疗、远程教学 等。 1 1 2 智能家居在国外发展的情况 自从世界上第一幢智能建筑出现后，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先后提出了各种智能家居的方案。智能家 居在美国、德国、新加坡、日本等国都有广泛应用。早在1 9 9 8 年5 月新加 坡举办的“9 8 亚洲家庭电器与电子消费品国际展览会 上，即推出了新加 坡模式的家庭智能化系统“未来之家”。它的系统功能包括三表抄送、安防 报警、可视对讲、监控中心、家电控制、有线电视接入、电话接入、住户 信息留言、家庭智能控制面板、智能布线箱、宽带网接入和系统软件配置 竺【3 】 寸o 因为国外在智能家居方面起步较早，再加上其微电子技术、计算机技 术等较国内都领先很多，所以在智能家居系统的理论上，以及与之配套的 产品，尤其是智能家电、信息家电产品的生产和标准制定上都具有很多优 势，普及程度和人们的认同度也比较高。 目前占据市场主流的产品技术包括x 一1 0 ，l o n w o r k s ，c e b u s 2 第一章引言 ( c o n s u m e re l e c t r o n i cb u s ，消费电子总线) 等。其中x 一1 0 主要针对单 体住房或别墅，多应用于旧房改造，用户群比较庞大，但此产品技术限制 较多。l o n w o r k s 技术核心是将诸如开关、温控器、电梯、洗衣机和电表等 智能设备组成低成本的网络，设备间彼此能相互通信，并提供分布式监视 和控制，应用较为普遍。 下面是国外部分产品终端的截图： 圈1 - 1h o m e a u t o m a t i o n 公司控制终端 毋 拜 拜 鸯 由 图1 2s o p h y a 公司控制终端 电子科技大学硕士学位论文 1 1 3 智能家居在国内发展的情况 近2 0 年来，世界各地的智能建筑方兴未艾，国内虽起步较晚，但8 0 年代后期，9 0 年代初期，随着我国改革开放政策的实施，智能建筑像雨后 春笋般出现在祖国大地上；然而，除了访客对讲、闭路电视监控产品还能 够在智能小区中成功使用外，令人眼花缭乱的智能家庭终端产品不是不实 用，就是用不上，更别说什么系统集成管理产品了。 我国和国际的智能建筑和智能住宅发展都已经经历了初始、推广而进 入应用阶段。这主要得利于计算机技术、传感器技术和网络技术的发展， 使成本不再成为问题，可以进入普及阶段。 目前，从技术角度来讲，节点设备( 或控制终端) 大同小异，主要由 嵌入式技术或小尺寸的计算机系统辅以各种总线控制器构成，或者遥控各 分布控制器。但其中的总线标准还没有统一，各厂家都使用自己的规范和 实现方式，且一般只实现了智能家居系统的部分功能。 已被采用的总线包括：h b s ( h o m eb u ss y s t e m ) ，s ( s u p e r ) h b s ， l o n w o r k s 协议，c e b u s ，x 1 0 等。无线通信协议如蓝牙，无线局域网等也 有采用。 国内目前有很多家从事智能建筑的单位，总体来讲，规模都不大，没 有形成入流的标准。所采用的技术，有的来自国外，有的基于以往工业现 场的技术，在系统的集成方面都不尽如人意。 1 1 4 智能家居发展的主要方向 从技术角度看，智能家居是融合了计算机、网络、自动控制、传感等 多种技术，并涉及生态、环境、能源等多个领域的综合性系统性工程， 其 实现归根到底是基于策略的自动控制和信息交换，所以，智能家居系统也 就是一个综合了信息流和控制流的网络系统。智能家居的发展离不开相关 技术的进步，相关技术的飞跃也必然改变智能家居的面貌。不难看出智能 家居的主要发展趋势就是下述几点： 信息化：信息技术，尤其是网络技术的发展，不仅是一场技术革命， 也极大地改变了人们的思维模式和行为模式。建筑智能化的重要特征就是： 4 第一章引言 网络化、智能化、人性化、个性化。人们接受智能化产品融入自己的工作 和生活，不再是为了好奇，而是需求。智能化系统、宽带综合布线系统带 给人们的不仅是产品，更重要的是体现了一种服务模式和服务理念。 网络化：基于网络环境的综合应用，包括物业管理、安防、商务等。 在简化管理流程的同时，方便人们的日常生活。 标准化：改变目前“各自为政 的情况，使不同厂家的产品可以互操 作，方便在解决方案中采取适合质量等级的产品，组建个性化的系统。 模块化：基于标准的接口规范，设计独立的功能模块，增强系统的可 维护性、可扩展性，简化系统集成的过程。 绿色：智能化建筑的绿色生态发展，主要包括节能、无污染( 空气污 染、噪声污染、电磁污染等) ，资源的循环、回收利用。安全、舒适的休闲、 工作环境是主要的目的。 整合：在此引用耗资6 0 0 0 万美元建造高科技别墅的比尔盖茨的观点， 他说独立的智能家居早晚会被取代，未来的智能住宅最大的特色即为“整 合 ，将由一套完整的网络服务将房屋内的灯光、保安、音频、视频等一系 列自动化程序整合在一起【4 】。 1 2 智能家居的功能 1 2 1 理想的智能家居 几乎每一本关于智能家居的书，每一个智能家居的站点，都包含了类 似下面的描述： 清晨6 点2 0 分，轻柔的音乐自动响起并逐步增大音量催你起床，同时 卧室的光线也逐渐调整到清晨的亮度。6 时3 0 分，电视自动调整到c c t v 频道播报当日新闻。同时，你的智能咖啡壶已自动热好咖啡。出门时，你 完全不必担心灯还没关，大门还没锁。因为在你开车上公路的时候，埋藏 在地下的传感器会检测到你离家了，智能家居系统会自动帮你照料好一切。 上班以后，你可以随时登录到自己的家庭网站上查看安全防护系统的 录像记录。通过连接到托儿所的摄像头，你还可以观察到你一岁小儿子的 5 电子科技大学硕士学位论文 一举一动。而当下午你的大儿子放学回家时，在他输入安全密码进屋的同 时，你的寻呼机上会显示出孩子已经安全到家的消息。 下班路上，在离家还有一两分钟时，你掏出手机指示家里的空调开始 工作。接着安装在家门口的传感器检测到你回家了，由于天色已晚，院子 的大灯自动开启，车库的大门也自动打开。 走进厨房，热气腾腾的晚餐已经备好。这要归功于你的智能电炉的快 速烹饪功能。晚餐后，你来到家庭影院，电视机的机项盒在白天已经按照 你的指示自动搜索并录制了电视节目。睡觉前，你通过床边的触摸屏下载 了电子邮件，然后按下了“晚安 键。这时，你家的灯全部熄灭，大门锁 好。而安全防卫系统开始忠实地守卫你的家园【5 】 上面的场景，一般只有在电影里才能看到。这些就是智能家居应该具 有的功能，当然，还远不只这些内容。自动清洁、环境检测、缴费提示等 也都是必须的。 虽然，上述问题在技术上是可行的，但是在实际当中，因为诸多的限 制，还不能完全实现。 1 2 2 现实的智能家居 当前，我国对智能家居的研究刚起步，1 9 9 4 年，国家科委立项资助重 大科技项目( 2 0 0 2 年小康型城乡住宅科技产业工程项目，其目标是以科 技为先导，以示范住宅小区建设为载体，推进我国住宅产业现代化，构建 新一代住宅产业。在该项目中，把智能型住宅技术列为一项重中之重，开 展技术、产品与工程应用研究。 “智能家居的起步虽然并不难，但我们离充分智能化的家居还有不小 的距离。家用品的设计比工业品的考虑要难的多，在网络家电、网络社区 等领域，最难的是为用户进行周密的考虑，实现应用需求最佳的满足模式。 清华大学自动化系智能家居技术联合研究室主任、清华大学杨士元教授这 样说。他还认为，智能家居必须解决接口、协议、服务等3 个关键问题。 所谓“接口”问题，就是要求家电能“听 得懂人们发出的指令。所谓“协 议 问题，即诸多家电和网络都能够彼此相容，不能各有一套标准；规范 智能家居的生产标准势在必行，包括插头的标准。此外，“服务”也是一个 6 第一章引言 可能出现的主要障碍，因为网络社区对服务业和公安消防等提出了更高的 要求。网络做出了快速反应，要求医疗、警力相应快速出动，否则，网络 的速度将失去意义。清华同方努力整合“一体化城市管理”和“智能化生 活环境 ，无缝地连接数字城市、数字家园和智能家居，以使智能家居的服 务得到社会服务层面的保障【6 】。 目前国内智能家居基本由以下几个方向演变而来： ( 1 ) 传统的可视对讲、家庭防盗产品生产厂家也有一定的电子开发、 生产等经验，在其原有产品基础上增加控制功能和其他一些功能，来实现 家庭自动化，这些公司有一定的工程、设计院等关系和网络，并利用原对 讲产品市场来推广产品。 ( 2 ) 传统的家电企业、i t 企业也看好该领域，这些企业结合其在家 电控制领域、i t 领域的优势开发出智能家居的产品，能更好地和家电结合 在一起他们利用自己的渠道优势和市场影响力，积累多年的管理经验、生 产经验和良好的售后服务、信誉来打开市场。 因为没有系统的理论作指导，发展的比较仓促，也就难免存在一些问 题： ( 1 ) 智能家居设备生产和研发商，目前有一定的研发和生产能力，所 生产的产品能满足基本需求，但在功能和产品质量上还要多下功夫。根据 建筑智能化的发展趋向来看，智能家居设备生产和制造行业还有相当大的 发展空间。 ( 2 ) 系统集成目前还处于百家争鸣的阶段，智能化系统集成商水平参 差不齐。系统集成商要发展壮大，必须具备技术全面，懂市场，懂工程和 懂物业的高级技术人才，许多系统在施工中缺乏有效管理和监理。 ( 3 ) 网络运营商，宽带入户在全国正以超乎预料的速度推进，运营商 的服务质量和收费标准也千差万别。宽带接入与其火热表象相比，在全国 真正将社区宽带网敷设到位，连营起来的没有几个，大多是处于跑马圈地 阶段，而许多小运营商则完全是只圈地不种地。要打破目前宽带建设运营 的僵局，宽带网络运营商必须有自己清晰的盈利模式。由于社区网络建设 具有地域性，如果是拥有城域网的网络运营公司来建社区宽带网，将会打 破这种僵局，因为它有非常清晰的盈利模式，这个网络运营公司最好是 7 电子科技大学硕士学位论文 i s p 、i c p 、a s p 、i d c 于一身的巨无霸企业。网络的潜力到目前为止还只 发挥出2 0 ，要想最大限度地发掘网络的潜力就是在产业的环节里面实现 可伸缩的标准化的电子商务平台。电信、联通、移动、网通、广电等大规 模的公司才有如此的实力提供全方位的a s p 服务，彻底改变社区的管理模 式和意识，全面提升社区管理水平。 ( 4 ) 房地产开发商，物业公司，要想使业主满意，必须建好家庭信息 化平台，要想使楼盘和物业管理得到增值必须建好社区信息化平台，用电 子商务全面提升物业管理水平。考虑业主的需求，要求重视人与居住环境 的协调，能够随心所欲地控制屋内居住环境，同时家里的智能系统能根据 外部环境，自我调节和自我适应。要想使智能系统发挥它应有的作用，在 重视硬件建设的同时，更重要的是建设好家庭内的软件系统，社区和社会 提供的各种服务和便利，只有这样家居智能化才能真正智能起来。 1 2 3 未来的智能家居 随着技术的逐渐成熟，科学的不断进步。在不久的将来，我们将可以 看到： 1 、联网的设备遍及我们的周围。生活、工作中大大小小的家电都是 真正的信息家电，每个电器、感应模块和操作终端、住宅设施都有单独的 网络识别地址，方便访问和记录事件。住宅本身也是模块化的，可以自由 组装，模块内网络通信线缆和传感设备、动力设备都已事先安排好，用户 可以根据自己的住宅环境、应用需要、喜好自由调整。家电发生了很大变 化，许多原来单一的家电产品如电视、音响、电饭煲都已融入了系统化的 信息家电系统中，如所谓“电视”可能就是智能家居系统中显示终端和音 响系统的某些部份功能。因为有了家庭智能终端，共享资源，于是家电可 能成为没有重复功能的单一产品，电视就是最快被淘汰或改变的产品；可 以预见，未来“家电”的概念被改写一一家庭网络的电器化模块，或者说 是家庭网络的一个零部件，信息与资源的共享消除了设备的冗余，例如空 调的温度传感器可以被安防系统读取，决定是否在超温时报警 2 、互联网像空气一样无处不在。在公路上，每一盏路灯都是联上网 的，路边的花草也是由自己灌溉系统来灌溉，这种系统和你家里安装的采 第一章引言 用同一种方式。我们在世界上任何一个角落，都可以看到、听到自己家电 的情况；通过手机您就可以访问家庭主页，仿佛仍身处家中；同样，宽带 多媒体通讯极为方便，高清晰图像传输和语音传输自由通畅，你可以在任 一房间与远方亲友进行视频通讯，在家办公( s o h o ) 也很方便，宽带的 视频会议系统及协同办公系统可让你在家就可与全世界各地的同事一起工 作； 3 、人工智能、模式识别的普遍应用。家庭服务器将出现，足够强大 的处理能力将使它成为你的“虚拟管家 或“虚拟助理 。她能帮你打理一 切家务，还能作你的秘书为你处理商业信息。神经元网络的应用使得智能 家庭组织更有效，管理更方便，住宅能自动感知外界的任何变化，能自适 应地调整。这时的住宅更象一个生命体。与你同呼吸、同感受。例如，你 可能每天回家时，会打开灯光、拉开窗帘并且打开空调，在某个房间待的 时间也是相对固定的一一晚餐、娱乐、休息那么，智能家居会根据你 的行为特点，自动地为你完成一系列的操作。而在冬天，你可能不需要打 开空调了，那么系统也会及时地适应过来，从而营造一个互动的环境。也 就是说，在物理空间中嵌入计算机视觉、语音识别、墙面投影等多种模态 的交互能力，计算机可以识别在这个物理空间中的人的身体姿态、手势、 语音及上下文等信息，进而判断出人的意图并做出合适的反馈或动作，以 帮助人们更加有效地进行工作或提高人们的生活质量。更进一步，智能家 居还通过传感器分析住户的情绪、态度和行为特征，从而调整住宅的行为 来更好地适应。比如，在人感到悲伤、愤怒时，系统会调整灯光、背景音 乐甚至温度来舒缓人的心情一一这样就更体贴了。 4 、机器人的出现。可以直立行走，具有思考能力，能与人对话的机 器人将出现在我们的家中，不仅给老年人、小孩带来方便，还倍添了生活 情趣。作为智能家居中的“移动 成员，能帮助我们实现更多的功能。 5 、绿色环保。绿色、环保、节能将成为未来家居的重要考核指标，甚 至是首要考虑因素。在住宅实现了基本智能化后，绿色生态住宅成为必然 的追求目标。它需要对能源、水环境、气环境、声环境、光环境、热环境、 绿化、废弃物管理与处置、绿色建筑材料系统进行合理设计和有效管理。 而自动化的住宅则恰恰提供了为它提供了管理的基础。无论如何，住宅是 9 电子科技大学硕士学位论文 人们居家生活的场所，智能化应服务于人们的居家生活，因此应更全面、 更富有人性化。 1 0 第二章智能园区系统的体系结构 第二章智能园区系统的体系结构 因为我国的国情一一“人多地少 ，除少量高档别墅外，住宅相对集中， 就形成了一个与国外住宅智能化截然不同的特点，一个全新事物一一智能 小区。 2 1 智能园区系统的发展 国外的住宅智能化主要针对单体别墅，而在国内，住宅智能化主要在 建设大规模住宅小区过程中发展。因此，我国的住宅智能化是与我国的城 市化进程相结合的；更加突出小区的整体智能化管理和服务，更强调的是 公共性、网络性和社区化。 2 1 1 智能园区的概念 智能园区是一个比较笼统的概念，既是对智能家居在范围上的扩大， 也是对智能家居在功能上的补充。 与智能家居类似，智能园区也是建立在计算机、网络、自动控制、传 感等多种技术高度发展的基础之上的。在功能上还要包括公共设施、环境、 服务等的管理，为智能家居提供功能扩展的平台，以及其它类型信息服务。 2 1 2 智能园区发展的情况 智能园区在发达国家不是很流行，这主要和生活环境有关，尤其是住 宅的分布，相对分散的住房，更加适合独立的智能家居的发展。 在我国，以及一些其他的住房相对集中的国家，智能小区都有一定程 度的发展。近几年，我国在居民建筑的智能化方面给予了足够的重视，住 宅智能化的进程已经全面开始。2 0 0 5 年，已有l0 个城市开始数字化建设 改造试点。据报道，到2 0 0 6 年底，新建智能化住宅的比例将达到6 0 。“数 字社区”，“数字城市 ，以及“数字奥运 都将不再只是口号和概念，一切 电子科技大学硕士学位论文 都将逐步实现。 从事智能园区建设的企业也逐步增多，如清华同方、海尔等。都有各 自的方案以及相关产品。相信在不久的将来，智能化的广度和深度都会提 高。距离理想的生活环境将会更近一步。 2 2 园区智能化的必然趋势 2 2 1 独立智能家居系统的局限性 传统智能家居的终端，缺少与园区系统互联的机制，一般都需要在本 地实现各种功能，如短信发送、报警等。虽然这种系统的独立性更强，但 是却存在严重的资源浪费。就拿实现短信功能来讲，有多少终端就需要占 用多少电话号码，在目前号码本身就比较紧张的情况下，无疑不是一种好 的方式。 2 2 2 园区系统整合的优势 在本文设计的园区系统中，终端采用嵌入式系统技术，提供联网交互 等能力；对于短信发送、报警等公共功能，在信息中心提供集中的解决方 案，各终端只需要发起调用即可。一方面节约了资源，另外，也提高了系 统的可靠性。因为在中心，可以不只通过无线终端来发送短信，还可以通 过到运营商短信网关的专用链路。这样不仅可以提高可靠性，还可以集中 解决基于短信的各种增值应用方案，提高系统的安全性和整体价值。其他 的公共服务如语音查询、w e b 查询等也采取同样的措施，通过信息中心集 中解决。同时，在信息中心还可以提供用户对互联网访问的统一接入，既 可以保证更高的带宽也可以获得接入、访问安全，提供更高的接入质量， 也可以提供本地信息服务，如视频点播等。 2 3 服务型园区系统的结构 正如消费者对商品的普遍要求一样，住宅，除了质量要达到要求以外， 服务也是重要的参考环节。目前，小区的服务还基本停留于物业管理上， 1 2 第二章智能园区系统的体系结构 内部的综合服务则不甚完善。比如，现在i n t e r n e t 作为共享数据的信息网 络，自建成后，已在世界范围内迅速扩展；我国的网络建设已具有相当规 模，第二代i n t e r n e t 也正在积极建设中；但是小区的信息建设明显滞后， 一般还都是由i s p 直接为小区提供接入服务；在这一点上就亟需改进。 除办公楼宇外，民用住宅在建设初期对信息服务的考虑很少，一般只 停留在电话线的部署上，信息系统综合布线还不是很普及。虽然，可以由 i s p 提供网络系统的布线，但是，从整体上看，对楼宇的美观、布线系统 的合理性和信息服务的内容及质量都没有得到完美的解决。其他小区配套 的服务项目，如停车场、商店、水站、休闲场所等也相对匮乏。 一个完善的住宅小区，虽然不能盲目的追求小而全，但是必需的服务， 还是应该在规划的时候给予考虑。下面，简要介绍一下智能小区的整体架 构。 2 3 1 智能园区系统的功能规划 一个智能化的小区，应该尽可能地提供完善的基础设施和完备的服务， 从而才能够实现园区的提供综合服务的功能。 首先，生活必须的条件，也是各种功能必须的前提包括以下这些方面： 1 能源系统。要求对电、燃气、煤等常规能源进行分析优化，采取优 化方案，避免多条动力管道入户，提高能源的利用率，避免浪费。 对住宅的围护结构和供热、空调系统要进行节能设计，切实把国家 节约能源的政策落到实处。有条件的地方要采用新型能源、绿色能 源( 太阳能、风能、地热及其他可再生资源) 。 2 水环境系统。要考虑水质和水量两个问题。在提高饮用水的质量的 同时，作好水资源的循环利用，采取多路供水的方案，降低水处理 的成本。在室外系统中要设立排水、雨水等处理后重复利用的中水 系统、雨水收集利用系统等；用于水景工程的景观用水系统要进行 专门设计并将其纳入中水系统一并考虑。小区的供水设施宜采用节 水节能型，要强制淘汰耗水型室内用水器具，推行节水器具，以缓 解我国水资源紧张的问题。 3 空气环境系统。相对于水处理来讲，空气的净化在园区这个层次上 电子科技大学硕士学位论文 比较困难。一般也只能依靠自然环境的中和，所以要加大绿化面积， 提高植被覆盖率。使室外空气质量达n - 级标准以上，保持我们赖 以生存的环境的清新。 4 声环境系统。噪声污染对人造成的伤害已经不容忽视，所以如何建 立一个健康的声环境也是小区建设的重要问题，包括室外、室内和 对小区以外噪音的阻隔措施。室外设计应满足：日间噪音小于5 0 分贝、夜间小于4 0 分贝。建筑设计中要采用隔音降噪措施，使室 内声环境系统满足：日间噪音小于3 5 分贝、夜间小于3 0 分贝。 5 光环境系统。合理的住宅建筑不仅要求室外有充足的阳光，还要保 证室内，尤其是卧室有良好的采光。室内要尽量采用自然光，满足 日照要求。同时还要注意居住区内的光污染问题，尽量避免照明灯 具对住宅，尤其是卧室的影响。在室外公共场地的照明采用节能灯 具，合理布置灯光。提倡由新能源提供的绿色照明。 6 热环境系统。要满足居民的热舒适度要求、建筑节能要求以及环保 要求等。对住宅围护结构的热工性能和保温隔热性能提出要求，以 保证室内热环境满足舒适性要求，冬季供暖室内适宜温度：2 0 2 4 ；夏季空调室内适宜温度：2 2 - 2 7 。住宅采暖、空调应该采用 清洁能源，并因地制宜采用新能源和绿色能源，如太阳能。鼓励采 用不破坏大气环境的循环介质。 7 绿化系统。应具备三个功能：一是生态环境功能，小区绿地是提供 光合作用的绿色再生机制，它具有清洁空气、释放氧气、调节温湿 度、保持生物多样性等功能；二是休闲活动功能，小区绿地提供户 外活动交往场所，要求卫生整洁、适用安全、景色优美、设施齐全； 三是景观文化功能：通过园林空间、植物配置、小品雕塑等提供视 觉景观享受和文化品位欣赏。 8 其他必要的功能系统，如废弃物管理与处置系统，建筑材料管理系 统等，都为实现生态、智能的园区提供基础服务。 除这些基本的保障之外，目前最火热的就是信息化。信息服务覆盖的 层面很广，同时也是其他高级应用的基础。小区的物业管理、安防等都可 以通过今天的信息技术得以更好的实现。用户也可以通过各种终端设备， 1 4 第二章智能园区系统的体系结构 获取i n t e r n e t 上的各种信息，或者登录到其他的系统上，完成自己的工作。 使自己可以在自己的小天地中完成工作、学习、娱乐的各个环节。信息技 术的发展，使得信息成为了另一种财富。那么，一个完善的社区就必须能 够保证用户可以随时、随地的以各种方式访问信息，这不仅是对于办公环 境的要求，也是对整个生存环境的要求。就如同移动通信业务的发展一样， i n t e r n e t 的可访问性也应该得到保证。( 当然，包括通过移动通信提供的接 口来访问i n t e r n e t ，只不过，这不是一个到处都适宜的方式，还应该采取一 种更为合适的方法，如8 0 2 1 a b g ，w i m a x 等等) 。基于覆盖整个社区的 信息网络，我们才可以实现更为具体的智能，例如，园区的照明、安防、 绿化设施等都可以得到更为合理和人性化的控制。甚至于，你可以通过终 端设备，完成各种费用的确认和缴纳，查看社区商店内的商品并定购，而 不需要亲身前往。 目前的一个趋势就是多业务的综合，比如v o i p ，i p t v 等。也就是说， 有可能在不久的将来，我们今天使用的电话、电视、计算机网络，以及门 禁、可视对讲等各种业务将统一于一个网络上去，这个网络有可能就是我 们熟知的i p 网络。这种融合，在技术上已经证实是可行的，尤其是高带宽 的交换和接入系统的快速发展，更加促进了这种统一的实现。在降低楼宇 建设时的布线数量和难度的同时，从另一个方面看，也可以进一步提高整 个系统的可靠性和维护的方便性。 2 3 2 智能园区的系统组成 随着生活水平的不断提高，人们对生活质量的要求也越来越高，居住 环境，自然成为首要关心的问题。现在，人们对于生活环境的要求比以前 多了很多。尤其是对于高级住宅园区，综合业务服务的水平至关重要。除 了物业管理和环境外，一个重要的方面就是信息服务。 在移动通信普及之前，人们希望可以方便的打电话，所以小区内，不 可避免的要安装i c 电话等公用设施；近来，即使小学生也装备了手机，i c 电话依然有其存在的必要，因为，你不得不考虑手机电池耗尽、信号不好 等问题。现在，i n t e r n e t 作为信息共享的一个媒体，也日益显示出其重要性， 所以，新兴的园区也好，已建成使用的社区也好，都不可避免的需要计算 电子科技大学硕士学位论文 机网络的接入。随着移动平台的平民化和普及，无线网络的需求也已经提 上日程。 信息服务需要一个完整的平台，即由网络系统和服务器组成的计算机 网络。 2 3 2 1 园区网络 继计算机通信网络普及之后，基于i n t e r n e t 的各种增值服务也如雨后 春笋般快速推出。如各种及时通信工具、i p 电话、网络电视、视频点播等 等，现在，正在设计中的第四代移动通信，也将转入i p 的行列【7 1 。 这种趋势告诉我们，未来的通信和信