基于物联网技术的数字家居研究及产业化

1、基于物联网技术的数字家居研究及产业化以安全性、便利性、舒适性的理念研发数字家居系统，引入神经单元模糊算法提升多 传感器监测可靠性；基于云服务的家居数字娱乐系统，实现从“云”到“端”的视频互动； 在无线跳频算法中设计积分式信道质量评估算法；实现无线功率调节控制算法，降低对邻 网干扰。、项目立项依据 (包括国内外技术发展现状、技术 瓶颈和发展趋势，知识产权 情况， 项目对福建科技、经济 和社会发展的作用及 产业化前景，2000 字内)1、国内外发展概况和趋势自从 IBM 提出的“智慧地球”被列为美国国家战略后，“物联网” (the internet of things, IOT)在世界各地蓬勃发展

2、。继计算机、互联网之后，“物联网”已经被称为世界信 息产业的第三次浪潮，美国、欧盟、日本、韩国等发达国家都在投入巨资深入研究、探索 物联网，我国也抓住机遇，推出了“感知中国”发展战略，大力发展物联网技术，各级政 府及相关部门也相继出台了各种扶持政策。可以说，物联网已经成为全球经济复苏的强大 技术动力之一。福建省政府制定了的“数字福建”重要战略方针，加强以福建省为对象的数字化、网 络化、可视化和智能化的信息集成及应用系统。近年来，物联网的研究与应用也成为“数 字福建”的主题，各高校与企业纷纷加大物联网的研究力度。作为物联网的重要应用，智 能家居市场是一个非常有发展前景的朝阳产业。该系统致力于提升

3、家居安全性、便利性和 舒适性，智能家居基于成熟的网络控制和无线交互技术，实现网络智能家庭安防、网络智 能照明、网络智能环境控制等，构建高效的住宅设施与家庭日程事务的管理系统，帮助全 球家庭实现环保节能的居住环境。1984 年，美国第一幢智能建筑落成，此后欧美国家也相继提出了各种智能家居方案。美国电子工业协会 (AEIA) 于1988 年编制了第一个适用于家庭住宅的电气设计标准家庭 自动系统与通信标准 。目前，国际有代表性的厂家有美国的 x-10、 CEBus 和 Lonwork ， 日本的HBS，欧洲的EIB和EHS等。近年来，国际上有影响力的 IT巨头也纷纷开始瞄准 这块市场。在 2001国

4、际消费类电子产品展上，比尔盖茨向 IT 专业人士展示了“微软智慧 之家”；今年5月，谷歌借助“ An droid Home ”发布会向外界传达了“家庭自动化”的 理念，打造面向家庭智能化的 Android 系统。与国外相比，我国对智能家居起步较晚，但是政府部门在政策和标准等方面，不断加 大扶持力度，指导行业发展。近年来，传统家电类企业也瞄准这一市场，如TCL 、海尔分别推出 miHome 和 U-home 智能家居概念产品；以福建冠林为代表的传统安防企业也转向 该产业，而数千家中小企业也正日益成为行业中的生力军。星网锐捷集团公司是福建省著名的IT企业，其子公司星网视易在多媒体数字娱乐有较强的实

5、力，是中国娱乐行业解决方案领跑者，其中数字娱乐点播系统、经营性KTV 方案、银行网点信息发布系统都属于国内或行业第一；数字标牌产品、数字楼宇对讲系统也做到 全国领先。 2011年星网视易公司制定了公司未来发展战略，明确将“数字家居”定位为公 司未来最重要的产品与服务，正式宣示向“数据家居物联网”进军。2. 主要的技术瓶颈及研究优势 虽然“智能家居”的概念炒得炙手可热，但是它离普通百姓家庭却很遥远。住建部、全国智能建筑及居住区数字化标准化技术委员会在京发布的2011年度中国城市居民 e 家生活指数研究报告显示，中国城市居民 e 家水平目前尚处于初级阶段，指数各个指标呈 现“三高两低”的特点，即认

6、知程度高，对生活影响的程度高，未来依赖程度高，拥有程 度低，使用程度低。分析主要原因有：一、智能家居产业国家还没有统一的行业标准，企 业相互间的产品不具兼容性；二、由于市场调研不够，开发的产品实用性差，操作复杂， 与市场需求脱节；三、由于技术上需要投入大量研发资金，一些中小企业没有能力持续创 新，更难形成规模生产，造成产品价格居高不下。当前的市场局势为星网锐捷公司创造很大的机遇。首先相比一般的中小型公司，公司 具有较高的知名度，较充足的资金链和较完善的研发队伍；其次公司拥有多媒体数字娱乐、 楼宇安防、视频监控等优势产品，相比于 TCL 、海尔等公司具有更大的安防方面的市场经 验，相比于冠林等公

7、司更具有家庭数字娱乐方面的优势。此外，本项目融合了高校的探索能力和企业的创造能力，福建师范大学与星网锐捷公 司共同创建了“系统集成创新平台”，由二三十名师生组成的创新平台全面推进与企业的产、 学、研合作。近年来，平台为星网锐捷公司培养并输送了大批优秀科研人才；在项目上， 校企双方以此平台为基础，共同开发完成了星网锐捷公司“数字背景音乐”等多个项目。 在本项目中，团队师生已经完成了项目前期的技术探索工作，在传感器技术、通讯技术等 方面已经完成了理论分析及实验，为本项目奠定了扎实的基础。3、项目意义及产业化前景统计表明，在未来 5 年内，全球家庭智能化市场的年平均增长率为 8%，到去年底， 家庭网

8、络市场总额为 57 亿美元，智能家居产品销售额达到 140亿美元。随着人们生活水平 的不断提高，人们不断的对居住环境提出更高的要求，越来越注重家庭生活中每个成员的 舒适、安全与便利，因此从市场需求的角度看，智能家居必然是前景广阔。借助“系统集成创新平台”加强校企合作，用科技创造效益，推进科技创新人才培养 是政府、企业、高校共同的目标，同时也将会推进福建科技的发展。二、研究开发内容及主要创新点 （2000 字内）1、具体研究开发 内容和重点解决的关 键 技术2、 项目的特色或 创新之处一、研究的具体内容 项目组及合作单位已在数字家居方面开展了多年的研究，在对技术及市场需求的分析 基础上，确定本项

9、目的目标，即构建控制、监控、娱乐为一体，体现安全性、便利性、舒 适性的数字家居系统。项目开发主要分为三部分内容：1、将星网锐捷公司优势技术家庭数字娱乐、数字楼宇对讲、数字视频监控等融合到数字家居项目中，实现一体化平台管理； 2、开发系列上位操作软件，包括计算机windows 系统的操作软件，安卓系统的操作软件，苹果系统的操作软件，互联网服务器及 WEB 操作软件。 3、开发网络智能综控设备、遥控 开关插座、环境感应器、数据背景音乐设备。项目将整合公司及学校各自的技术优势，共同完成开发任务，星网锐捷公司负责第一、 第二部分的开发；福建师范大学完成第三部分内容开发。如图 1 所示，数字家居项目将围

10、 绕以下内容开发：1. 研制网络智能综控盒：支持对空调、灯光、电器、音响等电气设备进行远程统一 管理；可编程，可联网；通过情景模式的选择，一键完成电器/灯光的通断和调光，在节能降耗的同时，提供人性化的温度和照明环境。2开发智能遥控插座：控制电源定时开断，可对关键电器远程控制，热水器、空调等 无需全天开启，洗衣机可在电价便宜时启动工作；支持监测电器的用电状态，统计单位时 间耗电情况。在提供便利的生活的同时，帮助节能降耗。3实现数字视频监控系统：全数字社区视频监控解决方案，无缝覆盖社区各个角落， 为构筑和谐社区提供可靠的技术保障。4融合家庭数字娱乐系统：将 KTV 、高清影院和互联网娱乐多能合一，

11、高画质 MTV ，拼音、语种等多种先进点歌方式，专业原伴唱效果；支持1080P 高清播放，支持局域网和互联网播放，为家庭用户提供卓越的高画质影音享受。5整合数字楼宇对讲系统：实现行业领先的高清双向可视对讲功能，UCOS 系统高度稳定，组网方案精简可靠；以性能和功能优势，带来高清视频交互的全新可视对讲体验。二、项目组重点解决的关键技术：1. 适应于家居应用的自组网络通讯技术研究 从智慧地球、智慧城市、智慧社区、智慧楼宇，最后到家庭中各种设备的控制，智慧 的本质在于能够互相交流信息，并作出正确的判断和执行。智能家居系统通讯架构的设计 及通讯路由的开发为本项目的技术关键点，同时也是难点。在通讯系统构

12、架中应充分考虑 各种通讯网络的特性，因尽可能的包容多种通讯介质。从目前家居组网来看，以下几种通 讯方式各具优势，以太网、电力线载波、无线通讯。本项目将拟采用以太网技术作为主干 通讯网，子网采用无线跳频通讯方式进行自组网。2. 研究无线跳频通讯在多突发通讯节点中的应用 在家居传感网中存在着子节点数量多，突发、并发通讯情况较经常。除此之外，系统 的不同子网的也会相互干扰，另外在一幢楼中的上下左右邻里的无线网也会相互干扰，这 些都会使无线通讯的情况变得很糟。为提高无线通讯的可靠性，引入跳频技术 (FrequencyHopping Spread Spectrum； FHSS) 是非常必要的，跳频系统要

13、求实现载波同步、位同步、 帧同步。此外，由于跳频系统的载频按伪随机序列变化，为了实现电台间的正常通信，收 发信机必须在同一时间跳变到同一频率，因此跳频系统还要求实现跳频图案同步。采用跳 频的多址通信网具有很多优点：抗干扰能力强，低截获概率，低检测概率，对频率选择性 衰落有很好的抑制作用等。但跳频通讯的信道质量评估及路由选择，自适应功率控制算法 都是系统的难点。三、特色与创新1. 创新性引入神经单元模糊算法实现多传感器融合，消除传感异常数据、矛盾数据的 干扰，提升传感监测的稳定可靠性。实现有智慧的家居系统，感知是系统前提和基础。在 本项目中，融合了二氧化碳浓度传感器、烟雾传感器、光照传感器、人体

14、红外感应传感器、 声音传感器、温度传感器、湿度传感器、摄像头等感知终端，甚至还实现一个户外气象传 感器。传感体系让系统能感知着家里甚至户外的情况，为我们提供贴心服务。传感器在不 同的时期可以起到不同的感知作用，如主人在家时，人体红外传感器感应主人的动向，如 果主人想上卫生间，系统便自动启用排气扇，开启灯光等；当主人离家时，它又成了家中 的安全卫士，起到安防作用。2. 独创设计了基于云服务的数字家居多媒体娱乐系统，将KTV 、高清影院和互联网娱乐多能合一，高画质 MTV ，拼音、语种等多种先进点歌方式，专业原伴唱效果；支持 1080P高清播放，支持局域网和互联网播放，为家庭用户提供卓越的高画质影

15、音享受。整 合电脑终端、电视终端、掌机终端三个细分市场，提供从“云”到“端”的视频互动解决 方案，为用户提供丰富的节目和个性服务。3. 采用积分统计方式分析通讯信道质量，实现可靠的信道质量评估算法，判定了干扰 频点后，如何自动寻找更好的通讯中继路由；在无线跳频系统中引入功率控制算法以实现 比特误码率最小原则，算法为各个跳频信道选择适当的功率，使得接收方收到的数据比特 误码率达到预定的误码门限。三、研究开发方案和技术路线 （2000 字内）一、项目组织机构福建师范大学与福建星网锐捷公司组成项目组，由双方电子信息工程、计算机技术、 美术、管理等专业技术人员构成产、学、研联合体，具体分工如下：福建师

16、范大学负责智 能家居产品网络智能综控设备、遥控开关插座、环境感应器、数据背景音乐等设备的开发 及相关技术的攻关，福建星网锐捷公司负责数字娱乐系统，视频监控系统，数字楼宇对讲 系统和上位机软件系统的开发，并对整个智能家居项目进行需求分析、产品整合开发、产 品的中试、生产和市场推广。二、开发方案与技术路线如图 2 所示，项目从技术架构上来分析，系统可分为三层：感知层、网络层和应用层。 感知层由各种传感器以及传感器网关构成，包括二氧化碳浓度传感器、光照传感器、人体 红外感应传感器、声音传感器、温度传感器、湿度传感器、摄像头等感知终端。感知层的 作用相当于人的眼耳鼻喉和皮肤等神经末梢，它是家居物联网获

17、取识别物体，采集信息的 来源，其主要功能识别物体，采集信息。网络层由各种私有网络、互联网、有线和无线通 信网、网络管理系统和云计算平台等组成，相当于人的神经中枢和大脑，负责传递和处理 感知层获取的信息。应用层是家居物联网和用户（包括人、组织和其他系统）的接口，主 要是由各种上位机软件构成，用户通过手机、电脑对家居物联网实现控制及监视。下面将 从几个技术单元进行分析。1. 系统从网络架构来看，系统将分为主干网和无线传感网。主干网是中心控制器为中 心，上行连接着 PC 机、智能手机、平板电脑以及互联网服务器，下行连接着家居无线传 感网的中继设备。主干网采用以太网进行组网，以实现可靠的、大数据量的、

18、复杂的数据 通讯。以太网支持双绞线通讯、 wifi 无线通讯、电力载波通讯等方式，所以基本适用于所 有家庭并已经普及应用。如图 3 所示，传感网采用 2.4G 无线自组网，使用跳频通讯机制， 由中心控制器为每个中继节点分配不同通讯跳频序列和验证码。无线终端节点可以扫描有 效中继节点并能综合分析出其通讯质量，最终节点确定连接对象，建立同步通讯机制。2. 中心控制器设计：中心控制器是数字家居的系统核心，也称为网络智能综控盒。如 图 4 所示，中心控制器管理着家居内所有传感节点和执行单元。中心控制器实时采集所有 传感节点及执行单元的传感数据或状态信息，引用神经单元模糊算法实现多传感器融合， 消除传感

19、异常数据、矛盾数据的干扰，进行综合智能分析并做出对应决策。是接收、判断、 处理、发送命令一体化的智能中心。中心控制器是一个分布式的、可扩展的、包容性的系 统。可进行灯光控制、安防、门禁、消防等系统；实现空调、窗帘、投影仪、电动幕布等 设备联动；还可以扩展多媒体互动功能。中心控制器硬件方案采用 ARM11 ，标准 Linux 操 作系统，主要硬件接口包括：指示灯、控制开关总线接口、执行元件总线接口、RJ45 接口、计算机调试口、无线通讯接口、在线程序升级接口等。设备支持 TCP/IP 协议，可实现远程 控制和管理从而实行执行件的控制，通过 IE 控制界面可以进行控制器基本配置；设计实现 多媒体操

20、作终端、智能手机、计算机等设备的网络通讯接口，接受其设置、控制、查询等 操作。3. 环境感应器设计：没有感知便没有智能，在数字家居系统中传感器是非常重要，但 传感器的可靠设计更为重要。使用传感器应该要让人感觉舒心，让人感觉信赖，但如果传 感器比较容易产生误差数据的话，那么将会起到反较果。为了达到稳定的传感效果，除了 选用高可靠的传感器外，将引入一系列冗余算法、环境推导算法及模糊算法来提高传感器 的可靠性。在本模块中将采用二氧化碳浓度传感器、烟雾传感器、光照传感器、人体红外 感应传感器、声音传感器、温度传感器、湿度传感器。四、项目考核内容与指标1、主要技术指标 （1000 字内）一、中心控制器1

21、. 软件硬件指标 电压： AC180V250V/50Hz/60Hz 功耗：静态功损耗 :0.8W工作环境：温度：-3070度；湿度10-95%RF 射频： 2.4G,315M,433MGSM 网络： GSM，900/1800MHz 双网 内置网卡：内置 10/100M 自适应网卡 ,适合宽带网、局域网、 3G 网等 RS232 接口 ： 支持 TCP2Modebus 协议透传RS485 接口 ： 支持 ZigBusTM 总线协议 CPU 类型： ARM11 操作系统： LINUX 数据库： SQLite2. 功能指标 远程短信控制功能，手机可发短信控制所有家电及灯光状态 网络控制功能，内建 1

22、0M/100M 自适网卡 , 适用于局域网、宽带网、 Wi-Fi 支持远程 TCP 客户端访问和监控，支持 WindowsXP,Windows7 、Android 、iOS 等平台 家电灯光控制功能，支持灯光开关、包括调光控制、开关码控制功能 支持无线遥控插座控制，支持大功率用电设备的智能控制 支持电视、空调、影院系统等红外遥控设备控制支持设备信息反馈和传感信息采集 可组合设定各种定时实现情景事件 支持宽带网、 GSM 短信、电话报警机制 支持传感器和受控设备联动，如下雨关窗等 支持手机或者电脑远程监控和控制家电，可以监视视频图像同时控制家电设备二、遥控面板技术参数 工作电压： AC180V2

23、50V/50Hz/60Hz 接线方式：零火双线制 /单火线制（两种） 外观尺寸： 88mmX88mmX32mm （标准 86 型底盒暗装） 温度环境：-1080度，相对湿度：w 95%RH 工作频率： 2.4G 待机电流： 220V 50uA （小于 0.015W）；遥控距离：室内W 30m，室外W 80m控制路数： 4 路负载功率：单路最大负载w 1000W适用灯具：适合日光灯、白炽灯、节能灯、 LED 灯等一切常规灯具 三、遥控插座技术参数工作电压： AC180V250V/50Hz/60Hz额定电流： 10A负载能力： 2200W温度环境：-1080度，相对湿度：w 95%RH工作频率：

24、2.4G待机电流： 220V100uA （小于 0.030W） ；遥控距离：室内w 10m，室外w 30m 电源接口：万能三相插孔1、经济社会效益（700 字内）（一）主要经济指标 据近期的一项国家统计资料显示，中国富有阶层正在形成，该部分家庭户均年收入在5.6 万元以上，人口约 4460 万人， 1400 多万户，占城市人口的10，总人口的 3.5，占全社会消费购买力总和 6万亿元的 17左右，因此主要针对这部分人的智能家居系统其市 场总量为 1 40 0万套。正是在这种情况下，近两年来，智能家居系统的销售数量和总销售额 都呈现连续攀升的势头，并且随着人们消费意识的提高，还会有更多的人选用。

25、根据开发商统计，智能家居至少能使楼宇每平方米升值 200 至 300元，并且极大的提 升他们销售率。无论是房地产商，还是网络公司，都预言：住宅信息化、智能化将是一个 不可避免的趋势，没有智能化房子将很难卖得动。2011 年福州市新房成交量是 15664 套，每套如果按 1 万元计，加上旧房改造，那么仅 福州市每年就有至少有 1 亿多的市场。预计项目完成时年新增产值 2000 元，年新增利润 500 万，年新增税收 150 万。（二）社会科技效益 项目将促进产、学、研全面发展，推动福建科技进步和创新性人才培养。福建师范大 学与福建星网视易信息系统有限公司采用校企战略联盟的模式建立新能源工程、数字

26、智能 家居体验示范性工程；联合建立学生科技创新实验室，联合培养创新性人才，并在公司建 立系统集成工程实践基地，将双方优势进行整合，实现整体价值提升。一方面推动了福建 师范大学的新能源工科专业的人才培养，提高教学质量；同时将对福建星网视易信息系统 有限公司的人才储备和新技术研究有重要意义。进度安排2013- 03-01 到 2013 -08-31系统功能定义、实验方案设计、器件选型；结合已有的研究设计，提供合理的设计方案。设计网络通讯架构，定义通讯协议，设计硬件、软件框架。2013-09-01 到 2014 -02-28装置结构和软硬件设计：嵌入式传感电路，控制电路，无线通讯电路设计，无线组织网

27、络软件设计；神经单元模糊算法软件实现，多层数据采集软件系统网络架构与实现。在本阶 段完成样机设计，申报 2-3 项专利。同时进行可靠性和稳定性分析，进一步提高系统性能。2014- 03-01 到 2014 -08-31结合企业工程，对成品样机进行试用，根据测试情况和用户反馈对系统进行调试和改进， 完善系统功能和各项指标。根据工作成果发表 1-2 篇相关论文。2014-09-01 到 2014-12-31完成系统的设计报告和产品生产工艺文档。组织批量生产和市场推广。在市场推广的基础 上实现数据采集和分析，结合采集数据做深度分析，将优化控制策略利用网络下发中心控 制器，完善其智能程度。跟踪市场反馈，对系统方案做进一步精细调整进一步完善设计。 根据前一段市场应用效果，形成项目总结。2015- 01-01 到 2015 -02-28研究基础福建师范大学物理与能源学院拥有新能源研发设备值达 1500 万元，实验室使用面积 2100 平方米。拥有新能源、新材料福建省重点实验室、新能源工程中心等科研机构。现有 物理学一级学科博士点，材料工程、能源与材料工程等硕士学位点。已建立专门的科研管 理部门，并通过提供科研配套经费、提供科研实验条件、科研成果奖励政策方面支持，确 保项目组完成项