物联网关键技术及在智能家居方面的应用

    王勇 杨二涛

    

    【摘?要】通过智能设备的逻辑判断与人工智能的功能，真正让人享受轻松、自由、安全的智能生活。例如触摸式、声控式、感应式等更多人性化的技术将会被广泛应用。

    【关键词】FRID;智能家居

    Key technologies of the Internet of Things and applications in smart homes

    Wang Yong，Yang Er-tao

    （Tianyuan Ruixin Communication Technology Co.， Ltd?Xi'an?Shanxi?710000）

    【Abstract】Through the logic judgment of intelligent devices and the functions of artificial intelligence， it truly enjoys a smart life of easy， free and safe. More humanized technologies such as touch， voice， and inductive will be widely used.

    【Key words】FRID;Smart home

    1. 引言

    智能家居可以为人们带来更为惬意轻松的生活， 在生活、工作节奏越来越快的今天， 家居智能化也可以为人们减少繁琐家务、提高效率、节约时间， 让人们有更多的时间去休息、教育子女、锻炼身体和进修， 使人们的生活质量有了很大的提高。

    2. 智能家居说明

    2.1?智能家居的定义。

    （1）智能家居（英文：smart home， home automation）是以住宅为平台，利用综合布线技术、网络通信技术、 安全防范技术、自动控制技术、音视频技术将家居生活有关的设施集成，构建高效的住宅设施与家庭日程事务的管理系统，提升家居安全性、便利性、舒适性、艺术性，并实现环保节能的居住环境。

    （2）近年来，物联网成为全球关注的热点领域，被认为是继互联网之后最重大的科技创新。物联网通过射频识别（RFID）、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议把任何物品与互联网連接起来进行信息交换和通讯，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理。物联网的发展也为智能家居引入了新的概念及发展空间，智能家居可以被看作是物联网的一种重要应用。基于物联网的智能家居，表现为利用信息传感设备（同居住环境中的各种物品松耦合或紧耦合）将家居生活有关的各种子系统有机地结合在一起，并与互联网连接起来，进行监控、管理信息交换和通讯，实现家居智能化。

    2.2?智能家居建设的意义。

    家居安全监控：各种报警探测器的信息采集， 开关门报警等如门磁、紧急按钮、红外探测、煤气探测、火警探测等， 并向住宅小区物业管理和警署报警。

    （1）家电控制：利用计算机、移动电话通过高速宽带接入， 并对电灯、空调、冰箱， 电视等家用电器进行远程控制。

    （2）家居管理： 远程三表 水、电、煤气传送收费。

    （3）家庭教育和娱乐： 如远程教学、家庭影院、无线视频传输系统、在线视频点播、交互式电子游戏等。

    （4）家居商务和办公：实现网上购物、网上商务联系， 视频会议。

    3. 物联网关键技术

    ITU在《ITU互联网报告2005：物联网》报告中预测RFID技术、传感器技术、纳米技术和智能嵌入技术将在物联网时代得到更加广泛的应用。

    3.1?RFID技术。

    RFID（Radio Frequency Identification，射频识别）是一种非接触式的自动识别技术，它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，识别工作无须人工干预，可工作于各种恶劣环境。

    3.1.1?RFID的基本组成部分如下：

    （1）标签（Tag）：由耦合元件及芯片组成，每个标签具有唯一的电子编码，附着在物体上标识目标对象;

    （2）阅读器（Reader）：读取（有时也可以写入）标签信息的设备，可设计为移动式或固定式;

    （3）天线（Antenna）：在标签和读取器间传递射频信号（RFID基本组成图见图1）。

    3.1.2?RFID技术的基本工作原理：标签进入磁场后，接收到阅读器发出的射频信号，无源标签或被动标签（Passive Tag）凭借射频电磁波束中所获得的能量发送出存储在芯片中的产品信息，有源标签或主动标签（Active Tag）则主动发送某一频率的信号;阅读器读取信息并解码后，将信息送至中央信息系统进行相关数据处理。

    RFID的关键技术如下：

    3.1.2.1?标签的能量供应。

    有源标签自带电池，用于给数据载体供电。而无源标签工作所需能量则从射频电磁波束中获取，和有源射频识别系统相比，无源系统需要较大的发射功率，射频电磁波在标签上经射频检波、倍压、稳压、存储电路处理，转化为标签工作所需的工作电压。

    3.1.2.2?标签到阅读器的数据传输 标签回送到阅读器的数据传输方式可归结为三类：

    （1）利用负载调制的反射或反向散射方式（反射波的频率与阅读器的发送频率一致）;

    （2）利用阅读器发送频率的次谐波传送标签信息（标签反射波与阅读器的发送频率不同，为其高次谐波（n倍）或分谐波（1/n倍））;

    （3）其它形式。

    3.1.2.3?数据传输的完整性与安全性 由于数字信号在传输的过程中会受到干扰，故其传输至接收端可能发生误判，为保证数据的完整性，可以使用校验和法来识别传输错误并进行校正，最常用的是奇偶校验法以及冗余校验法。在与安全相关的领域，例如出入系统、售票系统越来越多地应用射频识别系统，在数据传输的过程中难免不受到攻击，因此必须采取一定的防范措施保证数据安全，例如可以通过在阅读器与标签之间建立密钥来对要传输的数据进行加密，达到安全的目的。

    3.1.2.4?多目标识别技术（反碰撞算法）

    当阅读器信号作用范围内存在多个标签，同一时刻有两个或两个以上的标签向阅讀器返回信息时，将产生冲突。解决冲突的算法称为反碰撞算法。传统无线电技术（如通信卫星、移动电话网）已有空分多路法、频分多路法、时分多路法以及码分多路法来解决类似问题。

    3.2?传感器技术。

    传感器是一种物理装置或生物器官，能够探测、感受外界的信号、物理条件（如光、热、湿度）或化学组成（如烟雾），并将探知的信息传递给其它装置或器官。国家标准GB7665-87对传感器下的定义是：“能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成”。根据传感器工作原理，可将其分为三大类：

    （1）物理传感器。

    物理传感器应用某些物理效应，诸如压电效应，磁致伸缩现象，离化、极化、热电、光电、磁电等效应，将被测信号量的物理量转换成便于处理的电信号。

    （2）化学传感器。

    化学传感器包括那些以化学吸附、电化学反应等现象为因果关系的传感器，被测信号量的微小变化也将转换成电信号。

    （3）其它常见传感器。

    电阻式传感器、电阻应变式传感器、压阻式传感器、热电阻传感器、温度传感器、光敏传感器。

    3.3?纳米技术。

    纳米技术，是研究结构尺寸在1至100纳米范围内材料的性质和应用。纳米技术的使用可以使得物联网中的物体变得“更轻、更高、更强”。“更轻”是指借助于纳米材料和技术，传感器等感知设备的制备体积更小更轻盈;“更高”是指纳米材料具备更高的光、电、磁、热性能;“更强”是指纳米材料有着更强的力学性能（如强度和韧性等）。

    3.4?智能嵌入（Embedded Intelligence）技术。

    嵌入式技术是将计算机作为一个信息处理部件，嵌入到应用系统中的技术，即将软件固化集成到硬件系统中，将硬件系统与软件系统一体化。嵌入式具有软件代码小、高度自动化和响应速度快等特点。

    4. 智能家居系统目前所包含的主要子系统

    （1）家居布线系统。

    家居布线系统是一个安装在住宅内，根据家居布线标准实施的布线系统，主要支持语音、数据、视频、家居自动系统、环境管理、保安、警报及对讲机等服务。家居布线系统是智能家居其它子系统相互连接和对外连接的通道，是实现智能家居的前提。

    （2）家庭网络系统。

    家庭网络系统主要包括三方面功能：网络通信、媒体娱乐和家庭控制。家庭网络在家庭范围内（可扩展至邻居、小区）将家电、安全系统、照明系统通过有线或无线方式与广域网相连。

    （3）中央控制管理系统。

    智能家居的中央控制管理系统相当于电脑的CPU，所有的子系统都会接入到这个控制中心。中央控制管理系统通常通过智能家居管理软件完成设备管理、场景设置、能源管理、日程管理、安防布撤防、安防监控、物业管理等操作。

    （4）照明控制系统。

    家居照明控制系统可以根据环境变化、用户个性需求等条件自动采集照明系统中的各种信息，并对所采集的信息进行相应的逻辑分析、推理、判断，对分析结果按要求的形式存储、显示、传输，进行相应的工作状态信息反馈控制，以达到预期的控制效果。

    家居照明系统是一套控制系统，包括调光模块、开关模块、控制面板、液晶显示触摸屏、智能传感器、编程插口、时钟管理器等用于控制和管理的设备。

    （5）家庭安防系统。

    家庭安防系统是指为家庭设备与成员的安全而安装的防护保全与报警系统，例如可视对讲、家庭监控、防盗防护、周界探测与入侵报警。家庭安防系统可以通过在家中安置温度、煤气或烟感等探测器，视频监控设备，门磁和窗磁，紧急求救按钮等设备，结合语音告警、图像传输等手段来实现防护与报警。

    （6）家庭影院与多媒体系统。

    家庭影院与多媒体控制系统在智能家居中是发展较为成熟的子系统之一。一套家庭影院的设备通常包括DVD播放器、功放机、音箱、大屏幕的显示系统。

    （7）背景音乐系统。

    背景音乐系统通过家居布线，将声音源信号接入家庭中任何需要背景音乐的地方，通过控制面板独立控制铺设在不同地点的背景音乐专用音箱，让每个房间都能独立地实现音乐播放、音乐选择和音量控制等功能。

    5. 智能家居的发展趋势

    （1）整体智能家居系统功能。

    所谓整体智能家居系统，就是对更多智能家居子系统采用统一的协议标准，进行统一的控制、管理和联动。例如只用一个遥控器，或者用电脑就能统一控制任何一个智能家居子功能，并能实现各子功能之间的相互功能。

    （2）控制傻瓜化。

    通过智能设备的逻辑判断与人工智能的功能，真正让人享受轻松、自由、安全的智能生活。例如触摸式、声控式、感应式等更多人性化的技术将会被广泛应用。

    6. 总结

    6.1?“ 科技改变生活”：智能家居的应用将对我们的家庭生活和生活方式带来深远影响。

    （1）节省费用：在不需要时， 能源消耗装置可以自动关闭， 这样可以降低您的费用。

    使用方便：自动化系统提供远程遥控接口。自动化系统还可以把重复的工作自动化。在您外出时， 还可以调整或控制家电。

    （2）安全性高：家庭自动化系统在紧急情况时可以防御坏人或报警。您可以在任何地方可以监控该安全系统， 这样可以保证您的家居安全运行。

    （3）改变生活方式： 你可以穿着丁恤在家办公， 可以在家炒股、进行远程会议， 主妇在网上逛街 ， 孩子在家里上课等。生活中的方方面面都可以通过互联网在家进行， 不受时间空间的限制。现代化的生活工作方式较以往有了很大区别。

    6.2?智能家居可以为人们带来更为惬意轻松的生活， 在生活、工作节奏越来越快的今天， 家居智能化也可以为人们减少繁琐家务、提高效率、节约时间， 让人们有更多的时间去休息、教育子女、锻炼身体和进修， 使人们的生活质有很大的提高。

    参考文献

    [1]?杨利平《基于网络技术的远程智能家居系统》仪器仪表学报.2009.10.

    [2]?周洪波《物联网：技术、应用、标准和商业模式》电子工业出版社.2010.7.

    [3]?胡汉辉《传感器技术及应用》科学出版社.2009.2.

    [4]?无线龙《现代无线传感网概论》冶金工业出版社.2011.8.

    [5]?赵军辉《射频识别技术与应用》机械工业出版社.2008.7.

    [6]?王永华等《现场总线技术及应用教程》机械工业出版社.2007.1.