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智能家居集成技术平台系统分析

作者:LunWen 来源:中华论文网-免费论文下载 加入时间:2005-9-20

引言

随着人民生活水平的不断提高和房地产业的发展,怎样在个性化的用户需求中寻找智能家居的整体解决方案,成为摆在大家面前的难题。海尔集团研制开发的智能家居整体解决方案――智能家居集成技术平台在很大程度上满足了用户及房地产开发商的需求。

2002年,海尔集团的《智能家居集成及其平台技术研究》项目获得国家科学技术进步奖。

智能家居集成技术平台,从家居智能设备的接口技术以及家庭网络技术、智能小区联网技术入手,先后制定了不同家居智能设备之间的接口协议,建立了智能家庭网络系统,考虑了与整个小区智能系统的融合,形成了家居智能系统的统一体系。

一、 小区智能化的核心是家庭智能化――家居智能

1、国内智能小区行业发展趋势

自1984年美国建成第一座智能建筑以来的近二十年中,在世界范围内,智能建筑以一种崭新的面貌和技术,迅速在各地展开,并已成为21世纪建筑业的发展主流。智能建筑主要分为两大类,一类是以公共建筑为主的智能大厦,如写字楼、综合楼、宾馆、饭店、医院、机场航站楼、体育场馆等。另一类则是以住宅为主的智能化住宅小区。

国内的小区智能化,经历了从初期因为不了解而盲目上马导致的智能小区过热,到被寄予过高期望值的小区智能化泡沫破灭之后的智能化小区的低潮徘徊,现在,智能小区已经逐步走向理性与务实的发展阶段。

1995-1999年期间,国内的智能小区逐步兴起,人们对智能小区的热情空前高涨,全国上下许多大中城市的房地产商都将自己开发兴建的住宅小区标以“智能小区”、“3A型智能小区”、“5A型智能小区”等等,一时间智能小区成了房地产商开发销售的热点和卖点。由于智能化小区缺乏统一的技术标准,智能化相关产品不成熟,房地产开发商贪大求全、盲目追求智能化以及专业知识欠缺导致鉴别能力不足等原因,造成部分建成的小区智能化系统运行不正常、系统性价比低下,使用的系统与设备不符合标准化及开放性的要求。到2002年,智能化小区的建设出现了相对比较混乱的局面,严重降低了小区智能化系统在住户、开发商心目中的地位,小区智能化发展进入低潮期。自2003年开始,房地产市场在高速发展之后逐步趋于理性,房地产开发商对智能化有了比较深入的理解,智能化相关技术及产品逐步成熟,国内外著名公司纷纷介入智能化领域等原因,大大促进了智能化行业的发展,小区智能化行业正逐步向着理性与务实的方向发展。

2、智能小区的发展目标是给住户提供一个安全、舒适、便利的居住环境

智能小区的基本目的是达到人与建筑及环境的共生共荣,满足住户在安全性、居住环境的舒适性、便利的社区服务与社区管理、具有增殖应用效应的网络通信等方面的实现的和个性化需求。

如何根据小区特点,赋于小区各种功能以适应该小区居民的需求,并在智能化方面有着自己的特点,这是智能小区应有的追求。

3、小区智能化系统构成

智能小区的概念至今在国际上还没有形成共识,存在着很多种说法。其中,比较概括的说法是:智能小区是指配备有智能化系统的居住区,达到建筑结构与智能化有机结合,并能通过高效的管理与服务,为住户提供一个安全、舒适与便利的居住环境。

小区智能化系统包含十几个子系统,对于众多的智能化子系统,也存在着多种不同的分类方法。如建设部住宅产业化促进中心颁发的“全国住宅小区智能化系统示范工程建设要点与技术导则”(修订稿),将小区智能化系统分为:安全防范系统、管理与监控系统、通信网络系统。

从用户使用的角度出发,小区智能化系统可以归结为三大平台:家居智能平台、社区智能平台、网络集成平台。

(1)家居智能平台

家居智能平台包括可视对讲、家庭安防、远程抄表、网络家电、家庭短信、物业报修等子系统,使用户在生活中直接面对的智能化系统,与用户的关系最紧密。

如图1所示
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(2)社区智能平台

社区智能平台包括闭路监控、周界安防、背景音乐、停车场管理、一卡通、电子巡更等子系统,主要集中在小区的公共区域,通过物业管理公司来为用户提供安全保障等服务。

如图2所示
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(3)网络集成平台

网络集成平台包括家庭网络、控制网络、宽带网络、电话网络、有线电视等网络,是整个小区智能化系统的支撑平台。

如图3所示
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4、小区智能化的核心是家庭智能化――家居智能

小区的智能化,涉及小区的周边、小区内以及住户家庭的智能化:在智能化住宅小区的周边及智能住宅小区内设置安全防范系统,并在住宅家庭内设置可视对讲、防盗报警探测器、紧急求助和报警按钮、可燃气体探测报警等家庭安全防范系统,设置三表(或四表)出户计量系统,家电控制以及电视、电话和计算机网络服务,为住户需求的高速通信提供可能。家庭智能化部分与住户生活息息相关,不但满足了住户的安全需求,而且满足了住户生活的舒适性、便利性,从根本上改善住户的居住环境和提高住户的生活水平,改变住户的生活方式,是小区智能化的核心。

家庭内大多数的子系统和设备可以通过智能家庭网络连网实现自动化。相信在不久的将来,甚至日常器具也可以通过增加其内在智能,而在网络上发送其状态信息。统一的网络结构和控制平台,灵活的接入方式,高可靠性和兼容性,低成本,以提供舒适、安全和高效的家庭环境,是智能家庭网络研究的目标。

二、家居智能集成平台系统

1、智能家居

智能家居是指利用先进的计算机技术、网络通讯技术、综合布线技术,将与家居生活有关的各种子系统,有机地结合在一起,通过统筹管理,让家居生活更加舒适、安全、有效。与普通家居相比,智能家居不仅具有传统的居住功能,提供舒适安全、高品位且宜人的家庭生活空间;还由原来的被动静止结构转变为具有能动智慧的工具,提供全方位的信息交换功能,帮助家庭与外部保持信息交流畅通,优化人们的生活方式,帮助人们有效安排时间,增强家居生活的安全性,甚至为各种能源费用节约资金。

家居智能的基本目标是:将家庭中各种与信息相关的通讯设备,家用电器和家庭保安装置通过家庭总线技术(HBS)连接到一个家庭智能化系统上进行集中的或者异地的监视、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、家居智能平台系统的主要功能

家居智能平台系统可以用图4形象的表示出来。
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作为小区智能化系统的核心,家居智能平台系统通过其核心设备――家庭智能终端来实现家庭智能化的功能。家庭智能终端是智能家居的心脏,通过它实现系统信息的采集、信息输入、逻辑处理、信息输出、联动控制等家庭智能化功能。

家庭智能终端的功能如下:

家庭安防:安全是居民对智能家居的首要要求,家庭安防因此成为智能家居的首要组成部分。家庭安防报警红外报警、门窗磁报警、紧急求助报警、燃气泄漏报警、火灾报警等。当家庭智能终端处于布防状态时,红外探头探测到家中有人走动,就会自动报警,通过蜂鸣器和语音实现本地报警;同时,报警信息报到物业管理中心,还可以自动拨号到主人的手机或电话上。

可视对讲:通过集成与显示技术,家庭智能终端上集成了可视对讲功能,无需另外设置室内分机即可实现可视对讲的功能。

远程抄表:水、电、气表的远程自动抄收计费是物业管理的一个重要部分,实现三表自动抄表计费解决了入户抄表的低效率、干扰性和不安全因素。

网络家电:网络家电是智能家居集成系统的重要组成和支持部分,代表着家庭智能化的发展方向。通过统一的家电联网接口,将网络家电与家庭智能终端相连,组成网络家电系统,实现家用电器的远程监控、故障远程诊断等功能。

家庭短信:家庭短信是通过家庭智能终端和物业管理中心的联网,来对住户发布信息,住户可通过家庭智能终端的交互界面选择物业管理公司提供的各种服务。

物业报修:通过家庭智能终端可以向物业管理部门申请维修、预订等指定社区服务。

3、家居智能平台系统的技术特点

智能家庭网络随着集成技术、通讯技术、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、设备和系统的操作和管理,以及集成技术的应用。

(1) 通过家庭网关――家庭智能终端及其系统软件建立家居智能平台系统

家庭网关是智能家庭局域网的核心部分,主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。

运用计算机技术、微电子技术、通讯技术,家庭智能终端(家庭网关)将家庭智能化的几乎所有功能集成起来,使智能家居建立在在一个统一的平台之上。首先,家庭网关要保证信号在家庭内部各智能化设备之间、家庭内部网络与外部网络之间的传输通畅、准确,其次,还要保证能够识别通过网络传输过来的指令是合法的而不是“黑客”的非法入侵。因此,家庭智能终端既是家庭信息的交通枢纽,又是信息化家庭的保护神。

(2) 通过通讯模块实现与网络家电的互联

为实现家用电器的网络功能,每台家电都要拥有通讯模块。对于不同的物理传输介质,需要有不同的通讯模块,通讯模块成为传统家电升级为网络家电的接口,这是网络家电系统的核心。为保证各家电之间以及家电网络和网关之间的正确通信,必须制订一套完整的通讯协议。

(3) 嵌入式系统的应用

传统的家用电器,绝大多数是由单片机控制,从传统家电升级为网络家电之后,为实现网络技术和家电控制系统的无缝连接,将具有网络功能的嵌入式软件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。

4、家庭自动化(Home Automation)

家庭自动化系指利用微处理电子技术,来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、空调、热水器、电脑设备、保安系统、暖气及冷气系统、视讯及音响系统等。家庭自动化系统主要是以一个中央微处理机(Central Processor Unit,CPU)接收来自相关电子电器产品的讯息后,再以既定的程序发送适当的信息给其它电子电器产品。中央微处理机必须透过许多界面来控制家中的电器产品,这些界面可以是键盘,也可以是触摸式荧幕、按钮、电脑、电话机、遥控器等;消费者可发送信号至中央微处理机,或接收来自中央微处理机的讯号。

家庭自动化是智能家居的一个非常重要的系统,是智能家居的核心,随着网络技术的普遍应用,网络家电的逐步成熟,家庭自动化的许多功能将融入到这些新产品中去。可见,家庭自动化是智能家居的研究方向。

结合当前信息技术的发展和人类对居住环境的要求,可以预见未来的智能家居应以提供以下功能:

(1)收发和保存信息;(2)管理个人或家庭的经济情况;(3)管理家庭的通讯需求;(4)管理电源和设备的使用;(5)提供安全和可靠的环境;(6)无需维护的运行;(7)简单的操作;(8)可根据个人或家庭生活方式定制。

三、网络家电系统

网络家电是将普通家用电器利用数字技术、网络技术及智能控制技术设计改进的新型家电产品。网络家电可以实现互联组成一个家庭内部网络,同时这个家庭网络又可以与外部互联网相连接,从而形成网络家电系统。

可见,网络家电技术包括两个层面:首先就是家电之间的互连问题,也就是使不同家电之间能够互相识别,协同工作。第二个层面是解决家电网络与家庭网络、外部网络的通信,使家庭中的家电网络真正成为家庭网络、外部网络的延伸。

海尔集团根据社区智能化以及家电的发展趋势,结合小区智能化技术以及家电网络化技术,开发了包括家庭网关(家庭智能终端)、网络空调、网络热水器、网络洗衣机、网络洗碗机、网络冰箱、网络微波炉等在内的全系列网络家电产品,技术先进、产品系列全。

1、 网络家电系统功能

海尔的网络家电产品概括起来,具有以下功能:

(1) 远程控制:通过远程的电脑,或者电话、手机,便可以对家中的热水器、空调等电器进行操作。如可进行空调、热水器的远程开关,还可以进行温度等的调节。

(2) 远程查询:通过远程的电脑,可以查询到家中电器的工作状态,如空调、热水器等是否关闭。

(3) 可以实现集中控制与管理:可以实现对家电的集中统一控制与管理。如可以科学分配电力等能源供应,实现分时供电,合理调配大功率电器的协调运行。

(4) 可以实现故障信息自动诊断、反馈:家电的故障信息以及使用不正确的信息可以自动诊断、并反馈到服务中心的计算机系统中,使厂家能立即为用户提供远程或上门服务。

(5) 生活模式控制:联在家庭网络上的电器,可以根据主人的生活规律和生活习惯,通过自学习,自动起停、自动改变运转状态,从而大大简化操作,方便人们的日常生活,从根本上提高人们的生活质量。

2、海尔网络家电系统的技术特点

海尔网络家电系统,是家庭网络技术、家电控制技术、社区智能化技术等互相结合的产物。它从满足用户需求的角度出发,采用了国际上成熟的基础技术,完成了以上技术的跨学科整合。

要实现对家用电器的远程控制和家电的互操作,必须解决家庭组网和网络接入的问题。和企业网不同,家庭组网目前还面临着一些技术问题,如用户的联网要求必须价格低廉、易于安装、配置和使用,不需要很多技术维护知识等,同时,家庭联网还必须考虑物理传输介质的问题,使新建住宅和老式住宅均可以方便地组网。

从网络通讯的角度看,家庭网络包含了物理层、数据链路层、网络层,传送层、会话层、表示层、应用层共七层结构:物理层的目的是将原始比特流从一个网络家电运送到另一个网络家电;数据链路层主要讨论在数据链路上帧流的传输问题;网络层主要处理分组在网络中的传输;传送层的任务是提供可靠的、经济的数据从源到目的地之间的传输;会话层主要控制用户间的会话;表示层主要处理应用实体间交换数据的语法,其目的是解决格式和数据表示的差别;应用层应用进程提供访问OSI环境的方法 。
目前网络的物理传输介质有双绞线、电力线载波和无线(RF)等。针对不同的物理传输介质,国际上正形成相应的家电互联技术规范或协议,其中有代表性的有:lonworks、CEBus、HomePNA、HomeRF等。lonworks完整的七层协议,支持上述三种物理传输介质,用于各行各业自动化监控系统,网络拓扑可以是总线型的,也可以是其它拓扑结构。协议都包括在其神经元芯片中。CEBus(EIA600)是一个开发式的标准,支持电力线载波、双绞线、无线(RF)及电缆通信,主控制器完成高层应用和网管功能,它与数据链路层核心控制器以及物理层收发信机相连。HomePNA(家庭电话线网络联盟)意在采用单一通用的电话线网络联盟标准,迅速为市场提供一系列家庭网络解决方案。其物理层采用频分多路复用(FDM)的方式,用户使用符合HomePNA规范的产品,可以利用现存的电话线连接计算机和其他家用设备,实现共享Internet访问、共享数据和应用程序以及共享外设,与此同时还可以进行正常电话通话。

结束语

小区智能化的核心是家庭智能化,智能家居的发展趋势是家庭自动化,其中网络家电是家庭自动化研究的主要内容。网络家电和家庭网络技术在家电上的应用研究是一个摆在全世界面前的新课题,如何根据信息技术的最新发展和用户需求的不断变化,在网络家电和家庭网络技术领域优化相应的联网协议,以及针对不同的产品改进个性化设计等各个方面的应用研究还有很多的工作要做。


参考文献
1、 张文才、龚为珽:《国内外智能建筑技术发展的现状及趋势》,中国建筑电气行业发展论坛论文集,2002年版
2、 方天培:《居住小区智能化系统》,《城市·建筑智能系统》,2002年第10期
3、 常东来、江亿:《智能家庭网络系统》,《电气&智能建筑》
4、 杜光林、张汉奇:《网络家电与家庭联网技术》,《城市·建筑智能系统》
5、 张金家:《剖析“智能家居集成及其平台技术研究”》,建筑及住宅社区数字化技术应用研讨会论文集,2003年4月版