智能家居的系统结构及主要产品

7.4　智能家居

7.4.1　智能家居的定义、功能及发展历程

1.智能家居的定义

智能家居，或称智能住宅。智能家居可以定义为一个系统，它以住宅为平台，利用先进的计算机技术、网络通信技术、综合布线技术、传感器技术等物联网技术手段，将与家居生活有关的各种子系统有机地结合在一起，构成兼备建筑、网络通信、信息家电、设备自动化，集系统、结构、服务、管理为一体的高效、舒适、安全、便利、环保的居住环境。

具有相当于住宅神经的家庭网络、能够通过这种网络提供各种服务、能与Internet相连接是构成智能化家居的3个基本条件。与普通家居相比，智能家居有以下4大特性：

●智能化：由原来的被动静止结构转变为具有能动智能的工具。

●信息化：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。

●人性化：强调人的主观能动性，重视人与居住环境的协调，使用户能随心所欲地控制室内居住环境。

●节能化：取消了家用电器的睡眠模式，一键彻底断电，从而节省了电能。

小知识

应该注意，家居智能化与家居信息化、家居自动化、家庭的网络化等有一定的区别。在住宅中为住户提供一个宽带上网接口，家居信息化的条件即已具备，但这做不到家居智能化。电饭煲可定时烧饭煲汤，录像机可定时录制电视节目，这些仅仅是家电自动化。信息化和自动化是家居智能化的前提和条件，实现智能化还需对记录、判别、控制、反馈等过程进行处理，并将这些过程在一个平台实现集成，能按人们的需求实现远程自动控制。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。

2.智能家居的主要功能

典型的智能家居具有以下功能：

①家居安全监控：各种报警探测器的信息报警。

②家电控制：利用计算机、移动电话、PDA通过高速宽带接入Internet，对电灯、空调、冰箱、电视等家用电器进行远程控制。

③家居管理：远程三表（水、电、煤气）传送收费。

④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。

⑤家居商务和办公：实现网上购物、网上商务联系、视频会议。

⑥入口控制（门禁系统）：采用指纹识别、静脉识别、虹膜识别、智能卡等。

⑦家庭医疗、保健和监护：实现远程医疗和监护，幼儿和老人求救，测量身体状况（如血压、脉搏等）和化验，自动配置健康食谱。

3.智能家居的发展历程

智能家居概念的起源甚早，但一直未有具体的建筑案例出现，直到1984年美国联合科技公司（United Techno1ogies Building System）将建筑设备信息化、整合化概念应用于美国康乃迪克州（Conneticut）哈特佛市（Hartford）的City Place Building时，才出现了首栋智能型建筑，从此也揭开了全世界争相建造智能家居的序幕。

最著名的智能家居是比尔·盖茨的豪宅。比尔·盖茨在他的“未来之路”一书中描绘他的住宅是“由硅片和软件建成的”，并且要“采纳不断变化的尖端技术”。

由社会背景层面来看，近年来信息化的高度进展，通信的自由化与高层次化、业务量的急速增加与人类对工作环境的安全性、舒适性、效率性要求的提高，造成家居智能化的需求大为增加﹔此外，在科学技术方面，由于计算机控制技术的发展与电子信息通信技术的进步，也促成了智能家居的诞生。因此，智能家居是IT技术（特别是计算机技术）、网络技术、控制技术等物联网核心技术向传统家电产业渗透发展的必然结果。

目前，国内外主要智能家居产品及系统提供企业，如表7.1所示。

表7.1　国内外主要智能家居产品及系统提供企业一览表

续表

续表

案例分析

智能建筑典范——比尔盖茨的豪宅

世界首富比尔·盖茨从1990年开始，花了7年时间、约1亿美元与无数心血，建成一幢独一无二的豪宅，占地约2万公顷，建筑物总面积超过6 130平方米。这座豪宅号称当今智能建筑的经典之作，这座豪宅也是物联网技术应用的典范，如图7.31所示。

图7.31　比尔盖茨的豪宅

（1）比尔·盖茨对自己豪宅的智能设计要求最高的就是养着鲨鱼、海龟等大型海洋动物的巨型鱼缸和厨房。鱼缸的控温、换水、投食及清洁全部智能化，仅换一次水（取自佛州深海）就需要数千美元。

（2）比尔·盖茨开车回家途中，可以通过车内的计算机遥控家中浴缸为他准备好洗澡的热水，遥控厨房自动烹调机为他准备好他想吃的饭菜。他的全智能化厨房科技含量非常高。冰箱会随时告诉主人，存放在冰箱里的食品哪些时间过长，需要及时处理。冰箱门上装有计算机、条形码扫描仪和显示器，它能提供食物保存、处理和制作的正确方法，让你以最安全、最健康的方法处理食物。冰箱上还装有电视机和收音机，可以在厨房里一边做饭一边看电视或听新闻，也可以通过与它连接的摄像机监视门前的情况和孩子的安全。冰箱还能自行扫描其中的存储情况，自动向超市发出需求订单。最神奇的是主人通过计算机可以发出做饭指令，各种烹饪锅内都有测温装置并与控制装置相连，可以保证烹饪时菜肴不会过热爆炸或外溢；埋藏在墙壁内、地板下自动化的设备能自动喷洒清洁剂、水雾和清水对厨房进行清洁。主人在下班前只需轻点几下鼠标，就可以在回家时看到电视正在播放自己想看的新闻，并且可口的饭菜已经做好。这主要涉及无线、有线通信技术、传感器技术、智能控制技术。

（3）访客从一进门开始，就会领到一个内建微晶片的胸针，可以预先设定你偏好的温度、湿度、灯光、音乐、画作等条件，无论你走到哪里，内建的感测器就会将这些资料传送至Windows NT系统的中央计算机，将环境自动调整。因此，当你踏入一个房间，藏在壁纸后方的扬声器就会响起你喜爱的旋律，墙壁上则投射出你熟悉的画作；此外，你也可以使用一个随身携带的触控板，随时调整感觉。甚至当你在游泳池戏水时，水下都会传来悦耳的音乐。这主要涉及无线感知技术、计算机网络通信技术、数字家庭技术等。

（4）整座建筑物埋设了84 km长的光纤缆线，在墙壁上看不到任何一个插座。这主要涉及通信技术、综合布线技术。

（5）豪宅安全系统也进行了精心的设计，一旦发生火警、盗窃等灾害，系统会自动报警、拉闸，根据火情分配灭火的水量，甚至立即提出最佳营救方案。为以防万一，安全系统有两套，当一套发生故障时，另一套能自动激活，立即接替工作。这主要涉及智能安防技术、传感器技术、自动控制技术、冗余技术。

（6）比尔·盖茨还希望能在厨房的门上安装一台像电子监视器一样小巧的人体营养扫描仪，每天将自己的营养状况、所需蛋白质和维生素的种类情况告知机器人厨师，让它有的放矢地工作。盖茨还希望在厨房放一个集养殖和种植融为一体的多层箱体。多层箱体上半部分是分层的蔬菜培育箱，可以种莴苣、油菜、西红柿和黄瓜。蔬菜生长过程中释放出的氧气可以导入水族箱，水族箱可以养鱼和虾。当然，水族箱的高度必须适合机器人厨师的收获采摘。

通过对比尔·盖茨的豪宅分析，我们不难发现，物联网技术被大量应用，从感知层的传感技术到传输层的通信技术，再到应用层的各种应用，表明物联网技术已经在我们的身边触手可及。当前，我国的智能家居、数字家庭、车联网、智能安防、智能交通等物联网应用均在快速发展，和我们的生活越来越紧密联系，诸如小区门禁、智能车库、智能安防、智能交通、智能物流、商场条码系统、车间生产跟踪这些系统在大城市已经随处可见；而智能手机、云存储、云办公、云计算等更贴近生活的应用也逐步被人们所接受，就连农村的农产品，现在也被贴上了RFID标签（如大闸蟹、生猪）。

物联网技术是感知、传输、应用技术的大融合，需要各位读者满怀热情，持之以恒地去学习、研究、应用，以解决各种实际问题，从而掌握相关的知识和技能，迎接物联网时代的来临，才能实现“感知中国，物联世界”的宏伟目标。

7.4.2　智能家居的系统结构及主要产品

一套完整的智能家居系统通常由一个中央控制系统和各子系统组成，如图7.32所示。子系统一般包括门禁系统、远程控制系统、安防系统、背景音乐系统、智能窗帘系统、智能照明系统、智能家电系统。若业主只要求其中部分子系统功能，可配置相应子系统控制器代替中央控制系统，以节约成本。为进一步提升生活品质，一些住宅还配有家庭AV系统、家用中央吸尘及新风系统、宠物设备、智能卫浴系统、车库智能换气系统、自动浇花系统、自动给排水系统等智能家居子系统。

图7.32　典型智能家居的配置

1.中央控制系统

（1）基本功能

中央控制系统是智能家居系统的中心控制设备，用于集中控制智能家居各子系统（包括室内控制和远程控制），一般包括一台主机和一个总控制触摸屏。

（2）产品选取（见表7.2）

表7.2　智能家居中央控制系统选取建议

图7.33为中央控制主机。图7.34为适用于豪华住宅的多媒体彩色触摸屏。

图7.35为触摸屏家庭服务器，集系统中央控制和用户综合管理于一身，一般回路数能满足大多数公寓需要，同时触摸屏的设计模式可使面板能方便地嵌入客户设计的空间中，大方美观。

图7.33　中央控制主机

图7.34　适用于豪华住宅的多媒体彩色触摸屏

图7.35　适用于中高档住宅的家庭服务器

2.智能开关系统

（1）基本功能

智能开关系统是指除总控制触摸屏外，其他用于控制系统的外部控制设备，包括智能电器、智能窗帘、智能照明等的开关控制。智能开关有遥控器、声控开关、光感开关、温感开关、触摸屏、触摸板、普通复位开关等。通过遥控器，业主可以管理家中所有的智能模块，实现无线控制、场景控制。场景编排可根据使用者的爱好在遥控器上任意设置，无须采用其他工具。声控开关、光感开关、温感开关等通过传感器感应控制灯光和电器开闭。例如，空调温感开关可通过温度探测器测得当时室内温度，当温度过低或过高时能自动打开空调调温。

（2）产品选取（见表7.3）

图7.36为适用于豪华住宅的智能开关，它的一个显著特点是可DIY：触摸板面板后面的面膜可自行设计打印。相应按键可用一个形象的图标来表示。另一方面，不锈钢外壳耐磨损，褪色折旧较慢。曲奇复位开关内置红外接收器，可直接安装在复位面板的墙装底盒内，使普通复位开关也能实现触摸屏的大部分功能。例如，洗手间复位开关安装此模块后，一按，洗手间的灯亮，排风扇自动开启，背景音乐奏响。当离开洗手间时，再轻按一下同一个复位开关，洗手间的灯灭，背景音乐关闭，排风扇继续工作10分钟后自动关闭。遥控器面板设计简洁，可随着业主所处房间的变换而转换成相应功能，方便操作。

表7.3　智能家居智能开关系统选取建议

图7.36　适用于豪华住宅的智能开关

图7.37所示为适用于中高档住宅的智能开关。触摸板和复位开关价格相对较低，触摸屏可用于客厅中。图7.38所示为定时开关（完成家电、照明定时开关功能）、普通的手持式遥控器、匙配遥控器等。

3.背景音乐系统

（1）基本功能

一个完整的背景音乐系统，应使任一房间都可开启系统、切换音源、选择歌曲、调节音量。在进行背景音乐系统设计时，智能家居厂家提供背景音乐系统的控制模块和接口，DVD、MP3、音箱等外接设备可由业主自由选择。

图7.39所示为家庭背景音乐系统的基本结构，由音源、音频分配器（中央智能主机）以及分布在各房间的音频功放、音响等构成。

图7.37　适用于中高档住宅的智能开关

图7.38　适用于普通住宅的备类定时开关或遥控器

图7.40所示为背景音乐学习型红外控制器和背景音乐中央智能主机，大致具有的功能如下：

●高保真、立体声音质，HI-FI级音质效果，每路输出额定功率25W×2，可与任何一款高档音响的音质媲美；

●内置音源、功放陈列及控制系统，通过控制面板即可实现对不同音源的直接、完全控制，不需要烦锁地往返于不同音源之间进行操作；

●不同房间音源独立控制；

●支持不同音源任意播放功能；

●支持对歌曲进行分类；

●音源自动记忆功能：能够将客户最喜爱的歌曲进行自动排序；

●不同房间单独音量控制，1 024级电脑调音；

●具备音质EQ调节模式：可以调节系统高低音；

●内置高灵敏调频收音模块，支持80个FM电台的自动搜索及40个台精确优先设置功能，在FM状态下支持通过控制面板调节电台；

●内置MP3播放器，支持外接U盘或硬盘，方便从电脑下载最新音乐；

●可以设置系统定时开关，具备唤醒功能；

●独特智能设计：电话接入时相应房间音量自动减小（需要电话模块支持）；

●具备消防报警功能，可与任意消防报警系统进行连接；

●具备防盗报警功能，可与任意防盗报警系统进行连接；

图7.39　家庭背景音乐系统的基本结构

图7.40　红外控制器和中央智能主机

●可以通过RS485或者RS232接口与其他系统联动。

（2）产品选取（见表7.4）

表7.4　智能家居背景音乐系统选取建议

4.家庭安防系统

（1）基本功能

住宅的安全永远是第一位的，所以家庭安防系统是智能家居中最重要的一套子系统，其基本结构及应用情况分别如图7.41、图7.42所示。家庭安防系统发展到现在，可实现的功能越来越多，主要有如下几方面：

图7.41　家庭安防系统结构图

●提供无线防区，外接各种安防探测器与警灯、警铃，对每种不同的安防探测器具识别功能；

●实现一键撤布防、紧急求助、布防延时、密码撤防、消警等功能；

●业主可以通过电话和网络进行远程撤布防，具有联动控制功能；

●用户与管理中心可查询报警类型、报警点、报警时间、处理记录；

●触发警情后可通过小区局域网向保安中心报警，同时拨打用户设定的电话号码进行报警；

●通过家庭智能安防系统，可以实现各个防区与其他家电自动化设备的联动控制。

图7.42　家庭安防系统应用示意图

（2）产品选取（见表7.5）

安防主机为安防系统的主机，一般集成于中央控制系统中。

报警器用于在住宅被入侵时起报警作用，通常配有主机、电源、遥控、门磁等配件。报警方式包括喇叭鸣叫、小区联动报警、通知业主等功能，具体功能是否能实现取决于报警器是否具备此功能。图7.43所示为常见的报警器。

表7.5　智能家居安防系统选取建议

监视摄像机和数字硬盘录像机用于安防中的摄像监视。当安防系统启动时，摄像机自动开始工作，并由数字硬盘录像机记录数据。豪华住宅一般会设置全宅监控，包括花园、车库、室内、阳台等，所需监视摄像机较多。中高档住宅中，室内监视也较常用。图7.44所示为常见的监视摄像机和数字硬盘录像机。

门窗磁感应器和探测器是最常用的安防探测设备，如图7.45和图7.46所示，易受外部光线、强风等干扰，多用于车库门、入户门安防。当安防系统处于布防状态时，若有外部强行入侵事件发生，门窗磁会感应事件的发生，触发报警器报警。

图7.43　报警器实物

对于普通住宅，家庭安防系统一般由安防主机、门窗磁、烟雾／天然气报警器这三部分组成。国内二线品牌主机单价1 000元左右，普通门窗磁单价30元左右，烟火、天然气报警器单价在100元左右，一整套安防系统总价在2.500元左右。

图7.44　监视摄像机和数字硬盘录像机

图7.45　门窗磁感应器和幕帘探测器

图7.46　天然气、烟雾探测器

5.门禁系统

（1）基本功能

智能门禁系统已突破了传统的只有钥匙才可以开锁的观念，它的智能化体现在识别率、准确率、安防性和人性化等方面，主要表现形式有智能卡门禁、指纹门禁、密码锁门禁等，如图7.47所示。

（2）产品选取（见表7.6）

豪华住宅的门禁系统需兼顾安全、方便，以及个性化、人性化需求。豪华型门禁系统一般选择感应卡门禁系统，实物如图7.48所示，一般具有下述功能：

图7.47　智能卡、指纹、密码锁门禁

表7.6　智能家居门禁系统选取建议

图7.48　豪华型感应卡门禁系统

●具有门卡具体身份识别功能，可满足业主对不同人的进门管理，这是其最大的特色。例如，业主可以通过对读卡器功能的设置，限制保姆、园丁等的出入时间段，即让他们在特定时间内才能刷自己的门卡进门。

●业主可以通过设置中央控制系统，实现系统Welcome功能。例如，当业主刷卡进门时，客厅灯自动亮起，空调自动打开，背景音乐自动响起。

中高档住宅的门禁系统主要考虑实用，一般选择密码锁等，如图7.49所示。

图7.49　密码锁门禁系统

6.智能窗户（窗帘）系统

（1）基本功能

智能窗户（窗帘）系统用于根据需求自动开关窗户和窗帘，基本构成如图7.50所示。

豪华住宅一般都配有智能窗户、智能窗帘、智能天棚遮阳帘，通过窗户／窗帘系统和中央系统的配合，可以做到遥控一键同时或单个开关家内所有遮阳天棚、窗户、窗帘，避免重复劳动。由于智能窗户（窗帘）系统价格较高，一般中高档住宅只会选择在客厅或主卧安装一套智能窗帘。普通住宅用户则基本不安装该类系统。

图7.50　智能百叶窗帘系统的结构

（2）产品选取（见表7.7）

表7.7　智能家居窗户（窗帘）系统选取建议

7.远程控制系统

（1）基本功能

业主能通过电话、手机、电脑等设备实现对家中设备的控制，基本结构如图7.51所示。

（2）产品选取（见表7 8）

表7.8　智能家居远程控制系统选取建议

豪华住宅侧重考虑多种途径控制，以“唐太子”远程控制系统为例，如图7.52所示，通过安装电话接口，业主可以在异地使用普通电话或者手机拨号实现对家里设备的控制，最多可以控制八个功能或场景。为安全考虑，用户需要输入密码才可以进入系统。另一方面，通过安装图形用户界面软件，业主可在电脑、智能手机、PDA等设备上根据实际情况设计功能菜单，以实现相应的远程控制功能。

图7.51　远程控制系统的结构

图7.52　“唐太子”智能家居远程控制系统

图7.53　电话控制器

中高档住宅远程控制系统一般多用电话控制器。图7.53为某型号电话控制器。此产品即插即用，将两个外接插头中的电源插头插在220 V电源插座上，再把电话线插头与电话线插座相连接即完成安装。安装后，用户可以通过拨打家里电话远程控制家里的16路电灯或电器，并具备集中控制功能。

8.远程医疗监护系统

远程医疗是技术与医学相结合的产物，即利用远程通信技术和计算机多媒体技术提供医学交流和医疗服务。远程医疗主要应用在：临床会诊、检查、诊断、监护、指导治疗、医学研究、交流、医学教育、手术观摩等方面。社区家庭远程医疗监护系统作为远程医疗系统中的一部分，它将采集到的被监护者的生理参数与视频、音频以及影像等资料通过网络实时传送到社区监护中心，用于动态跟踪病态发展，以保障及时诊断、治疗。随着当今社会老年人口的剧增，家庭医疗监护的作用越发突出。

随着数字电视、电话、Internet在家庭中的普及，远程医疗将迅速拓展到家庭和社区，如开展远程心电监护、远程助产护理、对慢性患者进行远程家庭护理、远程医疗随访，患者可以在远程医疗系统中进行疾病治疗、身体保健、饮食等方面的咨询。考虑到近年来我国上网人数量剧增这一事实，将远程医疗系统与Internet医疗网站以及发展中的社区保健网络有机地结合在一起，将极大地推动社区保健和个人卫生保健事业的发展，扩大和强化保健职能。

9.其他子系统

以上介绍的为常用的智能家居子系统。但根据实际情况，业主往往有不同的要求，下面列出一些常见的可选子系统，一般在豪华住宅中应用较多。

（1）家庭AV视频系统

图7.54所示为家庭AV视频系统。安装此系统后，用户只需一数字电视机顶盒、DVD／VCD机、卫星天线及摄像头等设备，不用每个房间分别配备，就能在任何房间的电视机上随心所欲地观看这些设备播放或接收到的内容。可以在不同的房间分别观看不同的节目，又可以同时共享同一节目，轻松方便。

图7.54　家庭AV视频系统

（2）家用中央吸尘及新风系统

该类系统常用于豪华住宅项目，用于中央吸尘及新风，如图7.55所示。

（3）其他智能家电

智能家电是在家电网络化和信息化的基础上，加入人工智能技术，使其能简单仿真人的思维活动。智能家电应能体现“3I”，即网络（Internet）、互动（Interactive）、智能（Intelligent）。

图7.55　中央吸尘及新风系统

图7.56　智能冰箱

①智能冰箱——海尔、伊莱克斯等公司生产了一类新型的智能冰箱，如图7.56所示，这类智能冰箱门上装有计算机、条形码扫描仪和显示器，与常用冰箱最大的不同是冰箱门上安装了一块触摸屏，能够显示冰箱内的食品数量，当某种食品减少到一定程度，智能冰箱就会提醒主人，并可通过冰箱连接网络，向网上商店下单采购。根据冰箱所存的物品，冰箱屏幕上还能提供菜单。由于采用了GSM和WAP技术，通过冰箱还能收听广播、看电视节目以及上网。

②智能洗衣机——欧洲排名第三的家电企业MerLoni公司推出一款能利用移动电话和Internet来控制的智能洗衣机。这台洗衣机的名字很有网络概念，叫作Margherita2000（以下简称玛格莉特）。如果使用者放了太多洗衣粉，或者在洗纯羊毛衣服时把水温调得过高，洗衣机会自动提醒用户。如果内部的监视器发现洗衣机的零件即将损坏，也会自动通知客户服务中心及时前往修理。玛格莉特的功能不仅于此，其安装在底盘的监视器能够测量洗衣机的水流量，只要清洗完毕，玛格莉特就会终止清洗程序。

③智能卫浴——图7.57是集臀部清洗、温水调节、座圈加温、自动除臭、自动烘干、静音落座等功能于一身的智能马桶。

④多功能洗脸台——该类洗脸台装有红外感应水龙头，伸手即出水。镜子上还嵌有超薄显示器，可一边刷牙，一边通过显示器查看当天的天气预报。实物如图7.58所示。

图7.57　智能卫浴系统

图7.58　多功能洗脸台

总之，智能家居作为家庭信息化的实现方式，已成为社会信息化发展特别是物联网发展的重要组成部分。从个人、公共服务以及政府需求都凸显出发展智能家居产业的迫切性。物联网技术的发展与成熟，使得跨产业、跨领域技术和业务融合成为现实，并成为智能家居行业实现产业化的加速器。