基于物联网的智能家居应用

基于物联网的智能家居应用摘要本节主要介绍物联网技术在智能家居系统的应用。首先，从家居设施能耗过高、安防手段落后、家用电器使用不方便几个方面分析现实生活中对智能家居系统的实际需求；其次，介绍了基于物联网的智能家居系统的解决方案，解决方案涉及的主要技术包括传感器技术、网络传输技术和信息处理技术；最后，从节能和安防两方面分析智能家居的应用前景和市场预期。智能家居概述随着我国经济活动的持续发展，居民生活水平的不断提高，居民家庭住房人均使用面积逐步增加。国家统计局的数据显示。从1980年到2010年城镇人均建筑面积从7.0m2提高到30m2以上，而且都基本配备完善的水电气等生活设施。住房条件的改善，带动了家居设施的消费。各种高科技电子家居消费品，如数字化大屏幕液晶彩电、大容量冰箱、全自动子以及等正逐步占领家庭消费市场。统计数据表示，2010年数字家电产品在城镇的平均普及率已经超过了94%。居民住宅由原来的遮风挡雨、吃饭睡觉的生存场所，演变成生活、学习、娱乐甚至居家网上办公的多功能活动场所。然而，随着环保意识的增强和可持续发展理念的深入，发展“低碳经济”正在成为世界各国迈向生态文明的必由之路。另一方面，人们对家居环境的追求，也从早期的环境、位置、户型等方面上升到了对整个家居安全、智能、健康、舒适等更高层面的要求。这使得当前上午家居环境面临以下一些亟待解决的问题。1.家居设施能耗过高根据西门子公司的研究报告。欧美等国家的能源消耗，有相当大一部风是来自于建筑物本身。在英国，其二氧化碳的排放量，甚至有高达6成以上是来自于建筑物的耗电与热排放，即使在老旧建筑较少的美国，其建筑物能耗比例也高达4成，虽然说用户本身的能源使用习惯占了相当重要的因素。但是建筑物本身对能源的消耗控制缺乏有效率的主动措施，也是造成这种结果的因素之一。有关数据表明，在我国建筑能耗是世界上同纬度国家的2倍，占全国能源消耗总量的30.1%,对社会造成了沉重的能源负担。其中，又以照明、空调及采暖设备，以及其他电器设备为主，这些设施耗电占全国建筑总能耗的58%，而单是照明能耗就占到了整个建筑电量能耗的28.1%--37.2%。2.家庭安防手段落后传统的家居安防系统通常会提供一部分火灾报警、燃气泄漏报警等功能，但由于采集的信息有限，误报率较高，而且只能实现就地报警，不能实现实时远程报警。对于防卫非法闯入，传统的家庭防卫装置，，如普通烦人防盗窗、防盗网等在实际使用中存在很多问题，包括影响城市市容，影响火灾时的逃生以及为犯罪分子提供攀爬条件等。此外，这些简单的防盗系统也不能记录犯罪证据一协助公安部门迅速捕捉嫌疑犯。3.家用电器使用不便现在，洗衣机、电视机、电冰箱、热水器等已经在家庭中普及，这些电气或电子产品的开关盒运行控制，或依赖于手工机械按键，如照明灯具或微波炉等，或依赖于独立的无线遥控器，由人们在附近几米范围内进行“遥控”。随着家用电器及遥控器的增加，以及对生活舒适度的进一步追求，这种就地控制盒电器被动响应的工作方式就显得不够便利了。智能家居，是物联网应用的一个典型典型领域，它是指利用先进的计算机技术、网络通信技术、综合布线技术、智能控制技术，将与家居生活有关的各种设施子系统有机地结合在一起，具体来说是使用信息传感设备（同居住环境中的各种物品松耦合或紧耦合）将与家居生活有关的家电、安防和水电气等设施集成，并通过公众通信网络（互联网）互联起来进行遥控、管理信息交换和通信，以构建高效的住宅设施与家居管理系统，提供安全、舒适和环保的居住环境。使用物联网技术连接于管理家具设施，在易用性与智能化方面对于现有的家居系统有着革命性的意义。聚义来说，其优势包括以下几点“高效节能：各种家用电器、照明灯具等能耗设施可以在不需要时自动关闭，或以最低能耗运行。使用方便：智能家居将所有家具设施通过公众通信网络互连，用户可以通过远程和更加灵活的交互方式控制家居设施的运行，即可以通过广泛普及的移动手机，也可以直接在互联网上操作。安全性高：智能家居中的安防系统可以有效防范恶意人群的非法入侵，或在意外事故等紧急情况下报警，用户可以随时随地监控家庭安全状况。二、智能家居系统与技术需求基于物联网的智能家居系统由家庭环境感知互动层、网络传输层和应用服务层组成，家庭环境感知互动层由带有有线或无线功能的各种传感器节点组成，主要实现家庭环境信息的采集、主人状态的获取以及方可身份特征的录入：网络传输层主要负责居家信息和主人控制信息的传输；应用服务层负责控制家居设施或应用服务接口。智能家居系统的主要技术需求如下：1.传感器技术智能家居系统需要各种信息感知设备采集各种家具设施信息。下面介绍几种在智能家具中常用的传感器设备。（1）门磁传感器通常安装在门窗上，用于感知门窗的开闭情况。门磁传感器一般安装在门内侧的上方或边上，它由两部分组成：永磁体和磁敏干簧管。当门窗禁闭时，磁敏干簧管由于受到磁性的作用处于接通状态；当门窗打开后，磁敏干簧管内的两个触电会断开，导致发射电路导通，进而发射包含自身识别码的特定无线电波，远程主机通过接受无线电信号的识别码，判断是哪个门磁传感器报警。门磁传感器工作可靠、体积小巧，尤其是通过无线的方式工作，使得安装和使用非常方便、灵活。（2）可燃气体探测器（3）水浸传感器（4）烟雾传感器（5）红外和压力传感器（6）光线传感器（7）读数传感器2.网络传输技术智能家居网络是一种能全方位覆盖家庭生活，提供各类智能服务的网络系统。这个网络系统包括家庭网关、控制中心、家具设施等主要功能模块。家庭网关用于管理各类家具设施的网络接入与互连，为家庭用户提供远程查看与远程控制的平台，并为各类家居设备提供信息共享平台；控制中心用于解析用户指令，启用与协调不同的家居设备共同工作；家居设施等各尽其能，完成中心下达的命令。智能家居网络系统需要传输的信息包括两类，一类是控制信息，这种信息的共同特点是数据信息量小、传输速率低，但实时性和可靠性要求较高;另一类是数据信息，包括各种高清视频和音频信息，要求传输速率高，但实时性要求不高。智能家居中的有线传输方式，主要包括有线传输和无线传输两种。（1）智能家居中的有线传输技术有线传输方式由于其可靠性好、协议设计方便、低功耗的特点，是智能家居网络中的主流传输方式。目前智能家居中的有线传输方式有多种，如电力载波X-10和CEBUS。电话线的HomePNA、LonWorks总线、R-485总线和CAN总线等，这些实现方案有各自的优缺点，适用于要求不同数据传输率和数据传输范围的不同场合。在众多有线传输方式中，LonWorks总线和X-10电力载波技术是目前智能家居中最为常见的两类有线传输方式。（2）智能家居中的无线传输技术无线传输机制相对于有线传输机制易于部署和扩展，将成为未来智能家居网络的首选通信机制。在智能家居网络中，无线局域网（WLAN）技术是最为常见的一类无线传输有段，无线WLAN技术使用了IEEE802.11通信协议，该协议是一个开放的标准，工作在2.4GHz的工业科学医学频段（ISM）上总数据传输速率设计为2Mbit/s。基于802.11协议，无线设备间的通信可以以自组织的方式进行，也可以在基站（BS）或者访问点（AP）的协调下进行。802.11协议还有802.11a,802.11b,802.11g,802.11o等众多扩展版本，802.11g是目前最常用的标准，数据传输速率可达54Mbit/s，802.11o在802.11g的基础上将数据传输速率再次提高到300Mbit/s以上。3.信息处理技术智能家居系统是一个高度人性化的系统，要求处处以人为本。在智能家居系统中，无论是生活环境改造、生活行为辅助，还是家庭安防、识别主人身份、判断主人状态、预测主人行为都是其必备的前提，也是智能家居“智能”二字的核心所在。(1)主人状态识别与预测智能家居系统的一个重要能力在于能根据主人当前所处状态，控制各类家居设备主动服务，达到变更家居环境，或者协调主人行为的效果，甚至能够通过预测主人的下一步动作做好服务准备。主人状态识别技术在主人状态识别方面，需要智能家居系统从众多传感器的观测数据中，分析提取主人的特征行为，且在分析的实时性和可靠性上有较高要求。但由于不同用户有不同的生活习惯，主人状态难以在设备出厂前准确定义，因此智能家居系统必须具备对主人生活习惯的快速学习能力。机器学习技术是其中的重要技术。主人状态预测技术在预测主人行为方面，由于难以对主人的各种行为作明确判断与划分，因此难以直接预测。但是，当用户在家庭环境中生活时，将与家庭环境相互作用，而且这种作用能够改变家庭环境的转态，而这些状态的改变能够被直接观察到。此时结合隐马尔科夫模型，能够对智能家居系统下一步需要采取的行为做出准确预测。人脸识别技术人脸识别是指利用分析比较人脸视觉特征信息，进行身份鉴别的计算机技术。人脸识别是一项热门的计算机技术研究领域，它属于生物特征识别技术，是利用生物体本身的生物特征来区分生物个体的技术。一般来说，人脸识别系统包括图像摄取、人脸定位、图像预处理以及人脸设别。系统输入一般是一张或者一系列含有未确定身份的人脸图像，以及人脸数据库中若干已知身份的人脸图像或者相应的编码，而其输出则是一系列相似度得分，表明待识别的人脸的身份。根据人脸识别根本原理的不同，可将现有的人脸识别算法归为如下几类：基于人脸特征点的识别算法，基于整幅人脸图像的识别算法，基于模板的识别算法，利用神经网络学习的识别算法，基于光照估计模型理论的识别算法，基于优化的形变统计校正理论的算法，基于强化迭代理论的识别算法。指纹识别技术指纹识别技术是目前较为成熟的身份识别技术，它通过比较不同的指纹的细节特征点来进行识别。指纹识别的难点在于，按印方位的不同、着力点的不同都会带来指纹图案不同程度的变形，此外大量模糊指纹也会对正确的特征提取和匹配造成影响。现在最新的指纹识别系统属于属于第三代指纹识别系统。第一代指纹识别系统通过光学识别系统获取指纹，第二代指纹识别系统通过电容式传感器获取指纹图像，而第三代指纹识别系统通过生物射频信号获取指纹图像，具有最高的精确度。三、智能家居应用与市场预测智能家居可以为用户提供多种方便、安全、节能、环保的家居服务，主要包括智能家电、家庭节能、智能照明和通风与家庭安防等几个方面。（1）智能家电现代家庭出现越来越多的家电设备，从基本的空调、电饭煲、电冰箱、热水器到微波炉、抽油烟机、液晶电视等，家电设备的增加在某种程度上改善了人们的生活，但是由于这些家电设备各自独立工作，互连互通性不好，智能化程度不高。每样电器的工作都需要单独控制，也给人们带来了许多困扰。基于网联网技术，人们能够实现家电的远程控制、协同工作以及提高家电的智能化水平，使得家用电器在其生命周期内都能处于最有效率、最省能源和最好品质状态。（2）家庭安防系统可以实时监控非法闯入、火灾、煤气泄漏、紧急呼救的发生，并可以实现用户远程实时查看家庭状况，一旦出现警情，系统会自动向中心发出报警信息，同时启动相关电器进入应急联动状态，从而实现主动防范。报警信息可以借助运营商通过公共信息网络发送到主人的手机、办公室的计算机，也可以通过小区的局域网通知物业管理部门或者保安部门。总之，