1.2 智能家居系统的组成与主要特征

智能家居系统通过在家庭环境中实现自动化和智能化，给用户提供舒适、便利和安全的家居环境。一个典型的智能家居系统应包括传感器、安装在家电或其他家庭设施中的嵌入式系统、通信网络系统、控制中心和人机交互系统。

1.2.1 传感器

智能家居系统中的传感器，类似于人的眼睛、鼻子和耳朵等感觉器官，用来监测家居环境中的各种信息，为控制系统的决策提供数据支持。

传感器一般由敏感元件、转换元件和调节电路3部分组成。敏感元件用于感知外部的温度、湿度、光照度和气体浓度等被测物理量；转换元件将感知到的信息转换成电信号；调节电路进一步调整该信号以便于记录、存储、传输和显示，并将其输出给信息系统。智能传感器是传感器的一个新的发展方向。通过将计算、存储和通信器件集成在传感器中，智能传感器能够提高测量精度和稳定性等方面的性能。本书的2.1节将详细介绍传感器的定义、分类和工作原理。

传感器是实现智能家居系统自动化控制的基础，并已得到广泛应用。例如，温湿度传感器可测量住宅内各个房间的温湿度值，控制中心可分析这些数值并根据结果发出指令，打开或关闭空调、加湿器等电器设备；光照传感器可检测室内的光照值，智能家居系统由此可根据用户的设定及时调节灯光亮度和窗帘的打开或关闭；烟雾和可燃气体传感器可通过检测烟雾和气体浓度来实现火灾的防范，是消防系统的重要组成装置；玻璃破碎探测器可根据声音和振动来探测家居中的窗户玻璃是否被敲击震碎，配合人体红外探测器和安防监控摄像头，可为用户提供一个安全的家居环境。

1.2.2 嵌入式系统

为了将传统的家用电器和其他家庭设施合理地纳入智能家居系统中，接受统一的管理和控制，需要使用嵌入式技术将一台微型计算机和相应的执行装置安装在电器或设施内部，用来接收控制中心的指令，并经过逻辑运算和数据处理，将指令转换为该电器或设施本身的操作，从而完成指令的执行。

嵌入式系统是一种特殊的计算机系统，没有独立、统一的外观，而是根据设备和应用的需要嵌入在设备内部以起到计算、处理、存储和控制的作用。一般来说，嵌入式系统由嵌入式硬件系统和嵌入式软件系统两部分组成。嵌入式硬件系统包括嵌入式处理器、外围电路和外部设备。嵌入式处理器包括嵌入式微处理器（Microprocessor Unit，MPU）、微控制器（Microcontroller Unit，MCU）、数字信号处理器（Digital Signal Processing，DSP）；外围电路包括各式存储器（RAM、ROM、FLASH）、时钟电路、各种I/O接口电路、调试接口等；外部设备包括各种存储卡（CF、SD卡）、LCD屏、触摸屏、键盘等。嵌入式软件系统包括嵌入式操作系统（Windows CE、VxWorks、嵌入式Linux、Android、μC/OS-Ⅱ等）和应用软件。本书的2.2节和2.3节将进一步介绍微控制器和嵌入式系统。

与通用计算机系统相比，嵌入式系统具有小型化、成本低、功耗低、可靠性高等特点，目前已被广泛应用在工业控制、电子消费等领域。嵌入式系统是实现智能家居自动化控制的核心。智能家居通过嵌入式系统将家中的各种设备连接到一起，可以提供家电控制、照明控制、窗帘控制、电话远程控制、室内外遥控、防盗报警等多种功能。

1.2.3 通信网络系统

1.无线技术

智能家居通信中，无线技术和有线技术各有优势，视客户情况而定。目前没有一种真正意义上的、国际标准化的、用于智能家居和智能照明的通信技术。比较常用的无线技术有以下5种。

（1）紫蜂（ZigBee）技术。紫蜂技术适用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备。其特点是传播距离近、功耗低、成本低、数据速率低、可自组网、协议简单、安全性有保障。

（2）蓝牙（Bluetooth）技术。蓝牙技术是一种可使电子设备在10～100 m的空间范围内建立网络连接并进行数据传输或语音通话的无线通信技术。其优点是功耗低、传输速率快、建立连接速度快、稳定性好、安全性高，缺点是传输数据包文件量小、设备连接数量少。

（3）Wi-Fi。Wi-Fi是一种允许将电子设备连接到一个无线局域网的技术，是一种支持数据、图像、语音和多媒体且输出速率高的无线传输技术。Wi-Fi功耗低，传输速率可达54 Mbit/s，理想传输距离可达100 m，安全性相对较低。

（4）红外（IrDA）技术。红外技术是新一代手机的标准配置，它支持手机与计算机及其他数字设备进行数据交流。红外通信有着成本低廉、连接方便、简单易用和结构紧凑的特点，因此在小型移动设备中获得了广泛的应用。

（5）HomeRF无线标准。HomeRF无线标准的目的是在家庭范围内，使计算机与其他电子设备之间实现无线通信。它是对现有无线通信标准的综合和改进，当进行数据通信时，采用IEEE 802.11规范中的TCP/IP传输协议；当进行语音通信时，则采用数字增强型无绳通信标准。

智能家居中常用的无线通信技术将在本书第3章进行详细介绍。

2.有线技术

智能家居中比较常用的有线（总线）技术主要是现场总线。现场总线是近十年中蓬勃发展起来的新生事物，在实际工程应用中体现出了其强大的生命力。控制网必将沿着现场总线方向发展，现场总线技术也将是控制网技术的核心。现场总线控制网的每个现场控制单元具有数字处理和双向高速通信的能力，采用分散控制的方式，其网络规模大且具有高度的稳定性。常用的现场总线有以下4种。

（1）RS-485总线。RS-485总线是被广泛采用的总线型网络结构。它的总线节点数有限，使用标准485收发器时，单条通道的最大节点数为32个；传输距离较近（约1.2 km）、传输速率低（300 bit/s～9.6 Kbit/s）、传输可靠性较差；对于单个节点，电路成本较低、设计容易、实现方便、维护费用较低。

（2）CAN（Controller Area Network）总线。CAN总线是一种支持分布式控制和实时控制的对等式现场总线网络。其网络特性包括使用差分电压传输方式，总线节点数有限。使用标准CAN收发器时，单条通道的最大节点数为110个。它的传输速率范围是5 Kbit/s～1 Mbit/s，传输介质可以是双绞线和光纤等，任意两个节点之间的传输距离可达10 km。在目前已有的几种现场总线方式中，CAN总线具有较高的性能价格比。

（3）LonWorks总线。LonWorks总线是由美国Echelon公司于1991年推出的一种全面的现场总线测控网络，又称为局部操作网（Local Operating Netwok，LON）。LonWorks技术具有完整的开发控制网络系统的平台，包括所有设计、配置安装和维护控制网络所需的硬件和软件。LonWorks网络的基本单元是节点，一个网络节点包括神经元芯片（Neuron Chip）、电源、收发器和有监控设备接口的I/O电路。我国智能建筑界对LonWorks技术的开发与应用起步于20世纪90年代中期，与国外大公司对该技术的开发与应用基本上是同步的，现已初步形成适合我国国情的产品系列。

（4）CC-Link总线。CC-Link总线是三菱电机推出的开放式现场总线。其数据容量大，有多级通信速度可选择。它是一个以设备层为主的网络，同时也可覆盖较高层次的控制层和较低层次的传感层。一般情况下，CC-Link一层网络可由1个主站和64个从站组成。网络中的主站由PLC（Programmable Logic Controller，可编程逻辑控制器）担当，从站可以是远程I/O模块、特殊功能模块。它带有CPU（Central Processing Unit，中央处理器）和PLC本地站、人机界面、变频器及各种测量仪表、阀门等现场仪表设备，可实现从CC-Link到AS-I总线的连接。CC-Link具有较高的数据传输速率，最高可达10 Mbit/s。CC-Link的底层通信协议遵循RS485标准。一般情况下，CC-Link主要采用广播—轮询的方式进行通信。CC-Link也支持主站与本地站、智能设备站之间的瞬间通信。2005年7月，CC-Link被中国国家标准化管理委员会批准为中国国家标准指导性技术文件。

1.2.4 控制中心

控制中心是智能家居系统的重要组成部分。从智能家居系统内部来看，控制中心是传感信息汇聚的枢纽、逻辑计算和数据处理的平台、控制指令发布的中心。由于接入智能家居系统的各种家电和设施会通过不同的网络技术使用不同的网络协议传输不同格式的数据，所以控制中心应是一台具有多种无线网络接入功能、具有一定计算能力和存储空间的主机，能够在异构的环境下完成整个系统的检测和控制。

控制中心还是智能家居系统与外部网络进行信息交换的接口。用户可以在住宅内部通过控制中心检索互联网中的各种信息，也可以在出门的时候，通过外部网络接入智能家居信息，进行对家居状态的查询和控制。因此，控制中心还应具备连接外部网络的功能。

从长远来看，随着信息技术的发展，单独的智能家居系统会作为一个组成单元融入更广阔的智能平台中，其控制中心的部分功能会迁移到云计算平台，并且借助大数据、云计算和人工智能技术，通过使用更丰富的计算和信息资源，在智能家居内部实现真正的智能化。在不久的将来，电影《流浪地球》中空间站的慕斯这样的智能管理者也会出现在智能家居中，作为管家甚至朋友、家人，为用户提供更便捷的服务。智能化是智能家居的一个重要发展方向，在本书第4章，将详细介绍实现智能化所需的云计算、大数据和人工智能等技术。

1.2.5 人机交互系统

人机交互系统在智能家居系统中起着非常重要的作用，交互的高效性和可用性将直接影响智能家居系统的用户体验。早期的智能家居人机交互系统延续了工业控制中的基于触摸屏的方式。随着智能手机的出现和普及，手机交互成为目前最常见的智能家居交互方式。与传统的交互方式相比，手机交互能够通过安装相应的手机App实现远程控制和定时开关等功能，极大地提高了操作的便捷性和高效性。语音交互也越来越多地出现在成熟的智能家居商业产品中，是继手机等触控交互后的另一种发展趋势，也成为未来最被看好的人机交互方式之一。从长远来看，语音交互、体感交互及触控交互等多种交互模式并行的多模态交互将得到全面发展。通过采集跟踪人脸、手势、姿态、语音等用户信息，并在对其进行理解和处理之后将其转换为用户操作，多模态交互将会极大地提升用户的交互体验。

1.2.6 智能家居的主要特征

智能家居具有以下主要特征。

1.安装简单性

智能家居的系统可以简单地进行安装，而不必破坏建筑，不必购买新的电器设备，系统完全可与家中现有的电器设备，如灯具、电话和家电等进行连接。各种电器及其他智能子系统既可在家操控，也能进行远程控制。

2.功能可扩展性

智能家居的系统功能具备可扩展性，因此能够满足不同用户的需求。例如，最初，用户的智能家居系统只可以与照明设备或常用的电器连接，而随着智能家居的发展，将来也可以与其他设备连接，以适应新的智能生活需要。为了满足不同类型、不同档次、不同风格的用户的需求，智能家居系统的控制主机还可以在线升级，控制功能也可以不断完善，除了实现智能灯光控制、家电控制、安防报警、门窗控制和远程监控之外，还能拓展出其他的功能，如喂养宠物、看护老人和小孩、浇灌花园等。

3.服务便利性

智能家居最基本的目标是为人们提供一个舒适、安全、方便和高效的生活环境。对智能家居产品来说，最重要的是实用，摒弃那些华而不实、只能充当摆设的功能，产品以实用性、易用性和人性化为主。在设计智能家居系统时，应根据用户对智能家居功能的需求，整合最实用、最基本的家居控制功能，包括智能家电控制、智能灯光控制、电动窗帘控制、防盗报警、门禁对讲、煤气泄漏报警等，同时还可以拓展三表抄送、视频点播等服务增值功能。

4.系统可靠性

整个建筑的各个智能化子系统应能24小时运转，系统的安全性、可靠性和容错能力必须予以高度重视。对各个子系统，在电源、系统备份等方面采取相应的容错措施，保证系统正常安全使用，质量、性能良好，具备应付各种复杂环境变化的能力。

5.操作多样性

智能家居的操作方式多样化，可以用智能触摸屏进行操作，也可以用情景遥控器进行操作，还可以用手机进行操作，没有时间和空间的限制，可以在任何时间、任何地点对任何设备实现智能控制。例如照明控制，只要按几下按钮就能调节所有房间的照明；情景功能可实现各种情景模式；全开全关功能可实现所有灯具的一键全开和一键全关等。

6.规格一致性

智能家居系统的智能开关、智能插座与普通电源开关、插座的规格一样，可直接代替原有的墙壁开关和插座。假设新房装修时采用的是双线智能开关，则多布一根零线到开关即可。智能家居产品规格一致性的另一个重要体现是，普通电工看着简单的说明书就能组装完成整套智能家居系统。