新一代計算機技術(shù)與智能家居

1、新一代計算機技術(shù)與智能家居深圳職業(yè)技術(shù)學院夏毓鵬2006年12月17日智能家居的起源 智能家居概念的起源甚早，但一直未有具體的建筑案例出現(xiàn)，直到1984年美國聯(lián)合科技公司（United Techno1ogies Building System）將建筑設(shè)備信息化、整合化概念應(yīng)用于美國康乃迪克州（Conneticut)哈特佛市（Hartford）的CityPlaceBuilding時，才出現(xiàn)了首棟的智能型建筑,從此也揭開了全世界爭相建造智能家居的序幕。 最著名的智能家居要算比爾蓋茨的豪宅。經(jīng)過7年的建設(shè)，1997年，比爾蓋茨的豪宅終于建成。他的這個豪宅完全按照智能住宅的概念建造，不僅具備高速上網(wǎng)的

2、專線，所有的門窗、燈具、電器都能夠通過計算機控制，而且有一個高性能的服務(wù)器作為管理整個系統(tǒng)的后臺。 智能家居的定義家庭自動化（Home Automation） 電子家庭（Electronic Home、E-home） 家庭網(wǎng)絡(luò)（Home net/Networks for Home） 數(shù)字家園（Digital family） 智能家庭/建筑（Inte1ligent home/building） 網(wǎng)絡(luò)家居（Network Home） 智能家居（Smart Home） 智能化住宅的概念 美國電子工業(yè)協(xié)會于1988年 編制了第一個適用于家庭住宅的電氣設(shè)計標準，即：家庭自動化系統(tǒng)與通訊標準，也有稱之為家

3、庭總線系統(tǒng)標準(HBS)； 我國也從1997年初開始制定小康住宅電氣設(shè)計(標準)導(dǎo)則。規(guī)定了小康住宅小區(qū)電氣設(shè)計總體上應(yīng)滿足以下的要求：高度的安全性；舒適的生活環(huán)境；便利的通訊方式；綜合的信息服務(wù)；家庭智能化系統(tǒng)。同時也 對小康住宅與小區(qū)建設(shè)在安全防范、家庭設(shè)備自動化和通訊與網(wǎng)絡(luò)配置等方面提出了三級設(shè)計標準，即：第一級為“理想目標”；第二級為“普及目標”；第三級為“最低目標”。 智能家居的發(fā)展2000年概念年：2000年是智能家居在中國的一個概念年。通過廣播電臺、電視、報紙和雜志等諸多媒體的廣泛宣傳，相當一部分居民已經(jīng)接受了智能家居這個概念。 2001年研究開發(fā)年：國外完成這個系統(tǒng)的過程一般要

4、經(jīng)過35年的時間，當然在中國也許用不了這么長的時間，因為已有了國外的一些經(jīng)驗可供參考。2001年是各個科研機構(gòu)和公司從規(guī)劃到實際研究和開發(fā)的關(guān)鍵一年。 2002年2003年實驗?zāi)辏涸谶@一年中，有相當一部分高檔和中檔的住宅小區(qū)和私人住宅，將在控制和管理上實現(xiàn)一般意義上的智能化，寬帶網(wǎng)將進入一般居民的住宅和小區(qū)，為智能家庭網(wǎng)絡(luò)功能的完善佐以一定的條件。 2003年2004年推廣年：到20032004年，是智能家庭網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)在中國推廣應(yīng)用的兩年。 2005年2007年普及年：我國在智能家居技術(shù)領(lǐng)域與歐美國家的差距并不大，估計僅滯后23年，在這幾年中，我國將全面普及智能家庭網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和產(chǎn)品，即開始走進普通

5、居民的家居中。 還不是真正意義上的智能家居智能家居的特點 節(jié)省費用-在不需要時，能源消耗裝置可以自動關(guān)閉，這樣可以降低您的費用。使用方便 - 使用方便-自動化系統(tǒng)提供遠程遙控接口。自動化系統(tǒng)還可以把重復(fù)的工作自動化。在您外出時，還可以通過Internet來調(diào)整或控制家電。安全性高 - 一套家庭自動化系統(tǒng)在緊急情況時可以防御壞人或報警。您可以在任何地方可以監(jiān)控該安全系統(tǒng)，這樣可以保證您的家居安全運行。智能家居可以為人們帶來更為愜意輕松的生活在生活工作節(jié)奏越來越快的今天，家居智能化也可以為人們減少繁瑣家務(wù)提高效率節(jié)約時間，讓人們有更多的時間去休息教育子女鍛煉身體和進修，使人們的生活質(zhì)量有了很大的提

6、高。 改變生活方式-你可以是穿著T恤在家辦公，可以在家炒股、進行遠程會議，主婦在家逛街，孩子在家上課，在互聯(lián)網(wǎng)上能完成的工作都可以在家完成?，F(xiàn)代化的生活工作方式較以往有了很大區(qū)別。 智能家居的功能家居安全監(jiān)控：各種報警探測器的訊息署報警 家電控制：利用計算機、移動電話、PDA通過高速寬帶接入Internet，并對電燈、空調(diào)、冰箱，電視等家用電器進行遠程控制 家居管理：遠程三表(水、電、煤氣)傳送收費 家庭教育和娛樂：如遠程教學、家庭影院、無線視頻傳輸系統(tǒng)、在線視頻點播、交互式電子游戲等 家居商務(wù)和辦公：實現(xiàn)網(wǎng)上購物、網(wǎng)上商務(wù)聯(lián)系，視頻會議 入口控制(門禁系統(tǒng)) ：采用指紋識別、靜脈識別、虹膜識

7、別、智能卡等 家庭醫(yī)療，保健和監(jiān)護：實現(xiàn)遠程醫(yī)療和監(jiān)護，幼兒和老人求救，測量身體的參數(shù)(如血壓，脈搏等) 和化驗，自動配置健康食譜。 住 宅建筑 網(wǎng)絡(luò)通訊 信息家電 設(shè)備自動化 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)管理服務(wù)高效舒適便利安全環(huán)保平臺技術(shù)構(gòu)架服務(wù)智能家居智能家居的結(jié)構(gòu) 整個智能家居結(jié)構(gòu)的核心是Internet。以Internet為中心，在家庭網(wǎng)絡(luò)連接下，結(jié)合了多種智能家居功能解決方案，包括家居控制、訊息服務(wù)、通訊交流、商務(wù)、娛樂、教育、醫(yī)療保健、移動通訊。 智能家居的構(gòu)成智能家居家庭自動化家庭網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)家電信息家電家庭自動化系指利用微處理電子技術(shù)，來集成或控制家中的電子電器產(chǎn)品或系統(tǒng)，例如：照明燈、咖啡爐、電腦

8、設(shè)備、保安系統(tǒng)、暖氣及冷氣系統(tǒng)、視訊及音響系統(tǒng)等。 家庭自動化CPU溫度濕度日照光線變化等鍵盤、觸摸熒、按鈕、電腦、電話機、遙控器等 照明視聽設(shè)備空調(diào)安防系統(tǒng)炊具等外界信號界面家電、設(shè)備家居智能化的最初形式家庭網(wǎng)絡(luò)是在家庭范圍內(nèi)(可擴展至鄰居，小區(qū))將PC、家電、安全系統(tǒng)、照明系統(tǒng)和廣域網(wǎng)相連接的一種新技術(shù)。 家庭網(wǎng)絡(luò)家居智能化的發(fā)展方向形式：有線、無線網(wǎng)絡(luò)家電網(wǎng)絡(luò)家電是將普通家用電器利用數(shù)字技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及智能控制技術(shù)設(shè)計改進的新型家電產(chǎn)品。網(wǎng)絡(luò)家電可以實現(xiàn)互聯(lián)組成一個家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)，同時這個家庭網(wǎng)絡(luò)又可以與外部互聯(lián)網(wǎng)相連接。 目前認為比較可行的網(wǎng)絡(luò)家電包括網(wǎng)絡(luò)冰箱、網(wǎng)絡(luò)空調(diào)、網(wǎng)絡(luò)洗衣機、網(wǎng)絡(luò)

9、熱水器、網(wǎng)絡(luò)微波爐、網(wǎng)絡(luò)炊具等。 網(wǎng)絡(luò)家電技術(shù)包括：（1）家電之間的互連問題，也就是使不同家電之間能夠互相識別，協(xié)同工作。（2）解決家電網(wǎng)絡(luò)與外部網(wǎng)絡(luò)的通信，使家庭中的家電網(wǎng)絡(luò)真正成為外部網(wǎng)絡(luò)的延伸。 最終將融入到家庭網(wǎng)絡(luò)中去信息家電信息家電應(yīng)該是一種價格低廉、操作簡便、 實用性強、帶有PC主要功能的家電產(chǎn)品。利用電腦、電信和電子技術(shù)與傳統(tǒng)家電相結(jié)合的創(chuàng)新產(chǎn)品， 是為數(shù)字化與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)更廣泛地深人家庭生活而設(shè)計的新型家用電器，信息家電包括PC、機頂盒、DVD、超級VCD、無線數(shù)據(jù)通信設(shè)備、視頻游戲設(shè)備、WEBTV、INTERNE電話等等，所有能夠通過網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)交互信息的家電產(chǎn)品，都可以稱之為信息家

10、電。 實現(xiàn)家居智能化的終端家庭自動化家庭網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)家電信息家電智能家居智能家居的基本結(jié)構(gòu)圖智能家居為什么智能？ 從技術(shù)上，智能家居所要實現(xiàn)的主要的功能有： （1） 對白色家用電器和其他設(shè)備的控制、調(diào)節(jié)和監(jiān)測，比如微波爐、洗衣機、燈光、電動窗簾、防盜報警器、自動門煙霧探測器、有害氣體檢測裝置、溫度和濕度控制器、風量調(diào)節(jié)器、各種手動的開關(guān)和遙控器等。 （2） 溝通黑色家電和其他視頻設(shè)備之間以及與外部世界之間的信息通道，其中包括：臺式/手持計算機、電視、錄/攝像機、VCD/DVD和數(shù)碼照相機等；同時還可以實現(xiàn)對它們的控制和監(jiān)測。 （3） 通過對外的接口，實現(xiàn)遠程控制和信息交換，如：電話線、有線電視電纜

11、、市電電源線、雙絞線和無線通訊方式等。 國外把家電分為3類：白色家電、黑色家電和米色家電。白色家電：指可以替代人們家務(wù)勞動的產(chǎn)品；黑色家電：可提供娛樂，像彩電、音響等；米色家電：指電腦信息產(chǎn)品。 綠色家電：指在質(zhì)量合格的前提下,高效節(jié)能且在使用過程中不對人體和周圍環(huán)境造成傷害,在報廢后還可以回收利用的家電產(chǎn)品。 智能家居的信息流介質(zhì)控制網(wǎng)絡(luò) 如智能家居的基本結(jié)構(gòu)圖中右半部分所示，它主要是控制家庭中各種設(shè)備的運行狀況，如電燈的滅/亮和亮度控制，空調(diào)的啟/停以及溫度和風量的控制，家庭安防系統(tǒng)的訊號采集和執(zhí)行，各種開關(guān)量的輸入，電動窗簾的開啟/關(guān)閉控制，室內(nèi)各種物理量的探測（如溫度、濕度，各種氣體含

12、量等），四表（煤氣表、電表、水表和暖氣的熱量表）數(shù)據(jù)的輸出與指示等。特點：傳輸?shù)男畔⒅饕强刂菩畔⒁约耙恍┪锢砹康膮?shù)。信號的頻率相對比較低，因此傳輸?shù)乃俾士梢员容^低，一般在數(shù)十Kbps就可滿足要求，但是信息傳輸?shù)目煽啃砸蟊容^高。 智能家居的信息流介質(zhì)2. 信息網(wǎng)絡(luò) 在圖中其它部分我們統(tǒng)稱其為信息網(wǎng)絡(luò)，它連接的設(shè)備有計算機、電視、音響系統(tǒng)，錄像機、數(shù)碼相機以及手機等等。 特點：在信息網(wǎng)絡(luò)上傳輸?shù)闹饕且纛l和視頻信號，它們的頻率帶寬一般要高達數(shù)兆赫茲，因此要求信息網(wǎng)絡(luò)上的信息傳輸速率比較高，普遍應(yīng)達到10 Mbps 以上。但相對說來，它的可靠性要求沒有控制信息那么高。 網(wǎng)絡(luò)：智能家居的骨架 分

13、布式家庭控制網(wǎng)絡(luò)的基本組成 總線耦合器 （BCU） 4. 通用遙控器 3. 家用電器 2. 家電控制信號 的驅(qū)動部分 5. 電話接口 6. 家庭網(wǎng)關(guān) 技術(shù)：智能家居的神經(jīng) 未來的智能家居什么樣？ 我們可以體驗一下生活在智能信息家電所創(chuàng)造的現(xiàn)代化生活場景： 清晨6點20分，輕柔的音樂自動響起并逐步增大音量催你起床，同時臥室的光線也逐漸調(diào)整到清晨的亮度。 6點30分，電視自動調(diào)整到CNN頻道播報當日新聞。同時，你的智能咖啡壺已自動熱好咖啡。 7點整出門時，你完全不必擔心燈還沒關(guān)，大門還沒鎖。因為在你開車上公路的時候，埋藏在地下的傳感器會檢測到你離家了，智能家居系統(tǒng)會自動幫你照料好一切。 上班以后，

14、你可以隨時登陸到自己的家庭網(wǎng)站上查看安全防護系統(tǒng)的攝像記錄。通過連接到托兒所或?qū)W校的攝像頭，你還可以觀察到你孩子的一舉一動。而當下午你的孩子放學回家時，在他輸入安全秘碼進屋的同時，你的手機上會顯示出孩子已經(jīng)安全到家的消息。 下班路上，在離家還有一兩分鐘時，你掏出手機指示家里的空調(diào)開始工作。接著安裝在家門口的傳感器檢測到你回家了，由于天色已晚，院子的大燈自動開啟，車庫的大門也自動打開。 走進廚房，熱氣騰騰的晚餐已經(jīng)備好。這要歸功于你的智能電爐的快速烹飪功能。 晚餐后，你來到家庭影院，電視機的頂置盒在白天已經(jīng)按照你的指示自動搜索并攝錄了電視節(jié)目。 睡覺前，你通過床邊的觸摸屏查閱了電子郵件，然后按下

15、了“晚安”鍵。這時，你家的燈全部熄滅，大門鎖好。而安全防衛(wèi)系統(tǒng)開始忠實地守衛(wèi)你的家園。 未來的智能家居網(wǎng)絡(luò)技術(shù)計算機技術(shù)未來的智能家居智能家居的骨架-網(wǎng)絡(luò)技術(shù)智能家居的神經(jīng)-計算機技術(shù) ？窄帶有線IPv4寬帶無線IPv6計算機的時代變遷 第一代：獨立的大型計算設(shè)備第二代：個人電腦PC的普及第三代：互聯(lián)網(wǎng)的普及第四代：互聯(lián)網(wǎng)/無線通訊網(wǎng)3G的普及第四代：互聯(lián)網(wǎng)/無線通訊網(wǎng)3G的普及第五代：普適計算不同終端、不同網(wǎng)絡(luò)間的互連及協(xié)同計算什么是普適計算？1987年Xerox公司的Palo Alto研究中心（PARC）電子和圖像實驗室（EIL）開始研制大型墻面平板計算機系統(tǒng)，它也可用作電子筆以及圖像掃描

16、輸入設(shè)備。這種新型計算機系統(tǒng)可以按傳統(tǒng)白板方式方便使用的同時，又擴展了計算能力，特別在與其他這類設(shè)備聯(lián)網(wǎng)的時候。這種“計算機墻面”引發(fā)了一種與目前“一人一臺桌面計算機”模式十分不同的研究思想：將計算機無處不在地、不可見地散布到整個環(huán)境中。 在這種背景下，1988年初，以Mark Weiser為首的PARC計算機科學實驗室（CSL）開始了普存計算（Ubiquitous Computing，簡稱UC，普遍存在的計算）的研究?，F(xiàn)在又稱為普適計算（Pervasive Computing，簡稱PVC，普遍滲透的計算）。 普適計算的內(nèi)涵 消失（Disappearing）：Weiser的一個著名論述，“最深

17、奧的技術(shù)是那些消失了的技術(shù)，這些技術(shù)將它們的自身交織于日常生活中，直至不可區(qū)分。” 例如：書寫-文字、符號， 電。 不可見（Invisible）：一種好的工具是不可見的工具，其含意是這一工具并不進入你的意識，你只是專注于任務(wù)而非工具。例如：眼鏡， 盲人的竹竿。好工具應(yīng)增加其不可見性。普適計算也將是那樣一種不可見的工具。 平靜技術(shù)（Calm Technology） 主機時代：平靜相對是很少的； PC機+互聯(lián)網(wǎng)時代：人機交互；普適計算時代：強調(diào)的是“平靜”。使計算機處于非妨礙狀態(tài)，也就是當人正被指定的計算機共享時，人依舊處于安定和控制之中。計算機是主體人是主體平靜與活躍 活躍-外界對人的作用，如信

18、息的刺激，呼機、手機、新聞服務(wù)、www、e-mail、電視和收音機 等平靜-人對外界的作用，如從事某項具體的工作，設(shè)計，計算，思考等平靜與活躍是矛盾的，它們都是人們的需要，但往往不能同時滿足。平靜技術(shù) 平靜技術(shù)的特征：第一，中心和邊緣之間可以很容易移動；第二，通過把更多的細節(jié)放入邊緣，可以增強邊緣的延伸（reach）；第三，邊緣可以輕易地把我們與大量熟悉的細節(jié)相連接，即所謂的定位（locatedness）。 平靜技術(shù)將諸要素劃分為中心（center）和邊緣（periphery），平靜技術(shù)將使我們的注意力在中心和邊緣之間很容易被移動。一方面，通過把一些事情放在邊緣，使我們有能力調(diào)節(jié)更多的事情；另

19、一方面，通過將原先是邊緣的事情重新調(diào)節(jié)為中心，我們就可以控制它。 普適計算的幻想和挑戰(zhàn) 普適計算的概念于上世紀90年代初提出，但當時的硬件技術(shù)基礎(chǔ)實際上并不存在。十年后技術(shù)的進步，普適計算的許多關(guān)鍵元件已有了商業(yè)產(chǎn)品：手持和可穿載計算機、無線局域網(wǎng)、傳感和控制家用電器的器件等。因此在2000年前后，一些主要大學和工業(yè)界相繼出現(xiàn)了各種普適計算的研究項目。例如，MIT的Oxygen、CMU的Aura、Illinois大學的Gaia、UC Berkeley的Endeavour、Washington大學的Portalano、IBM的DreamSpace、Microsoft的EasyLiving、歐盟資

20、助的Disappearing Computer、國內(nèi)清華大學的SmartClassroom等。 Oxygen 以人為中心的普適計算 （1）用戶技術(shù) 語音和視覺提示：與任務(wù)交互的人機接口。 知識訪問：個性化的尋找信息的方法，例如通過對過去所見所聞的回憶來訪問。自動化：提供自然、易用、可定制和自適應(yīng)機構(gòu)，進行自動調(diào)節(jié)重復(fù)信息和控制任務(wù)。 合作：跟蹤和存檔工作組的討論和交互作用，協(xié)助人們進行群體活動。為此定義了三種設(shè)備： 固定設(shè)備Enviro（E21）：嵌入居家、辦公室和汽車中的計算設(shè)備，用來感知和控制我們所接近的環(huán)境。手持設(shè)備Handy（H21）：可在任何地方增強我們的通信和計算能力。 動態(tài)網(wǎng)絡(luò)（N21）：定位我們所需的計算機、人、服務(wù)和資源。Oxygen 以人為中心的普適計算 （2）系統(tǒng)設(shè)備 智能環(huán)境 移動設(shè)備 動態(tài)網(wǎng)絡(luò) 軟件基礎(chǔ)設(shè)施 隱私和安全（3）Ox