1.6 智能家居系统的组成

1.6.1 智能家居主要功能

智能家居系统的组成大致可分为硬件设备和软件系统。如果从主要功能上进行划分，智能家居主要包括控制管理、照明控制、家庭安防、环境监控、健康监控、能源管控、自动管家、背景音乐、家庭影院9方面功能，如图1-17所示。

1.控制管理

控制管理是智能家居的控制中心，它接收各种控制方式的信息，如本地控制、遥控控制、情景控制、手机远程控制、触摸感应控制、定时控制等，并将各种控制信息经过处理，发出相对应的指令，对智能家居的设备进行操作控制，完成某种特定功能，如家电控制、灯光控制、窗帘控制、环境（温湿度）控制、节能控制、娱乐控制、安防控制、健康监控、车辆控制和园林灌溉控制等。

2.照明控制

智能照明控制是指用多种智能控制方式实现对住宅内所有灯具的开启关闭、亮度调节、全开、全关以及组合控制的形式，实现“回家、离开、会客、用餐、影院”等多种灯光情景效果，从而达到智能照明的节能、环保、舒适、方便的功能。如“会客情景”可设为吊灯亮80%、壁灯亮60%、筒灯亮80%；“影院情景”可设为吊灯亮20%、壁灯亮40%、筒灯亮10%等。系统还具有软启功能，能使灯光渐亮渐暗，给人营造一种温馨、浪漫、幽雅的灯光环境。

3.家庭安防

家庭安防是智能家居的重要组成部分，可靠而智能的安防控制能够确保智能家居用户的生命财产安全，及时发现安全隐患并能够及时进行自动处理。安防控制主要实现家庭防盗、防火、煤气泄漏监测与报警、用电安全、用水安全、家电安全、车辆安全等，并能够提供自动报警及自动处理、紧急求助等。家庭安防涉及的传感器包括门磁感应器、红外感应器、玻璃破碎探测器、吸顶式热感探测器、煤气泄漏探测器、烟感探测器、监控摄像头等。将家庭安防控制与智能社区相连接，可以实现更强功能的安防控制。

4.环境监控

环境监控主要为居住人员提供一个安全、健康、舒适的生活环境。一般而言，主要对家居中的环境情况，如室内温度、空气湿度、有害气体含量（二氧化碳浓度、甲醛浓度、烟雾、P M2.5、粉尘颗粒浓度等）等情况进行实时监测，并能针对实时监测的情况对环境进行调节，如通过相应的家电设备（换气扇、空气净化器等）的开启与关闭，自动适应居住者的需求。

5.健康监控

健康监控主要通过智能穿戴设备（智能手表、智能手环等）、智能马桶（尿液监测）、智能呼吸监测仪、体重计、智能健身器材、智能电冰箱、油烟机等对人的睡眠、饮食、活动、生活习惯、身体体征等进行实时记录、统计和分析，对不健康的生活方式提出预警，对健康的生活方式提供指导。除此之外，健康监测还可以结合其他传感器设备，对老人、病人、小孩等实施健康监测和看护。如果将健康监控与远程医疗看护相连接，在家里使用智能综合测试仪将家人的体温、脉搏、血压、血糖、血氧浓度、心电图、体重等信息定期上传，那么可通过专业医生的反馈指导保证健康的生活。

6.能源管控

家庭能源管控是家用电器智能控制的升级。社会经济的快速发展致使人们对电力的需求日益增加，如何节约用电、科学用电、管理用电，有效地控制家庭能耗是智能家居需要研究的课题。如在家庭用电上，可以监测能耗。用电高峰期时，可以有选择性地使用家用电器，优先使用功率较小的家用电器。同样，可以检测何时电费较低，这时可以集中使用家用电器，节约电费。与此同时，家里的用电情况可以随时观测，也可以远程通过计算机、智能手机、平板电脑等进行实时监控。

7.自动管家

自动管家是利用人工智能技术和互联网技术以及各类智能硬件（如智能机器人、各种自动智能家电等），协助主人管理整个家庭，如自动清理卫生、自动灌溉草坪、协助安排与提醒各类工作、生活计划的实施、自动叫醒服务等。随着人工智能的发展，自动管家将使得智能家居更加智慧化。

8.背景音乐

背景音乐就在任何一间房子里，包括客厅、卧室、厨房或卫生间，均可布上背景音乐线，通过1个或多个音源，可以让每个房间都能听到美妙的背景音乐。配合AV影视交换产品，可以用最低的成本，不仅实现了每个房间音频和视频信号的共享，而且各房间可以实现独立的遥控选择背景音乐信号源，可以远程开机、关机、换台、快进、快退等。

9.家庭影院

家庭影院和背景音乐是家庭娱乐的多媒体平台，它运用先进的微计算机技术、无线遥控技术和红外遥控技术，在程序指令的精确控制下，把数字电视机顶盒、网络电视机顶盒、DVD、计算机、影音服务器、高清播放器等多路信号源，能够根据用户的需要，发送到每一个房间的电视机、音箱等终端设备上，实现一机共享的多种视听设备。

1.6.2 智能家居硬件组成

智能家居的硬件部分主要由控制主机（又称智能网关）、传感器、探测器、红外转发器、智能控制面板、智能手机及家庭网络等组成，如图1-18所示。

1.控制主机

控制主机也称智能网关，它是智能家居主要硬件之一，是家庭网络和外界网络沟通的桥梁，是通向互联网的大门。在智能家居中由于使用了不同的通信协议、数据格式或语言，控制主机就是一个翻译器。控制主机对收到的信息要重新打包，以适应不同网络传输的需求。同时，控制主机还可以提供过滤和安全功能。

控制主机除具有传统路由器的功能外，还具备无线转发、无线接收功能，就是能把外部所有的通信信号转化成无线信号，从而在家里任何一个角落可以接收，同时在家里操作遥控设备或者无线开关时，它能接收到信号，进而控制其他终端设备。

也可以说控制主机就是智能家居的“指挥部”，所有的输入设备通过室外互联网、GSM网、室内无线网接入到这个控制主机，所有的输出设备的操作都由它通过室内无线网发出指令，完成灯光控制、电器控制、场景设置、安防监控、物业管理等操作，或通过室外互联网、GSM网向远端用户手机或计算机发出家里的安防信息。

2.传感器与探测器

传感器与探测器的作用就像一个人的眼睛（人体红外感应器），鼻子（燃气报警器、烟雾报警器），耳朵（门磁、震动感应器），它能将“看到、闻到、听到”的信息转换为电信号送到控制主机。智能家居一般均安装了温/湿度一体化传感器、可燃气体传感器、烟雾传感器、人体红外探测器、无线门磁探测器、无线幕帘探测器、玻璃破碎探测器等。各种传感器与探测器的作用与技术参数将在后面章节中介绍。

3.智能控制面板

智能控制面板包括开关面板与插座面板等，如智能灯光面板的主要作用是实现智能灯光的开关控制和亮度调节。它同普通开关一样，用手触摸一下，就能控制灯具的开或关，另一方面可接收控制主机发的指令进行智能灯光控制。

插座面板在智能家居中可通过计算机/手机客户端、无线电遥控器实现对电器用电负载（如电热水器、电饭煲等）的通断控制，或通过智能主机实现远程控制。还可定时开关电器电源，起到便捷、节能、防用电火灾的作用。

4.红外转发器

红外转发器是一款对红外家电设备（如：空调、电视、机顶盒、DVD、音箱等）进行无线操作的智能控制器，是智能家居系统的重要组成部分。早期的射频红外线转发器先要在控制主机的配合下，学习原有各种红外遥控器上的功能键信号，并在主机的软件端上创建各遥控功能键的信号，这样红外线转发器才会把射频信号命令转发成红外线信号去控制相关家用电器。ZigBee主机可通过ZigBee信号转发学习过的红外码，用户可利用智能手机或平板电脑通过客户端软件轻松控制红外家电。

5.家庭网络

家庭网络是在家庭范围内（可扩展至邻居，小区）将计算机、电话、家用电器、安防控制系统、照明控制和广域网相连接的一种新技术。家庭网络是一个多子网结构的分别采用不同底层协议的混合网络，与局域网和广域网相比，在系统构成、网络协议及用户群体方面都具有自己的特点，未来的家庭网络实现必须提供完整的系统集成方案、高度的互操作性和灵活易用的网络接口。

当前在家庭网络所采用的连接技术可以分为“有线”和“无线”两大类。有线方案主要包括：双绞线或同轴电缆连接、电话线连接、电力线连接等；无线方案主要包括：红外线连接、无线电连接、基于RF技术的连接和基于个人计算机的无线连接等。

在当今信息化时代，家庭网络也必须是与互联网、物联网相连的，因此这样的家庭不仅是网络家庭，更是互联网家庭和物联网家庭。

智能家居中的控制主机就是通过“有线”或“无线”的家庭网络与外部的互联网、物联网、宽带无线网、有线电视网相连，同时与室内需要控制的设备也是通过“有线”或“无线”的家庭网络相连。

智能家居系统的家庭网络主要有3种组网方式。

（1）集中布线技术。也就要布设有线网控制网，即布设弱电控制线来发送控制信号以及接收被控设备的反馈信号，以达到对家电或灯光进行控制的目的。主要应用于楼宇智能化控制，如可视对讲、门禁指纹等。因为是以独立、有线的方式进行信号的收发，所以信号最稳定，比较适合于新建楼宇和别墅智能化，但一般布线比较复杂，造价较高，工期较长，而其只适用新装修用户。

（2）电力载波传输技术。电力载波传输技术的详细介绍参看前面1.5.2的内容。

（3）无线网络技术。无线网络技术的详细介绍参看前面1.5.3的内容。

6.智能手机

智能手机是在掌上电脑的基础上演变而来的。最早的掌上电脑并不具备手机通话功能，但是随着用户对于掌上电脑的个人信息处理方面功能的依赖的提升，又不习惯于随时都携带手机和掌上电脑两个设备，所以厂商将掌上电脑的系统移植到了手机中，于是才出现了智能手机这个概念。

智能手机具有独立的操作系统，独立的运行空间，可以由用户自行安装软件、游戏、导航等第三方服务商提供的程序，并可以通过移动通信网络来实现无线网络接入。简而言之智能手机就是一台可以随意安装和卸载应用软件的手机。

在智能家居系统中先下载厂家的应用软件，将智能手机与控制主机（或称智能网关）绑定，这样智能手机便可控制智能家居中的所有设备。

1.6.3 智能家居软件构成

智能家居的软件系统是智能家居实现智能的根本所在，正如一部智能手机，如果没有软件存在，只是一堆堆砌的电子器件而已。智能家居的软件贯穿于智能家居硬件的底层，按软件所在的位置不同，一般分为3部分。一个是智能家居硬件设备上的嵌入式软件，比如智能网关，智能面板，各种传感器等，一般用C语言在Keil中编写实现；另一个是后台服务器上的软件，可选用阿里云或者腾讯云，一般用Java/PHP开发，连接后台MySQL数据库；还有一个是智能手机端的应用软件，因智能手机分安卓和苹果不同的操作系统，所以苹果手机的应用软件要在App Store上下载；安卓操作系统手机可在360应用商店或生产厂方官网上下载。智能家居软件的构成示意图如图1-19所示。纳乐智能家居在智能手机端的应用界面如图1-20所示。

纳乐智能家居的软件系统按功能不同，分为安防检测系统、AI管家系统、语音娱乐系统和设备控制系统，如图1-21所示。

下面以纳乐网关为例介绍智能家居软件。纳乐网关技术上采用的是Zigbee 2.4GHz无线射频技术。Zigbee无线网络具有的特点包括：网络拓扑维护灵活、快速；自适应跳频模式与重传机制，保障通信可靠性更加有效；支持网内报文聚合，降低网络开销，延长使用寿命；用户可以方便地使用、管理，无须较高的专业知识。纳乐网关使用的主芯片为STM32F103，是当前32位主流ARM嵌入式处理器。该芯片主要负责信息的接收、处理、转发、远程控制，报警信息的远程发送等。

纳乐网关的硬件主要有以下功能模块：系统初始化模块、网络链接模块、设备控制模块、设备信息接收模块、设备联动处理模块。其中系统初始化模块用于对室内中央控制网关的硬件所有接口进行配置及各变量的初始化；网络链接模块用于中央控制网关通过监听TCP端口，与云服务器交换相关的数据完成相关的控制及传感器报警上报；设备控制模块用于对Zigbee链路中的设备发送相关通信命令去控制；设备信息接收模块用于对Zigbee链路中的中心设备所发送数据进行监听并进行处理；设备联动处理模块用于当接收到传感器数据超过阀值后进行响应并通过TCP协议将数据发送至后台云端。

系统初始化完成以后，中央控制网关创建数据收发线程获取设备信息。设备会发送两种数据包：一个是入网包，一个是数据包。收到入网包后，通过解析确定是哪个设备上线，然后在将对应设备的名称。收到数据包后，进行数据包的处理提出有效数据信息，计算出传感器的值，并在室内中心控制机上进行传感器数值的实时显示。同时将收到环境信息发送到远程监控中心，进行信息的及时更新和显示。当室内温度过高或者烟雾浓度、有害气的含量超标时，室内中心控制机将进行实时的本地报警同时将报警信息发送到远端监控主机上。纳乐网关的软件流程图如图1-22所示。

由于智能家居系统正逐步朝着网络化、信息化、智能化、一体化的方向发展，智能家居不再是一个独立的封闭系统。通过智能网关、智能家居操作系统，或者其他智能网络硬件，智能家居可接入互联网，从而获得更强大的功能。比如借助互联网，智能家居可以接入智能小区，甚至智慧城市中去，为智慧城市的最终实现奠定坚实的基础。

特别值得说明的是，由于云计算、大数据和人工智能的发展，智能家居作为物联网的一种具体应用，正在收获这些技术所结的硕果，为智能家居安上一颗更加“智慧的大脑”，实现各种新的软件和信息服务。智能家居不仅能让人们获取数量更多、质量更高的服务体验，最为重要的在于，也许在未来，智能家居能够实现真正的“智能”。