彭昭亮 陳殿生 王田苗

（北京航空航天大學機器人研究所，北京，100191）

0 引言

智能家居的概念最早出現(xiàn)在美國，智能家居是以住宅為平臺，兼?zhèn)浣ㄖO(shè)備、網(wǎng)絡(luò)通信、信息家電和設(shè)備自動化，集系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)、服務、管理為一體的高效、舒適、安全、便利、環(huán)保的居住環(huán)境。智能家居利用先進的計算機技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，將與家居生活有關(guān)的各種子系統(tǒng)有機地結(jié)合在一起，通過統(tǒng)籌管理優(yōu)化人們生活方式，幫助人們有效地安排時間，增強家居生活的安全性和方便性。

中國人口老年化日益加劇，為老年人提供安全便捷的家居環(huán)境是一個重要的研究課題。為此，我們將智能設(shè)備概念引入到老年人居室環(huán)境中，并將這些設(shè)備都集成起來構(gòu)成一個智能居室系統(tǒng)。此系統(tǒng)能自動感知外界環(huán)境的變化，完成數(shù)據(jù)共享，根據(jù)環(huán)境的變化做出相應的反應等，以提高居室智能化，為老年人提供便利和安全的生活方式。

1.面向老年人的智能居室系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

為提高老年人的生活能力和生活質(zhì)量，本系統(tǒng)從基礎(chǔ)設(shè)施和智能居室兩個方面對老年人居室進行設(shè)計改建。利用設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)，運用多種控制方法完成各個子系統(tǒng)集成，預期效果如圖1所示。

1.1 設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化

為實現(xiàn)智能居室系統(tǒng)功能，敬老院臥室里所有電器都被納入到智能居室的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃中，實現(xiàn)居室的網(wǎng)絡(luò)化。例如，電視、空調(diào)、電冰箱、電燈、加濕器、電動窗簾、電動門、音樂播放器等電器，室內(nèi)所有電器都利用總線技術(shù)納入到智能控制網(wǎng)絡(luò)中，可以實現(xiàn)自動控制。

圖1 智能家居系統(tǒng)預期效果圖

1.2 集中控制

納入到智能控制網(wǎng)絡(luò)中的每一個設(shè)備都由智能空間主機統(tǒng)一協(xié)調(diào)控制。在墻上常規(guī)開關(guān)和獨立遙控器控制的基礎(chǔ)上，移動設(shè)備(手機/平板)亦可實現(xiàn)集中控制，老人只需要使用可移動互聯(lián)終端PDA即能實現(xiàn)對室內(nèi)所有電器的控制，這對不便下床或移動不便的老人特別實用，他們能夠輕松控制自己想控制的設(shè)備。

同時，可利用布置在室內(nèi)和室外的傳感器，采集室內(nèi)溫度、濕度等信息，再通過分布式控制或者上位機程序智能保持室內(nèi)恒定的溫度和濕度。

1.3 智能居室系統(tǒng)各子系統(tǒng)

根據(jù)智能居室的任務需要及功能設(shè)計的要求，本系統(tǒng)分為6個子系統(tǒng)：智能照明子系統(tǒng)、智能窗簾子系統(tǒng)、智能影音子系統(tǒng)、智能環(huán)境控制子系統(tǒng)、智能安全保護子系統(tǒng)和智能控制子系統(tǒng)。智能家居系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖2所示,智能家居系統(tǒng)完整示意圖如圖3所示。

圖2 智能家居系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

圖3 智能家居系統(tǒng)完整示意圖

① 智能照明系統(tǒng)

系統(tǒng)的功能包括：

軟啟動：在開啟和關(guān)閉時，燈光漸亮漸暗，亮度變化柔和；

調(diào)光記憶：燈光可以無級調(diào)整亮度，自動保存最后一次設(shè)定的燈光效果，無需再調(diào)整；

場景組合：只要輕按某個鍵，就可以得到想要的燈光場景組合，如回家模式、會客模式、就餐模式、影院模式等，同時實現(xiàn)一鍵開關(guān)控制所有編組設(shè)備的開啟，使控制更靈活；燈光的亮度可以根據(jù)不同場合隨意調(diào)節(jié)，場景之間的切換也可通過按鍵實現(xiàn)，并且接受系統(tǒng)中其他各種控制方式的控制，可對場景進行整體調(diào)光。

智能照明系統(tǒng)便于老年人控制，并為老年人營造溫馨、便捷的居室氛圍，每套房間設(shè)計有5路燈光，該5路燈光可以根據(jù)老人使用習慣設(shè)置控制方式，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

圖4 智能照明系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

② 智能窗簾子系統(tǒng)

該子系統(tǒng)的系統(tǒng)功能包括：可實現(xiàn)窗簾的低噪聲電動開合，控制方式有本地直接控制、遙控器控制、遠程控制。該子系統(tǒng)可以和智能照明子系統(tǒng)形成場景聯(lián)動，實現(xiàn)不同場景效果。停電時本系統(tǒng)可手拉、到位自停，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。

圖5 智能窗簾子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

③ 智能影音系統(tǒng)

該子系統(tǒng)功能包括：設(shè)計采用音視頻交換系統(tǒng)，可以隨心所欲地把家里所有的影視設(shè)備、攝像的監(jiān)控畫面等共享或分享到全家所有的電視機上。整套公寓劃分為幾個區(qū)域，每個區(qū)域均可以通過先期的設(shè)置實現(xiàn)自動播放、自動選曲等功能，適應老人的個性化選擇。老人可以在不同的房間里欣賞觀看任意指定的音樂和視頻源，如果不想聽或不想看，可以隨手關(guān)閉本房間的背景音樂，而不影響其他房間的人欣賞背景音樂。通過觸摸屏或電視機可監(jiān)視大門口來訪客人的視頻圖像，同時能夠查看其他各重要房間的視頻圖像。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖6所示。

圖6 智能影音系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

④ 智能環(huán)境控制系統(tǒng)

圖7 智能環(huán)境控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

該子系統(tǒng)的系統(tǒng)功能包括：環(huán)境控制子系統(tǒng)通過設(shè)置在室內(nèi)和室外的溫度、濕度、危險氣體等傳感器監(jiān)控當前室內(nèi)環(huán)境信息，并將采集的信息處理后發(fā)到上位機，在對環(huán)境進行監(jiān)控的同時，分析室內(nèi)環(huán)境狀態(tài)，并將需要調(diào)節(jié)的指令發(fā)到相關(guān)的設(shè)備，保持環(huán)境中溫度、濕度等的恒定，保持室內(nèi)環(huán)境的宜居狀態(tài)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖7所示。

⑤ 智能安全保證系統(tǒng)

該子系統(tǒng)的系統(tǒng)功能包括：智能安全保證子系統(tǒng)利用紅外探測器、門窗磁感應器、煙霧探測器等方式檢測家中異?，F(xiàn)象，并可以通過鳴響警號、撥打預設(shè)電話等方式進行報警，使監(jiān)控室實時了解到室內(nèi)異常狀態(tài)并及時采取有效措施，保護老人安全。

圖8 智能安全保證系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

該系統(tǒng)包括：系統(tǒng)主機、紅外探測器、煙霧探測器、攝像頭等。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖8所示。

⑥ 智能控制系統(tǒng)

該子系統(tǒng)的系統(tǒng)功能包括：接受中央控制器指令，可現(xiàn)場手動控制、通過電話或互聯(lián)網(wǎng)進行遠端控制、遙控器控制，由程序規(guī)定在特定的時間開啟或閉合，根據(jù)環(huán)境條件自動開啟或閉合、配合燈光等實現(xiàn)場景聯(lián)動。

2 面向老人的智能居室應用示范

目前四季青敬老院已在試點居室內(nèi)構(gòu)建完成了室內(nèi)智能環(huán)境。圖9為智能居室系統(tǒng)整體示意圖，經(jīng)過對智能居室功能的不斷完善，現(xiàn)已實現(xiàn)了室內(nèi)環(huán)境感知、室內(nèi)家電智能控制、生活操作簡化、休閑娛樂等一系列功能。

四季青智能居室內(nèi)共構(gòu)建完成了兩套智能居室，包括老人起居室、衛(wèi)生間、玄關(guān)三部分。該環(huán)境集成了全景視覺攝像頭實時監(jiān)控，可以獲得老人的生活狀態(tài)等信息，供護理人員評估老人生活質(zhì)量及發(fā)現(xiàn)老人生活問題；安裝了大量小型傳感器節(jié)點，共同組成智能居室無線傳感網(wǎng)絡(luò)，實時感知居室內(nèi)的環(huán)境信息，并結(jié)合無線通信網(wǎng)絡(luò)、高速局域網(wǎng)絡(luò)以及Internet，構(gòu)建了完整的智能居室網(wǎng)絡(luò)。

圖9 智能居室系統(tǒng)示意圖

該智能居室內(nèi)的各種家電（電視、冰箱、空調(diào)等）已實現(xiàn)智能化控制，為控制燈光、窗簾和其他智能家電設(shè)備等配置了移動設(shè)備控制、按鍵控制等多種方式，老人不必走動就可完成電器設(shè)備、燈光、窗簾的開閉等任務，操作簡便，使老人生活變得更加輕松、簡單；智能居室采用了包括光、熱、力、濕、煤氣等多種傳感器，實時檢測環(huán)境變化，結(jié)合家電等執(zhí)行器件實現(xiàn)老人居室的智能化，為老人提供一個安全、舒適、便利的生活環(huán)境。

除上述功能外，智能空間還增加了很多實用、人性化的設(shè)計，如：設(shè)計了一款背景音樂面板，可以根據(jù)需求播放音樂，為老人營造溫馨、舒適的環(huán)境；當電話打入時，智能家居控制系統(tǒng)能自動調(diào)小電視的播放聲音，防止老人漏接電話或不能聽清談話內(nèi)容；安裝了床頭傳感器，能檢測老人起夜事件并自動觸發(fā)夜燈照明，衛(wèi)生間內(nèi)的燈光也是自動感應式，能檢測到老人的進入與離開并自動打開和關(guān)閉燈光；衛(wèi)生間內(nèi)配置了自動控制的換氣扇，實時監(jiān)測并自動啟動以保持衛(wèi)生間內(nèi)空氣的清潔；衛(wèi)生間內(nèi)還實現(xiàn)了電腦控制坐便器、清潔機器人、手感應節(jié)水龍頭等，方便老人清潔身體，減輕護工的工作強度，也減少了老年人的尷尬，提高了老人、殘障人士的自理能力；設(shè)置了多個場景模式，如回家模式、離家模式等，在啟動場景模式時智能居室能自動完成一系列工作，如關(guān)閉電視、電燈等用電設(shè)備、關(guān)閉窗簾等，可以減少老人忘記關(guān)電或其他誤操作而可能造成的意外危害，提高了安全性、便捷性。開、關(guān)門設(shè)計成電子控制，以方便老人操作；實現(xiàn)了煙感火災報警、家庭服務器、網(wǎng)絡(luò)通信等功能，并能進行室內(nèi)環(huán)境如溫度、濕度的智能控制，進一步提高了安全性和舒適性。

圖10為智能家居玄關(guān)及周邊部分展示，玄關(guān)處通過傳感器可以檢測人員進出活動，房門可通過無線控制，該室內(nèi)也集成了無線定位節(jié)點，故該智能居室也是整個監(jiān)控系統(tǒng)的一個有機組成部分，另外該智能系統(tǒng)的傳感器等器件隱蔽性很好，基本不會影響到美觀。為了解決老人孤單的問題，本系統(tǒng)還配置了一款助老、助殘陪護機器人，能和老年人聊天、玩游戲，也能用于測量血壓等功能。具體如圖11所示。

圖10 智能居室玄關(guān)部分

圖11 智能居室主廳及陪護機器人

在實際測試使用過程中，該智能居室受到老人廣泛好評，普遍反映該智能家居簡單易學、使用方便、功能實用豐富，尤其是行動不便老人特別喜愛。

3 總結(jié)

本系統(tǒng)目前已經(jīng)在北京市海淀區(qū)四季青鎮(zhèn)敬老院成功得到示范應用，獲得了良好的用戶使用反饋。

智能設(shè)備及其網(wǎng)絡(luò)化將給居室環(huán)境帶來突破性的進展，將智能家居設(shè)備應用于居室環(huán)境中，可以大大方便老年人的日常生活，提高老年人的生活品質(zhì)，還可以緩解中國快速老年化對護理人員的需求，從而緩解家庭和社會的壓力。

[1] 中國行業(yè)研究報告. 2011年中國樓宇智能化系統(tǒng)工程市場深度調(diào)查報告.

[2] 向忠宏. 智能家居:人民郵電出版社，2002.

[3] 全國老齡工作委員會辦公室. 《2011年度中國老齡事業(yè)發(fā)展統(tǒng)計公報》.