李博豪

（武漢市第六中學(xué)，武漢 430011）

1 引言

智能家居，顧名思義就是智能化的家居環(huán)境，它是以物聯(lián)網(wǎng)為技術(shù)背景，將家居產(chǎn)品和用戶本身連接起來，建立一定的關(guān)系以有效地實(shí)現(xiàn)人物交互。智能家居的概念早在上世紀(jì)中期就已出現(xiàn)，但是直到近幾十年尤其是二十一世紀(jì)后信息化計(jì)算機(jī)迅速發(fā)展，智能家居才邁向了較為成熟的一步，早期人們只是一些簡單的電子器件來裝飾家居，它的功能較為單一，使用效果也并不智能，到上世紀(jì)八九十年代基于通信總線技術(shù)的住宅自動化基本實(shí)現(xiàn)了智能家居的雛形。近些年來，人工智能技術(shù)大放光彩，成為新時(shí)代的主要技術(shù)，智能家居也隨之迅速發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)、監(jiān)控、交互等技術(shù)領(lǐng)域都有新的進(jìn)步。其中各個(gè)分系統(tǒng)的設(shè)計(jì)至關(guān)重要，本文就幾個(gè)典型的分系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行了一定的探究。

2 智能家居電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)

電氣是現(xiàn)代家居生活很重要的一部分，它是支撐起智能家居的能源提供者，大部分信息采集、網(wǎng)絡(luò)處理、人機(jī)交互及監(jiān)控都要依賴于電力支持。對于智能家居而言，電氣系統(tǒng)有兩點(diǎn)需要注意的，一是配電供電，二是家居內(nèi)部電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)?，F(xiàn)階段已有電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)用人工智能技術(shù)的實(shí)例，主要技術(shù)有神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和專家系統(tǒng)，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，建立復(fù)雜的供電系統(tǒng)，可以較為智能化的滿足各個(gè)不同的家居用電要求。尤其現(xiàn)代建筑種類繁多，家居環(huán)境也有諸多不同。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可以針對復(fù)雜的環(huán)境進(jìn)行電氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，滿足多元化的用電需求。

現(xiàn)代化建筑對電氣的依賴性非常強(qiáng)，而電力作為一種能源提供，經(jīng)常會出現(xiàn)各種各樣的故障，這就需要針對電氣故障進(jìn)行一定的預(yù)防和排除準(zhǔn)備。對于智能家居而言，它的優(yōu)勢在于將家居產(chǎn)品用網(wǎng)絡(luò)連接起來，促進(jìn)了人機(jī)交互的和諧，但是與此同時(shí)，它變得非常依賴電氣和網(wǎng)絡(luò)，一旦出現(xiàn)故障將甚至不能滿足基本生活需求。現(xiàn)在高樓化住宅環(huán)境更是如此，針對電氣故障，我們可以采取專家系統(tǒng)來進(jìn)行一定的設(shè)計(jì)和處理。專家系統(tǒng)是基于當(dāng)前技術(shù)水平，針對不同的問題故障形成最佳的解決方案，將其輸入計(jì)算機(jī)中，使得計(jì)算機(jī)形成相對應(yīng)的處理思維，這樣可以極大地解放人力，并且在解決故障方面也能做到現(xiàn)階段最好，是電氣故障領(lǐng)域較為智能化有效化的方法。除此之外，應(yīng)當(dāng)為關(guān)鍵電氣元件準(zhǔn)備備用電源，在開關(guān)控制方面做二手準(zhǔn)備，以降低最終的故障率。

3 智能家居網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 智能家居網(wǎng)關(guān)總體設(shè)計(jì)理念

網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是智能家居的核心技術(shù)之一，它為家居產(chǎn)品和用戶提供一個(gè)交流的平臺，并且一切的感知、控制信息都要經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)連接來工作，智能家居的網(wǎng)絡(luò)雖是在因特網(wǎng)的大環(huán)境之下運(yùn)行，但自身仍有一些特殊的地方，例如強(qiáng)調(diào)局域網(wǎng)的安全性，硬件結(jié)構(gòu)的功能單一性等?，F(xiàn)階段智能家居網(wǎng)絡(luò)技術(shù)最常用的是ZigBee技術(shù)，它是是一種短距離、低功耗的無線通信技術(shù)。網(wǎng)絡(luò)中的各個(gè)設(shè)備將數(shù)據(jù)信息發(fā)送至無線智能家居網(wǎng)關(guān)，繼而網(wǎng)關(guān)將其通過因特網(wǎng)與用戶關(guān)聯(lián)，同時(shí)網(wǎng)關(guān)也可以將平臺發(fā)來的用戶指令傳遞給無線設(shè)備?？傊W(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)將用戶與家居產(chǎn)品之間聯(lián)系起來，是家居環(huán)境智能化的關(guān)鍵。

3.2 智能家居網(wǎng)關(guān)硬件軟件設(shè)計(jì)

智能家居網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)主要由硬件和軟件組成。對于硬件來說，傳統(tǒng)方法是采用PC機(jī)進(jìn)行控制，這種方式較為成熟，控制也較為簡單。只需要將相關(guān)家居產(chǎn)品的信息傳輸至家里的PC機(jī)上，然后由PC機(jī)進(jìn)行處理并進(jìn)行控制。傳統(tǒng)較為智能化的家居產(chǎn)品都是采用這種方法，但是這種控制方法依賴于PC機(jī)，操作不夠簡易。近些年來，人們開始研究嵌入式微型處理器來專門控制智能家居產(chǎn)品，嵌入式處理器的優(yōu)勢在于功能專一化，效率極高，而且價(jià)格較為便宜，但是它的研發(fā)周期較長而且功能不夠豐富。另外三星等公司曾開發(fā)基于安卓系統(tǒng)的專業(yè)處理器，也具有一定的前景。圖1是一種經(jīng)典的網(wǎng)關(guān)硬件結(jié)構(gòu)圖。

圖1 網(wǎng)關(guān)硬件框圖

智能家居系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)與常規(guī)軟件設(shè)計(jì)并沒有太大區(qū)別，只是相對來說它要求功能較為專一化，安全性要求較高，形式較為封閉。常用的網(wǎng)關(guān)軟件架構(gòu)如圖2所示，首先是硬件驅(qū)動，其次操作系統(tǒng)，通過相關(guān)協(xié)議到達(dá)用戶層，這主要通過人機(jī)交互來實(shí)現(xiàn)?，F(xiàn)階段智能家居的軟件設(shè)計(jì)正在向?qū)I(yè)化發(fā)展，預(yù)計(jì)未來會出現(xiàn)專門針對于智能家居的軟件系統(tǒng)。

圖2 網(wǎng)關(guān)軟件框圖

4 智能家居監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)概述

監(jiān)控系統(tǒng)是智能家居的關(guān)鍵部分，所謂智能化就是使得用戶和家居產(chǎn)品之間建立友好的交互關(guān)系，那么最重要的是兩者具備一定的交流方法。對于家居產(chǎn)品來說，它是信息數(shù)據(jù)產(chǎn)生源，同時(shí)這些信息必須傳輸至用戶，然后由用戶做出反應(yīng)，對其進(jìn)行控制。在這個(gè)過程中，用戶對相關(guān)家居產(chǎn)品的狀況必須有較為完全而實(shí)時(shí)的監(jiān)控，這就是智能家居監(jiān)控系統(tǒng)的理論來源。監(jiān)控系統(tǒng)首先是建立在家居產(chǎn)品自身的傳感器之上，也就是我們常說的感知層，其次需要將有效信息傳輸至網(wǎng)絡(luò)層中，網(wǎng)絡(luò)層是監(jiān)控系統(tǒng)的關(guān)鍵，它是連接家居產(chǎn)品和用戶的橋梁，而且它可以對產(chǎn)品自身數(shù)據(jù)信息進(jìn)行一定的處理以適應(yīng)人的操作。

現(xiàn)階段常用的監(jiān)控技術(shù)主要是基于Zigbee的家居互聯(lián)技術(shù)，還有基于Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)控技術(shù)，它們可以有效地將溫度、濕度等信息展現(xiàn)在用戶面前，除此之外，隨著人工智能的發(fā)展，人們希望相關(guān)網(wǎng)絡(luò)可以部分地對家居產(chǎn)品進(jìn)行直接控制，它模擬人的行為習(xí)慣，并且利用專家系統(tǒng)對一些常見問題進(jìn)行自主解決，以達(dá)到人工監(jiān)控的效果。

4.2 系統(tǒng)硬件軟件設(shè)計(jì)

智能家居監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)階段最常用的是星型網(wǎng)絡(luò)，相關(guān)家居產(chǎn)品和網(wǎng)關(guān)網(wǎng)絡(luò)一般由Zigbee協(xié)調(diào)器提供，對于監(jiān)控系統(tǒng)而言，硬件主要是家居產(chǎn)品的感知層和網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)的處理器，前者主要是各種傳感器，后者主要是嵌入式處理器。感知層是智能家居第一層環(huán)節(jié)，同時(shí)也是非常重要的環(huán)節(jié)。它模擬人的五官采集信息，這樣才可以和人建立和諧的交互關(guān)系，提高家居生活的智能化程度。對于相關(guān)傳感器而言，主要在于其布置與網(wǎng)絡(luò)連接，要細(xì)致地控制相關(guān)設(shè)備，必須對其進(jìn)行精細(xì)的信息采集，這就需要智能有效地布置傳感器，其次要有效地利用采集到的信息，必須將傳感器與網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系起來并且建立高效的監(jiān)控機(jī)制，這個(gè)過程可以通過單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)。至于網(wǎng)絡(luò)層的硬件設(shè)計(jì)，基本和上文中介紹的硬件一致，通常采用嵌入式處理器來進(jìn)行處理和控制。

監(jiān)控系統(tǒng)軟件的功能主要是對各種家具產(chǎn)品進(jìn)行控制，它需要收集傳感器數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析，而且一般含有報(bào)警功能，需要對各種參數(shù)進(jìn)行安全限定?？傮w而言，智能家居監(jiān)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)與常規(guī)監(jiān)控系統(tǒng)差別不大，其基本原理和工作過程是類似的，只不過智能家居更強(qiáng)調(diào)物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)性和實(shí)時(shí)控制性。

5 智能家居人機(jī)交互探究

傳統(tǒng)的信息化人機(jī)交互主要由鼠標(biāo)、遙控器、鍵盤等實(shí)現(xiàn)，早期的智能家居就是用這些方式來控制計(jì)算機(jī)、智能機(jī)頂盒的，借此可以實(shí)現(xiàn)控制家電、安防，使用融合影音、社區(qū)服務(wù)等業(yè)務(wù)的目的。但是，這些人機(jī)互動方式普遍存在操作復(fù)雜、缺乏人性化等缺點(diǎn)，成為了物聯(lián)網(wǎng)智能家居應(yīng)用普及的障礙，目前較為先進(jìn)的人機(jī)交互方式有多點(diǎn)觸控、語音、動作、圖像識別等。多點(diǎn)觸控移動設(shè)備目前比較流行的是蘋果公司的iPad、iPhone，在其上安裝適當(dāng)?shù)能浖?，就可以成為智能家居中人機(jī)互動的主要設(shè)備。動作識別主要采用三軸加速度傳感器所發(fā)送回來的x、y、z三軸加速度數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷。語音識別也是一種信號處理方式，是一種模式識別。語音經(jīng)過話筒變換成電信號后加在識別系統(tǒng)的輸入端，首先經(jīng)過預(yù)處理，再根據(jù)人的語音特點(diǎn)建立語音模型，對輸入的語音信號進(jìn)行分析，并抽取所需的特征，在此基礎(chǔ)上建立語音識別所需的模板。而計(jì)算機(jī)在識別過程中要根據(jù)語音識別的模型，將計(jì)算機(jī)中存放的語音模板與輸入的語音信號的特征進(jìn)行比較，根據(jù)一定的搜索和匹配策略，找出一系列最優(yōu)的與輸入語音匹配的模板。然后根據(jù)此模板的定義，就可以給出所識別出的結(jié)果這幾種新型人機(jī)交互方式將為人們帶來新的交互感受和更高效的工作方式。近幾年相關(guān)研究機(jī)構(gòu)還在研究基于自然語言處理的語音交互技術(shù)，它將會極大地改變傳統(tǒng)人機(jī)交互方式。

6 結(jié)束語

隨著現(xiàn)代信息化計(jì)算機(jī)的發(fā)展，人工智能已開始進(jìn)入人們的生活與工作中。人們對家居環(huán)境的智能化需求也日益增加，現(xiàn)階段來說智能家居相關(guān)技術(shù)還不夠成熟，只有少許有實(shí)際應(yīng)用，根據(jù)目前人工智能以及大數(shù)據(jù)技術(shù)的發(fā)展趨勢，智能家居在一定時(shí)間將會首先實(shí)用化，其次邁向更為智能的時(shí)代。與此同時(shí)，智能家居帶來的隱私問題也應(yīng)當(dāng)引起我們的注意，家居環(huán)境畢竟是相對個(gè)人性的，需要對此進(jìn)行保護(hù)。另一方面，智能家居將會與其他智能產(chǎn)品結(jié)合起來，比如智能穿戴、智慧交通等。總之智能家居將會極大地改變我們的日常生活環(huán)境。

[1] 李星.關(guān)于住宅智能家居電氣設(shè)計(jì)的探討[J].中華民居，2014-10.

[2] 孔林婷.智能家用電器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].通信技術(shù)，2018-2.

[3] 鐘莉萍，張永軍.智能家居網(wǎng)關(guān)服務(wù)器軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].中南大學(xué)學(xué)報(bào)，2013-7.

[4] 張斌，饒培倫.智能家居人機(jī)交互績效的實(shí)驗(yàn)分析[J].工業(yè)工程與管理，2007-3.

[5] 田仲富，王述洋.基于物聯(lián)網(wǎng)近程無線組網(wǎng)技術(shù)的嵌入式智能家居監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2017-1.