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智能家居技术的应用、系统和方法综述
摘要
智能家居技术始于十多年来引入了网络设备和房屋中的设备。根据智能家居协会智能家居技术的最佳定义是：技术与服务的集成通过家庭网络改善生活质量。计算机中使用的许多工具系统也可以集成在智能家居系统中。在本文中，我们介绍了可以集成或应用在智能家居系统中的技术和工具。
- 介绍
智能家居领域的进步并非孤立的案例。首先，发展发生在社会内部，并受到该社会内部趋势的影响。此外，为了创造附加值，重点应放在智能家居环境上，而不是仅在使用过的技术上。 第三，创造支持老年人和残疾人的智能环境具有巨大潜力。然而，要完全实现期望是一个复杂的过程，涉及到各个利益相关者。 智能家居是通过家庭网络实现技术和服务的集成，以提高生活质量。与智能家居相关的许多技术正在涌现。在下一部分中，我们定义了智能家居，相关技术和趋势。
- 智能家居系统
智能家居是常用于定义住宅的术语，该住宅使用HomeController集成住宅的各种家庭自动化系统。 最受欢迎的家庭控制器是那些仅在编程期间连接到基于Windows的PC的控制器，然后让它们独立执行家庭控制职责。集成家庭系统使它们可以通过家庭控制器相互通信，从而可以在预编程的场景或操作模式下同时对各个家庭系统进行单按钮和语音控制。[1]
随着电子技术的融合，家庭自动化领域正在迅速扩展。家庭网络包含通信，娱乐，安全性，便利性和信息系统。[2]电力线载波系统（PCS）是一种技术，用于将编码信号沿着房屋现有的电线发送到可编程开关，或者网点。这些信号传达与特定设备的“地址”或位置相对应的命令，并控制这些设备的操作方式和时间。例如，PCS发射器可以沿着房屋的布线发送信号，插入房屋中任何电源插座的接收器都可以接收该信号并操作与之相连的设备。[2]
X10是PCS的常用协议，它是一种用于远程控制插入电源线的任何设备的信令技术。 X10信号涉及代表数字信息的短射频（RF）突发，可实现发送器和接收器之间的通信。 在欧洲，为家庭配备智能设备中心的技术欧洲安装总线（Instabus）的开发。这种用于智能设备之间的数字通信的嵌入式控制协议由两线总线组成，与正常的电线一起安装。Instabus线路将所有设备连接到分散式通信系统，并像电话线一样工作，电器可以控制。欧洲安装总线协会是Konnex的一部分，该协会旨在标准化欧洲的家庭和建筑网络。
图1.智能家居自动技术
LonWorks系统的创建者Echelon Corp.正在帮助推动控制网络行业的供应商采用开放的互操作性标准。LonWorks是针对建筑，运输，工业和家庭市场的网络自动化和控制的开放标准。美国国家标准协会（ANSI）已采用作为行业标准的LonWorks控制网络的基础协议。 LonMark互操作性协会由200多家控制公司的任务组成，这些任务以标准工作，以集成基于LonWorks网络的多供应商系统。[3]
2.1.智能家居技术
所有设备和设备都是接收器，而控制系统的方法（例如遥控器或小键盘）则是发送器。 如果要关闭另一盏灯在房间内，发射机将以数字代码发布一条消息，其中包括以下内容：
1向系统发出正在发出命令的警报
2设备的标识单元号，应接收命令和
3包含实际命令的代码，例如“关闭”。
所有这一切都设计在不到一秒钟的时间内完成，但是X10确实有一些局限性。通过电线进行通信并不总是可靠的，因为电线会因为其他设备供电而产生“噪音”。X10设备可能会将电子干扰解释为命令并做出反应，或者可能根本不接收该命令。当X10设备仍在使用时，其他技术也在争夺您的家庭网络美元。一些系统通过无线电波进行通信，而不是通过电力线进行通信，这也是WiFi和手机信号的运行方式。但是，家庭自动化网络并不需要WiFi网络的全部功能，因为自动化命令是短消息。家庭自动化中两个最著名的无线电网络是ZigBee和Z-Wave。 这两种技术都是网状网络，这意味着消息可以通过多种方式到达它的目的地。
图2. 点代表可以连接到智能家居的设备网络
2.1.1 Z-Wave. Z-Wave使用源路由算法来确定消息的最快路由。每个Z-Wave设备都嵌入了一个代码，当该设备插入系统时，网络控制器会识别该代码，确定其位置并将其添加到网络中。 当命令通过时，控制器使用算法来确定应如何发送消息。由于此路由会占用网络上的大量内存，因此Z-Wave在设备之间建立了层次结构：有些控制器启动消息，有些是“从属”，这意味着它们只能携带和响应消息。
2.1.2 ZigBee. ZigBee的名称说明了网状网络的概念，因为来自发送器的消息像蜜蜂一样呈锯齿形，寻找到达接收器的最佳路径。 虽然Z-Wave使用ZigBee平台是操作系统的专有技术，它基于电气和电子工程师协会（IEEE）为无线个人网络设置的标准。 这意味着任何公司都可以构建ZigBee兼容产品，而无需为其背后的技术支付许可费，这最终可能会给ZigBee带来市场优势。 像Z-Wave一样，ZigBee具有功能齐全的设备（或路由消息的设备）和功能简化的设备（或没有功能的设备）。
2.1.3 Insteon. 使用无线网络为放置设备提供了更大的灵活性，但是像电线一样，它们可能会产生干扰。Insteon为您的家庭网络提供了一种通过电线和无线电波进行通信的方式，使其成为双网状网络。如果消息无法通过一个平台传递，它将尝试另一个平台。Insteon设备将广播该消息，而不是路由该消息，并且所有设备都会拾取该消息并进行广播，直到执行命令为止。这些设备的行为就像对等设备，而不是一个充当煽动者而另一个充当接收者。这意味着网络上安装的Insteon设备越多，该消息就会越强。[4]
2.2. 安装智能家居
Z-Wave，X10，Insteon和ZigBee仅提供用于智能家居通信的技术。制造商已与这些系统结盟，以创建使用该技术的产品。以下是智能家居产品及其功能的一些示例。
1摄像机将跟踪您房屋的外部，即使房屋的外部呈黑色。
2将您的台灯插入调光器而不是壁式插座，您只需按一下按钮即可变亮和变暗。
3可视门铃不仅提供门铃功能，还可以让您了解谁在门口。
4当您的房屋周围有运动时，运动传感器会发出警报，甚至可以分辨出宠物和小偷之间的区别。
5门把手可以打开，带有扫描的指纹或四位数的代码，无需摸索房门钥匙。
6音频系统将音乐从立体声音响分发到带有扬声器的任何房间。
7频道调制器可以接收任何视频信号-从安全摄像机到您最喜欢的电视台-使其在房屋中的每台电视上都可以看到。
8遥控器，键盘和桌面控制器是激活智能家居应用程序的手段。设备还带有内置的Web服务器，使您可以在线访问其信息。
远程键盘将向您的灯泡发送一条消息。这些产品可在家居装修商店购买，电子商店，来自技术人员或在线。购买之前检查以了解与产品相关的技术。尽管制造商不同，但使用相同技术的产品应该可以协同工作，但是将X10和Z-Wave产品结合在一起需要桥接设备。
在设计智能家居时，您可以根据需要进行尽可能多的家庭自动化。您可以从照明入门套件开始，然后再添加安全设备。如果你想要从更大的系统开始，最好仔细设计房屋的工作方式，尤其是在需要重新布线或翻新时。此外，您需要放置从战略上讲，无线网络的节点应具有良好的路由范围。智能家居的成本取决于智能家居的程度。一位建筑商估计，他的客户在复杂系统上的花费在10,000美元到250,000美元之间。如果您从基本的照明系统开始逐步构建智能家居，则可能只有几百美元。一个更复杂的系统将花费数万美元，而家庭影院系统的组成部分将使该系统的成本提高约50％。[4]
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- 智能家居优势
显然，智能家居能够使生活更加轻松便捷。 家庭网络还可以使您高枕无忧。 无论您是在工作还是在度假，智能家居都会提醒您发生了什么事，并且可以构建安全系统来在紧急情况下提供大量帮助。 例如，不仅居民会收到火灾警报通知而醒来，智能家居还将解锁门，拨动消防部门并点亮通往安全之路。
智能家居还可以节省一些能源效率。由于诸如Z-Waveand ZigBee之类的系统使某些设备的功能降低，因此它们可以进入“睡眠”状态，发出命令后唤醒。 当有人离开房间时自动关闭灯光时，电费会下降，并且可以根据谁的房间来加热或冷却房间在任何给定的时刻。 一位聪明的房主吹嘘自己的取暖费用比同等大小的普通房屋少大约三分之一。一些设备可以跟踪每个设备有多少能量设备正在使用并命令其减少使用。
智能家居技术将为独居老人带来巨大的好处，智能家居可以在需要吃药的时候通知居民，如果居民跌倒时可以通知医院并跟踪居民的饮食量。如果老人有点忘了，那么智能家居将执行一些任务，例如在水桶溢出之前关闭水，或者在厨师流浪的情况下关闭烤箱。它还允许可能居住在其他地方的成年子女参加对年迈的父母的照料。易于控制的自动化系统将为那些残疾或行动范围有限的人提供类似的好处。
- 智能家居设备
可以通过编程将其做几乎所有事情的智能家电的盛行，使消费者无需考虑即可购买和使用它们。当前，家里几乎没有电器自动化和可编程性与人工智能的结合是家庭自动化系统发展的下一步。[5]
3.1. 家庭自动化系统
老年人不必依靠在无法实现全面自我保健的情况下搬入养老院，而是可以依靠他们的智能家电。智能界面监视居民的活动，学会识别自己的习惯，如果习惯受到干扰，可以通知亲人。 此外，智能家居还具有监控居民的生命迹象。如果老年人患有可能令人担忧的医疗状况，则可以定期将生命体征发送到适当的医疗机构。配备人工智能的智能家居将学习区分危险读数，并立即通知医务人员。[5]
3.2. 残障人士专用智能家电
如果一个人难以有效地四处走动，他们通常会被迫依赖他人照料。随着诸如有效安全系统之类的智能家电的实施，那些身体有困难的人通常能够独自生活。智能家居安全系统使房主可以在摄像机上远程查看访客，并通过麦克风和扬声器与访客交谈。如果欢迎访客，则安全系统将解锁并打开门，以允许访客进入房屋。智能家居安全系统还可以了解始终允许哪些访问者以及他们可以访问哪些区域。[5]
- 智能家居技术趋势
许多智能家居设备提供家庭自动化技术，如今，计算机系统中使用的许多工具也可以集成到智能家居系统中。在本节中，我们将回顾与智能家居相关的工具和技术趋势。
4.1. 自动泊车系统
停车系统的工作方式类似于以下情形，必须将车辆开到停车库的门口。驾驶员提取一张停车票，然后驾驶车辆前往搜索可用的停车位。 自动泊车系统必须设计成智能且易于管理。 车辆可以搜索停车位和停车场自己自动放置在正确的空间。[6]
图3. 自动泊车系统的架构和操作程序
停车管理子系统的主要工作是提供用户界面，并显示系统状态和信息。控制和定位子系统嵌入在车辆上，并且能够控制移动车辆的行为并根据接收到的信号计算其当前位置。WSN网络和管理子系统部署在停车场中。它负责监视车辆的状态，并在停车管理子系统与控制和定位子系统之间传输命令和数据。[6]
传感器节点配备有用于定位和通讯的停车位。在路面上绘制了一条指导线。嵌入式红外探测器车辆上的信号可以检测到引导线并报告给控制和定位子系统。因此，由于估算的位置不准确，车辆可以避免偏离引导线。在自动泊车系统中，驾驶员只需要拿一张停车票，然后将车辆放在门口。停车管理系统将与车辆上的控制和定位子系统通信，并命令车辆行驶并停在已分配的可用停车位上。为了安全起见，WSN管理系统将继续监视停车位。只要驾驶员要收回车辆，他只需支付停车费，车辆就会自动移至出口。[6]
4.2.无所不在的家
在“无处不在的家”中，实验者可以像在自己的房子中一样，而不是在实验室中，来收集现实生活中的数据。[7]
图4. 无所不在的房屋布局
普适家园与其他测试平台在三个方面有所不同：首先，其在普适家园中传感器的普及性增强； 它在每个房间中都有许多摄像头和麦克风，以及各种类型的传感器来监视房屋中每个空间的位置。其次，它具有远程日式房间，通过它我们可以测试远程家庭连接并为特定的日本服务创建测试平台。第三，上门服务的机器人。该机器人称为Phyno，具有摄像头，麦克风和扬声器。它的脖子具有三个自由度（DOF），其手臂具有一个自由度，而其腰部具有一个自由度。使用相机，Phynocan可以识别注册的用户面部。分解的特征脸方法用于脸部识别。该方法在各种照明条件下实现了鲁棒的识别。[7]
无处不在的家有一个客厅，饭厅，书房，卧室，洗手间和浴室，这些房间组成一个公寓。 除了公寓外，日本风格的房间是作为远程居住的家庭成员（例如祖母和/或祖父）的生活空间。在公寓和日式房间之间是一个计算机房，称为网络操作中心（NOC）。[7]
4.3.智能家居应用的定位方法
下图显示了建议的智能家居系统架构。在该系统中，有趣的区域中预安装了多个称
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