新一代计算机技术与智能家居 深圳职业技术学院 夏毓鹏 2006年12月17日

智能家居的起源 智能家居概念的起源甚早，但一直未有具体的建筑案例出现，直到1984年美国联合科技公司（United Techno1ogies Building System）将建筑设备信息化、整合化概念应用于美国康乃迪克州（Conneticut)哈特佛市（Hartford）的CityPlaceBuilding时，才出现了首栋的[智能型建筑],从此也揭开了全世界争相建造智能家居的序幕。 最著名的智能家居要算比尔﹒盖茨的豪宅。经过7年的建设，1997年，比尔﹒盖茨的豪宅终于建成。他的这个豪宅完全按照智能住宅的概念建造，不仅具备高速上网的专线，所有的门窗、灯具、电器都能够通过计算机控制，而且有一个高性能的服务器作为管理整个系统的后台。

智能家居的定义 电子家庭（Electronic Home、E-home） 网络家居（Network Home） 家庭自动化（Home Automation） 智能家居（Smart Home） 家庭网络（Home net/Networks for Home） 数字家园（Digital family） 智能家庭/建筑（Inte1ligent home/building）

智能化住宅的概念 美国电子工业协会于1988年 编制了第一个适用于家庭住宅的电气设计标准，即：《家庭自动化系统与通讯标准》，也有称之为家庭总线系统标准(HBS)； 我国也从1997年初开始制定《小康住宅电气设计(标准)导则》。规定了小康住宅小区电气设计总体上应满足以下的要求：高度的安全性；舒适的生活环境；便利的通讯方式；综合的信息服务；家庭智能化系统。同时也 对小康住宅与小区建设在安全防范、家庭设备自动化和通讯与网络配置等方面提出了三级设计标准，即：第一级为“理想目标”；第二级为“普及目标”；第三级为“最低目标”。

智能家居的发展 还不是真正意义上的智能家居 2000年——概念年：2000年是智能家居在中国的一个概念年。通过广播电台、电视、报纸和杂志等诸多媒体的广泛宣传，相当一部分居民已经接受了智能家居这个概念。 2001年——研究开发年：国外完成这个系统的过程一般要经过3～5年的时间，当然在中国也许用不了这么长的时间，因为已有了国外的一些经验可供参考。2001年是各个科研机构和公司从规划到实际研究和开发的关键一年。 2002年～2003年——实验年：在这一年中，有相当一部分高档和中档的住宅小区和私人住宅，将在控制和管理上实现一般意义上的智能化，宽带网将进入一般居民的住宅和小区，为智能家庭网络功能的完善佐以一定的条件。 2003年～2004年——推广年：到2003～2004年，是智能家庭网络系统在中国推广应用的两年。 2005年～2007年——普及年：我国在智能家居技术领域与欧美国家的差距并不大，估计仅滞后2～3年，在这几年中，我国将全面普及智能家庭网络系统和产品，即开始走进普通居民的家居中。 还不是真正意义上的智能家居

智能家居的特点 节省费用---在不需要时，能源消耗装置可以自动关闭，这样可以降低您的费用。  使用方便 -- 使用方便---自动化系统提供远程遥控接口。自动化系统还可以把重复的工作自动化。在您外出时，还可以通过Internet来调整或控制家电。  安全性高 --- 一套家庭自动化系统在紧急情况时可以防御坏人或报警。您可以在任何地方可以监控该安全系统，这样可以保证您的家居安全运行。智能家居可以为人们带来更为惬意﹑轻松的生活在生活﹑工作节奏越来越快的今天，家居智能化也可以为人们减少繁琐家务﹑提高效率﹑节约时间，让人们有更多的时间去休息﹑教育子女﹑锻炼身体和进修，使人们的生活质量有了很大的提高。   改变生活方式---你可以是穿著T恤在家办公，可以在家炒股、进行远程会议，主妇在家逛街，孩子在家上课…，在互联网上能完成的工作都可以在家完成。现代化的生活工作方式较以往有了很大区别。

智能家居的功能 家居安全监控：各种报警探测器的讯息署报警﹔  家居安全监控：各种报警探测器的讯息署报警﹔ 家电控制：利用计算机、移动电话、PDA通过高速宽带接入Internet，并对电灯、空调、冰箱，电视等家用电器进行远程控制﹔ 家居管理：远程三表(水、电、煤气)传送收费﹔ 家庭教育和娱乐：如远程教学、家庭影院、无线视频传输系统、在线视频点播、交互式电子游戏等﹔ 家居商务和办公：实现网上购物、网上商务联系，视频会议﹔ 入口控制(门禁系统) ：采用指纹识别、静脉识别、虹膜识别、智能卡等﹔ 家庭医疗，保健和监护：实现远程医疗和监护，幼儿和老人求救，测量身体的参数(如血压，脉搏等) 和化验，自动配置健康食谱。

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智能家居的结构 整个智能家居结构的核心是Internet。以Internet为中心，在家庭网络连接下，结合了多种智能家居功能解决方案，包括家居控制、讯息服务、通讯交流、商务、娱乐、教育、医疗保健、移动通讯。

智能家居的构成 家庭自动化 网络家电 智能家居 家庭网络 信息家电

家庭自动化 家居智能化的最初形式 家庭自动化系指利用微处理电子技术，来集成或控制家中的电子电器产品或系统，例如：照明灯、咖啡炉、电脑设备、保安系统、暖气及冷气系统、视讯及音响系统等。 键盘、触摸荧、 按钮、电脑、 电话机、遥控器等 界 面 照明 视听设备 空调 安防系统 炊具等 温度 湿度 日照 光线变化等 CPU 外界信号 家电、设备

家庭网络 形式： 有线、无线 家居智能化的发展方向 家庭网络是在家庭范围内(可扩展至邻居，小区)将PC、家电、安全系统、照明系统和广域网相连接的一种新技术。 形式： 有线、无线

网络家电 最终将融入到家庭网络中去 网络家电是将普通家用电器利用数字技术、网络技术及智能控制技术设计改进的新型家电产品。网络家电可以实现互联组成一个家庭内部网络，同时这个家庭网络又可以与外部互联网相连接。 网络家电技术包括： （1）家电之间的互连问题，也就是使不同家电之间能够互相识别，协同工作。 （2）解决家电网络与外部网络的通信，使家庭中的家电网络真正成为外部网络的延伸。 目前认为比较可行的网络家电包括网络冰箱、网络空调、网络洗衣机、网络热水器、网络微波炉、网络炊具等。

信息家电 实现家居智能化的终端 信息家电应该是一种价格低廉、操作简便、 实用性强、带有PC主要功能的家电产品。利用电脑、电信和电子技术与传统家电相结合的创新产品， 是为数字化与网络技术更广泛地深人家庭生活而设计的新型家用电器，信息家电包括PC、机顶盒、DVD、超级VCD、无线数据通信设备、视频游戏设备、WEBTV、INTERNE电话等等，所有能够通过网络系统交互信息的家电产品，都可以称之为信息家电。

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智能家居的基本结构图

智能家居为什么智能？ 从技术上，智能家居所要实现的主要的功能有： 　　（1） 对白色家用电器和其他设备的控制、调节和监测，比如微波炉、洗衣机、灯光、电动窗帘、防盗报警器、自动门烟雾探测器、有害气体检测装置、温度和湿度控制器、风量调节器、各种手动的开关和遥控器等。 　　（2） 沟通黑色家电和其他视频设备之间以及与外部世界之间的信息通道，其中包括：台式/手持计算机、电视、录/摄像机、VCD/DVD和数码照相机等；同时还可以实现对它们的控制和监测。 　　（3） 通过对外的接口，实现远程控制和信息交换，如：电话线、有线电视电缆、市电电源线、双绞线和无线通讯方式等。

国外把家电分为3类：白色家电、黑色家电和米色家电。 白色家电：指可以替代人们家务劳动的产品； 黑色家电：可提供娱乐，像彩电、音响等； 米色家电：指电脑信息产品。 绿色家电：指在质量合格的前提下,高效节能且在使用过程中不对人体和周围环境造成伤害,在报废后还可以回收利用的家电产品。

智能家居的信息流介质 控制网络 　　如智能家居的基本结构图中右半部分所示，它主要是控制家庭中各种设备的运行状况，如电灯的灭/亮和亮度控制，空调的启/停以及温度和风量的控制，家庭安防系统的讯号采集和执行，各种开关量的输入，电动窗帘的开启/关闭控制，室内各种物理量的探测（如温度、湿度，各种气体含量等），四表（煤气表、电表、水表和暖气的热量表）数据的输出与指示等。 特点：传输的信息主要是控制信息以及一些物理量的参数。信号的频率相对比较低，因此传输的速率可以比较低，一般在数十Kbps就可满足要求，但是信息传输的可靠性要求比较高。

智能家居的信息流介质 网络：智能家居的骨架 2. 信息网络 　　在图中其它部分我们统称其为信息网络，它连接的设备有计算机、电视、音响系统，录像机、数码相机以及手机等等。 特点：在信息网络上传输的主要是音频和视频信号，它们的频率带宽一般要高达数兆赫兹，因此要求信息网络上的信息传输速率比较高，普遍应达到10 Mbps 以上。但相对说来，它的可靠性要求没有控制信息那么高。 网络：智能家居的骨架

分布式家庭控制网络的基本组成 6. 家庭网关 5. 电话接口 4. 通用遥控器 3. 家用电器 2. 家电控制信号 的驱动部分 总线耦合器 （BCU） 技术：智能家居的神经

未来的智能家居什么样？ 我们可以体验一下生活在智能信息家电所创造的现代化生活场景： 　 我们可以体验一下生活在智能信息家电所创造的现代化生活场景： 　　 清晨6点20分，轻柔的音乐自动响起并逐步增大音量催你起床，同时卧室的光线也逐渐调整到清晨的亮度。 6点30分，电视自动调整到CNN频道播报当日新闻。同时，你的智能咖啡壶已自动热好咖啡。 7点整出门时，你完全不必担心灯还没关，大门还没锁。因为在你开车上公路的时候，埋藏在地下的传感器会检测到你离家了，智能家居系统会自动帮你照料好一切。

上班以后，你可以随时登陆到自己的家庭网站上查看安全防护系统的摄像记录。通过连接到托儿所或学校的摄像头，你还可以观察到你孩子的一举一动。而当下午你的孩子放学回家时，在他输入安全秘码进屋的同时，你的手机上会显示出孩子已经安全到家的消息。 　　 下班路上，在离家还有一两分钟时，你掏出手机指示家里的空调开始工作。接着安装在家门口的传感器检测到你回家了，由于天色已晚，院子的大灯自动开启，车库的大门也自动打开。

　　 走进厨房，热气腾腾的晚餐已经备好。这要归功于你的智能电炉的快速烹饪功能。 晚餐后，你来到家庭影院，电视机的顶置盒在白天已经按照你的指示自动搜索并摄录了电视节目。 睡觉前，你通过床边的触摸屏查阅了电子邮件，然后按下了“晚安”键。这时，你家的灯全部熄灭，大门锁好。而安全防卫系统开始忠实地守卫你的家园。

未来的智能家居 网络技术 计算机技术

未来的智能家居 智能家居的骨架---网络技术 窄带 宽带 有线 IPv4 无线 IPv6 智能家居的神经---计算机技术 ？

计算机的时代变迁 第五代：普适计算 第四代： 互联网/无线通讯网3G的普及 第三代： 互联网的普及 第二代： 个人电脑PC的普及 第一代： 独立的大型计算设备 第二代： 个人电脑PC的普及 第三代： 互联网的普及 第四代： 互联网/无线通讯网3G的普及 第五代：普适计算 不同终端、不同网络间的互连及协同计算

什么是普适计算？ 1987年Xerox公司的Palo Alto研究中心（PARC）电子和图像实验室（EIL）开始研制大型墙面平板计算机系统，它也可用作电子笔以及图像扫描输入设备。这种新型计算机系统可以按传统白板方式方便使用的同时，又扩展了计算能力，特别在与其他这类设备联网的时候。这种“计算机墙面”引发了一种与目前“一人一台桌面计算机”模式十分不同的研究思想：将计算机无处不在地、不可见地散布到整个环境中。 在这种背景下，1988年初，以Mark Weiser为首的PARC计算机科学实验室（CSL）开始了普存计算（Ubiquitous Computing，简称UC，普遍存在的计算）的研究。现在又称为普适计算（Pervasive Computing，简称PVC，普遍渗透的计算）。

普适计算的内涵 消失（Disappearing）：Weiser的一个著名论述，“最深奥的技术是那些消失了的技术，这些技术将它们的自身交织于日常生活中，直至不可区分。” 例如：书写----文字、符号， 电。 不可见（Invisible）：一种好的工具是不可见的工具，其含意是这一工具并不进入你的意识，你只是专注于任务而非工具。 例如：眼镜， 盲人的竹竿。 好工具应增加其不可见性。普适计算也将是那样一种不可见的工具。

平静技术（Calm Technology） 使计算机处于非妨碍状态，也就是当人正被指定的计算机共享时，人依旧处于安定和控制之中。 主机时代：平静相对是很少的； PC机+互联网时代：人机交互； 普适计算时代：强调的是“平静”。 计算机是主体 人是主体

平静与活跃 平静与活跃是矛盾的，它们都是人们的需要，但往往不能同时满足。 活跃---外界对人的作用，如信息的刺激，呼机、手机、新闻服务、www、e-mail、电视和收音机 等 平静---人对外界的作用，如从事某项具体的工作，设计，计算，思考等

平静技术 平静技术将诸要素划分为中心（center）和边缘（periphery），平静技术将使我们的注意力在中心和边缘之间很容易被移动。一方面，通过把一些事情放在边缘，使我们有能力调节更多的事情；另一方面，通过将原先是边缘的事情重新调节为中心，我们就可以控制它。 平静技术的特征： 第一，中心和边缘之间可以很容易移动； 第二，通过把更多的细节放入边缘，可以增强边缘的延伸（reach）； 第三，边缘可以轻易地把我们与大量熟悉的细节相连接，即所谓的定位（locatedness）。

普适计算的幻想和挑战 普适计算的概念于上世纪90年代初提出，但当时的硬件技术基础实际上并不存在。十年后技术的进步，普适计算的许多关键元件已有了商业产品：手持和可穿载计算机、无线局域网、传感和控制家用电器的器件等。因此在2000年前后，一些主要大学和工业界相继出现了各种普适计算的研究项目。例如，MIT的Oxygen、CMU的Aura、Illinois大学的Gaia、UC Berkeley的Endeavour、Washington大学的Portalano、IBM的DreamSpace、Microsoft的EasyLiving、欧盟资助的Disappearing Computer、国内清华大学的SmartClassroom等。

Oxygen – 以人为中心的普适计算 （1）用户技术  语音和视觉提示：与任务交互的人机接口。  知识访问：个性化的寻找信息的方法，例如通过对过去所见所闻的回忆来访问。 自动化：提供自然、易用、可定制和自适应机构，进行自动调节重复信息和控制任务。 合作：跟踪和存档工作组的讨论和交互作用，协助人们进行群体活动。 为此定义了三种设备：  固定设备Enviro（E21）：嵌入居家、办公室和汽车中的计算设备，用来感知和控制我们所接近的环境。 手持设备Handy（H21）：可在任何地方增强我们的通信和计算能力。  动态网络（N21）：定位我们所需的计算机、人、服务和资源。

Oxygen – 以人为中心的普适计算 （2）系统设备  智能环境  移动设备  动态网络  软件基础设施  隐私和安全  分布和移动性：包括人、资源和服务。  语义上下文：能理解我们说话的含义。 自适应和变化：面向一个动态世界。 信息的个性化：隐私、安全以及个性化的交互形式。

普适计算--- 不同终端、不同网络间的 互连及协同计算

普适计算的实际应用 服务：  感知小陈所遇到的问题； 问题：  分析问题并寻求解决办法； 通过手机信息提示小陈到附近的另一个空闲的登机口，并要求她将文档排个优先次序，让最重要的消息最先传输； 小陈接受了计算机的建议，来到这个登机口，边看电视节目，便等待文件发送完毕； 计算机提示小陈文件接近发送完成，可以开始返回； 在小陈往回走的过程中，最后的文件已被传送出去，并在广播她的登机通知时，及时回到了原来的登机口。 问题：  小陈在候机；  需要紧急发送一些大的文件； 附近的终端很忙； 起飞前不可能发送完。

普适计算的实际应用 这一场景包含了普适计算的一些基本思想：首先显示了提前活动（proactivity）的重要性，小陈能完成她的e-mail传送并及时返回她的登机口，均靠计算机的先见之明。 此外，也说明系统不同层面的知识组合的重要性。只有将分散的知识碎片组合起来，计算机才能帮助小陈。 最后是智能空间的价值，计算机所得到的各种知识都是由环境所提供的服务。 也许最令人惊奇的是，所有技术成份不论硬件、软件都是很简单和基本的，是今天已有的技术，但为什么这一场景看起来犹如科学幻想而非今天现实呢？ 答案是这样一个事实：整体大大于各部份之和。关键在于如何将各种技术成份无缝地整合到一个像普适计算机那样的系统中去，困难在于体系结构，各种技术的综合，以及系统级工程。