2.2 智能家居概述
2.2.1 智能家居概念
物联网是互联网技术与嵌入式技术相结合的产物，其主要内容是通过互联网实现多种硬件设备（如各种智能传感器、智能家居设施、工业自动控制系统等）的远程监测与控制。互联网实现了人与人之间的交互，而物联网主要是物与物、人与物之间的交互，通过对多种传感器的监测与控制实现各种应用服务，使其具有广泛的应用领域。如重症监护室的医疗监控设备的应用，使医生能够全天候地监控病人的体温、脉搏、血压、心跳频率等数据，实现对动态数据的实时监测；农业智能大棚的应用，使农户足不出户就能够监测蔬菜的长势及大棚内CO2浓度、光照强度、温湿度等环境数据，一方面能大幅度提高蔬菜的产量，另一方面也极大地解放了劳动力。
随着物质生活水平的提高，人们越来越重视自己居住的环境，尤其是家庭环境。同时，随着我国房地产行业的大力发展，人们不断改善住房条件，都为智能家居的应用和普及提供了机遇。现代社会的智能家居越来越成为家居生活的重要模式和生活方式。相对于普通家居生活模式，智能家居有着传统家居生活无可比拟的生活体验，主要体现在安全、舒适、智能化程度高的生活环境上。家庭网络与外部网络建立连接，用户可以在家中或外地实时掌握家里的一切情况。提供自动设置与控制功能来控制家里的电器及设备，为人们的家居生活提供便捷、舒适、安全的家居环境。
智能家居可以定义为在家庭环境中，利用足够的资金、通信技术、控制技术、数据和信息技术等，提升家居生活的舒适性、便利性、安全性、艺术性，提高居住者的生活品质，并实现节能环保的居住环境。智能家居旨在鼓励居民更加有效地利用资源。
智能家居的狭义定义：一般限于家居及楼宇自动化系统。信息与通信技术在智能家居系统中的应用很广泛。智能系统的普遍应用，使家庭及商业楼宇得到更方便的服务。因此，自动监测和自动控制等技术手段，被广泛应用于智能家居和楼宇自动化网络当中。通过有线或无线传输技术实现双向通信，对家庭内部设施进行控制、监测和管理，提高智能家居和楼宇自动化系统的功能和性能。
智能家居的广义定义：智能家居通过与智能电网系统互动，使得用户可以根据自己的需求及阶梯电价主观地控制电能使用。智能家居与公用电网借助智能电表实现双向通信，电网系统可以动态地进行数据接收、信息交互、设备诊断以及信息响应等功能，为用户提供优质服务。在实行阶梯电价区域，用户根据自身用电需求来控制智能电器的使用时段，智能家居系统通过与电网的互动，实时掌控客户用电规律，进而提升系统的稳定性和高效性，同时为电力系统及千家万户带来便利。
尽管对智能家居存在着不同的定义，但从中可以看到智能家居的内涵：智能家居是物联网的一个分支，智能家居可以理解为基于家庭设备、充分利用网络通信技术、自动控制技术等，对家庭设施进行有效集成，从而对其进行远程监控及控制。
智能家居的解决方案已经提出了很多种，并由智能家居厂商推出了相应的产品，智能家居正在逐步走进人们的日常生活。家居生活智能化是当代家居生活的发展趋势，因此，智能家居系统及其关键技术成为符合时代发展的需求，对其研究有着重要的实际意义。
2.2.2 智能家居系统构成
智能家居物联网系统主要由物联网服务器、移动设备客户端、家庭物联网网关、家庭局域网、传感网络、传感器等组成。其中，“服务器+App+物联网网关”为智能家居系统的主要内容，也是未来智能家居系统的主流架构。智能家居物联网系统构成如图2-6所示。
图2-6 智能家居物联网系统构成示意图
物联网服务器部署在互联网网络上，主要对物联网网关、智能客户端进行统一的地址解析、接入认证、授权管理等。物联网服务器用来开展面向智能家居服务运营的核心业务，基于云计算和大数据技术，对来自家庭内部的各传感器数据进行统一采集、分析、处理，为用户提供方便、安全、健康、绿色、节能等个性化服务。
物联网网关是家庭控制的核心设备，设备提供各种类型的有线或无线接口，可以支持摄像头、温湿度传感器、红外传感器、门磁窗磁、照明开关、医疗康复设备、可佩戴终端、智能家电等高速或低速传感器的接入。物联网网关对来自移动设备客户端的控制指令进行分析与处理，对各传感器进行相应的控制动作，同时定期将传感器数据及自身状态等数据上传到物联网服务器。
移动设备客户端为用户提供人性化的人机界面，实现对家庭照明、监控摄像头、家用电器、环境监控、安全防护、家庭医疗等设备的本地或远程一键控制，并对设备状态进行实时监测。
2.2.3 智能家居功能及应用
通信技术让很多功能实现尽量简洁高效，以住宅为平台，构建兼备建筑、网络通信、信息家电、设备自动化，集系统、结构、服务、管理为一体的高效、舒适、安全、便利、环保的居住环境。通过物联网技术将家中的各种设备连接到一起，提供家电控制、照明控制、窗帘控制、电话远程控制、室内外遥控、防盗报警、背景音乐、视频共享及定时控制等多种功能和手段；帮助家庭与外部保持信息交流畅通，优化人们的生活方式；帮助人们有效安排时间，增强家居生活的安全性。
智能家居系统包括多个功能子系统和设施，如家庭自动控制子系统、环境监控子系统、视频监控子系统、安全防护及报警子系统、音视频家庭娱乐子系统、家庭医护子系统、能耗监控子系统、智能家电等。智能家居系统功能构成如图2-7所示。
图2-7 智能家居系统功能构成示意图
2.2.4 智能家居技术的组成
智能家居通过通信技术、计算机技术及物联网技术等将智能设备的各子系统有效地结合在一起，进行实时监控和管理。将物联网技术应用于智能家居体系，通过网络将传感器端到用户端的所有设备连接在一起，形成具备状态感知和响应控制能力的智能家居系统，同时提供信息的安全性和实用性保障。
智能家居的实现技术主要包括物联网技术、传感技术、通信技术、信息互操作技术、信息安全技术等。
（1）物联网技术：物联网是互联网和通信网的网络延伸和应用拓展，利用感知技术与智能装置对物理世界进行感知和识别，通过通信网络进行感知数据和控制指令的传输，并对感知数据进行分析和处理，进而实现人与物、物与物之间的信息交互，达到对物理世界进行实时监控和智能决策的目的。
（2）传感技术：传感器通常被加入物联网的网络，如光照、温度、湿度传感器等，每个传感器都是一个信息采集源，各类传感器所采集的信息种类不同，按照设定的周期频率采集，不断实时更新数据。传感器采集到的信息需要通过网络传输，为保证传输的准确性，需要制定协议来适应异构网络。物联网不仅包括传感器，还需具备智能处理的能力，能从传感器采集到的大量信息中分析出有意义的部分，从而进行不同的操作和控制。
（3）通信技术：通信技术与传感器技术、信息安全技术、信息互操作技术、物联网技术及智能设备终端协作，将智能家居内的所有子系统功能集成在同一个家庭用电信息管理总系统，可供管理的子系统包括安防子系统、灯光控制子系统、温度控制子系统等。智能家居系统中通信技术的应用不仅要实现家庭内外的数据交互，还要识别通过网络传输的合法指令。
（4）信息互操作技术：互操作技术是指应用在不同计算机系统之间，在已存在的、地位互相平等的应用之间，实现信息的互通、交换、语义理解与共享的综合技术。智能家居系统目前大都处于初级阶段，采用不同的开发平台、不同的通信协议，存在大量的信息孤立区域。因此，系统需要最大限度的集成化，把运行在不同操作系统之上的不同程序变成易于使用的网络程序。
（5）信息安全技术：智能家居设备所面临的信息安全威胁远远超过易被入侵的计算机。智能设备信息网络的开放性及形式多样性导致系统极易受到黑客及恶意软件入侵，严重威胁到用户的自身安全。因此必须设置具有针对性的安全防护系统，为用户提供严密的保护机制，使得智能家居网络中的服务系统及数据免受攻击。
2.2.5 智能家居技术的发展历程
从电气化技术在家庭领域应用开始，按照新技术对智能家居的推动作用，智能家居的发展分为以下阶段。
1. 以实现家庭自动化为目标的电气化时期
这一时期智能家居概念备受关注，新技术涌现多，但市场处于探索阶段。主要标志性事件有，1966年西屋电气公司的工程师吉姆·萨瑟兰，开发了称为“ECHOIV”的家庭自动化系统。这是一个私人的项目，因受到当时技术的限制并没有商业化。直到1976年，PICO电子公司才研制成功X10技术，即利用电力线载波原理的家庭自动化控制技术。1979年的美国西尔公司开始销售该类技术的家庭自动化产品。20世纪80年代初，随着大量采用电子技术的家用电器面市，住宅电子化出现。1984年在美国康涅狄格州一个改造旧大楼的项目中，出现了现在智能家居的原型。
家庭总线技术是实现家庭自动化的关键技术，行业的研究工作是围绕如何建立家庭总线技术标准进行的。1984年，美国电子工业协会开始制定家庭总线CEBUS，该协议通过低压电力线路导线、双绞线、同轴电缆、射频、红外线和光纤进行通信，是一个开放的体系结构，最终于1992年9月发布。1997年家电大国日本成立ECHONET（Energy Conservation and HOmecare NETwork）协会，主要目标是开发标准化的家庭网络标准规格，并应用至家庭能源管理、居家医疗保健等服务上。采用无线方式或电力线方式连接家中的空调、冰箱、照明器具、传感器及家庭医疗设备。通过ECHONET系统，每个节能的家庭可以间接减少CO2的排放，减缓温室效应，并且可以通过对家庭设施的控制，改善家庭的居住条件从而达到减少医疗费用的目的。1995年我国建设部正式提出小康住宅的概念，并推出小康住宅的设计标准。1997年初上海华东建筑设计研究院，大连建筑设计院等全国多所著名设计院共同起草了“小康住宅电气设计（标准）导则”，该导则指出五项标准即：安全、舒适、便利的通信、综合信息服务、家庭智能化，并出现了一批采用电子技术的具有家庭安防系统这一单一功能的小区。
2. 以实现家庭设备互联为目标的互联网时期
IT企业和家电企业是这一阶段非常重要的推动者，智能家居逐步被普通人了解，但家庭设备互联以后为人们生活带来的改善并不明显，智能家居始终难以走进人们的生活。
1999年3月，微软耗资数十亿美元，在全球范围内力推“维纳斯计划”，向信息家电领域挺进。基于Windows CE的信息家电产品，把网络接入电视，从而让中国数量庞大的电视家庭切换到网络和数字时代。虽然这一计划失败，却加速了中国的智能家居的发展。当年，我国政府将发展自主知识产权的标准提入议事日程，并选择数字家庭网络系统为突破口。由政府部门牵头，组织国内大型企业（包括长虹、海尔、中兴通信、无锡小天鹅、春兰集团、信产部电视电声研究所、TCL、北京阜国、上广电、清华同方、夏新、北京长信嘉等）成立了“家庭网络平台标准工作组”，从事家庭网络标准的开发。
2003年6月，数字生活联盟（Digital Living Network Alliance，DLNA）成立，其前身是由Sony、Intel、Microsoft等发起成立的数字家庭工作组，旨在解决个人PC、消费电器、移动设备在内的无线网络和有线网络的互联互通，使得数字媒体和内容服务的无限制共享和增长成为可能。
2004年7月，由“家庭网络平台标准工作组”的部分骨干成员海尔、春兰与清华同方、中国网通等单位发起，共同成立了“中国家庭网络标准产业联盟”——I Top Home（简称“e家佳”）。它是以家庭网络系统为中心，以完善的产业链形式搭建起家庭网络系统平台。2005年6月联想、TCL等企业成立闪联。从此，中国成为智能家居领域全球最为活跃的地区之一。
3. 以家庭场景感知为目标的物联网时期
这一时期无线传感器网络和移动互联网是推动智能家居快速发展的重要技术。在信息化时代，传统电视、计算机作为家庭控制中心，然而这并不符合人们的生活习惯，直到智能手机的出现才改变了这一情况。无线传感器网络作为控制网络既廉价又便于产品系统化，因而这一时期的智能居家行业发展迅猛。
2006年，ZigBee联盟推出比较完善、稳定的ZigBee方案。ZigBee联盟包括控制系统生产商（如霍尼韦尔、约翰逊控制和西门子）及半导体公司（飞思卡尔半导体、意法半导体和德州仪器）等，应用ZigBee技术的产品也陆续推向市场。
2007年6月，iPhone2G在美国上市。2009年4月，谷歌正式推出了Android1.5这款手机；随后，又推出了谷歌TV。2011年5月，谷歌又发布了Android@Home，实现了用Android控制家电。
2009年9月，温家宝总理在无锡发出了“感知中国”的号召，物联网技术迅速在国内掀起了研究应用高潮，而智能家居是物联网技术的重点应用领域。
2012年3月，中国智能家居联盟成立，联盟由长虹、海尔、鸿雁、瑞德、冠林、松下、北京市标准研究所（中关村标准创新服务中心）、华南家电研究院、广东数字家庭产业基地等单位和机构联合号召、支持发起，得到了住建部、工信部、国家质量监督总局和相关科研院所、产业基地领导的支持。
2014年，苹果发布HomeKit智能家居平台。通过HomeKit协议和Home App的统一管理将智能家居统一到一个管理平台。还可以利用Siri进行语音控制。
2016年，华为发布Hi-Link智能家居开放互联平台，目的是解决各智能终端之间的互联互动问题。平台功能主要包含智能连接、智能联动两部分。目前华为最新智能路由、电视盒子、手机等智能终端均支持对接Hi-Link平台，可以为消费者提供简便的互联互动体验。
4. 以满足用户个性需求为目标的人工智能时期
这一时期满足用户个性化需求是通过人工智能的机器学习来实现的，而非传统的个性化集成定制。智能化系统通过用户控制数据来学习用户习惯，通过语音交互来对学习效果进行评价，并且提供了良好的人机接口。
2017年，亚马逊在CES展上发布名为“Alexa”的语音助手。该产品可以像朋友一样与你交流，同时还能提供播放音乐、新闻、网购下单、Uber叫车、定外卖等服务。
2017年，科大讯飞发布“MORFEI麦克风+AIUI开放平台”的智能家居解决方式，并在多个企业中进行商业应用。AIUI开放平台提供了丰富的行业定制内容、信源。同时AIUI开放平台也提供了强大的自定义功能，开发者的应用拥有高度的个性化也是AIUI开放平台的一大亮点。
2017年，百度发布操作系统DuerOS。该人工智能系统建立在语音识别、图像识别、自然语言处理、用户画像等世界领先的技术能力之上，具有低成本、方便灵活等特点。DuerOS可以广泛支持手机、电视、音箱、汽车、机器人等多种硬件设备，通过与DuerOS结合，可以让机器听懂人们日常交流的口语化表达内容，使设备具备与人类沟通和提供服务的能力。
2018年，CSHIA推出VillaKit.AI技术。VillaKit平台是CSHIA面向建筑智能化研发的产品集成平台。应用该平台能够实现统一的家庭本地控制、语音控制和习惯学习。