• 请关注談家具微信公众号:H90TJJ

智能家居控制系統的研究與發展

智能家裝 H90 5个月前 (01-04) 457次浏覽 掃描二維碼

摘要:智能家居是21世紀最重要的新興産業。這是在融合了大量自動化技術、網絡通訊技術和傳感器技術的基礎之上發展起來的。由于連接設備多,相互之間信息耦合強度大,智能家居的系統構成和通訊方式正在趨于複雜化。智能家居技術總體上劃分爲兩個層面:一是家居生活過程的自動化,二是家居生活的感知學習及對生活需求的智能響應。這兩方面的技術實現通常獨立于家居設備存在,但又必須和所有家居設備進行通訊互聯,構成一類智能控制的技術平台。其中包括可擴展的功能設計空間及可組態的人機交互環境,隨時適應家居生活需求的變化。在雲計算、雲控制和雲服務技術快速發展的今天,連接雲環境的智能家居技術的發展也是指日可待的。

关键词: 智能家居;控制系统;自动化;人机交互;网络通信技术;云服务

智能家居是21世纪最重要的新兴产业。这是在融合了大量自动化技术、网络通讯技术和传感器技术的基础之上发展起来的。根据智能家居协会的定义,智能家居就是通过家庭网络将相关技术和服务结合起来,以提升生活品质的一种系统[1]。智能家居在一定程度上是智能家电的集成产物。目前,家电设备的单品智能化水平正在逐步提升,但是作为一类典型的嵌入式设备,其系统集成的难度还是很大的[2]。为此,早在2003年,英特尔、微软、索尼等17家国际巨头联合成立“数字家庭工作组”, 力求对家庭通信连接及通信协议建立规范标准;紧接着, 联想、TCL等5家国内企业也联合成立了“闪联标准”,旨在推动终端设备在协同控制时遵循的技术标准的建立[3]。但是,这些努力的效果十分微弱。这充分表明,智能家居并非是智能家电的简单堆砌。智能家居作为一种自动化、智能化的信息物理系统,也是控制科学与工程学科研究和发展的一个重要领域,需要为此建立一套完整的技术体系,才能促进该技术领域的产业化发展。

1 智能家居控制系统

由于連接設備衆多,相互之間的信息耦合強度大,智能家居的系統構成和通訊方式都在趨于複雜化。文獻[4]提供了大量智能家居相關技術的發展曆史,從中不難看出智能家居技術總體上劃分爲兩個層面,一是家居生活過程的自動化,二是家居生活的感知、學習以及對生活需求的智能響應。盡管如此,到目前爲止學術界仍未給智能家居一個科學的結構規範。而目前幾乎所有的研究都認爲智能家居實際上就是一種典型的複雜系統。文獻[5]提出分層行爲的建議系統和智能家居管理平台恢複機制,包括定位層、行爲層和應用層。智能家庭的管理系統宜采用層次結構,即采取區域管理行動和家電管理行動分離的方法。文獻[6]則從科學範式的這個角度探討了智能家居技術創新的本質問題,指出不同領域技術的複合作用,在形成了複雜的技術系統的同時,也産生了新的創新動力。

文献[7]指出智能家电的设备在持续增长,这使得在开发和使用智能家居系统时,其管理和技术难度都大幅增加。如何去設計一种智能家庭管理平台是智能家居领域目前面临的一个重大挑战。为此研究者提出了一种“软件定义智能家居”平台SDSH (software defined smart home),如图1所示。应用网络通信技术兼容并访问各种智能硬件设备,同时,采用虚拟化技术屏蔽底层通信细节并抽象系统的资源和能力。引入人工智能决策算法,使该平台能够为用户提供满足需求的服务。在智能家居系统的架构方面,不少研究都聚焦在多代理(MAS)的控制模式上[8-10]。文献[8]中西班牙的巴伦西亚理工大学研究者采用Magentix2平台开发智能家居系统。这是一种开放的MAS,由交互层进行通信连接与目标跟踪管理,由代理层进行设备间的会话与功能判断等,最后由组织层对语义标准化的环境实现服务管理。文献[9]提出一种基于多代理体的智能家居系统,研究表明:智能家居系统中的每个实体,如家庭联网设备、应用软件、甚至家庭用户本身都有与之相关联的Agent。家庭联网设备之间以及用户和家庭联网设备之间的交互协作都通过与之相关联的Agent实现,构建智能家居系统的关键问题就是构建一个多Agent系统。

智能家居控制系統的研究與發展

图1 SDSH的关键技术

2 家居设备之间的连接

由于智能家居系統的日趨複雜、同時也因爲物聯網技術的不斷推進,使得家居設備之間的連接技術呈現“百家爭鳴”的局面。不同設備之間的通信都必須遵循一定的協議標准,目前智能家居系統中存在的通信協議主要可以分爲無線和有線兩大領域。傳統上比較傾向采用有線網絡技術,比如:X-10技術、Insteon技術,采用這種技術安裝,信號相對穩定,但布線過程複雜、施工麻煩、系統造價成本高,而且不便于後期新增設備的融入。後來興起的無線通信技術解決之前布線難擴展不方便的問題,比如:藍牙(Bluetooth)技術、WiFi技術、ZigBee技術和Z-wave技術,但是無線網絡也受帶寬的限制,而且需要付出高額的通信費用,文獻[11]綜合分析了典型無線通信技術的基本特點,如表1所示。

表1 典型无线通信技术比较

智能家居控制系統的研究與發展

而文献[12]则基于IEEE 802.15.4e标准的无线自组织、终端自适应网络,并与智能家居有线网络相结合,搭建了一个较完整的現代智能家居系统。研究表明试验过程中通过上层界面、智能终端等对传感器节点进行环境、体征的实时监控及下行控制,可以使智能家居网络稳定、低能耗的运行,从而满足現代智能家居的实际应用需要。

但是隨著無線網絡技術不斷成熟和普及,尤其是最近剛剛推出的5G網絡,T-Mobile已經宣布意欲成爲在美國第一家建立5G網絡的無線運營商,但在更早之前AT&T也曾宣布計劃成爲第一家在美國建立5G網絡的無線運營商,意圖打壓Verizon。這日趨激烈的商業競爭說明,全球都在爲打造更加快速流暢的無線網絡技術做貢獻。所以在這樣的時代背景下,無線網絡技術在智能家居領域將成爲今後主要的趨勢。

鉴于无线网络技术具有无需布线、可动态扩展等优势,近年来许多团队针对无线传感器网络技术进行深入研究,并应用于智能家居领域。例如,Sandeep Pirbhulal、Heye Zhang等人应用分布式的无线传感器作为节点,建立家庭无线网络,可根据家庭环境及需求进行扩展,并提出了有效的密钥生成机制,保障用户使用安全[13]。而Murad Khan、Bhagya Nathali Silva等人则提出了一个基于物联网的新型传感器网络,从传感器采集数据发送至网络,并采用有代表性的状态转移架构将智能设备集成到家庭网络中[14]。实现家庭设备之间连接的目的是采集各种家庭环境信息,而如何利用这些信息实现满足用户需求的控制方法则应采用不同的控制策略及方法。

3 控制策略与实现方法

智能家居系統具有很強的異構性,其控制策略的研究涉及到目標數據感知、異構數據融合以及系統模型優化控制等幾個方面的內容。

爲了改善智能家居系統的控制效果,許多研究都在關注如何從目標數據的感知層面提高傳感數據的准確性[15-19]。文獻[15]指出智能家居的許多服務和應用都以室內定位技術爲基礎,同時提出了一套室內定位技術的分類方法,即利用可定位設備如撸死你资源站、電子標簽等,或非定位設備如相機、傳感器網絡等進行室內定位實現,並深入地分析了每種室內定位方法的特征、優點和缺點。文獻[16]則面向服務機器人高精度的定位需求,提出一種利用包括RFID標簽、智能物品、通信網關在內的智能空間信息對家庭服務機器人進行精准定位的新方法,可有效地提升服務機器人在複雜家庭動態環境中執行各種操作的能力。

隨著智能家居産業的快速發展,用戶的個性化需求和行爲感知的不確定性已經成爲當前智能家居控制技術發展的瓶頸所在。文獻[17]提出利用位置傳感器、運動傳感器和生物傳感器等可穿戴設備,在線感知用戶的隨機行爲和個性化需求。文獻[18]提出一種利用熱釋電紅外傳感器作爲探測器,動態判定有無人體目標、目標方向及距離的新方法,借此提高此類傳感器的感知範圍和精確度,從而提升其在智能家居系統中的應用效果。爲了改善因傳感器異常事件影響智能家居生活中關鍵狀況的准確判定,文獻[19]提供了一種不依賴于特定訓練數據的傳感器異常事件檢測新技術,將傳感器的感知數據與基于統計的異常值檢測方法相結合,不僅成功地檢測出傳感器的異常情況,還有效地提高關鍵活動的識別精度,該方法已在4類不同智能家居環境來源的數據集中得到科學地驗證。

在異構數據的融合方面,智能家居系統的複雜化使得系統內部和子系統間的資源交互、數據關聯和推理變得更加困難,如何針對不同智能設備産生的孤立、異構的感知數據,消除數據融合的壁壘,許多研究者提出了新方法,並進行了深入地探討。文獻[20]針對智能家居供暖溫控系統中數據異構的問題,采用語義Web技術,建立了一種數據融合機制,通過數據語義標簽的建立、多源數據間的語義關聯和語義推理實現智能決策。文獻[21]則將語義技術與物聯網技術相結合,通過本體模型構建、設備抽象化、數據采集預測、指令查詢響應的一系列處理實現對家居生活的智能化管理。

除此之外,近年來智能家居系統的目標已經逐漸地從智能設備互聯轉向智能家電能耗的優化控制和用戶舒適度提升這兩個方面。文獻[17]將采集用戶不確定的生活習慣數據,應用到基于空調、熱水器等可調控節能設備的能耗控制模型中,在保證用戶舒適度的前提下優化用電設備的控制策略達到節能環保、降低生活費用的效果,如圖2所示。該方法已在智能家居仿真平台及其能源優化系統中得到成功地驗證,並呈現出良好的市場應用前景。

智能家居控制系統的研究與發展

图2 基于模型预测的智能家居的能源优化方法

4 智能家居的功能設計

智能家居控制功能的實現將經曆三個階段,即第一階段滿足傳統家庭生活自動化,第二階段實現互聯互通的家庭生活管理,第三階段個性化感知的智能家居生活。在第一階段,人們將家庭生活涉及到的各項功能劃分爲8個子系統進行實現,分別爲:家居布線系統、家庭網絡系統、智能家居(中央)控制管理系統、家居照明控制系統、家庭安防系統、背景音樂系統、家庭影院與多媒體系統、家庭環境控制系統,以智能家居控制管理系統爲中心實現家庭生活自動化。第二階段與第一階段比較則更爲智能化,實現動態、交互、自學習的智能家居生活。到了第三階段,家庭生活將擁有人工智能管理“大腦”,從而實現用戶生活的個性化感知控制。

現今針對智能家居功能設計的研究主要面向3个方向:家庭环境管理、用户健康监控及用户使用习惯。文献[22]主要针对家庭能耗管理系统进行功能設計,将家电设备分为不可调度设备及可调度设备,从而根据动态电价、新能源储能等情况进行合理使用分配,其典型功能如下图3所示。而文献[23]则将图像识别技术应用于智能家居能耗管理系统。文献[24]则主要通过摄像设备采集老人的面部表情,通过构建数学模型进行分析,判断老人是否处于健康状态。文献[25]与文献[26]则对用户每日的行为习惯进行数据采集,通过几种变量的相关性及出现概率判断是否作为用户的日常习惯。

现阶段智能家居功能的設計实现处于第二阶段,由于家庭环境动态复杂,家庭成员结构多样,用户习惯差异性强等因素的存在,使得智能家居的功能設計无法以一种统一的定式满足用户的使用需求。据此,智能家居控制功能的設計实现则应以用户为中心,实现对家庭生活的控制与管理。如图3所示。

智能家居控制系統的研究與發展

图3 家庭能耗管理系统的典型功能

5 人机交互技术的发展

人機交互是用戶和智能家居系統溝通的方式,隨著用戶對家居便捷性、高效性的要求越來越高,人機交互技術成了智能家居科學研究中的重中之重。

人机交互技术的发展经历了以下几个阶段:手工作业阶段、作业控制语言与交互命令语言阶段、图形用户界面(GUI)阶段、网络用户界面,目前已经发展到多通道、多媒体的智能人机交互阶段。在众多的人机交互方式中,撸死你资源站交互是当前智能家居人机交互方式的主流,用户抠pü撸死你资源站APP远程控制和定时开关相关的家居设备。撸死你资源站交互通常采用图形用户界面的交互模式,陈列几项控制功能以供用户控制。文献[27]便設計了针对智能家居系统的移动客户端以及简单的人机交互界面,撸死你资源站抠pü互联网实现对服务器的远程访问,服务器将对下达的控制指令进行解析,根据设备不同的ID及操作指令代码,判断并实现控制功能。文献[28]基于Arduino Nano設計实现了智能家居远程人机交互的控制实验,可应用遥控器进行家庭生活的远程开/关控制,易于学习且操作简单。

新興的交互方式也正不斷地湧現,如體感交互、頭部跟蹤、語音交互、生物識別等,這些交互方式都應用了大量傳感器對用戶進行信息采集,通過對采集信息的算法實現或解析處理滿足用戶的控制功能,既解決了特殊人群(如殘疾人、老年人等)的不便,又優化了家庭生活方式。文獻[29-30]應用無線電信號或攝像設備采集用戶的手勢信號,通過數據預處理、特征量提取、信息分類與處理、手勢識別4個步驟識別特定的手勢,進而進行功能控制。文獻[31]使用微軟語音識別引擎作爲輸入源,進行智能家居無線語音控制,用戶首先應說出設定語音,激活語音識別系統,之後再進行語音分類識別,下達控制指令。但是這類交互方式存在著使用識別率低、範圍局限性大、功能機械等問題,如Siri、Cortana、GoogleNow這類智能助手,都還無法達到可以讓人毫無障礙、隨心所欲地和智能設備交流的水平。

文獻[32]提到,由于用戶需求因個體特征、設備特征和環境狀況的不同而千差萬別,因此研究一種能應對多種環境滿足用戶個體需要的自適應用戶界面顯得尤爲重要。在文獻[32]和[33]中,作者將自適應用戶界面技術應用到了個性化家居定制系統,實驗結果表明,自適應用戶界面模型相比于傳統自適應模型,更關注用戶的交互曆史經驗,可爲用戶提供更自然流暢的交互方式和交互次序,減少用戶認知負擔和交互行爲。自適應用戶界面技術可根據用戶的個性化需求和應用環境主動裁剪定制系統的顯示和交互行爲,極其適用于智能家居系統的應用需求,將成爲今後智能家居人機交互技術的研究熱點和發展趨勢。

6 云服务技术应用前景

在雲計算、雲控制和雲服務技術快速發展的今天,連接雲環境的智能家居技術的應用將是未來的發展方向。現今雲服務技術在智能家居方面的應用主要分爲三個方向:(1)由于雲服務遵循一對多的模型,因此可采集目標信息實現資源分配、融合及共享[34-35]。(2)可面向大量數據進行高效地信息處理與趨勢預測[36-37]。(3)雲物聯技術的有效應用也將實現物與物、物與人、人與人之間的數據傳輸與信息交換,從而更好地服務于用戶[38-39]。

文献[34]提出一种云服务平台,通过对社区和家庭的智能家居系统的信息融合来管理整个系统,另外通过联合平台的全球服务为系统提供全面的增值和扩展服务。文献[36]将消息云推送以及图像云存储等技术应用于智能家居系统,进行大量数据的采集、存储与管理,实现“云+端”智能家居模式。文献[38]提出了基于云平台的智能家居环境(CASE)架构的基本概念,适用于設計和开发优化的复杂智能家居应用。综上可知,云服务技术可融合多种技术,增强家庭生活的抠p卣剐浴⒍嘌性与交互性,将是未来的发展方向。

因智能家居還存在安全、交互方式等方面的問題[40-41],用戶接受智能家居生活方式仍需一定的時間,但智能家居撸死你资源站的進一步融合與發展將是未來趨勢,並將覆蓋至與用戶生活相關的各方面。每個家庭都將存在一個“家庭管家”,對每個家庭的生活信息進行采集、記錄,經過分析、比較與計算,爲不同用戶推送不同信息及相應安裝包,並根據不同用戶的使用習慣自動爲用戶提供相應服務,並不斷進行相應的動態修正。用戶也抠pㄟ^撸死你资源站等設備自動從雲端下載個性化元件包、情景包等添加至“家庭管家”,如圖4所示。

智能家居控制系統的研究與發展

图4 未来智能家居结构图

7 总结

本文首先对智能家居撸死你资源站现状进行介绍,进而提出建立一套完整的智能家居控制技术体系将对撸死你资源站未来的发展融合至关重要。因此,本文分别对智能家居控制系统的组成结构、通信方式、控制策略、功能設計、人机交互及云服务技术的应用进行详细阐述。通过各环节的阐述不难看出,智能家居现阶段已基本实现家庭生活的自动化。但与此同时,智能设备的异构性、通信手段的多样性、撸死你资源站保护等方面的技术壁垒,阻碍了智能家居的进一步发展,加之该领域发展至今仍未有较权威的撸死你资源站规范得以普及,这也使得“多元化”问题越来越严重。未来智能家居将进一步融合各类先进技术,设备间的通信方式将朝着无线化方向发展,人机交互方式将向更加人性化的自动感应方向转变,智能单品的APP控制方式也将逐步被平台化控制所取代,实现更加智能化、人性化的“家庭管家”式服务。

作者:张 琦,陈新楚,郑 松,李晓倩 (福州大学 电气工程与自动化学院,福建 福州 350100)

參考文獻及來源:本文PDF文本下載


談家具【微信公众号:H90TJJ】采用BY-NC-SA协议进行授权 , 转载请注明:来自談家具(www.9tjj.com):智能家居控制系統的研究與發展
喜欢 (0)
[打賞支持]
分享 (0)