智能家居系统 - 图文

智能家居产品综述报告

一、智能家居的概念

智能家居(smart Home)，又称为电子家庭(Electronie Home)、e-Home、数字家园(Digital Family)、家庭自动化(HomeAutomation)、家庭网络(Homenet/NetworksforHome)、网络家居(NetworkHome)、智能化家庭(Intelligenthome)等[1~2]。

通俗地讲即是利用嵌入式系统和物联网终端信息模块，将家庭中的各种设备(如照明系统、环境控制、安防系统、智能家电)通过物联网络连接到一起。让用户有更方便的手段来管理家庭设备，如：通过触摸屏、无线遥控器、电话、互联网或者语音识别控制家用设备，更可以执行场景操作，使多个设备形成联动；另一方面，智能家居内的各种设备相互间可以通讯，不需要用户指挥也能根据不同的状态互动运行，从而给用户带来最大程度的高效、便利、舒适与安全。

其出现得益于计算机嵌入式系统、感应技术、通信与信息技术的发展。在20世纪80年代初，随着大量采用电子技术的家用电器的面市，住宅电子化开始出现。至80年代中期，将家用电器、通信设备与安全防范设备各自独立的功能综合为一体后，形成了住宅自动化概念。80年代末，随着通信与信息技术的发展，出现了通过总线技术对住宅中各种通信/家电/安防设备进行监控与管理的商用系统，这在美国被称为smart home，也就是现在智能家居的原型。

整个智能家居系统涉及终端设备、信息网络、网络协议、控制编程等复杂的系统，其中基本的当属物联网络及智能家居产品。 1.1 物联网

在智能家居系统中，各独立的智能设备、系统通过物联网被连通在一起。根据物联网络设置的不同，各设备间可以实现智能互通，或由室内总控端、室外移动控制端或云计算进行控制、管理。可以说，物联网是整个智能家居系统中最关键的部分。

1.1.1 物联网的定义及特征

物联网的概念最早出现于比尔。盖茨1995年出版的《未来之路》一书。在这本书中，比尔.盖茨多次提到“物-物互联”的设想[3]，但受限于当时的网络技术及传感器应用水平，其“物联网”理念并没有引起人们的重视。至1999年，麻省理工学院，Auto-ID实验室再次提出物联网的概念，其核心思想是利用无线射频识

别技术(RFID)对物品编码并通过互联网，组建一个全球信息共享的实物性互联网“Internet of Things”。2005年，在突尼斯举行的信息社会世界峰会(World Summit on the Information Society，简称WSIS)上，国际电信联盟(ITU)正式确定了物联网的概念，并发布《ITU互联网报告2005：物联网》[4]，报告指出，信息与通信技术(ICT)的目标已经从人与人(H2H)的沟通，发展到人与物(H2T)、物与物(T2T)之间的连接与交互，无所不在，无处不连通的物联网通信时代即将开始。因此物联网可以简单的理解成，“人与物、物与物交互连通的网络”。

工信部物联网白皮书认为，“物联网是通信网和互联网的拓展应用和网络延伸，它利用感知技术与智能装置对物理世界进行感知识别，通过网络传输互联，进行计算、处理和知识挖掘，实现人与物、物与物信息交互和无缝链接，达到对物理世界实时控制、精确管理和科学决策目的[5]。”

根据国内外各机构对物联网的表述，其应该具备如下三个特征：1.全面感知：利用传感器，RFID，二维码等技术，随时随地获取用户或者产品信息；2.可靠传送：通过通信网与互联网，信息可以随时随地的交互、共享；3.智能处理：利用云计算、模式识别等智能计算技术，对海量的信息数据进行分析与处理，并实现智能决策与控制[6]。 1.1.2 物联网的发展

2008年，为应对经济危机，促进科技发展，寻找新的经济增长点，各国政府开始重视规划下一代技术创新，物联网成为重点技术之一。2009年，奥巴马就任美国总统以后与美国工商业界领袖举行圆桌会议。IBM首席执行官彭明盛首次提出“智慧地球”的概念，建议政府投资新一代智慧型基础设施。新能源与物联网列为振兴经济的两大重点科学技术。同年，欧盟发布《Internet of things-an action plan for Europe》，系统地阐述了物联网的发展前景与管理设想，提出了促进物联网发展的14点行动计划。亚洲的日本也提出u-Japan计划，将物联网规划为四项重大战略之一。而韩国的U-IT839战略中三大基础建设重点之一也是物联网。

我国物联网的发展与全球同处于起步阶段。2009年，温家宝总理视察无锡物联网基地时，就提出过“感知中国”的概念。2010年政府工作报告中将物联网正式列为中国五大新兴战略性产业。据不完全统计，2010年中国物联网产业市场规模接近2000亿。物联网受到全社会极大的关注与重视，许多省市、产业、行业，均制定了物联网的相关发展规划。但从整体上讲，基本处于各自为政的状态，缺乏统一的规划。因此近年来我国虽然投入了数万亿进行信息化建设，并取得了

一些成果及进步。但其成果转化率较低，对我国GDP的贡献十分有限且在核心产品、高新技术、基础性软件方面还有待进步。尤其是在在传感器技术方面，大量的核心技术及相关标准均由国外掌握、制定[7]。

在各国政府的大力推动之下，多个物联网研究项目被确立。物联网硬件相关 项目有Zigbee，Wireless HART，QR Code，SunSPot；参与物联网标准制定的国际化组织有ETSI TC M2M，ITU-T USN，ISO/IEC JTC1 WG7(Working Group on Sensor Networks)，IETF，EPC global；物联网相关研究项目有SENSEICASAGRAS，BRIDGE，IPSO Alliance，Sem Sor Grid4 Env，Smart Products等等，涵盖了从底层设备到高层应用。

1.1.3可用于家庭物联网的通信技术

现今可用于组建家庭物联网技术较多，按布线的方式可以分为有线网络及无线网络，有线家庭网络连接技术的优点在于数据传输的可靠性强，传输速率高，而缺点在于网络体积庞大，灵活性差，且布线复杂，主要应用于早期点对点网络和星型网络的拓扑结构中。常见的有线网络包括LONWORKS， CEBUS， X-10，RS485，CANBUS，Ethernet等。其中X-10是智能型家庭网络系统中被广泛采用的技术，主要是因为价格便宜以及部分消费者可自行装设。以上各种技术都分别对应于不同的应用场合，一些技术发展已经相对比较成熟，而且在行业已经具有 一定的标准性和通用性，但其组建的家庭网络普遍还存在以下缺点[8~11]： (1)布线复杂，影响美观。当系统连接控制多个家庭设备或者增减设备时，需要重新布线。

(2)通信接口标准不统一。智能家居内部设备的通信和控制都没有一个国际上统一的通信接口标准，内部编码方式随便、混乱。

(3)对电脑的依赖性太高，灵活性不强。传统的智能家居系统中的家电只用电脑进行控制和管理，对后期的升级和维护很不方便。

(4)系统的可扩展性差。增减家庭设备时就需要系统具有良好的软硬件可扩展性。 (5)安装和维护费用高。在安装系统时，需要线缆和安装建材等材料，增减家庭设备时，还需要专业的施工人员，这无疑增加了系统设计的成本。

常见的无线网络技术包括，红外技术、无线电射频技术(Home RF)、数字增强无绳电话技术（DECT）、蓝牙技术（Bluetooth）、超宽带无线通讯技术（UWB）、智蜂技术（Zigbee）、WiFi、433MHz，等等。其各自技术特点如下表所示：

表1各无线技术对比

红外通讯技术是一种点对点的数据传输协议，是传统的设备之间连接线缆的替代，通常采用850nm的红外光传输数据信息。它的通讯距离一般在0到10米之间，传输速率最快可达16MbPs。它是目前在世界范围内被广泛使用的一种无线连接技术，被众多的硬件和软件平台所支持。其通过数据电脉冲和红外光脉冲之间的相互转换实现无线的数据收发。适宜小角度(30度锥角以内)，短距离，点对点直线数据传输，保密性强。传输速率较高，目前4M速率的FIR技术己被广泛使用，16M速率的VFIR技术已经发布。虽然红外技术在网络发展中己形成趋势，但由于其传输距离有限、传输方向性强等缺点，在应用范围上受到了一定程度的限制。

家庭无线电射频技术集成了语音和数据传送技术，工作频段为10GHZ，数据传输速率达到100Mbit/s。其无线联网标准是由Proxim、西门子、摩托罗拉、康柏电脑等技术巨头于1998年发起组建的HomeRF研发。Home RF是对现有无线通信标准的综合和改进:当进行数据通信时，采用IEEE802.11规范中的TCP/IP传输协议。当进行语音通信时，则采用数字增强型无绳通信标准。但是，该标准与802.llb不兼容，并占据了与802.llb和Bluetooth相同的2.4GHz频率段，所以在应用范围上会有很大的局限性，更多的是在家庭网络中使用。但是，由于HomeRF技术标准没有公开，仅获得了数十家公司的支持，在抗干扰能力等方面与其他技术标准相比还存在着不少缺陷，并且后续研发技术升级进展迟缓，在同IEEE802.n标准协议和其他标准协议的竞争中渐渐失利，丧失了其技术的优势地位[12]。

数字增强无绳电话技术为欧洲下一代无绳电话标准，DECT采用1.8GHz频段以及微小区蜂窝结构，话音编码采用32kbps的ADPCM，无线接口技术基于TDMA/FDMA/TDD/MC(MultiPle Carrier)技术，一个终端可在所有载频和任意组

合时隙单元中进行无线寻址，传输的信息通常为话音信息，但随着技术的发展和社会的需要，其技术也在不断地发展和改进，在不影响话音信息的传输质量的基础上，增加了数字传输业务，数据可在同一话音信道上传送，因此，数字增强无绳电话技术标准可支持话音、高速数据和视频传输，这些特点使它成为了无线通信标准之一。它主要用于住宅、商业区、居民区、公众区域的本地环路内慢速移动设备之间的通信。

蓝牙技术最初由爱立信创制。1999年5月20日，索尼爱立信、IBM、英特尔、诺基亚及东芝等业界龙头创立蓝牙特别兴趣组，制订蓝牙技术标准。蓝牙用于在不同的设备之间进行无线连接，例如连接计算机和外围设施，如:打印机、键盘等，又或让个人数字助理（PDA)与其它附近的PDA或计算机进行通信。目前市面上具备蓝牙技术的手机选择非常丰富，可以连接到计算机、PDA甚至连接到免提听筒[13]。事实上，根据己订立的标准，蓝牙可以支持功能更强的长距离通讯，用以构成无线局域网。每个Bluetooth设备可同时维护7个连接。可以将每个设备配置为不断向附近的设备声明其存在以便建立连接。另外也可以对二个设备之间的连接进行密码保护，以防止被其他设备接收。蓝牙的标准是IEEE502.15，蓝牙协议工作在无需许可的ISM频段的2.45GHz。最高速度可达723.I kb/s。为了避免干扰可能使用2.45GHZ的其它协议，蓝牙协议将该频段划分成79条渠道，并且最多每秒可更换渠道1600次[14]。在经历了前几年的低潮时期后，蓝牙技术己在手机的无线耳机上找到应用市场，推动了它的迅速发展，特别是在蓝牙V1.2协议推出以后，一股新的蓝牙技术热潮又将掀起，目前，蓝牙技术已在许多新的领域找到了应用点[15]。

相对于物联网在其他领域的应用，家庭物联网有其自身的特点及要求。首先室内空间较小且阻碍物较多，因此对组网的技术通讯距离要求较低，相应的要求其通信频段较高，以获得较好的穿透能力。其次组网尽可能简单、各节点互联程度高、且组建/维护成本低，以适应普通家庭的需求。最后，按中国人的传统，家庭是一个私密度较高的区域，故通讯必须具备相应的安全性。综上所述，Zigbee技术是较适宜用于我国家庭物联网的通讯技术，故以Zigbee技术为例对家庭物联网进行说明[16~19]。

1.1.4 基于Zigbee技术的家庭物联网

智蜂技术是由Zigbee联盟共同研究开发，其成立于2002年8月，由英国Invensys、三菱、美国摩托罗拉及荷兰菲利浦组成，至今己吸引了上百家芯片公

司、无线设备公司和开发商加盟。其成立初衷是面向工业控制、环境监测、商业监控、汽车电子、家庭数字控制网络等，针对其数据传输数据量小、传输速率低、系统终端多为电池供电的嵌入式设备等特点，开发一种成本低、功耗小的通信技术[20]。因此，其具有如下的特点：

1.设备省电，zighee采用了多种节电的工作模式，可以确保两节五号电池支持设备长达6个月到2年左右的使用时间；

2.通信可靠，zighee采用了CSMA-CA的碰撞避免机制，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙，避免了发送数据时的竞争和冲突；MAC层采用了完全确认的数据传输机制，每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息；

3.网络的自组织强，Zigbee无需人工干预，网络节点能够感知其他节点的存在，并确定连接关系，组成结构化的网络；

4.自愈功能强，增加或者删除一个节点，节点位置发生变动，节点发生故障等等，网络都能够自我修复，并对网络拓扑结构进行相应地调整，无需人工干预，保证整个系统仍然能正常工作。具备自组织、自愈能力的无线通信网络才是自动抄表系统最理想的通信方式；

5.成本低廉，设备的复杂程度低，且Zigbee协议是免专利费的，这些可以有效地降低设备成本，Zigbee的工作频段灵活，为免执照频段的2。4Gllz，就是没有使用费的无线通信；

6.网络容量大，一个zighee网络可以容纳最多254个从设备和一个主设备，一个区域内可以同时存在200多个zighee网络；

7.数据安全，Zigbee提供了数据完整性检查和鉴权功能，加密算法采用AES-128，同时各个应用可以灵活确定其安全属性。

Zigbee设备共分为两种类型:全功能设备FFD(full Function Device)和精简功能设备RFD(Reduced FunetionDeviee)。这里的设备一般指Zigbee通信模块，其集成了射频、协议和程序功能，能自主采集智能设备数据并按程序对数据进行处理、发送。Zigbee“模块”一般设计紧凑，体积小，常采用贴片式焊盘设计，可以内置Chip或外置SMA天线，通讯距离从100米到2500米不等，还包含了ADC，DAC，比较器，多个IO，I2C等接口和用户的产品相对接。软件上包含了完整的Zigbee协议栈，采用串口和用户产品进行通讯，并可以对模块进行发射功率，信道等网络拓扑参数的配置[21~22]。下表为各厂商Zigbee芯片产品对比：

表2 各型Zigbee芯片对比

FFD设备可以与任何Zigbee设备进行通信，但RFD设备仅能与FFD设备通信，两个RFD设备之间如要进行通信需通过FFD设备的中转传输。由于这两种设备的独特性质，因此在组建一个Zigbee网络的时候就出现了三种设备角色：网络协调器(由一个FFD组成)、路由器/中继器(由一个FFD组成)和终端设备(由一个FFD或RFD组成)。网络协调器除了直接参与应用外，还要完成成员身份管理、链路状态信息管理以及分组转发等任务；路由器的任务则是增加网络节点数量和扩展网络物理范围；终端设备仅仅只能完成监测和控制的功能。根据应用的需求，zighee技术网络有两种拓扑结构：星型的拓扑结构和对等的拓扑结构。

星型网络拓扑结构由PAN主协调器和多个从设备组成，主协调器必须为一 个具有完整功能的设备(FFD)，从设备既可为完整功能设备（FFD)，也可为简化功能设备(RFD)。在实际应用中，应根据具体应用情况，采用不同功能的设备，合理地构造通信网络。在网络通信中，通常为这些设备分为起始设备或者终端设备，主协调器既可作为起始设备、终端设备，也可作为路由器，它是PAN网络的主要控制器。在任何一个拓扑网络上，所有设备都有唯一的64位长地址码，该地址码可以在PAN中直接通信，或者当设备直接已经存在连接时，可以将其转变为16位的短地址码分配给PAN设备，因此，在设备发起连接时，应采用64位长地址码，只有在连接成功后，系统分配了PAN标识符后，才能采用16位的短地址码进行连接，因此，短地址码是一个相对地址码，长地址码是一个绝

对地址码。在Zigbee技术应用中，PAN主协调器是主要的耗能设备，而其他从设备均采用电池供电，Zigbee技术的星型网络拓扑结构通常在PC外围设备、玩具、游戏以及个人健康检查等方面得到应用。

星型网络的基本结构如下图所示，当一个具有完整功能的设备(FFD)第一次被激活后，它就会建立一个自己的网络，将自身成为一个PAN主协调器。所有星型网络的操作独立于当前其他星型网络的操作，这就说明了在星型网络结构中只有一个唯一的PAN主协调器，通过选择一个PAN标识符确保网络的唯一性，目前，其他无线通信设备的星型网络没有采用这种方式。因此，一旦选定了一个PAN标识符，PAN主协调器就会允许其他从设备加入到它的网络中。

图1 星型拓扑网络

在对等的拓扑网络结构中，同样存在一个PAN主设备，但该网络不同于星型网络拓扑结构，在该网络中的任何一个设备只要是在它的通信范围之内，就可以和其他设备进行通信。对等拓扑网络结构能够构成较为复杂的网络结构，例如簇型网络拓扑结构和网状网络拓扑结构。这种对等网络结构在工业检测和控制、无线传感器网络、供应物资跟踪、农业智能化，以及安全监控等方面都有广泛的应用。一个对等网络的路由协议可以是基于Ad hoc技术的，也可以是自组织式的和自恢复式的，并且，在网络中各个设备之间发送消息时，可通过多个中间设备中继的传输方式进行传输，即通常称为多跳的传输方式，以增大网络的覆盖范围。其中，组网的路由协议，在Zigbee网络层中没有给出，这样为用户的使用提供了更为灵活的组网方式。在对等拓扑结构中，任何一个设备都可定义为PAN主协调器，例如，可将信道中第一个通信的设备定义为PAN主协调器。未来的网络结构很可能不仅仅局限为对等的拓扑结构，而是在构造网络的过程中，对拓扑结构进行某些限制。簇型网络也是对等网络的一种应用，在此种网络中，绝大多数的设备是FFD设备，而RFD设备总是作为簇树的叶设备连接到网络中。任意一个FFD都可以充当RFD协调器或者网络协调器，为其他设备提供同步信息。

在这些协调器中，只有一个可以充当整个点对点网络的网络协调器。网络协调器可能和网络中其他设备一样，也可能拥有比其他设备更多的计算资源和能量资源。网络协调器首先将自己设为簇头(Cluster Header，CLH)并将簇标识号(Cluster Identifier，CID)设置为0，同时为该簇选择一个未被使用的PAN网络标识号，形成网络的第一个簇，接着，网络协调器开始广播信标帧。临近设备收到信标帧后，就可以申请加入该簇。设备可否成为簇成员，由网络协调器决定。如果请求被允许，则该设备将作为簇的字设备加入到网络协调器的邻居节点列表中，新加入的设备将簇头作为它的父设备加入到字节的邻居节点列表中。其网络拓扑结构如图2所示:

图2 簇型拓扑网络

上面讨论的只是一个由单簇构成的最简单的簇树。PAN网络协调器可以指定另一个设备成为邻接的新簇头，以形成更多的簇。新簇头同样可以选择它的子设备成为新的簇头，进一步扩大网络的覆盖的范围。但是许多的簇头会增加簇间消息传递的延迟和通信的开销。为了弥补这个缺陷，簇头可以选择最远的通信子 设备作为相邻簇的簇头，这样可以最大限度的缩小不同簇间消息传递的条数，达 到减小延迟和通信开销的目的。另外，还有一种对等网络-网状网络，他与簇型网络有很多相似之处，但最大的不同在于一个RAN网络中，任何两个终端设备，只要是由FFD构成的，相互之间就可直接通信。但是，这种网络结构比较复杂，相比之下价格昂贵，并且由于可通信节点过多，容易产生信道冲突，会增加消息传递的延迟和通信开销。其网络拓扑结构如图3所示：

图3 网状拓扑网络

Zigbee协议使用IEEE802.15.4规范[23]作为介质访问层(MAC)和物理层(PHY)。IEEE802.15.4总共定义了3个工作频带：2.4GHz，915MHz，868MHz。每个频带提供固定数量的信道。例如，2.4GHZ频带总共提供16个信道(信道11-26)、9l5MHz频带提供10个信道(信道1-10)而868MHZ频带提供1个信道(信道0)。IEEE502.15.4标准是针对于低速无线个人区域网(Low-rate Wireless Personal Area Network，LR-WPAN)，把低能量消耗、低速率传输、低成本作为重点目标，旨在为个人或者家庭范围内不同设备之间低速互连提供统一的标准。 1.1.5家庭物联网的架构

工业与信息化部电信研究院在其物联网白皮书中提出，物联网网络架构由感知层、网络层和应用层构成，如图4所示。

图4 物联网架构

感知层能够实现对物理世界的识别感知、信息采集和处理控制。在在家庭物联网中，中感知层主要指布置于室内的各种感应器、智能电器等，其一般具有嵌入式微控制器/单片机。单片机（Microcontrollers）是一种集成电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU、随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计数器等功能（可能

智能引导地板是针对视力障碍人群设计的室内智能系统。由于室内空间较小，要提供正确的引导，必须基于精准的定位。如左图所示，是一种基于RFID(无线射频技术)的引导系统，其先将房间分为若干个单元格，每个单元格都有一个独一无二的RFID标签。用户通过鞋底的RFID接收器读取出自己所处单元格的标签信息，并通过物联网将信息传送至上位机（PC等，区别于采集功能的微信计算机，如单片机）或总控制端。上位机接收并解析信息，获得用户的坐标后，依据程序计划出最优路径并由定向系统传送给用户。由于针对人群的特殊性，定向系统和输入系统均采用语音系

统。

除了针对人的系统外，亦有针对智能机械设置的交互系统，如智能机械定位与引导系统。该地板系统将地板划分为多个栅格，在每个栅格上均设置有压力传感器和引导装置，当压力传感器检测到被引导物，会将采集到的数据传给MCU（即单片机）并由其通讯模块将数据发送至上位机，以确定被引导物的位置。再由上位机合理规划出被引导物的移动路径，并通过LED灯、超声波发射器、红外线发射器或电磁发射器指引被引导物体运动，相应的被引导物具有相应指引技术的接受模块，用于感知已设定的指引路径。

对于智能机械的定位，除了采用压力传感器，也可以采用光纤传感器。其也将地板划为若干网格，将光纤传感器铺设在网格中，并构建光纤感应器测量模型。在模型构筑时可以将传感器的触发模式设置为以下三种，其一、不被触发；其二、被机器人触发；其三、被人触发或同时被人和机器人触发，并针对这三种情况设置不同的输出值。再根据输出值构造标记唯一可解码，使人和机器人处于任何一个网格都有唯一的光纤传感器输出与之对应，并以此保证定位的准确性。 2.1.2.3基于地板的灯具控制系统

基于地板的灯光控制系统较多，其感应器一般为置于地板内的压力感应器，压力感应器采用有线或无线的方式与灯光控制模块相连。按照控制模块所设定的程序不同，其可以让灯光向被触发的感应点集中，也可以控制灯光的颜色、明暗

等。

除了针对照明灯具外，亦有针对装饰灯具的专利设计。地板灯是一种安装于地板内，由灯具上表面发光，起到装饰照明或者道路引导作用的灯具系统。其多用于酒店、宾馆、商场和超市等消费场所的走廊或过道中。针对地板灯的智能设计旨在增加灯具与人的互动感，如随人的前进，前方的地板灯依次点亮，后方的灯依次熄灭，同时随控制模块程序的设定不同，其颜色亦可以发生不同的变化。其感应器一般采用压力传感器，感应器与控制器一般采用有线连接的方式。 2.1.3基于功能性材料的智能地板

基于功能性材料的智能地板，主要通过将特定的功能性材料用于地板制造，从而间接的使地板具有与材料相应的功能。根据专利检索结果来看，目前国内此种地板较少，可查的有相变颗粒填充木塑复合地板和温敏可逆变色地板，其各自的简介如下。

1）相变颗粒填充木塑复合地板

其以中空的木塑地板为基本结构，在地板空腔中填满相变珍珠岩颗粒。其特殊之处在于，地板空腔内的相变材料在日间25℃左右，吸收多余的热量发生相变，在夜晚温度降低时再次发生相变释放热量，从而实现室内热环境的智能调节。

其结构示意图如上图所示。该产品所用的相变材料为80%的液体石蜡和20%固体52#石蜡的混合物，通过常压、75℃高温吸附工艺，将其吸入膨胀珍珠岩基体内。后将吸入石蜡的珍珠岩基体先放入钾水玻璃溶液中再放入氯化钙溶液中浸泡各24h，如此重复三次，使石蜡被硅酸钙封于珍珠岩基体内部。 2）温敏可逆变色地板

该专利在地板表面覆盖设置有温敏变色功能层，其在温度变化时会自动变换其颜色，丰富了木地板的色彩。

其温敏变色功能层主要由温致变色剂组成，温致变色剂的主要成分为隐色剂、

显色剂和溶剂，其各自比例为1：（0.1-30）：（1-200）。 2.2 智能家具 2.2.1 智能家具的概念

智能家具的概念出现较晚，国内外对其尚无统一的定义。但如同智能小区、智能建筑、智能家居系统、智能电器等，这些智能产品都是通过取代人类的活动来完成一些功能，从而具有了一定程度的智能。所以理论上可以把能够自动实现一些功能的家具都可以称之为智能化家具。

相对于众多的智能智能化产品，智能家具的自我定位应如下图所示，其和智能家电一起作为智能家具系统的节点，共同构成了智能系统的基础。

2.2.2 智能家具“智能”的实现方式 1）多元智能化材料

在众多智能家具的研究中，主要通过两种方式实现家具的智能。一种是从家具材料的角度提出将自然材料与模拟仿真材料结合在一起，向多元智能化人工材料方向发展。如形状记忆材料，它具有一些奇异的性能，如形状记忆效应、伪弹性等，具有巨大的科学工程意义。 2）智能化系统

目前，智能家具的主流研究方向为利用计算机技术结合家具材料进行智能化系统的设计与控制。其研究主要集中于硬件和软件两方面，硬件上，研究者多着眼于芯片的嵌入技术及家具的自动化。软件方面，研究者更倾向于探讨基础概念及在实际中普及的可行性。其以这两方面的研究为基础，通过将电子技术与传统家具进行组合，形成了典型的智能家具产品。目前国外的智能家具研究已经取得了很大的进展，部分企业甚至推出了一些初级产品或概念产品。

微软surface触控桌面飞利浦概念茶几产品

如微软的surface触控桌面和飞利浦的概念茶几，二者均是以IT 企业或家电企业主导的电子产品的家具化。其出现的原因，是为了将电子产品更好的融入到家庭环境之中，所采用的淡数字产品特征的处理。本质上，其以茶几这种传统家具作为基础，在其中植入触屏、微晶片控制器等所形成的超越传统茶几功能的独立电子产品。其稍加改进即可连入智能家居系统，成为智能家居的节点或控制端。

SieM atic 智能整体厨房产品

除了单体家具以外，国外也出现了整合多种家具功能的的整体智能家具产品。如SieM atic智能整体厨房，其将储物柜、冰箱、碗柜等家具的功能整合为一体，推出了具有智能化的整体厨房系统。

除了各企业外，科研学府间也积极开展合作，研发除了一系列智能家具产品。2003 年爱尔兰的兰开斯特大学与苏黎世、德国、瑞典及芬兰等学府合作开发智能科技，发明了一系列智能家具。如其开发的 “智能书架”会在负荷过重时做出投诉；“智能药品柜”会在药物过期时发出警告； “智能沙发”可以开启电视机、激活电话录音机、订外卖，甚至还可以认出是谁坐在沙发上，懂得说欢迎辞。德国乌尔姆大学的一个研究小组研制出了一种智能轮椅，它安装有一个先进的导航系统，这一系统利用它的传感器和激光仪连续不断地搜索其周围的障碍物，然后利用自身的嵌入式小型计算机分析出如何选择穿过人群的最佳路线，从而能自动

穿行于拥挤的火车站大厅，而不会与人相撞。美国纽约现代博物馆展馆中央放着一张智能化桌子，里面装了 400 多个芯片及 20 多个网络接入点，通过感应手的动作，控制有信息装置的特定物体。 2.2.3 国内智能家具发展现况

从所申请的专利来看，国内的智能家具实现智能的方式主要是将传统的柜体、茶几等家具与电子设备进行简单的复合，形成具有一定功能的家具产品，这些电子设备既包括简单的电子设备如报警器、音响系统，亦包括多个设备组合而成的系统或智能系统，如健康监测分析系统、拍照记录系统等。

中国台湾一发明人将通讯原件嵌入传统家具内，通讯原件内储存由该商品的所有信息，包括保修内容、保养信息、维修信息、组装说明、使用说明、商品信息、网站链接、手机模式或广告信息。其特点在于将通常以纸质形式发放的说明书、保修卡、客服电话等变为电子储存，以方便使用者对这些进行保存和管理。同时该通讯原件内的信息还可以导出到其智能设备，如手机、PC、平板电脑等，其发明适用于所有的家具。

陕西西蜂翼智能科技有限公司将红外报警器和茶几复合在一起，申请了一款防盗智能报警茶几。“其包括茶几本体及上面板，所述茶几本体具有的面板下表面固定有红外报警器；所述红外报警器的红外感应开关固定于面板周边的下表面。所述红外报警器包括声光报警装置和与声光报警装置连接的时间设定模块；所述时间设定模块的作用在于对声光报警装置的工作时间进行设定。所述声光报警装置的光报警为置于面板下端周设排布的闪光灯；所述声报警装置为大功率蜂鸣器。该方案的实现在茶几具有了对盗窃者经过茶几时进行报警威慑的功能。优选时间设定模块可以设定其感应报警的时间，避免不必要的误报；加之声光双重报警设 计使其报警效果更好。”

深圳华美兴泰科技公司申请了一款具有音响系统的无限智能家具，其将传统的电视柜与音响系统复合在一起。主要结构“包括柜体和布置于柜体的存储空间内的包含一个以上音箱的音箱组，柜体内还设有主控处理模块，主控处理模块上电连接有WIFI 模块、存储路由程序数据的存储器、控制音频播放的播放控制模块和音频解码器，音频解码器还电连接有功率放大器，功率放大器上连接有音频输出端，功率放大器与音箱组电连接。本发明中智能家具中直接集成了音响系统和路由系统，使整个客厅或卧室布置更加简洁，大大减小占用空间，且本发明中电视柜上设有滑槽，音箱上设有滑块，能够左右调节音箱，音箱与滑块活动连接，

使音箱是可转动的，再配合调节音箱间距能够根据适用状况的不同调节出最佳音场。”其电路图实施例图如下图所示。

江南大学通过在鞋柜上设置拍照、追踪记录系统，申请了一款可视化智能鞋柜。“整个鞋柜主要包括分有多个隔断区的鞋盒、检测和指示隔断区有无鞋的光电开关和指示灯、用于判断鞋子是否放置的光电开关、实现图像信息采集的摄像头和照明灯、用于浏览图片和操控指令输入的触摸屏以及实现自动控制的核心控制板等。鞋柜存鞋过程和传统鞋柜使用方法相同，使用者只需把鞋放入入鞋口拍照区，控制系统自动检测并拍照，鞋子放回鞋柜后控制系统自动记录其所放位置并编号；取鞋过程通过触摸屏控制，通过浏览图片或输入编号选择鞋子，随后控制系统会自动查找并指示鞋子位置。本发明结构合理，操作方便，省时省力，尤其适合鞋子数量多的家庭或单位。”其程序图及触屏界面图如下图所示。

百度公司申请了一款可以自动分析使用者健康状况的形态可调家具。其专利的着眼于两个方面，其一是家具的形态可调，“上班族工作繁忙，久坐办公桌前缺少必要的运动，对于身体健康不利。如办公桌椅能根据需要自动调节高度等，则可以促进上班族多运动，改善亚健康状态。又例如，很多住院病人需要不时调整病床靠背的倾斜度。如病床能根据病人需要自动调节靠背倾斜度等，则可以 大为改善病人的舒适度，帮助病人恢复健康。”其二是该家具可以自动分析、检测使用者的健康状况，其工作原理图如下图所示。

被复合的除了家具外，还有部分家具构件或辅助构件。如：

广州市一名发明人，通过在抽屉上设置指纹识别器，申请了一款下开式智能家具保险抽屉。其“包括外箱及内箱，所述外箱两侧内壁设有滑轨，滑轨与内箱外壁两侧的滑块连接，内箱前端板内设有空腔，空腔内设有锁具组、指纹模块及电池仓，所述指纹模块的指纹识别器设置在内箱底部；本发明解决了现有技术的家具保险抽屉在实际使用中，存在结构不够牢固、稳定性低的问题, 由于指纹识别器设置于保险柜的底部，配上与家具同款的门板后就与家具结合成一个整体，在未输入正确的指纹状态下，整个箱体无法拉动，隐藏性极高，实用简单，达到了较好的保险目的。”其发明的示意图如下图所示。

哈尔滨凯达木业通过对家具滑轨进行改造，申请了一款可用于抽屉、箱体等

的感应弹出装置。其“的弹性金属条的两端分别固定在一号电磁铁和二号电磁铁上，二号电磁铁的外侧固定在家具的弹出件上，滑道固定在家具的弹出件的下 侧，用于限定二号电磁铁的轨迹，一号磁铁的电源控制信号输入端和二号电磁铁的电源控制信号输入端同时连接继电器的电源控制信号输出端，继电器的开关控制信号输入端连接单片机的磁铁开关控制信号输出端，多个反射式红外线传感器的信号输出端均连接单片机的采集信号输入端。本实用新型适用于安装在家具中。”其装置的电路实施图如下图所示。

2.3智能衣柜

智能衣柜与传统衣柜相比，不仅具有基本存储和装饰的传统功能，同时还由原来的被动静止结构柜体转变为主动智能型的“衣物管家”，为人们提供全方位的信息交换功能，提高人们的生活品质与效率。从已申请的专利来看，智能衣柜对传统衣柜的固有缺陷，如衣服虫蛀发霉、取衣服不方便等都做出了一定的改进。

1）衣服的分类

衣柜的基本作用就是衣物的分类、储存，众多智能化衣柜设计都优化的衣物的分类功能。其分类的第一步是对每件衣物进行编号，其主要通过在衣服上内置或外置射频识别标签，来给每一件衣服分配唯一的二维码。同时大部分的智能衣柜会对每件衣服进行拍照，并将编号与衣物照片进行关联，使操作者可以直接通过图像而非文字编号查找衣物。根据系统设计的不同，微晶片控制器会自动记录每一件衣物所放置时间，并可通过控制终端随时查找、管理。在完成编号后，部分设计中还可对衣物的存放位置进行追踪，其主要通过记录衣服悬挂的衣架或衣物放入的抽屉/柜体来完成。

在国内，这些系统尚处于设计阶段，在国外可自动对衣物进行分类存放、自动输出的智能衣柜已经面世。意大利MetalPro-getti公司研发了自动旋转动感衣橱，用户用智能手机或平板计算机挑选衣物后，衣橱便会把衣服转到眼前，非常方便。用户只需在挂衣前为衣物拍照。衣橱内置的感应器及智能装置，便会自动记忆衣物所挂位置并进行分类。挑选衣服时，用户在手机或平板电脑上按键挑选衣服，环回旋转挂衣轨便会将衣服送上。 2）衣物的保存、处理

智能衣柜对衣物的保存，主要集中于除湿防霉、消毒两个方面。

衣柜主要存放对象为各类棉、毛、皮、麻、真丝等材料制成的衣物，这些物品在生产、使用或存放过程中，表面易附着霉菌等微生物。在每年的4～ 10月份，我国大部分地区的相对湿度一般在75%以上，达到菌类生存繁殖的较佳环境，易导致存放在柜中的物品霉变。

智能化衣柜的除湿防霉功能，主要是通过改变存放物品容器小环境的温、湿度值，控制在物品存放的安全值以下，破坏各种霉菌的存活和繁殖，从而有效保护储存物品。其通过湿度感应器、微晶片控制器、除湿器形成智能除湿系统，将柜内的湿度控制在45%～ 55%，可有效避免存放的物品发生霉变。其原理为采用压缩机压缩制冷剂气体，压缩后的高温高压气体经过冷凝器冷凝成为液体，液体制冷剂经过蒸发器时由液体吸热蒸发成气体，由于制冷剂蒸发过程中会从空气中吸收大量的热量，导致空气湿度降低，当温度低于露点时，空气中的水分就会被冷凝下来，从而达到空气除湿的目的。

部分衣柜在设计时增加了烘干室，烘干室一般设置有壳体，以阻隔高温对衣柜产生的不良影响。通过烘干的衣物通过输送装置，自动输送至保存室进行保存。

智能衣柜的消毒处理，主要通过使用紫外线杀菌灯消毒和使用消毒剂消毒两

种方法。使用紫外灯消毒时，柜体内温度一般控制为20～ 40℃，相对湿度不高于60%，消毒时间设定为30 min。 3）虚拟试衣

虚拟试衣是指通过扫描或者录入试衣者的体型信息来建立一个试衣者的3D模型，再通过与衣物的模型进行组合，达到虚拟试衣的效果。其开始以试衣网站的形式出现，国内外较著名的试衣网站分别为My Virtual Model和淘宝试衣间，其试衣效果图分别如下。

近年来，随着人机交互技术的发展，体感概念及相关技术逐渐出现在人们的生活中，其直接催生了试衣镜系统。试衣镜系统主要由体感设备和屏幕所组成，其可以通过体感设备直接捕获用户影像，识别人体骨架信息，并将数据库中的平面服装图片按照骨架位置与用户影像进行合成，从而返回给用户一个虚拟的实时 “试衣”效果图。国内外具有代表性的两款试衣镜如下图所示。

国外目前已经出现带有试衣镜功能的智能衣柜，对国内智能衣柜的专利分析后发现，此类型衣柜尚未有专利公示或授权。

南京航空航天大学申请一种基于投影技术的智能衣柜，其通过投影装置可以将衣服数据信息存入中央处理器中，并将衣服通过3D 模式投影到人的身上，从

而达到虚拟试衣的效果。在需要试穿衣服时，首先通过显示器选择需要试穿的衣服，然后中央控制器控制3D 扫描仪将选中的衣服3D 投影在人身上，人站立在衣柜对面的位置，即可实现投影落在人身上。在试穿过程中，由于人站立在衣柜对面，对于衣服切换时，可以连入用于手势识别的传感器，人们在需要切换到下件衣服时，做出相应的手势，传感器感应到该手势变化即获得控制信号，控制投影仪进入下一个投影。 2.4 智能门窗

门、窗是建筑物的附件，是室内空间与室外空间相联通的接口，起着交通联系、通风、采光、隔声、防雨等作用。通常智能门窗的设计除了增强其传统作用外，亦为其增添了新的功能。 2.4.1 智能门

国内对智能门的设计主要侧重于增强安全防范能力，其设计基本都包涵准入判断、预警及远程控制这三方面。其中准入判断主要通过采用生物体征识别和可视远程操控的方式由系统自动对来访者进行识别、确认，若确认失败则会按程序设定进行报警或向移动控制端发出报警信息，以此保证室内空间的安全。 1）生物体征识别

专利中最常采用的生物体征识别技术为面部识别系统和指纹识别系统。前者主要通过摄像装置采集来访者面部信息，并通过面部识别系统对采集到的图像进行分析并与用户数据库的图像进行比对，若该面部特征与数据库相符则通过确认。其具有代表性产品为苏州福丰科技有限公司所申请的“一种基于人面识别的智能门禁系统”和东莞市高明企业服务有限公司所申请的“一种基于云平台的智能门控制系统及其控制方法”。

前者其通过光敏电阻采集外界光线强度控制照明系统，并进行图像采集，若人脸图像的位置不准确，采用语音提示进行姿态调整，实现智能门禁控制，其数用户数据库储存于门的终端控制器内，其设备图如下图左所示。后者通过云平台的数据存储和分析，采用人脸识别技术判断来访人员是否为有权限来访人员，确认为有权限人员后再次经过智能终端确认，避免了当人脸识别模块出现误差时开门，实现更安全的开门。其与前者的最大不同在于，其用户数据库并非储存于本地，而是通过网络服务器储存于网路上，其大大延伸了智能门的应用范围。其示意图如下图右所示。

除了采用面部识别系统外，指纹识别系统也是智能门设计中常见的识别方法。其通过指纹采集设备对来访者的指纹进行采集并通过指纹处理模块与用户数据库内的指纹信息进行比对确认，以确认来访者的身份。其具有代表性的产品为成都信鑫信息技术有限公司所申请的“智能门禁系统”，其通过常规的密码锁和隐藏于密码键盘按键内的指纹识别器来对访客身份进行识别，来访者必须同时通过指纹验证及输入正确的密码，才能开启门禁，否则将触发报警程序并被采集面部图像，其设备示意图如下图所示。

为了增加识别准确度，一般智能门在设计时会对受访者进行数项体征识别，如齐齐哈尔大学申请的“一种带有人脸检测功能的智能门锁系统”中，除了通过对脸部特征进行比对，还可以通过虹膜处理器对来访者的虹膜特征进行提取、比对，以此来提高识别的准确度。华南理工大学所申请的“一种基于指纹和指静脉联合识别的智能门禁系统”除了采集来访者的指纹外，还会对其静脉图像进行确认。 2）远程控制

除了基于设备自主准入判断及应对外，智能门一般设计有远程控制端，其目

的在于对设备无法判断或判断失误情况下人为对其进行纠正或干预，其设备一般为屋主人的手机。智能门的可视对讲系统即是基于互联网络联通将移动终端与智能门系统相连并建立呼叫链路，使移动终端与智能门进入可视对讲状态，同时门禁模块接收呼叫指令并进行权限判定，依据判定结果执行相应的门禁操作，即完成了近距离无线可视对讲开锁或远程无线可视对讲开锁。

与根据生物体征判断的智能门系统不同，其判定工作主要其代表性的设计如天津市亚安科技股份有限公司所申请的“基于视频服务的智能门安全控制系统及方法”。其设备主要包括视频图像采集系统、语音系统、网络传输系统、存储系统、门锁开关系统、移动终端设备、供电系统和综合处理器。本发明通过视频图像采集系统、语音系统、移动终端系统这三大主要系统，依托网络传输系统，实现了门禁系统的多项智能功能，包括来访者视频图像采集、来访者识别分类、语音留言、语音示警、自动接收物件，自动/ 手动门控制切换、供电电源检测切换、来访者行为判断、预警和多种报警输出等，通过前端视频监控、中端网络传输、终端移动设备，使其房主、来访者与智能门进行交互式的动作，增强了智能门的服务范围和适用性。其程序的流程图如下图所示。

2.4.2 智能窗

国内智能窗的专利申请主要集中于两个方面，一种是基于感应器、单片机和互联网络的感应-反馈系统，其专利申请数占智能窗专利总数的绝大部分。另一种是通过对玻璃进行改进，使其具有变色、透光调控功能，从而使窗获得“智能”。 2.4.2.1 基于感应-反馈系统的智能窗 1）组成结构

这种类型的智能窗设计多样性较强，随感应器类型、嵌入程序设计、外置设备的不同，其系统具有不同的功能和特点。但总体而言其基本由感应器、位移控制设备、单片机、通信模块、远程终端构成，常见的其他附加功能设备还有排风机、报警器、摄像机等等。

感应器作为系统的基础，承担感知功能，在智能窗专利中常见的感应器有湿度传感器、风速传感器、光强传感器、二氧化碳传感器、煤气传感器、温度传感器、一氧化碳传感器、雨量传感器、红外传感器、声音传感器、空气质量传感器、烟雾传感器、压力传感器、位移传感器等。

通讯模块负责将传感器采集到的数据通过网络传输给承担中央控制器的单片机或其他设备，并由其通过程序进行判断、处理。处理的结果由位移控制设备或其他附加功能设备执行或交由远程控制端（房屋主人）判断、执行。其物联网结构图和程序图分别如下图所示。

2）常见功能

随配置的传感器种类不同，智能窗会具有不同的功能。一般的智能窗设计都会配置有两种以上的传感器，以对特定的情况进行感应、判断、处理。目前国内智能窗设计基本都具备如下的功能。 1、自动开、闭

当感应器检测到的数值超过设定阈值时，如当风速传感器测得的风速超过了程序设定的风速上限、光强传感器测得光照强度过大、声音传感器测得室外声音分贝过高时，中央控制模块会根据相应的程序设定对位移控制设备下达指令，使窗户关闭。 2、危险警报

家居室内空间的安全一直是消费者关注的重点，智能窗在设计时也针对防盗、防火、防煤气泄漏等进行了改进。当窗户的压力传感器、红外传感器，感知到异

常时会系统自动进行判断、处理，一般处理方式包括关闭窗户、报警器开启、向远程控制端发送报警信息、联网报警，若系统附加有图像采集设备，还可以通过其对可以目标的图像进行采集。当室内发生火灾、煤气泄漏时，系统也可做出相应的判断和处理。 3、实时互通

当前的智能窗大部分都设计有两个控制端，一个为室内中央控制器另一个为移动控制端，移动控制端一般为屋主的手机。屋主通过APP可以随时查看智能窗系统的实时情况，如开闭、各项传感器数据、附加功能组件的运行和实况。同时，其也可以通过APP对智能窗系统下达指令和警报接收。 4、附加功能

部分设计除了增加窗户的基本功能外，还附加设计了部分功能。常见的有排风扇，青岛联合创新技术服务平台有限公司所申请的专利“室内有害气体检测控制系统及控制方法”就在窗户上增加了风扇，当室内有害气体超标、室内洋气含量过低时其会自动打开排风扇辅助室内空气流通。 2.4.2.1 基于功能材料的智能窗

常见于智能窗制造的功能性材料主要有两类，分别是热致变色材料（二氧化钒）、电致变色材料（三氧化钨）。 1）热致变色材料（二氧化钒）

二氧化钒是一种具有相变性质的金属氧化物，其相变温度为68℃，发生相变时其由低温状态的半导体单斜晶相转变为金属四方晶相，使红外光透过率急剧降低、反射率增大，从而可以有效阻挡红外线的透过。人们根据这一特性将其应用于制备智能控温薄膜领域。国内亦有将二氧化钒薄膜用于玻璃贴面，使玻璃自身具有根据温度变化调节光线投入率的能力。如，在冬天，当室内温度低时，红外光进入室内，提高室内温度；在夏天室内温度高时，智能窗玻璃自动降低红外光的透过率，阻止室内温度升高。

由于其相变温度较高，故在制造相变玻璃时主要有两种方法。一种是通过加热玻璃基板或变色层使其达到相变温度（68℃），另一种是通过掺杂降低其相变温度使其常温下即可发生相变，其中后者的成本和实用性明显高于前者，故也成为主流的方法。

通过加热玻璃基板或变色层使其达到相变温度的代表性产品为河北省沙河玻璃技术研究院所申请的专利“一种热致变色智能窗及其制备方法”，其为全薄膜

结构，从下到上依次为：基片、电加热层、缓冲层、热致变色层、保护层，或者基片、缓冲层、热致变色层、保护层、电加热层。其中热致变色层材料是掺杂F-、WOx或MgO 的VO 2，掺杂后其相变温度降为50℃。该制备方法中热致变色层采用中频或直流溅射，在缓冲层上生长热致变色层VO2，靶材是V，通过掺杂在膜层中引入0.1% ～ 10%（wt％）的F-、MgO、WOx或MoOx，气体采用Ar 与O2混合气，体积比例Ar:O 2为99:1 ～ 9:1。其采用电加热与热致变色材料的复合结构，通过电加热提高基底温度使VO2在室温下强制发生相变，其结构图如下图所示。

通过掺杂降低二氧化钒的相变温度是目前的主流方法，哈尔滨工业大学、中国科学院上海技术物理研究所、中国建材国际工程集团有限公司等均使用这种方法制备热致变色智能膜。其通过溅射方法在基片表面制备V2O5或金属钒薄膜，再通过退火处理使掺杂膜变为相变温度为常温的二氧化钒薄膜。常温相变的二氧化钒薄膜具有优异的选择透光性能，详见下图。

2）电致变色材料（三氧化钨）

电致变色是指在外加电压或电场的作用下，材料的颜色或透明度发生稳定可逆的变化，从而可选择性地吸收或反射外界热辐射和阻止内部热扩散。电致变色

薄膜可分为无机电致变色薄膜( 如WO3、NiO2、MoO3、V2O5等) 和有机电致变色薄膜两大类。其中，WO3因具有响应时间短，循环寿命长等优点成为研究的热点。

北京工业大学使用WO3粉末、乙酰丙酮、聚乙二醇辛基苯基醚、聚乙烯醇蒸馏水或乙醇制备可用于电致热材料的原料，其透光率如下图所示。

暨南大学使用WO3为原料申请了 “一种可电致变色、电化学储能和驱动电子设备的智能玻璃”其除了具有可在电压的作用下改变玻璃的红外光通过率外，同时具有储存电能并驱动电子设备的功效，可用于光线调节及电力供应。其不同电位下的透过率曲线及便色效果图如下图所示。

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