1、第4章 智能家居的智能化技术 智能家居概论配套 ppt 主编主编 罗汉江、束遵国罗汉江、束遵国4.1 智能化技术概述 4.2 智能家居互联互通技术4.3 智能家居云端技术 4.4 智能家居人工智能技术4.5 智能家居控制技术4.6 智能家居安全与隐私保护技术4.7 智能家居室内定位技术4.8 本章小结主要内容 CONTENTS14.1 智能化技术概述 智能家居的智能化从技术层面上主要体现在三个方面：智能家居智能化控制技术、智能化数据处理技术、智能家居安全与隐私保护技术。智能家居智能化控制技术主要实现对于智能家居系统的有效控制，围绕智能家居本地化系统可靠工作而体现的各种技术，包括智能化设备的互联
2、互通，智能网关技术、智能家居控制中心、智能家居操作系统等。24.2 智能家居互联互通技术4.2.1 互联互通语言3Weave是一个低功耗、低带宽、低延迟、安全的设备间通信协议最初由Nest公司开发，谷歌在 I/O 2015 大会上正式发布Weave协议，同时发布的还有Google的物联网操作系统Brillo。Weave的框架结构属于应用层的协议，并且与ZigBee协议一样，它以IEEE802.15.4为基础。正如其他通用语言一样，它可以运行于多种无线短距离通信协议上，担当起通用语言互联互通智能物体的角色。Weave结构示意图4.2.2 智能家居操作系统 4智能家居是物联网的一种应用，因此物联网
3、的操作系统可以应用于智能家居领域。但由于智能家居和物联网一样，发展还处于初级阶段，因此，没有非常成熟的智能家居或者物联网的操作系统（单独的操作系统，类似手机操作系统）1、谷歌Android Things2、海尔UHomeOS 3、阿里YunOS Home4.3 智能家居云端技术（智能家居+云）5智能家居系统原本是一个封闭控制的系统，智能家居产生的数据需要管理和处理，主要依赖数据的本地化处理及控制。但随着物联网概念的兴起，智能家居也从一个相对封闭的系统，变为开放的，利用云计算技术将数据可以在远端海量存储与处理，进而利用大数据技术、人工智能技术、机器学习及数据挖掘技术等 对于数据进行智能化应用。智
4、能家居利用云端技术，可以解决智能家居自我封闭系统的一些弊端，并且可以充分利用云端强大的数据存储及处理能力，尤其是其所衍生的数据智能，可以最大化的提高智能家居的智能化应用水平。从结构上讲，基于云端的智能家居系统主要由云计算技术构造的云平台、智能家居设备和控制端三部分组成。而控制端目前主要有手机控制终端APP，如谷歌的HomeKit，各类智能网关、路由器构成的控制终端等，以及智能语言控制终端，如亚马逊的Echo音箱等。4.3.1 云计算技术 6 云服务基本类型从云计算的服务类型上，主要可分为基础设施即服务IaaS、平台即服务PaaS和软件即服务SaaS三种类型。需要说明的是，随着云计算的深化发展，
5、不同云计算解决方案之间相互渗透融合，同一种产品往往横跨两种以上类型。4.3.2 雾计算技术（响应速度快，减轻云端压力）雾计算（Fog Computing）是随着云计算技术发展之后而延伸出的概念，采用分布式的计算方式，将计算、通信、控制和存储资源与服务分给用户或靠近用户的设备与系统。雾计算主要用于管理联网的传感器和边缘设备的数据，将数据、处理和应用程序放置在网络边缘的设备中，并非全部保存在云端数据中心。因此，雾计算扩大了云计算的网络计算模式，将部分网络计算从网络中心扩展到了网络边缘，从而更加广泛地应用于各类服务。为推动雾计算及物联网的发展，在2015年11月，ARM、戴尔、英特尔、微软等几大科技
6、公司以及普林斯顿大学，成立了非盈利性组织OpenFog Consortium。云计算与雾计算相结合。不论云计算或者是雾计算，尽管处理数据的方式和目的有所不同，但都是为了提高智能设备的数据处理能力，增强智能应用的智能化水平。因此，需要针对具体应用，合作分配两种计算，并能够使得云端和雾端的计算实现无缝对接、协同高效工作。尤其对于智能家居应用而言，需要本地化计算与云端计算的有机结合，将两种运算的优势充分利用并结合起来。7 4.4 智能家居人工智能技术4.4.1 人工智能基本概念 8人工智能AI（Artificial Intelligence），是研究模拟、延伸或者扩展人的智能的理论、方法、技术并进行
7、应用的一门新的技术科学。人工智能也是计算机科学的一个分支，该技术探究智能的实质，并研究出能够似人类智能的方式做出反应的智能机器，包括机器人、语言识别、图像识别、自然语言处理和专家系统等。4.4.2 人工智能技术应用9我们首先看一下人工智能最新的发展，可以用在智能家居上的主要技术。1）大规模机器学习。2）深度学习。3）强化学习。4）迁移学习。人工智能的应用领域很多，我们仅仅从智能家居应用的角度介绍一下人工智能的应用。1）计算机视觉。2）家庭机器人应用。3）自然语言处理和自动语音识别。4.5 智能家居控制技术10智能家居从单件的家电自动化逐步发展起来，就目前来讲，依赖一家公司还不能够提供完整系统的
8、智能家居覆盖所有的家电产品。因此，智能家居还属于刚刚起步的阶段，智能家居碎片化的特征明显，试图弥补整合系统的需求也已经出现，但未来整合的系统是什么样子？一方面，每一个智能化的单个产品在不断的拓展其智能化的水平，增强其智能化的应用体验。另外一方面，对于智能化的互联互通和系统化的要求进一步加强。在目前还难以出现统一的无线传输和控制标准的情况下，智能网关自然成为扮演互联互通的重要角色，原因在于网关本来就是连接家庭和互联网的基本通道。此外，除了满足基本的智能家居互联互通的需要，从智能家居系统的角度考虑，是否需要一个统一的、真正功能强大的本地化控制中心，也是目前发展的一部分关键技术。一种智能家居控制类型
9、示意图4.5.1 智能家居网关控制技术11目前，市场上的智能家居网关种类繁多，功能多样。有些网关，使用单一的通信协议，互联互通能力较差，但一般会提供满足智能家居简单要求的系列套件。如Philips Hue，主要连接照明灯泡，它使用ZigBee协议，基于Homekit，因此可以使用语言控制。有些使用多种无线协议，因此可以连通多种智能家居设备，如Mixtile Hub，可以使用蓝牙、Z-wave、ZigBee、Wifi等多种连接，使用电视屏幕显示，也是基于Homekit，因此可以使用Siri控制智能家居。有些路由器是组合套件中的一个设备，比如三星的SmartThings，就包括SmartThing
10、s Cloud（云平台），智能网关SmartThings Hub，以及手机客户控制端SmartThings mobile三部分组成一个系统。4.5.2 智能家居语音控制技术（语言控制、手势控制）12就人类与智能设备的控制手段来讲，微软时代的计算机我们通过键盘和鼠标进行交互。在苹果为代表的智能手机时代，我们通过触屏控制应用。而随着人工智能时代的到来，智能语音控制逐步得到使用者的青睐。在智能家居领域，一方面这得益于人工智能技术使得语音识别可靠性大幅度提高，智能语音助手变得越来越实用。另外一方面，智能语音助手不仅仅解放了使用手机控制智能家居的繁琐，更为重要是，利用智能语音助手背后强大的云平台和人工智
11、能的优势，智能家居的应用借助云端的力量变得更加智能。1、智能语音助手2、语音控制智能音箱（1）亚马逊Echo（2）Google Home（3）叮咚音箱。4.6 智能家居安全与隐私保护技术13随着物联网及智能家居的发展并逐步融入我们的生活，越来越多的智能设备接入网络，据Gartner公司的数据，在2016年，有近4亿智能设备投入智能家居领域，预计到2020年全世界有近500亿智能物体会连接到网络中去。但由于物联网和智能家居的应用毕竟还处在初级阶段，因此安全与隐私问题重视不够。据Synack安全公司对包括摄像头、家庭自动化控制器和恒温控制器在内的16种智能家居设备进行调查，发现所有智能设备都非常容
12、易被入侵。可见目前对于智能家居安全问题令人担忧。随着物联网及智能家居逐渐渗透到我们的生产和生活中，如果长期忽视智能家居的安全和隐私问题，智能家居应用的安全性无法得到保障。一旦智能家居及物联网受到安全攻击，会严重影响我们的正常生活，同时势必会阻碍智能家居的健康发展。因此必须对智能家居的安全及隐私问题更加重视，保证智能家居的健康发展。4.6.1 智能家居安全性特点 14智能设备传感器节点资源受限。无线通信方式，信号容易被窃取、入侵或干扰攻击。智能家居设备容易被远程操控。智能家居一般具备云端服务连接，很多应用使用手机App远程登录，远程操控智能家电设备。联网控制，用户登录虚假云端网站，被控制。4.6
13、.2 智能家居各层安全问题 智能家居在安全性问题上主要分为信息安全感知、可靠感知数据传输和安全信息操控三个方面，分别涉及到智能家居的感知层、网络层、应用层。1）感知层的安全问题。）感知层的安全问题。2）网络传输层的安全问题。）网络传输层的安全问题。3）应用层的安全问题。）应用层的安全问题。154.6.3 智能家居安全攻击类型 由于智能家居应用刚刚起步，虽然目前已经发生的安全问题不多，但随着智能家居的普及和海量智能物体的联网等，加上长期以来对于智能家居安全问题的不重视，存在安全漏洞和隐患不及时加以防范处理，未来必然成为安全攻击的重点。目前而言，主要攻击类型如下所述。1）无线局域网络攻击）无线局域
14、网络攻击 2）Web网页攻击。网页攻击。3）手机终端攻击。）手机终端攻击。4）远程僵尸网络攻击。远程僵尸网络攻击。164.7 智能家居室内定位与识别技术智能家居的主要服务对象是人，并且服务的对象往往是多个人，并且对于不同类型的人，往往需要不同的服务，比如老人、小孩的看护等。由于每一个人的生活习性也不一样，为提供精准的个性化服务，需要对人进行识别。另外一个情况是，智能家居中的人一般是移动的，为了实现更好的服务，需要跟踪定位人活动的区域或者位置，比如如果一个人很久时间离开书房，就需要将灯调暗。人离开房间上班了，忘记关灯、关门的话，应该自动进行响应。房间温度的调整，也应该根据人员增多或减少而相应调整
15、，也节约能源。因此，室内人员识别与定位，是提高智能家居服务水平和精准服务的基础条件。此外智能家居中使用的移动设备，如家庭机器人或自动吸尘器机器人等需要定位技术。提供根据人进行定制的个性化服务 图像定位与识别 声音定位与识别。174.7 智能家居室内定位与识别技术 超声波定位，厘米级 红外线定位，5-10cm 超宽带定位，6-10cm RFID，误差5m Wifi定位，2-3m Zigbee定位（RSSI），0.5m（3-8个锚节点）蓝牙定位（Ibeacon），2-3m184.8 本章小结 本章主要介绍了智能家居的智能化技术，主要包括智能家居互联互通技术，智能家居云端技术，智能家居人工智能技术、智能家居控制技术、智能家居安全与隐私保护技术 最后介绍了智能家居常用到的室内定位技术。智能家居的智能化技术是未来推动智能家居应用发展的潜在力量，尤其是人工智能技术的发展会对智能家居的使用者带来更多智能化的体验。此外，随着智能家居智能化技术的不断发展，智能家居将更可靠、更舒适、并且更安全。19 谢谢使用，敬请批评谢谢使用，敬请批评指正指正！联系方式：联系方式：邮箱：邮箱：
