（CS12 上海电器科学研究所（集团）有限公司）

1.概述

科技点亮生活，创新昭示未来。作为智能电网用户端重要组成部分的智能家居系统是以住宅为平台，兼备建筑、网络通信、信息家电、设备自动化功能，及系统、结构、服务、管理为一体的居住环境。

目前，智能家居控制系统大多较为分散，如三表抄送系统、门禁系统、可视对讲系统、灯光控制系统、家电控制系统等。各个系统间相互独立，性能上也参差不齐，没有形成一套完整的多功能系统。随着技术的发展和人们需求的增加，用户希望建立全面的智能家居系统，满足多方面的需求。

随着无线技术的发展与推广，将无线网络引入智能家居系统成为其重要的发展方向。与有线网络相比，无线网络具有无需布线、布局灵活、维护简单等优点。在智能家居系统中采用无线网络技术可极大地降低住宅智能化的改造成本和安装费用。

3S-W无线智能控制系统为用户提供了一整套智能家居解决方案，涵盖家电控制、能源管理、安防监控、环境控制、远程控制等多个功能领域，旨在为用户提供便捷、舒适、节能、安全的家居环境。

2.系统功能

3S-W无线智能控制系统由智能照明系统、智能家电系统、能源管理系统、安防报警系统、环境监测系统、远程监控系统六大子系统组成：

1）智能照明系统

根据环境变化、客观要求、用户预定需求等条件而自动采集照明系统中的各种信息，并对所采集的信息进行相应的逻辑分析、推理、判断、并对分析结果按要求的形式存储、显示、传输，进行相应的工作状态信息反馈控制，以达到预期的控制效果。

2）智能家电控制系统

智能家电控制系统主要目的是实现家用电器的智能化控制，主要包括家用电器的红外控制和智能型插座控制。家用电器的红外控制是指通过红外自动的方式将家用电器的遥控操作集成到智能家电控制系统中；智能插座控制是指通过智能插座控制家用电器的通/断，降低家电待机功耗。

3）能源管理系统

家庭能源管理系统（HEMS），使住户能够随时核对家庭用电情况、与所有家庭平均用电量的比较差值等。家庭能源管理系统将能更有效地管理家庭住宅能源的消耗，使人们更智能、更高效的用电，同时还能配合电力公司推动需求侧管理，通过与智能电网的无缝连接，实现节约用电、降低尖峰需求及负载控制等，逐渐引导用户养成良好的用电习惯，构建一个用户与电力公司及全社会多赢的用电形态。

4）安防报警系统

安全是居民对智能家居的首要要求，家庭安防由此成为智能家居的首要组成部分。家庭安防报警系统包括门窗报警、紧急求助报警、燃气泄漏报警、火灾报警等。

5）环境监测系统

智能家居环境监测系统，通过对温度、相对湿度、光照强度以及CO₂浓度等环境信息进行检测，自动控制相应的用电设备，营造健康、舒适、节能的家庭环境。

6）远程监控系统

用户可通过PC、智能手机、Ipad远程监视家庭内部情况，同时根据需要控制照明、窗帘、空调等用电设备，并且进行撤防和设防等操作。

3.通信架构及采用的通信协议

1）通信构架

3S-W无线智能控制系统以家庭主控制器为中心，通过ZigBee无线网络实现家庭内部通信；通过以太网与外部进行数据交互。该系统独特设计的可配置型网络构架使其适用于住宅、办公楼、酒店等多种应用场合。3S-W无线智能控制系统典型网络架构如图1所示。

图1 3S-W无线智能控制系统典型网络构架

3S-W无线智能控制系统网络构架划分为以下三种形式：

①大型架构：适用于大楼中央控制中心对多个家庭单位、办公区域以及酒店客房的系统互连。系统构成：各家庭控制中心通过以太网互连；家庭内部由中型架构组成。

②中型架构：适用于较大户型家庭内部互连。系统构成：主控制器→房间控制器→智能终端。

③简易架构：适用于小户型家庭内部互连。系统构成：主控制器→智能终端。

2）通信协议

3S-W无线智能控制系统是一套完整的基于ZigBee无线通信技术的智能家居控制系统。ZigBee是一种结构简单、低功耗、低速率、低复杂度、低成本和可靠性高的无线网络通信技术，现已广泛应用于工业控制、汽车自动化、家庭和楼宇自动化、医用设备控制等领域。

ZigBee是基于IEEE 802.15.4无线标准研制开发的关于组网、安全和应用软件方面的技术，IEEE 802.15.4仅处理MAC层和物理层协议，ZigBee联盟对其网络层协议和应用层接口进行了标准化。其特点包括：

① 数据传输速率低：20～250Kbit/s，专注于低传输速率应用。

② 功耗低：在低功耗待机模式下，两节普通5号电池可使用6～24个月。

③ 可靠性高：ZigBee的网状（Mesh）网络结构，具有自修复功能；采用CSMA-CA的传输机制和信道检测机制，提供了可靠的传输机制。

④ 复杂度低：硬件电路及软件协议栈相对简单，对系统资源的需求较低。

⑤ 网络扩展性好：支持树状网、星状网和网状网，一个网络可容纳65000个设备。

⑥ 安全：ZigBee提供了数据完整性检查和鉴权功能，采用AES-128加密算法。

⑦ 工作频段灵活：使用频段均为免执照（免费）的ISM频段，2.4GHz（全球）、868MHz（欧洲）和915MHz（美国）。

4.系统组成

3S-W无线智能控制系统可根据客户的设备需求进行裁剪配置，对于面积大、配置全面的别墅型智能家居系统，可以由多个主控制器分区域进行控制，终端与主控制器之间通过ZigBee无线方式进行通信。3S-W主控制器同时具备网关功能，提供外网访问家庭设备终端的途径。

5.关键设备描述

3S-W无线智能控制系统产品共分为五大类：控制器类设备、手持移动类设备、智能终端设备、传感设备、软件。

1）控制器类设备

① 家庭主控制器：(www.daowen.com)

智能家居系统的家庭主控制器是整个家居系统的管理和控制中心，是家庭信息网对外通信的网络中枢。

对外通过以太网（TCP/IP）实现远程操作，包括与小区物业中心的信息互动，家庭设备的远程控制、状态查看和功能配置等。

对内通过无线网（Zigbee）对家庭内部所有智能设备的统一管理，其中包括无线网络的组建和管理；控制系统的整体运行，协调控制系统内所有设备的运行和通信，判断各设备的运行状态、故障状态等情况的发生，并及时采取相应的报警措施；协调各子控制器的工作，当存在有跨区域的信息交换和多个子控制器需要协同工作时，通过主控制器来统一的协调和管理运行。

家庭主控制器具有大屏幕液晶触摸操作显示屏，通过触摸屏可以实现设备的单个控制、集中控制和情景控制；实现设备状态的查询和管理；实现环境状况的查看（室内外温度、湿度、照度）；实现家庭的娱乐功能（MP3/MP4播放、语音留言等）；实现系统功能的个性化设置，预设时间表、人性化情景功能、输入输出设备的任意逻辑互连。

② 家庭子控制器（房间控制器）：

智能家居系统的家庭子控制器是系统的区域控制器，在系统中起到承上启下的作用，集路由、控制和管理功能为一体，主要功能是管理自己所在区域无线网络，设备控制和功能实现，接受主控制器的命令协调系统的整体运行。

对上通过无线网向家庭主控制器汇报自己所控区域的设备、环境状态信息，接受主控制器的控制、查询命令。

图2 3S-W系统组网图

对下通过无线网管理区域无线网络、设备的运行。

房间控制器具有四路触摸输入、两路继电器信号输出，墙体86盒安装，四路输入可以分别进行单独设置，既可控制单个设备也可控制情景模式。

2）手持移动类设备

① 液晶显示遥控器：

液晶显示遥控器具有128×128点阵的1.5in（英寸）LED显示屏，中文菜单式操作显示结构，可以对所有区域的所有可控设备进行移动操作，很大程度上提高了智能家居系统的实用性和方便性。液晶显示遥控器通过无线网（Zigbee）和主控制器或子控制器的信息交互，获取系统内设备、环境等状态信息，通过触摸式感应按键，选择菜单，监控设备。

② 迷你遥控器：

迷你遥控器是一种具有4路机械按键的小型遥控器，迷你遥控器通过无线网（Zigbee）向主控制器或子控制器的发送控制信息，4路机械按键的功能可以由用户自由设定，既可控制单个设备也可控制情景模式。

3）智能终端设备

① 照明控制设备：

开关灯控制器：可配置触摸输入、继电器信号输出，控制灯光开和关。

调光灯控制器：可配置触摸输入、晶闸管信号输出，控制灯光无极调光。

② 家电控制设备：

智能插座：继电器信号输出，通过通/断方式控制插座电源。

电动窗帘控制器：可配置触摸输入、继电器信号输出，控制窗帘开合度。

电扇控制器：可配置触摸输入、晶闸管信号输出，控制电扇无级调速。

各类红外控制器：红外控制信号输出，控制各类红外设备。

③ 定制设备：可根据用户需求，通过红外自学习方式，将带有红外接口的家电设备集成到我们智能家居控制系统。

4）传感设备

① 环境检测设备：

温湿度检测器（室内/室外）：检测环境的温度、湿度。

照度检测器（室内/室外）：检测环境的照度。

气体探测器（可燃/有毒有害）：一氧化碳（CO）和甲烷（CH₄）浓度检测。

② 安防控制设备：

人体探测器：检测人体状态，人体出入、有人无人。

门磁窗磁：检测门磁状态，开或关。

5）软件

上位机软件：上位机配置软件运行在PC上，主要用来对智能家居控制器（主控制器、房间控制器）、智能终端设备（窗帘控制器、复合调光器、复合开关、温湿度监控器、各类传感器等）通过USB转Zigbee配置器进行组态配置。

6.适用范围

1）公寓、别墅：利用本系统进行灯光、电器、插座、窗帘等家居设备的智能化控制，提高家庭用电设备管理的自动化程度，改善人们居住条件，提高生活品质。

2）写字楼、会议室、酒店：采用本系统进行多区域控制、统一管理。以此提高管理效率、节约能源、降低人工成本。

3）楼宇、小区：通过本系统提供的以太网支持，可以很简便的实现单元与小区一级管理系统的对接，小区监控中心可以很方便地获取相关家庭安全防范方面的信息，提高居住的安全性。

7.实际应用情况（见表1）

表1 应用案例

（作者：上海电器科学研究所（集团）有限公司 刘俊 徐方荣 聂佳）