智能家居中的传感器技术应用

（一）智能家居的功能

智能家居系统又叫作智能住宅或电子家庭、数字家园等，它采用计算机技术、控制技术以及通信技术，把与家庭生活中相关的各个子系统用网络衔接起来，最终实现了整个系统的自动化，方便对家居设施进行有效管控，使家居生活更加便捷。

相对于寻常家居，智能家居涵盖了传统家居的所有功效，它不仅为用户营造安逸、温馨的家居生活环境，还将家居设施从静态的变成动态的、智能的，实现了信息的全面交换和传递，让家庭和外界能够实时进行沟通交流，使人们能够合理、有效地安排时间，保证了住户安全，还能起到节约资源的作用，使人们的家居生活更有品质。

传统的智能家居通常通过有线方式对建筑设施进行控制和通信，要克服各种电缆的约束，以及安装成本高、系统的可扩展性差的问题。无线传感器网络技术智能家居系统不仅摆脱了电缆的限制，降低了安装成本，还增强了系统的可扩展性。

智能家居应具有的系统智能控制功能主要有以下8项：

1.防盗报警功能

将智能家居控制器接入各种探头、门磁开关，然后依据家庭的不同要求布置，可探知并警告闯入的不法分子，保护人们的生命和财产安全。安防是智能家居的首要功能，处于监控状态的探测器发现家中有人时，能运用蜂鸣器和语音进行本地报警，然后迅速把报警信息传到保安中心，并通过电话自动报告主人。

2.防灾报警功能

运用烟雾、瓦斯和水浸等探测器对房屋进行24小时的监视，如水灾和火灾等，当有意外发生时，发出报警信息，并且在报警的同时关气阀、水阀等，使房屋更加安全。

3.求助报警功能

使用智能家居控制器连接各种求助设备。在家中发生事故时，老人和儿童可立即打开求助设备，以实现现场报警和远程报警，快速、及时地得到各种帮助。

4.远程控制功能

通过电话或网络远程控制家用电器、对安全系统布/撤防等；通过家庭监控网络监控家庭安全，家庭成员通过网络查看家庭场景，和家里的人交谈。

5.定时控制功能

利用无线遥控器或控制面板提前设置家用电器的定时启动和停止时间，如定期执行热水器的开启，以达到节能的目的。

6.短消息收发功能

利用控制面板接收网络短消息，通过手机接收智能家居控制器发出的信息，然后对它发送各种操控命令。

7.联动控制功能

采用自动或面板操作启动，可实现对智能家居控制的联动。比如，当出现盗警时，可以启动屋内所有灯光；检测到燃气泄漏时，能自动开启排风扇，然后关掉燃气管道总闸。

8.服务功能

将智能家居与小区智能系统的网路连接到一起，能够轻而易举地实现4表（水表、电表、气表、热表）的数据远距离传输、一卡通等智能化的服务。

智能家居必须通过相应的传感器网络才能实现以上8种功能，传感器网络的作用主要有2方面。

第一，家庭自动化：传统家用电器（如吸尘器、微波炉、冰箱等）中嵌入智能传感器和执行器而成为智能家电，成为传感器网络节点。这些节点之间可互相通信，并通过互联网与外部互连，使用户可方便地对家用电器进行远程监控。

第二，实现智能环境：使居住环境能够感知并满足用户需求。此处存在以人为中心和以技术为中心的两种观点，前者强调智能环境在输入/输出能力上必须满足用户需求，后者主张通过开发新的硬件系统和网络解决方案以及中间件服务等方法来满足用户要求。

（二）家用计量传感器

信息技术的发展使家居设施和工业自动化的技术水平越来越高，自动抄收室内家用计量仪表、工业自动化控制仪表中的数据已成为人们需要的操作方式。例如，采用ZigBee网络等无线通信技术，将住宅内各节点釆集的数据汇集到网关，再将数据送远程服务器，同时，远程服务器可访问和控制任何一个在ZigBee网络中的设备。

1.智能水表

智能水表用于自来水、供热水的流量测量和数据传输。冷水基表应符合国家标准GB/T 778-1996，热水基表应符合行业标准JB/T 8802-1998。通常智能水表适合采用涡轮流量传感器实现其功能，其信号传输方式为双线计数脉冲，具有开路和短路信息。智能水表包括水表脉冲信号采集、MCU、无线收发、按钮显示等部分。

智能水表应具备的功能包括：

（1）脉冲信号采集。数字远传表将水流量转换成脉冲信号，通过信号采集处理来计量。

（2）无线接口。智能水表需要无线接口来集中抄写用户水表的计量信息。

（3）监控器。用户的水表信息由抄表器传送到监控系统。无线水表抄表系统包括一个监控器和几个终端水表，可采用ZigBee网络通信。系统主板包括一个ZigBee无线通信模块和一个水表信息脉冲信号采集器，无线通信采用商用集成解决方案。

2.智能电表

家用智能电表由两部分构成：电能计量部分和无线收发部分。智能电表电能数据采集模块的核心是高精度单相电能计量传感器芯片（如ADI公司的AD7751、深圳国微电子的SM9903等），这类芯片大多集成了数字积分器、参考电压源和温度传感器，它提供与电能成比例的频率或脉冲输出，并具有校准电路，可测量单相有功、无功功率。

智能电表具有实时采集和存储电表信息、无线收发、防窃电和控制电表通断等功能。系统以微控制器为核心，主要由电表信息存储器、无线收发器、红外传感器、电源和供电开关等构成。微控制器控制整个电表的监控与接口装置运行；无线收发器与微控制器双向通信，并建立无线自主多跳网络，收发与微控制器通信的信息；电表信息存储器储存电表用户信息、用电或预付费信息、红外传感信息等；供电开关串接在用户电表电源进线前端，微控制器通过控制供电开关通断来控制对用户的供电；红外传感器监测用户电表及其无线监控接口装置的运行状况，并将监测信息返回微控制器，以防窃电。

3.智能热量表(www.xing528.com)

根据国家标准对智能网络热量表的定义，目前的智能网络热量表是一种组合式智能网络热量表，它是“由流量传感器、微处理器和配对温度传感器组合成的网络热量表”。

智能热量表的工作原理是，当传热介质流经热交换系统时，主控制芯片接收来自流量传感器和配对温度传感器的信号，进行热量累积计算、存储和显示。

4.智能气表

智能气表适用于人工燃气、天然气、液化气、液化石油气的流量计量及数据远传，其中家用智能气表可采用热流速气体流量传感器等。

热膜气体流量传感器是基于热传输原理和MEMS技术制成的微传感器，内含气流流速敏感结构，它包括2组制造在悬空的氮化硅结构上的加热和测量电阻。悬空的氮化硅结构将电阻与衬底绝热隔离，加热电阻产生的温度场在流量作用下改变，通过测电阻得到温度场的分布，利用流速与温度场分布的关系测量流速和流量。无气体通过传感器芯片的时候，传感器的周围会保持稳定的温度场（温度分布）；有气体流过时，温度场因流体介质带走热量导致局部温度重新分布。局部温度场的变化取决于流体介质的质量与流速。

（三）家用环境安全传感器

智能家居安防系统采用嵌入式技术、无线传输技术和传感器技术等，通过无线网络化传感器对室内的温度、湿度、光照和空气成分进行监测，获得实时数据。在此基础上，自动调控门窗、空调及其他家电设备，实现家居环境参数调节的自动化。

按照家居环境和安防系统需求分析，可将智能家居系统安防所需传感器分为温湿度传感器、烟雾报警传感器、燃气泄漏传感器和家庭防盗传感器4类。

1.温湿度传感器

家用温湿度传感器一般为电子式传感器，通常采用高分子薄膜制成的湿敏电容测湿度。若使用2个独立的传感器分别测量温度和湿度，既提高成本，又会增加系统设计的复杂性。因此，家用温湿度传感器一般应选择集成温湿度传感器，如SHT11。这种类型的集成传感器可实现数字式输出、免调试、免标定、免外围电路及全互换功能，有效节省单片机的I/O资源，提高测量精度，保证产品的高可靠性和长期稳定性，其性能指标满足室内温湿度测量要求。

2.烟雾报瞥传感器

火灾探测的实质是在火灾中使用敏感元件来检测质量流（可燃气体、燃烧气体、烟雾粒子、气溶胶）和能量流（火焰光、燃烧的声音）等物理现象的特征信号，然后将其转换成另一种容易处理的物理量。根据火灾中不同反应信号的特点，火灾探测器可分为气敏型、感温型、感烟型、感光型和感声型等5大类型。

烟雾报警传感器被普遍应用于火灾检测工作中，它可以测试出火灾发生时的烟雾浓度并进行报警，通常这个设备安装在厨房。当火灾发生出现浓烟时，报警器就会发出亮光和声音，或者联动其他设备，比如有的报警器能够自动启动排风扇，将浓雾及时排出室外。烟雾报警传感器可用在火灾发生开始阶段的检测和报警，它能比传统的火灾检测系统提早几个小时进行报警，能在火灾发生一开始就消除火灾隐患，从而减小火灾的损失率。

按照报警功效的要求，选定合适的烟雾传感器非常重要。烟雾探测器中常见有光电型和离子型的器件。

生活中经常用到的离子感烟传感器的单电离室构造如图7-1所示，P1和P2是一对电极，在电极之间放置有放射性的物质，不停地放出α射线，高速运动的α粒子冲撞极板间的空气分子，把它们电离成正、负离子，让电极之间本来不导电的空气具有了导电性能。如果在极板P1和P2之间加一个电压E，让极板间原本没有规律的正、负离子在电场影响下进行有规律的运动，然后在极板间产生了电离电流。所施加的电压越高，电离电流就越大，如果电离电流不断增加至饱和电流值时，就不会再增加了。

图7-1　电离室结构示意图

当出现火灾的时候，烟雾流入电离室，烟雾的阻挡作用使电离后的正、负离子在电场中的运动速度下降，与此同时，α射线的电离能力也会下降，最后电离室的电离电流也减小。烟雾浓度越大，它的阻挡能力就越强。利用离子源制作烟敏元件的主要特点是电流消耗非常低，仅数百纳安。

3.气体泄漏传感器

燃气漏气报警器是家庭生活中的重要设备，是人们安全使用燃气的有力保障。

当设置在厨房的燃气泄漏传感器检测到厨房中的可燃性气体含量超标或浓度超过预设值时，触发传感器节点执行燃气泄漏报警，然后通知排气风扇节点打开排气风扇，及时通风，也可由控制器通过执行器或执行电路发出报警信号或关闭燃气阀。

燃气泄漏报警器的基本组成部分包括燃气信号采集、A/D转换、单片机控制等电路。燃气信号采集电路一般由燃气敏感元件和放大电路组成，将燃气信号转化为合适的模拟信号。A/D转换器将燃气信号采集电路发送的模拟信号转换为合适的数字信号，并将其发送给单片机。单片机对该数字信号经滤波和其他处理后的数据进行分析、判断，如果大于某一预设值（报警限），则启动报警电路发出声、光报警，反之则为正常状态。为方便检测与监控，使仪器测试人员及用户能直观地观察到环境中的可燃性气体浓度值，可将浓度值显示出来。为便于调节报警限，可加入按键。

家庭中燃气中毒主要指一氧化碳中毒。现代生活中燃气中毒的事情经常发生，其中一氧化碳中毒是非常值得关注的，由于一氧化碳与血红蛋白的结合能力很强，是氧的200倍，人只要吸入一氧化碳，就会呼吸艰难，甚至出现窒息然后死亡。

当CO气体经过外壳上的孔隙通过透气膜扩散到工作电极表面时，CO气体会在工作电极上发生氧化现象。其化学反应式为：

在工作电极上出现氧化现象得到的H离子和电子在电解液的作用下移动到与工作电极有一段距离的对电极上，与水中的氧接触发生还原反应。其化学反应式为：

所以，传感器中就发生了氧化-还原的可逆反应。其化学反应式为：

这种氧化-还原的可逆反应在工作电极与对电极之间一直都存在，而且在电极间会出现电位差。需要强调的是，2个电极上出现的这种现象能让电极发生极化，这样，极间的电位就很难保持稳定，所以也就限制了对CO浓度的可检测范围。

CO气体传感器与报警器一起使用，传感器是报警器的主要元件。当CO扩散到气体传感器上时，产生一定的输出，提供给报警器的采样电路。气体浓度发生改变时，传感器的输出电流会随之按比例发生变化，并经放大输出，和相应的控制装置一同构成环境监测报警系统。

4.家庭防盗传感器

防盗报警子系统主要用于发现非法侵入者（如盗窃、抢劫），并及时向住户和小区安全保卫部门发出报警信号，使住户免受侵害。典型产品有红外探测器和门窗传感器。

门窗磁式传感器由磁场恒定的小块永磁铁和一个常开型干簧管组成，一般安装在门内侧上方。如果永磁铁和干簧管的距离非常小，如5mm内，门窗传感器会保持工作守候状态；如果永磁铁和干簧管的距离较远，如大于8mm，它会立即发射报警信号，其中包含地址编码和自身识别码的无线信号。主机识别该无线信号的地址码，并判断是否为同一报警系统，然后根据识别码确定是哪个传感器报警。

红外热释电传感器通过检测人体发射的红外线来检测其检测区域中是否有人的存在，如果有人进入其检测区域，则产生电平触发信号报告节点处理器，然后节点将进行报警等操作。