摘 要： 為了使傳統(tǒng)家居設(shè)備可以進(jìn)行遠(yuǎn)程遙控，開發(fā)了在家具傳統(tǒng)設(shè)備上引入無線組網(wǎng)技術(shù)，使其達(dá)到訪問和遠(yuǎn)程控制的效果。針對在數(shù)據(jù)存儲中，傳統(tǒng)云存儲系統(tǒng)缺少靈活性，不透明，魯棒性不強，無法有效存儲、管理和維護大數(shù)據(jù)的問題，設(shè)計并實現(xiàn)了面向大數(shù)據(jù)的云存儲系統(tǒng)，通過邏輯控制模塊對家居系統(tǒng)各業(yè)務(wù)請求進(jìn)行智能處理，利用用戶訪問模塊為用戶提供底層實現(xiàn)的各項功能，采用存儲模塊為家居系統(tǒng)提供透明的數(shù)據(jù)存取功能，利用文件讀/寫模塊將上層邏輯處理和底層存儲進(jìn)行隔離，使所設(shè)計系統(tǒng)更加健壯。軟件設(shè)計過程中，給出數(shù)據(jù)云存儲程序代碼，實現(xiàn)大數(shù)據(jù)云存儲。實驗結(jié)果表明，新一代智能家居云存儲系統(tǒng)具有很高的可行性和實用性。

關(guān)鍵詞： 智能家居； 大數(shù)據(jù)存儲； 云存儲； 遠(yuǎn)程遙控

中圖分類號： TN926?34； TP242 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）10?0021?04

Design and implementation of big data cloud storage system for smart home

ZHAO Yan1， HUANG Weijian2

（1. Department of Computer Technology Beijing Polytechnic， Beijing 100176， China； 2. China Electronics Engineering Design Institute， Beijing 100142， China）

Abstract： In order to achieve the access and remote control of the traditional home equipments， the wireless network technology is introduced into the traditional home equipments. However， the traditional cloud storage system lacks flexibility， transparency， strong robustness， and cannot effectively store， manage and maintain the large data， so the design and implementation schemes for a big data cloud storage system are put forward. The smart processing of each business request to smart home systems is executed through the logic control module. The access module is used to provide the users with all the functions of the underlying implementation. The storage module is adopted to provides transparent data access functions for the users. The file read?write module is taken to isolate the upper logic processing from the underlying storage to make the designed system more robust. The data cloud storage program code is given for achievement of big data cloud storage. The experimental results show that the smart home cloud storage system of new generation has the high feasibility and practicability.

Keywords： smart home； big data storage； cloud storage； remote control

近年來，隨著計算機信息技術(shù)的逐漸發(fā)展和應(yīng)用，云存儲技術(shù)成為一種新型的大數(shù)據(jù)存儲解決方案，被開發(fā)者和企業(yè)廣泛應(yīng)用到眾多領(lǐng)域，以減少大數(shù)據(jù)管理和運維成本，同時降低大數(shù)據(jù)的沖擊[1?4]。智能家居是新一代家居領(lǐng)域的一個重要課題，其由于高度的智能化，所涉及的數(shù)據(jù)量較大，這也限制了一般存儲技術(shù)的應(yīng)用，其特點導(dǎo)致適用于云存儲技術(shù)[5?6]。因此，對其的研究具有重要意義，已經(jīng)成為相關(guān)學(xué)者研究的重點課題，受到越來越廣泛的關(guān)注[7?9]。

但是，當(dāng)前的智能家居提出一種面向智能家居的大數(shù)據(jù)云存儲技術(shù)，結(jié)合智能家居數(shù)據(jù)存儲的特點，給出了存儲系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)，詳細(xì)分析了系統(tǒng)各模塊的硬件結(jié)構(gòu)，軟件設(shè)計過程中，在對智能家居大數(shù)據(jù)進(jìn)行云存儲時同步給出數(shù)據(jù)云存儲程序代碼。仿真實驗結(jié)果表明，本文設(shè)計的系統(tǒng)具有很高的可行性和實用性。

1 系統(tǒng)設(shè)計

1.1 面向智能家居大數(shù)據(jù)云存儲系統(tǒng)總體邏輯設(shè)計

新一代的面向智能家居大數(shù)據(jù)云存儲系統(tǒng)主要由邏輯控制模塊、用戶訪問模塊、存儲模塊、文件讀/寫模塊和面向智能家居的大數(shù)據(jù)云存儲模塊。

1.2 智能家居云存儲系統(tǒng)硬件設(shè)計

1.2.1 邏輯控制模塊

邏輯控制模塊是整個面向智能家居大數(shù)據(jù)云存儲系統(tǒng)的核心，是邏輯處理的樞紐，各業(yè)務(wù)類請求均在該模塊中被處理，因為加入了模糊處理特征，其也被稱為模糊處理模塊。模糊處理模塊主要包括代理模塊、JettyServer模塊和元數(shù)據(jù)存儲模塊，詳細(xì)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示

代理模塊接收用戶訪問塊的請求，再按照請求的數(shù)據(jù)和家居相關(guān)的數(shù)據(jù)類型分別處理。針對各業(yè)務(wù)類的請求，代理模塊會將該請求發(fā)送至JettyServer模塊中，對其處理結(jié)果進(jìn)行接收，同時將接收到的結(jié)果發(fā)送至前端瀏覽器，實現(xiàn)對用戶請求的處理。

代理模塊與JettyServer模塊在對用戶請求進(jìn)行處理的過程中，都會和用戶元數(shù)據(jù)的訪問相關(guān)，但只有JettyServer模塊才會和存儲模塊進(jìn)行通信。為了達(dá)到系統(tǒng)并發(fā)性能的要求，可將JettyServer看作是服務(wù)器引擎，在JettyServer之上建立整個系統(tǒng)的處理邏輯。JettyServer主要包括Connector組件、Handler組件和線程池等。元數(shù)據(jù)存儲模塊保存有整個系統(tǒng)的元數(shù)據(jù)信息，主要由用戶信息、bucket信息、object信息等，是系統(tǒng)的關(guān)鍵部分。

1.2.2 用戶訪問模塊

用戶訪問模塊是智能家居中的用戶和云存儲系統(tǒng)交互的紐帶，新一代智能家居設(shè)計的面向大數(shù)據(jù)云存儲系統(tǒng)可利用該模塊透明的為用戶提供底層實現(xiàn)的各項功能。該模塊硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

用戶訪問模塊主要由Web前端訪問模塊和SDK訪問模塊組成。Web前端訪問模塊以瀏覽器的形式為用戶提供注冊、登陸、上傳下載文件等功能。SDK訪問模塊為用戶提供了訪問基本的文件上傳、下載、刪除等操作。SDK訪問模塊最大的特點為能夠上傳大于瀏覽器限制的大文件。

1.2.3 存儲單元模塊

存儲模塊為新一代智能家居云存儲系統(tǒng)提供了透明的數(shù)據(jù)存取功能，詳細(xì)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

為了節(jié)約成本，整個家居云存儲系統(tǒng)采用的服務(wù)器均較廉價。為了解決廉價服務(wù)器不穩(wěn)定、準(zhǔn)確率低的問題，新一代系統(tǒng)采用具有良好容錯能力、良好糾錯和故障檢測恢復(fù)機制的文件系統(tǒng)HDFS用于底層智能家居數(shù)據(jù)的存儲。HDFS在有效解決廉價服務(wù)器產(chǎn)生的弊端的同時，也充分利用了各種數(shù)據(jù)云存儲設(shè)備，大大降低了成本。

1.2.4 文件讀/寫模塊

文件讀/寫模塊主要負(fù)責(zé)將上層邏輯處理和底層存儲進(jìn)行隔離，使本文設(shè)計系統(tǒng)更加健壯。該模塊硬件接口結(jié)構(gòu)如圖4所示。

為了使上層模塊的應(yīng)用更加順暢，新一代智能家居云存儲系統(tǒng)采用HDFS進(jìn)行存儲訪問，設(shè)計了文件讀/寫模塊。該模塊對底層存儲系統(tǒng)HDFS的讀/寫接口進(jìn)行封裝，獲取HDFS Operate接口，上層模塊可利用該接口對云存儲模塊進(jìn)行訪問，實現(xiàn)了訪問接口的統(tǒng)一，屏蔽了存儲的細(xì)節(jié)，使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)化程度大大增強。

1.2.5 云存儲邏輯結(jié)構(gòu)的設(shè)計

面向智能家居的大數(shù)據(jù)云存儲的邏輯結(jié)構(gòu)是整個系統(tǒng)的關(guān)鍵，邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性對從用戶訪問至關(guān)重要，模塊接收到的請求進(jìn)行處理后，傳輸至存儲模塊，再由存儲模塊發(fā)送到面向智能家居的大數(shù)據(jù)云存儲模塊，在該模塊中實現(xiàn)大數(shù)據(jù)云存儲。詳細(xì)的云存儲邏輯結(jié)構(gòu)如圖5所示。

在上述面向智能家居的大數(shù)據(jù)云存儲模塊硬件結(jié)構(gòu)分析的基礎(chǔ)上，給出智能家居大數(shù)據(jù)云存儲的存儲實現(xiàn)流程，如圖6所示。依據(jù)圖6描述的流程圖，給出智能家居大數(shù)據(jù)云存儲實現(xiàn)代碼：

#include

#include

#include

#include

#define MAX 101

void sub（int a[]，int b[]，int p）；

//函數(shù)功能：利用字符串實現(xiàn)超長存儲信息的裁剪

int la，lb，ra=1，rb=1；

char c1[MAX]， c2[MAX]；

void input（int a1[]，int a2[]）

{

int i，a=1，b=1；

printf（\"請輸入第一個數(shù)：＼n\"）；

scanf （\"%s\"， c1）；

printf（\"請輸入第二個數(shù)：＼n\"）；

scanf（\"%s\"，c2）；

la = strlen（ c1 ）；

lb = strlen（ c2 ）；

if（c1[0]==′-′） { la--； ra=?1；a=0；}

if（c2[0]==′-′） { lb--； rb=?1；b=0；}

for （i=0； i

for （i=0； i

}

void add（int a[]，int b[]，int p） //存儲信息的添加

{

int i，c[MAX+1]={0}，d；

if（ra*rb>0||p）

{

if（la>lb） d=la；

else d=lb；

for（i=0；i

{

c[i]=a[i]+b[i]+c[i]；

c[i+1]=（int）c[i]/10；

c[i]=（int）c[i]%10；

}

if（c[d]）d++；

if（ra<0p||ra<0） printf（\"-\"）；

for（i=d-1；i>=0；i--）

printf（\"%d\"，c[i]）；

}

else sub（a，b，1）；

}

void sub（int a[]，int b[]，int p） //存儲信息的存儲

{

int i，h=0，c[MAX+1]={0}，d；

if（ra*rb>0||p）

{

if（la>lb） d=la；

else

{ d=lb；

for（i=d；a[i]<=b[i]i>=0；i--）

if（a[i]

h=1；

}

if（！h）for（i=0；i

{

if（a[i]

{ a[i+1]--；

a[i]+=10；

}

c[i]=a[i]-b[i]；

}

else for（i=0；i

{

if（b[i]

{

b[i+1]--；

b[i]+=10；

}

c[i]=b[i]-a[i]；

}

while（！c[d-1]d>1） d--；

if（p（ra>0h||ra<0！h）||ra>0（rb>0h||h！p）） printf（\"-\"）；

if（ra<0rb<0！h）

printf（\"-\"）；

for（i=d-1；i>=0；i--） printf（\"%d\"，c[i]）；

}

else add（a，b，1）；

}

2 仿真實驗分析

為了驗證本文設(shè)計的面向智能家居大數(shù)據(jù)云存儲系統(tǒng)的有效性，需要進(jìn)行相關(guān)的實驗分析。實驗將基于ARM處理器的智能家居大數(shù)據(jù)云存儲系統(tǒng)作為對比進(jìn)行分析。

2.1 實驗環(huán)境

實驗環(huán)境的搭建主要包括服務(wù)器和測試客戶端，本實驗將PC 機作為服務(wù)器，將Android測試機作為測試客戶端，通過一臺TP?LINK 100M無線路由器構(gòu)成局域網(wǎng)進(jìn)行系統(tǒng)測試，詳細(xì)實驗環(huán)境如表1和表2所示。

圖6 智能家居大數(shù)據(jù)云存儲流程圖

表1 PC硬件配置

表2 Android測試機硬件配置

2.2 系統(tǒng)性能測試

本文將平均每秒事務(wù)數(shù)、平均事務(wù)響應(yīng)時間、CPU 使用率和內(nèi)存使用率作為衡量系統(tǒng)性能的指標(biāo)。在20并發(fā)每并發(fā)用戶發(fā)送200次請求條件下，本文系統(tǒng)和ARM系統(tǒng)測試結(jié)果如表3所示。

表3 性能比較結(jié)果

分析表3可以看出，采用本文系統(tǒng)的平均每秒事務(wù)數(shù)、平均事務(wù)響應(yīng)時間、CPU 使用率和內(nèi)存使用率均優(yōu)于ARM系統(tǒng)，說明本文系統(tǒng)的性能明顯高于ARM系統(tǒng)，能夠用戶的要求。

2.3 磁盤吞吐率測試

分別采用本文系統(tǒng)和ARM系統(tǒng)在4 GB磁盤中對智能家居大數(shù)據(jù)進(jìn)行云存儲，對兩種系統(tǒng)的磁盤吞吐率進(jìn)行測試，得到的結(jié)果如圖7所示。

圖7 兩種系統(tǒng)吞吐率比較結(jié)果

分析圖7可以看出，本文系統(tǒng)的吞吐率基本保持在40 MB/s，而ARM系統(tǒng)一直低于本文系統(tǒng)。這是因為ARM系統(tǒng)容易受到網(wǎng)絡(luò)傳輸速度和存儲節(jié)點磁盤讀寫速度的影響，大大降低了訪問速度。

2.4 可擴展性測試

可擴展性是大數(shù)據(jù)云存儲的一個重要特性，針對本文系統(tǒng)和ARM系統(tǒng)在不同虛擬機數(shù)量下二者所表現(xiàn)出來的性能，對其可擴展性進(jìn)行比較，結(jié)果如圖8所示。

圖8 兩種系統(tǒng)可擴展性比較結(jié)果

分析圖8可以看出，在虛擬機數(shù)量逐漸增加的情況下，本文系統(tǒng)和ARM系統(tǒng)所能執(zhí)行的事務(wù)數(shù)量均逐漸降低，但本文系統(tǒng)的下降幅度明顯低于ARM系統(tǒng)，說明本文系統(tǒng)的可擴展性優(yōu)于ARM系統(tǒng)。

3 結(jié) 論

本文設(shè)計并實現(xiàn)了一種面向智能家居大數(shù)據(jù)的云存儲系統(tǒng)，通過邏輯控制模塊對系統(tǒng)各業(yè)務(wù)請求進(jìn)行處理，利用用戶訪問模塊透明的為用戶提供底層實現(xiàn)的各項功能，通過存儲模塊為系統(tǒng)提供透明的數(shù)據(jù)存取功能。利用文件讀/寫模塊將上層邏輯處理和底層存儲進(jìn)行隔離，使所設(shè)計系統(tǒng)更加健壯。軟件設(shè)計過程中，在對智能家居大數(shù)據(jù)進(jìn)行云存儲時同步給出數(shù)據(jù)云存儲程序代碼，實現(xiàn)智能家居大數(shù)據(jù)云存儲。仿真實驗結(jié)果表明，本文設(shè)計的系統(tǒng)具有很高的可行性和實用性。

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