李紅星

金寶通電子(深圳)有限公司

基于云計(jì)算的智能家居控制系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)

李紅星

金寶通電子(深圳)有限公司

隨著物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、人工智能等技術(shù)的不斷發(fā)展及其在智能家居上的應(yīng)用，已成為智能家居發(fā)展的新趨勢。云計(jì)算其實(shí)已經(jīng)不是簡簡單單的云存儲(chǔ)和對(duì)計(jì)算能力的需求，其實(shí)它越來越是大數(shù)據(jù)、云計(jì)算和人工智能“三位一體”的東西?；谠朴?jì)算的智能家居控制具有遠(yuǎn)大的發(fā)展前景，文章就基于云計(jì)算的智能家居控制系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)進(jìn)行簡要的分析。

云計(jì)算；智能家居控制系統(tǒng)；設(shè)計(jì)

1.智能家居控制系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀

伴隨著物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、人工智能等一系列新興技術(shù)的興起，為智能家居的快速發(fā)展產(chǎn)生了極大的推動(dòng)作用。傳統(tǒng)的觀念中，外界對(duì)所謂的云的認(rèn)知依然停留在其充當(dāng)存儲(chǔ)與計(jì)算的工具而已。但是如果用大數(shù)據(jù)、人工智能一起為企業(yè)提供技術(shù)服務(wù)的話，想象空間還是非常大的。人工智能的突飛猛進(jìn)、海量數(shù)據(jù)的積累，也為云計(jì)算帶來的新的可能。

智能家居設(shè)備的不斷增多，設(shè)備運(yùn)行過程中所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)呈幾何級(jí)增長，形成巨量數(shù)據(jù)，既我們所說的大數(shù)據(jù)。智能家居智能功能的實(shí)現(xiàn)靠的就是對(duì)數(shù)據(jù)的處理能力，如果數(shù)據(jù)的量足夠多，智能家居設(shè)備的分析能力也足夠強(qiáng)，那么它們也就越有“智慧”，所達(dá)到的智能效果也就越佳。回到前面所說的如何處理大數(shù)據(jù)的問題，毫無疑云計(jì)算可擔(dān)重任。智能家居由原來的“設(shè)備端+移動(dòng)終端”的傳統(tǒng)模式向“設(shè)備端+云端+移動(dòng)終端”轉(zhuǎn)變，所帶來的最大變化是數(shù)據(jù)處理的能力的增強(qiáng)。在這個(gè)過程中，大數(shù)據(jù)的處理由云計(jì)算來完成，而不是由智能設(shè)備來完成，這樣智能設(shè)備的處理數(shù)據(jù)壓力將得到轉(zhuǎn)移和緩解，大大提高設(shè)備的工作效率。

家用電器、家用醫(yī)療、家紡與家居、家庭安防、嬰童產(chǎn)業(yè)、智能建筑等所有與家庭生活相關(guān)的設(shè)備與產(chǎn)品，通過信息傳感技術(shù)、電子技術(shù)、通訊技術(shù)、智能控制技術(shù)，增加數(shù)據(jù)獲取與數(shù)據(jù)通訊功能，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)產(chǎn)品的智能化升級(jí)，并將設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)、操作與控制數(shù)據(jù)等海量大數(shù)據(jù)直接傳送到云平臺(tái)，服務(wù)家庭與個(gè)人生活，實(shí)現(xiàn)健康、舒適、便捷、智能的新一代家庭生活。未來，要想讓智能家居像人一樣擁有智慧，擁有生命，智能家居創(chuàng)業(yè)必須為智能家居注入大數(shù)據(jù)的收集，云計(jì)算和人工智能。云計(jì)算其實(shí)已經(jīng)不是簡簡單單的云存儲(chǔ)和對(duì)計(jì)算能力的需求。其實(shí)它越來越是大數(shù)據(jù)、云計(jì)算和人工智能“三位一體”的東西。

2.智能家居控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析

智能家居控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要分為以下幾層：

1)第一層為控制終端。控制終端可以是一個(gè)人機(jī)界面設(shè)備，是用戶使用智能家居系統(tǒng)的控制媒介，可以是智能手機(jī)或平板電腦的APP應(yīng)用，也可以是普通計(jì)算機(jī)的軟件，控制終端可通過有線寬帶/3G/4G等技術(shù)接入Internet。同時(shí)整個(gè)智能家居網(wǎng)絡(luò)做為一個(gè)局域網(wǎng)連接到Internet。終端用戶可通過軟件訪問家庭網(wǎng)關(guān)服務(wù)器，獲取存儲(chǔ)在家庭網(wǎng)關(guān)單元中的家用設(shè)備數(shù)據(jù)，同時(shí)可以對(duì)家中的任意聯(lián)網(wǎng)設(shè)備進(jìn)行控制。

2)第二層為家庭網(wǎng)關(guān)，它主要完成家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)各種不同通信協(xié)議之間的轉(zhuǎn)換和信息共享，以及同外部通信網(wǎng)絡(luò)的信息交換功能。是家庭內(nèi)外部網(wǎng)絡(luò)交互的接口，需要支持多種通信方式，使得用戶可以通過Internet 實(shí)現(xiàn)對(duì)家庭智能設(shè)備的遠(yuǎn)程控制和管理，是智能家居系統(tǒng)的核心。

3)第三層為家庭終端控制網(wǎng)絡(luò)，負(fù)責(zé)控制各種家庭終端如電燈、電視、空調(diào)、智能插座及采集家庭環(huán)境的各類傳感器等與家庭網(wǎng)關(guān)單元連接起來。一般采用無線個(gè)域網(wǎng)(WPAN)技術(shù)。用于無線個(gè)域網(wǎng)的通信技術(shù)有很多，如藍(lán)牙、紅外、Zigbee等。本方案家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)采用基于Zigbee RF4CE協(xié)議的無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)。

3.云計(jì)算關(guān)鍵技術(shù)

3.1 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)。面對(duì)互聯(lián)網(wǎng)的信息大爆炸，各類信息數(shù)據(jù)和文件的存儲(chǔ)和處理要求己經(jīng)超出了傳統(tǒng)的基礎(chǔ)硬件設(shè)備要求，云計(jì)算技術(shù)的出現(xiàn)恰好可以處理了當(dāng)前海量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與管理問題。云計(jì)算技術(shù)主要采用的兩大主流海量分布式數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)包括GFS(GoogleFileSystem)和HDFS(HadoopDistributedFileSystem)。

3.2 虛擬化技術(shù)。虛擬化技術(shù)就是一種將應(yīng)用系統(tǒng)的硬軟件、數(shù)據(jù)、存儲(chǔ)以及網(wǎng)絡(luò)等不同層面進(jìn)行逐一隔離，打破服務(wù)器、存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)中心、網(wǎng)絡(luò)等和應(yīng)用系統(tǒng)中的物理設(shè)備之間的單一劃分，從而實(shí)現(xiàn)物理資源的動(dòng)態(tài)使用及虛擬資源的新型調(diào)配。從云計(jì)算技術(shù)帶給社會(huì)企業(yè)服務(wù)的本質(zhì)上講就是虛擬化技術(shù)在為社會(huì)企業(yè)IT系統(tǒng)服務(wù)。經(jīng)過半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，虛擬化技術(shù)早己從單一的側(cè)重于數(shù)據(jù)中心的資源整合發(fā)展為可以依據(jù)企業(yè)的具體需要能夠提供與當(dāng)前業(yè)務(wù)環(huán)境相適應(yīng)的、靈活的以服務(wù)器、存儲(chǔ)與網(wǎng)絡(luò)、軟件及服務(wù)集于一體的全面的虛擬化戰(zhàn)略解決方案，從而在提高系統(tǒng)的安全性和敏捷性同時(shí)實(shí)現(xiàn)企業(yè)效益的資源最優(yōu)化。

4.智能家居云網(wǎng)絡(luò)

整個(gè)云網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)分布式的結(jié)構(gòu)，它有一個(gè)云服務(wù)中心或者網(wǎng)關(guān)，多個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，以及無數(shù)普通節(jié)點(diǎn)——即葉子節(jié)點(diǎn)。

4.1 虛擬化應(yīng)用。在云計(jì)算中，將應(yīng)用虛擬化是個(gè)十分關(guān)鍵的概念。一般系統(tǒng)會(huì)將其中一臺(tái)服務(wù)器單獨(dú)列出，作為虛擬化的中心節(jié)點(diǎn)服務(wù)器，在此之上建立管理平臺(tái)，多個(gè)位于LAN、WAN的物理服務(wù)器或虛擬服務(wù)器。對(duì)于智能家居，每個(gè)家庭都是一個(gè)節(jié)點(diǎn)，其硬件設(shè)備和應(yīng)用都可以在這個(gè)虛擬化平臺(tái)上加載。

4.2 數(shù)據(jù)清洗。在整個(gè)體系中，云網(wǎng)絡(luò)中心會(huì)接收到海量用戶數(shù)據(jù)，為了減少服務(wù)器負(fù)擔(dān)和提高工作效率，中心需要對(duì)這些大數(shù)據(jù)進(jìn)行一定的分析處理——數(shù)據(jù)清洗。在數(shù)據(jù)清洗過程中，中心要首先獲取解析規(guī)則，在海量數(shù)據(jù)中抽取源數(shù)據(jù)，依照解析規(guī)則進(jìn)行清理，然后將清洗過的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到相應(yīng)的緩存區(qū)，建立數(shù)據(jù)模型和數(shù)據(jù)映射。根據(jù)模型轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，加載到緩存中，然后在加載規(guī)律分析的基礎(chǔ)上，將其加載到目標(biāo)數(shù)據(jù)庫。

5.云計(jì)算服務(wù)平臺(tái)設(shè)計(jì)

云計(jì)算向其使用者提供的服務(wù)形式主要包括基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)IaaS、軟件即服務(wù)SaaS和平臺(tái)即服務(wù)PaaS三種。本文的云計(jì)算服務(wù)平臺(tái)采用由IaaS和PaaS整合的方式來構(gòu)建。如圖1所示。

圖1 云計(jì)算服務(wù)平臺(tái)總架構(gòu)

IaaS平臺(tái)是云計(jì)算服務(wù)平臺(tái)的基礎(chǔ)，一般由控制節(jié)點(diǎn)和計(jì)算節(jié)點(diǎn)構(gòu)成。控制節(jié)點(diǎn)通常只有一個(gè)節(jié)點(diǎn)，主要包括網(wǎng)絡(luò)與存儲(chǔ)管理、身份管理和應(yīng)用程序編程接口API(Application Programming Interface)管理等，對(duì)虛擬網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建起決定性的作用。計(jì)算節(jié)點(diǎn)由多個(gè)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，用于接收來自控制節(jié)點(diǎn)的虛擬化請(qǐng)求，執(zhí)行服務(wù)器硬件虛擬化操作。IaaS之上的服務(wù)就是PaaS，它是將軟件研發(fā)的平臺(tái)作為一種服務(wù)，該平臺(tái)是云計(jì)算服務(wù)平臺(tái)的上層核心。

6.智能家居網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)方案

本系統(tǒng)是采用云計(jì)算服務(wù)器為核心，由家庭控制設(shè)備與家庭網(wǎng)關(guān)互聯(lián)并傳輸信息和數(shù)據(jù)，家庭網(wǎng)關(guān)將獲取的各種傳感器數(shù)據(jù)傳送到云服務(wù)器，接受來自云服務(wù)器的指令對(duì)智能家居系統(tǒng)進(jìn)行控制。和傳統(tǒng)智能家居以家庭網(wǎng)關(guān)為核心相比，家庭網(wǎng)關(guān)在承擔(dān)任務(wù)量方面有一定的減少，云服務(wù)器可以接受家庭系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，在更大范圍內(nèi)進(jìn)行統(tǒng)籌安排，同時(shí)云服務(wù)器可以存儲(chǔ)大量的既往數(shù)據(jù)，便于以后系統(tǒng)升級(jí)改造可以基于己有的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和數(shù)據(jù)挖掘，進(jìn)一步提升智能家居帶給人們生活的人性化和完善性水平。

7.用戶控制終端的設(shè)計(jì)方案

本節(jié)的用戶控制終端的設(shè)計(jì)方案采用具有Android操作系統(tǒng)的

智能手機(jī)，我們只需要在智能手機(jī)上開發(fā)相應(yīng)的控制應(yīng)用軟件即可完成用戶控制終端。所設(shè)計(jì)的軟件具有人機(jī)交互界面，智能手機(jī)只需通過Wi-Fi聯(lián)網(wǎng)并且該軟件保證與智能家居云計(jì)算服務(wù)平臺(tái)鏈接，即可通過驗(yàn)證登錄智能家居云計(jì)算服務(wù)平臺(tái)，隨時(shí)隨地查看智能家居狀況、修改策略、遠(yuǎn)程控制任意聯(lián)網(wǎng)設(shè)備以及查詢相關(guān)信息等，并向其發(fā)送指令或接受信息。極大的方便了用戶的使用，為用戶帶來更好的體驗(yàn)。在智能云平臺(tái)的支持下，即使客戶不在家中，也可以對(duì)家中設(shè)備(燈光、門窗、窗簾、空調(diào)、電視和地加熱設(shè)備等)進(jìn)行遠(yuǎn)程集中監(jiān)視控制，并且還可以設(shè)置各種情景模式，定時(shí)開關(guān)燈、窗簾等，提高住宅的安全性。

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