胡弟平， 孔祥元

(美的置業(yè)集團廣東天元建筑設(shè)計有限公司，佛山528000)

0 引言

隨著移動互聯(lián)網(wǎng)的崛起，云計算的發(fā)展得到了巨大的成功，IOT領(lǐng)域也借助云計算的發(fā)展，開辟了端管云的公認(rèn)架構(gòu)，目前幾乎所有物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，基本上都是遵循“客戶端(或數(shù)據(jù)采集端)-管道(4G，WIFI等)-云服務(wù)”的原理，這種架構(gòu)將傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)機房放在云端，并保持著靈活的迭代能力；使得客戶端可以隨時隨地的享受數(shù)據(jù)服務(wù)和計算服務(wù)。但隨著物聯(lián)網(wǎng)的興起和發(fā)展，工程師們也發(fā)現(xiàn)這種架構(gòu)的一些弱點:(1)隨著越來越多的設(shè)備和終端接入云端，數(shù)據(jù)呈現(xiàn)爆炸式增長，對于云端也產(chǎn)生了考驗。(2)對于智慧家居、智慧社區(qū)這種強局域性的應(yīng)用場景，并不是所有的數(shù)據(jù)都有必要“上云”，比如只應(yīng)用在家庭內(nèi)部的一些檢測數(shù)據(jù)，隱私信息等，對于這種數(shù)據(jù)，“上云”的做法同樣也引起了客戶的擔(dān)憂。(3)智慧家居、智慧社區(qū)這種局域性的場景具備高度個性化，云端事實上無法使用標(biāo)準(zhǔn)的業(yè)務(wù)邏輯來運行這種高度個性化的場景。(4)在智慧家居領(lǐng)域，客戶同樣希望在缺少互聯(lián)網(wǎng)條件的情況仍然可以獲得相當(dāng)?shù)膱鼍绑w驗，這是云計算架構(gòu)無法做到的。

因此，在IOT領(lǐng)域，邊緣計算的概念被提出并寄予厚望，尤其在智慧家居領(lǐng)域?qū)氏劝l(fā)力。

1 邊緣計算架構(gòu)

1.1 從邊緣計算與現(xiàn)有智慧家居架構(gòu)的區(qū)別

現(xiàn)有智慧家居系統(tǒng)普遍使用主流的IOT架構(gòu)將數(shù)據(jù)和用戶在云端進行交互管理，其基本架構(gòu)如圖1所示。

圖1所示為現(xiàn)在主流智慧家居系統(tǒng)的架構(gòu)示意圖，設(shè)備和終端均可以通過 NB-IOT、4G、WIFI、普通網(wǎng)關(guān)等形式連接到云端。設(shè)備的數(shù)據(jù)分為兩大類，一類是上報類數(shù)據(jù)(包括主動上報和應(yīng)答上報)，一類是由平臺下行的控制數(shù)據(jù)。

云平臺獲得數(shù)據(jù)后對設(shè)備進行管理，與用戶系統(tǒng)以及其他必要的系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交叉，形成基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫。終端通過云平臺抽象后的數(shù)據(jù)接口，讀取所需要的數(shù)據(jù)，或者由平臺推送重要數(shù)據(jù)。同時云平臺為滿足智慧家居的業(yè)務(wù)需求，在平臺上構(gòu)建了基于用戶需求的業(yè)務(wù)場景模塊，現(xiàn)業(yè)務(wù)場景模塊一般基于標(biāo)準(zhǔn)的邏輯，主流使用IFTTT的規(guī)則；這給予了用戶很多具有想象力的發(fā)揮空間，用戶通過終端可以配置自己喜歡的場景模式，從而達到智慧家居的控制和場景需求。

圖1 主流IOT架構(gòu)示意圖

此外，基于設(shè)備端的接口一般以SDK的模式存在，用于不同廠商的設(shè)備進行接入；云平臺一般還會留下供第三方云平臺對接的API接口，給第三方提供控制相關(guān)設(shè)備和場景的通道。

1.2 邊緣計算架構(gòu)的智慧家居系統(tǒng)架構(gòu)

如圖2所示，在設(shè)備或數(shù)據(jù)的近端，構(gòu)建了一個邊緣計算單元?？梢钥吹?，虛線框代表一個近端區(qū)域，每一個近端區(qū)域包括若干個設(shè)備和一個邊緣計算單元，這樣每一個邊緣計算單元可以就近處理附近的設(shè)備和數(shù)據(jù)，不用把所有數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)都要上報給云平臺進行處理，這些邊緣計算單元可以處理諸如場景運算、設(shè)備控制這樣的計算需求；同時邊緣計算單元也保留了與云端的通信接口，可以與云平臺進行計算互補，終端則可以像傳統(tǒng)架構(gòu)一樣同云平臺進行通信，除此之外，邊緣計算單元也可以在局域網(wǎng)對設(shè)備和場景進行控制。

倘若把整個網(wǎng)絡(luò)放大，這個架構(gòu)就變成了一個云平臺對應(yīng)若干個邊緣計算單元，一個邊緣計算單元對應(yīng)若干個設(shè)備單位的模式。對于云平臺來說，大大降低了其設(shè)備連接負載，簡化了業(yè)務(wù)；對于近端區(qū)域來說，提高了響應(yīng)速度，新增了局域網(wǎng)控制功能；對于用戶來說，數(shù)據(jù)保存在近端，可以更放心的使用。

圖2 邊緣計算架構(gòu)示意圖

由以上架構(gòu)可知，引入邊緣計算單元后，技術(shù)上最大的變化是計算和管理分布化，可以進行更加適合的分工，實現(xiàn)更多符合用戶實際需求的場景。

2 邊緣計算單元的載體和交互界面

2.1 邊緣計算的載體

近端區(qū)域里邊緣計算的載體?目前來看最適合的產(chǎn)品是家庭網(wǎng)關(guān)，在全屋智能化的情況下，家庭網(wǎng)關(guān)是必不可少的，因為全屋智能化存在大量的WSN設(shè)備，也就是無線傳感設(shè)備，比如被動紅外探測器、門窗磁探測器等，這些設(shè)備目前來看一般使用非IP網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，網(wǎng)關(guān)是必要存在的。因此，家庭網(wǎng)關(guān)作為未來邊緣計算的載體值得期待。

2.2 邊緣計算單元與云平臺的交互界面

智慧家居應(yīng)用中包含了大量的數(shù)據(jù)和場景，涉及各種傳感器的數(shù)據(jù)、設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)、用戶行為數(shù)據(jù)、各種生活場景等。那么邊緣計算架構(gòu)的核心就在于如何與云平臺進行合理的分工(即可提高效率、保障隱私且不會產(chǎn)生冗余問題)。表1是根據(jù)客戶長期以來運行的經(jīng)驗進行的設(shè)計，涵蓋了最為核心的幾大類數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)的交互邏輯。

(1)標(biāo)有“(基)”的，表示該數(shù)據(jù)在此為基準(zhǔn)數(shù)據(jù)；標(biāo)有“(同)”的，表示該數(shù)據(jù)從對方同步而來，用戶在編輯應(yīng)用或者設(shè)備數(shù)據(jù)發(fā)生變化后，首先更改的是基準(zhǔn)數(shù)據(jù)端，然后觸發(fā)同步請求，使得云平臺保持正確的數(shù)據(jù)。此處云平臺保持同步數(shù)據(jù)的目的主要有兩個:第一，當(dāng)用戶在終端異?；蚋鼡Q的情況下，可以在遠端重新加載；第二，為大AI做數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。標(biāo)有“(獨)”的，表示該數(shù)據(jù)只有在此端擁有，IFTTT是獨自在邊緣計算單元，表示家庭的核心場景計算由邊緣計算單元完成，云端并不需要進行此項業(yè)務(wù)，但云端提供了IFTTT的通道，僅僅用于用戶在遠程進行IFTTT場景編輯，這對于云端非常重要，因為IFTTT邏輯會耗費大量的計算資源，而且它的個性化極強，如果每一個用戶下的IFTTT都在云端完成計算，那么將是巨大的資源消耗。

表1 邊緣計算單元與云平臺的交互界面

(2)隱私數(shù)據(jù)在近端是獨有的，這就避免了用戶的隱私數(shù)據(jù)在云端泄露的可能，這對于用戶來說非常重要。這樣設(shè)計帶來的好處是在遠端無法更新隱私數(shù)據(jù)，只能在近端更新，這一點會加強用戶的安全感。當(dāng)然，用戶可以自己設(shè)定哪些數(shù)據(jù)為隱私數(shù)據(jù)，哪些數(shù)據(jù)可以上傳到云端。同時得益于IFTTT執(zhí)行獨立在近端完成，涉及到隱私數(shù)據(jù)的場景也不會因此而失效，它們剛好在近端完成，遠程仍然可以提供通道，但無法獲取數(shù)據(jù)。

(3)對于用戶數(shù)據(jù)而言，用戶數(shù)據(jù)保存在遠端，這與現(xiàn)在主流互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)保持一致，并提供了其他行業(yè)平臺互通的可能性；對于近端計算單元來說，并不關(guān)心用戶的數(shù)據(jù)，但是可以同步獲取相關(guān)的權(quán)限，比如不同的用戶對應(yīng)不同的操作權(quán)限，將會同步到近端計算單元，以保障用戶場景執(zhí)行的有效性。

以上就是邊緣計算單元與云平臺交互的基礎(chǔ)交互界面，通過這個交互界面，可以清晰地看到邊緣計算單元產(chǎn)生的巨大作用。

3 邊緣計算在分布式人工智能的應(yīng)用

3.1 AIOT的發(fā)展

AI的發(fā)展取得了巨大的成功，特別是在人臉識別、語音技術(shù)、廣告等領(lǐng)域，各行各業(yè)都被AI在影響，物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域也是如此，行業(yè)把AI+IOT的結(jié)合簡稱AIOT，旨在將物聯(lián)網(wǎng)的各種數(shù)據(jù)進行交叉，通過機器學(xué)習(xí)，給用戶帶來更加智能的體驗。智慧家居作為物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域典型的應(yīng)用，AI智能在智慧家居的應(yīng)用同樣令人期待。

AI能夠根據(jù)用戶的習(xí)慣自動生成場景為用戶提供保姆式服務(wù)，這就是行業(yè)對于AI在智慧家居的期望目標(biāo)。那么邊緣計算單元的誕生，同樣也是推動AI在智慧家居實現(xiàn)這些目標(biāo)的關(guān)鍵力量。

3.2 分布式AI的期望

隨著AI技術(shù)的不斷進步，目前整個AI行業(yè)從芯片到應(yīng)用，均已有了很大的提升；基于AI專用芯片的誕生，使得機器學(xué)習(xí)算法對資源的消耗大幅度降低，邊緣計算單元有望在有限的資源下獲得局部的AI能力；這些能力足以使得邊緣計算單元獲得一項或者多項技能(假設(shè)把AI獲得類似人臉識別這種能力叫做一項技能)；對于云平臺來說(有大量的邊緣計算單元)，能獲得大量的技能，使得云平臺本身擁有更強大的AI能力，這種分布式智能將大大地改善包括智能家居在內(nèi)的整個物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，使得AIOT真正落地，造福人類。

4 結(jié)束語

本文闡述了邊緣計算在智慧家居的應(yīng)用研究，研究表明邊緣計算確實能夠在智慧家居行業(yè)產(chǎn)生關(guān)鍵價值，用于解決目前整個行業(yè)遇到的問題。同時對AIOT的發(fā)展進行了分析，認(rèn)為邊緣計算對AIOT的發(fā)展將貢獻分布式智能方式，對未來整個物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域產(chǎn)生重要影響。有理由期待，邊緣計算在智慧家居的應(yīng)用將進一步提升行業(yè)的水平，將更好的為用戶提供體驗式的服務(wù)。