基于云計算的智能家居控制系統的研究與設計

李紅星

金寶通電子(深圳)有限公司

基于云計算的智能家居控制系統的研究與設計

李紅星

金寶通電子(深圳)有限公司

隨著物聯網、大數據、云計算、人工智能等技術的不斷發展及其在智能家居上的應用，已成為智能家居發展的新趨勢。云計算其實已經不是簡簡單單的云存儲和對計算能力的需求，其實它越來越是大數據、云計算和人工智能“三位一體”的東西。基于云計算的智能家居控制具有遠大的發展前景，文章就基于云計算的智能家居控制系統的研究與設計進行簡要的分析。

云計算；智能家居控制系統；設計

1.智能家居控制系統的發展現狀

伴隨著物聯網、大數據、云計算、人工智能等一系列新興技術的興起，為智能家居的快速發展產生了極大的推動作用。傳統的觀念中，外界對所謂的云的認知依然停留在其充當存儲與計算的工具而已。但是如果用大數據、人工智能一起為企業提供技術服務的話，想象空間還是非常大的。人工智能的突飛猛進、海量數據的積累，也為云計算帶來的新的可能。

智能家居設備的不斷增多，設備運行過程中所產生的數據呈幾何級增長，形成巨量數據，既我們所說的大數據。智能家居智能功能的實現靠的就是對數據的處理能力，如果數據的量足夠多，智能家居設備的分析能力也足夠強，那么它們也就越有“智慧”，所達到的智能效果也就越佳。回到前面所說的如何處理大數據的問題，毫無疑云計算可擔重任。智能家居由原來的“設備端+移動終端”的傳統模式向“設備端+云端+移動終端”轉變，所帶來的最大變化是數據處理的能力的增強。在這個過程中，大數據的處理由云計算來完成，而不是由智能設備來完成，這樣智能設備的處理數據壓力將得到轉移和緩解，大大提高設備的工作效率。

家用電器、家用醫療、家紡與家居、家庭安防、嬰童產業、智能建筑等所有與家庭生活相關的設備與產品，通過信息傳感技術、電子技術、通訊技術、智能控制技術，增加數據獲取與數據通訊功能，實現傳統產品的智能化升級，并將設備運行數據、操作與控制數據等海量大數據直接傳送到云平臺，服務家庭與個人生活，實現健康、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，智能家居創業必須為智能家居注入大數據的收集，云計算和人工智能。云計算其實已經不是簡簡單單的云存儲和對計算能力的需求。其實它越來越是大數據、云計算和人工智能“三位一體”的東西。

2.智能家居控制系統結構分析

智能家居控制系統結構主要分為以下幾層：

1)第一層為控制終端。控制終端可以是一個人機界面設備，是用戶使用智能家居系統的控制媒介，可以是智能手機或平板電腦的APP應用，也可以是普通計算機的軟件，控制終端可通過有線寬帶/3G/4G等技術接入Internet。同時整個智能家居網絡做為一個局域網連接到Internet。終端用戶可通過軟件訪問家庭網關服務器，獲取存儲在家庭網關單元中的家用設備數據，同時可以對家中的任意聯網設備進行控制。

2)第二層為家庭網關，它主要完成家庭內部網絡各種不同通信協議之間的轉換和信息共享，以及同外部通信網絡的信息交換功能。是家庭內外部網絡交互的接口，需要支持多種通信方式，使得用戶可以通過Internet 實現對家庭智能設備的遠程控制和管理，是智能家居系統的核心。

3)第三層為家庭終端控制網絡，負責控制各種家庭終端如電燈、電視、空調、智能插座及采集家庭環境的各類傳感器等與家庭網關單元連接起來。一般采用無線個域網(WPAN)技術。用于無線個域網的通信技術有很多，如藍牙、紅外、Zigbee等。本方案家庭內部網絡采用基于Zigbee RF4CE協議的無線網絡實現。

3.云計算關鍵技術

3.1 數據存儲技術。面對互聯網的信息大爆炸，各類信息數據和文件的存儲和處理要求己經超出了傳統的基礎硬件設備要求，云計算技術的出現恰好可以處理了當前海量數據的存儲與管理問題。云計算技術主要采用的兩大主流海量分布式數據存儲技術包括GFS(GoogleFileSystem)和HDFS(HadoopDistributedFileSystem)。

3.2 虛擬化技術。虛擬化技術就是一種將應用系統的硬軟件、數據、存儲以及網絡等不同層面進行逐一隔離，打破服務器、存儲、數據中心、網絡等和應用系統中的物理設備之間的單一劃分，從而實現物理資源的動態使用及虛擬資源的新型調配。從云計算技術帶給社會企業服務的本質上講就是虛擬化技術在為社會企業IT系統服務。經過半個多世紀的發展，虛擬化技術早己從單一的側重于數據中心的資源整合發展為可以依據企業的具體需要能夠提供與當前業務環境相適應的、靈活的以服務器、存儲與網絡、軟件及服務集于一體的全面的虛擬化戰略解決方案，從而在提高系統的安全性和敏捷性同時實現企業效益的資源最優化。

4.智能家居云網絡

整個云網絡是一個分布式的結構，它有一個云服務中心或者網關，多個轉發節點，以及無數普通節點——即葉子節點。

4.1 虛擬化應用。在云計算中，將應用虛擬化是個十分關鍵的概念。一般系統會將其中一臺服務器單獨列出，作為虛擬化的中心節點服務器，在此之上建立管理平臺，多個位于LAN、WAN的物理服務器或虛擬服務器。對于智能家居，每個家庭都是一個節點，其硬件設備和應用都可以在這個虛擬化平臺上加載。

4.2 數據清洗。在整個體系中，云網絡中心會接收到海量用戶數據，為了減少服務器負擔和提高工作效率，中心需要對這些大數據進行一定的分析處理——數據清洗。在數據清洗過程中，中心要首先獲取解析規則，在海量數據中抽取源數據，依照解析規則進行清理，然后將清洗過的數據存儲到相應的緩存區，建立數據模型和數據映射。根據模型轉換數據，加載到緩存中，然后在加載規律分析的基礎上，將其加載到目標數據庫。

5.云計算服務平臺設計

云計算向其使用者提供的服務形式主要包括基礎設施即服務IaaS、軟件即服務SaaS和平臺即服務PaaS三種。本文的云計算服務平臺采用由IaaS和PaaS整合的方式來構建。如圖1所示。

圖1 云計算服務平臺總架構

IaaS平臺是云計算服務平臺的基礎，一般由控制節點和計算節點構成。控制節點通常只有一個節點，主要包括網絡與存儲管理、身份管理和應用程序編程接口API(Application Programming Interface)管理等，對虛擬網絡的構建起決定性的作用。計算節點由多個節點構成，用于接收來自控制節點的虛擬化請求，執行服務器硬件虛擬化操作。IaaS之上的服務就是PaaS，它是將軟件研發的平臺作為一種服務，該平臺是云計算服務平臺的上層核心。

6.智能家居網關設計方案

本系統是采用云計算服務器為核心，由家庭控制設備與家庭網關互聯并傳輸信息和數據，家庭網關將獲取的各種傳感器數據傳送到云服務器，接受來自云服務器的指令對智能家居系統進行控制。和傳統智能家居以家庭網關為核心相比，家庭網關在承擔任務量方面有一定的減少，云服務器可以接受家庭系統的實時數據，在更大范圍內進行統籌安排，同時云服務器可以存儲大量的既往數據，便于以后系統升級改造可以基于己有的基礎數據進行統計分析和數據挖掘，進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.用戶控制終端的設計方案

本節的用戶控制終端的設計方案采用具有Android操作系統的

智能手機，我們只需要在智能手機上開發相應的控制應用軟件即可完成用戶控制終端。所設計的軟件具有人機交互界面，智能手機只需通過Wi-Fi聯網并且該軟件保證與智能家居云計算服務平臺鏈接，即可通過驗證登錄智能家居云計算服務平臺，隨時隨地查看智能家居狀況、修改策略、遠程控制任意聯網設備以及查詢相關信息等，并向其發送指令或接受信息。極大的方便了用戶的使用，為用戶帶來更好的體驗。在智能云平臺的支持下，即使客戶不在家中，也可以對家中設備(燈光、門窗、窗簾、空調、電視和地加熱設備等)進行遠程集中監視控制，并且還可以設置各種情景模式，定時開關燈、窗簾等，提高住宅的安全性。

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