基于云計算的智能樓宇控制系統

周辰宇 劉寬 方鑠 劉亞煒

摘要：針對目前樓宇系統只有簡單控制功能，不能對用戶行為數據進行深入挖掘的普遍狀況，提出了基于云計算的智能樓宇控制系統。該系統利用云服務器存儲環境數據并進行深入挖掘，生成基于用戶行為習慣的控制方案，通過Internet發送給客戶端，發揮云計算的高效性、智慧性、跨平臺等優勢，在較大程度上提升了智能樓宇系統的水平， 極大地改善了人們的生活。

關鍵詞：云計算;智能樓宇;物聯網

中圖分類號：TP311? ? 文獻標識碼：A? ? ?文章編號：1007-9416（2018）10-0000-00

隨著我國城市化的發展，城鎮化和智能化水平進一步提高，因此市面上出現了大量的智能樓宇解決方案。這些智能樓宇解決方案普遍具有網絡化、信息化、便捷化的特點，能方便使用者對于各樣復雜的信息進行收集和管理，滿足現代信息社會的基本要求。然而這些智能樓宇解決方案，較多還是停留在簡單控制功能上，不能對用戶行為數據進行深入挖掘，無法發揮智能樓宇的智慧性。本文提出了基于云計算的智能樓宇控制系統，能夠根據用戶行為實現樓宇智能調控，同時具有了安全便利和智慧高效的特點，并真正地發揮智能樓宇的智慧性。

1 系統整體方案設計

該系統包括數據采集模塊、智能網關模塊、云服務器模塊、客戶端模塊，總體結構如圖1所示。數據采集模塊將數據包通過串口發送到智能網關模塊，智能網關模塊通過Internet傳給云服務器，云服務器存儲信息并生成方案給客戶端。

該系統布局相對簡單，協調器節點安裝于樓宇的靠近中心位置處，并通過串口與智能網關模塊相連，對整個Zigbee網絡進行維護與控制、縮短通信距離以及降低發射功率。樓宇各部分均置有路由器節點，路由器節點則與對該部分的終端節點設備相互通信，終端節點可按照用戶需求個性化搭配。

2 系統實現

2.1 數據采集模塊

數據采集模塊包括終端節點、協調器結點以及路由器節點。終端節點采集樓宇中各項數據，協調器建立和維護一個Zigbee網絡管理其網絡中的其他節點，路由器實現其他節點的消息轉發功能。其中，由協調器節點、路由器節點和終端節點構成ZigBee三級樹型無線傳感網絡，構成數據采集模塊的網絡骨架。

該模塊中環境信息采集傳感器有溫度傳感器、濕度傳感器、光照度傳感器、土壤傳感器、車距傳感器、煙霧傳感器、PM2.5傳感器和人體紅外傳感器;設備控制器有燈光控制器、插座控制器、窗簾控制器、空氣凈化器控制器、加濕器控制器、音樂控制器、聲光報警設備、空調、電腦和電視機ZigBee轉紅外信號控制模塊等。

數據采集模塊的三種節點均采用TI公司的CC2530芯片，具體內部結構見圖2所示。CC2530芯片擁有豐富的端口，能夠同時連接控制多個設備，同時具有良好的擴展性，CC2530芯片與就近的傳感器或設備控制器通信連接并進行信息傳輸，并將多個傳感器或設備控制器的信息通過一個無線數據包傳遞，用以降低室內無線信號輻射。

2.2 智能網關模塊

智能網關模塊在網絡層以上實現網絡互連，以基于TCP/IP協議的Socket編程實現協調器串口數據的網絡傳輸，將數據通過WiFi路由器轉發給網絡。智能網關模塊可使用在不同的通信協議、數據格式，甚至體系結構不同的兩種系統之間。

智能網關在系統內部建立統一的數據處理中心，首先收集傳感器節點的數據，并對系統內部數據進行管理，實現內部設備之間的信息交互;同時對外連接Internet，提供系統網絡內部各設備與外部設備相互通信的橋梁。

智能網關具有感知網絡接入的能力，即對各節點屬性、狀態等信息的獲取功能，可以感知各節點的實時狀態。并且具有對節點的遠程控制、喚醒、診斷等功能，即實現節點的自動化管理。

智能網關實現了傳感網絡到通信網絡的協議轉換，將協議適配層上傳輸的標準格式數據進行統一封裝，將廣域接入層下發的數據解包成標準格式數據，實現命令的解析，之后轉換為感知層協議可以識別的信號和控制指令。

此外，智能網關具有異構網絡互通的能力，因為智能網關接入必然存在跨域通信的要求，需要完善的尋址技術以確保所有節點的信息都能被準確地進行定位和查詢。

總而言之，智能網關在本系統中主要完成了三個任務：首先，是收集傳感器節點的數據;其次，執行數據協議轉換;然后，將協議轉換后的數據快速的發送到Internet。除此以外，智能網關同時具有相應的管理和控制能力。

2.3 云服務器模塊

云服務器采用Hadoop架構進行開發設計，并運用數據存儲、數據管理和數據挖掘技術，對智能家居系統的環境信息、歷史信息、用戶行為信息等進行分析挖掘，進而預測用戶行為，并生成宜居的智能樓宇控制方案。數據通過Internet從智能網關模塊傳入云服務器，云服務器處理后再通過Internet傳輸至客戶端，進而實現更高層次智能樓宇管理。如圖3為系統數據挖掘與控制流程示意圖。

數據采集模塊中各傳感器采集到的環境實時數據全部傳至智能網關模塊中，由其進行信息匯總和整合;這些匯總數據通過Internet上傳至云服務器的數據庫中儲存，如過程A所示。數據庫將數據進行預處理操作并構建數據倉庫，如過程B所示。云服務器采用頻繁模式挖掘算法、關聯規則挖掘算法、決策樹算法對數據倉庫中的數據進行進一步分析、預測，如過程C所示。云服務器將得到用戶行為的預測數據，結合該系統的室內ZigBee網絡布局，生成最佳控制方案，如過程D所示。所生成控制方案將通過Internet回傳至智能網關模塊，由其生成具體控制命令，通過串口傳輸給協調器節點進而控制各種設備，如過程E所示。例如，系統能夠判斷出某用戶上班時間，提前20分鐘將打開空調和加濕器至適宜的溫濕度，控制窗簾打開或關閉，并在用戶來到辦公室后打開燈光，用戶離開后依次關閉燈光、空調和加濕器燈設備。

云服務器對用戶日常行為習慣進行數據挖掘，形成符合用戶行為習慣的智能樓宇控制方案，用戶能夠選擇在云服務器中預先存放適宜本人工作或生活的個性化數據，由相應算法將數據挖據結果與健康生活或工作數據結合進行微調，產生用戶最佳健康生活或工作管理引導方案，通過算法逐步改變某些控制信息，使用戶慢慢適應更健康的生活或工作習慣，改掉不良行為。

2.4 客戶端模塊

客戶端模塊大致分為手機客戶端或PC機客戶端，客戶端模塊通過Internet與云服務器相連，獲取數據采集模塊的數據，以及云服務器針對用戶行為習慣定制的解決方案。

客戶端可以對環境感知信息和視頻數據進行實時訪問，對各種設備控制器進行控制，以實現智能門禁、智能安防、智能澆水、智能窗簾等等。

客戶可使用微信、app或者網頁方式接入并登錄本系統，登錄后首先對用戶身份進行驗證，確認安全后進入該系統主控制頁面進行功能模式選擇與設置，客戶端模式如下：

（1）自動模式，該模式下系統通過用戶設定或系統預定義的參數閾值進行自動控制，用戶能夠查看當前環境狀態及設備控制信息，也能夠修改控制參數。

（2）手動模式，該模式下用戶能夠通過手動控制樓宇中各設備運轉，還能夠查看到環境信息及當前設備運轉狀態，通過進入各子系統控制模塊進行手動控制操作，包括但不限于控制窗簾開關、電視機換臺、空調溫度控制。

（3）專家模式：該模式是基于云計算，采用數據挖掘算法統計并挖掘用戶行為數據，根據用戶行為習慣而生成的一系列控制參數，如用戶對空氣溫濕度程度、光照強弱等環境的個性化需求，是一個真正屬于用戶自己的個性化智慧型的智能樓宇控制，同時用戶能夠在該模式下發現自身的一些隱性行為習慣。

3 系統測試

通過該系統，用戶可以采取自動或手動方式實現環境信息實時采集和樓宇的聯動控制，也可采用專家模式中生成的智能樓宇控制方案。網頁端運行如圖4所示。手機端APP運行圖如圖5所示。

本系統所含傳感器包括溫度傳感器、濕度傳感器、光照度傳感器、土壤傳感器、車距傳感器、PM2.5傳感器和人體紅外傳感器;所含設備控制器為燈光控制器、插座控制器、窗簾控制器、空氣凈化器控制器。

4 結語

本文設計實現的基于云計算的智能樓宇控制系統，經過測試能很好地完成項目預期要求。實現了樓宇監控系統的控制和對用戶行為數據進行深入挖掘，生成了一套合理的生成基于用戶習慣的智能樓宇控制方案，系統功能強大，并且具有功耗低、成本低、安全性好、布局靈活、操作簡單等特點，在現代樓宇環境中具有很好的應用前景。

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Intelligent Building Control System Based on Cloud Computing

ZHOU Chen-yu，LIU Kuan，FANG Shuo，LIU Ya-wei

（School of Computer and Communication Engineering， Zhengzhou University of Light Industry， Zhengzhou Henan 450002）

Abstract： In view of the fact that the current building system has only simple control functions and can not deeply mine user behavior data， this paper proposes an intelligent building control system based on cloud computing. The system uses the cloud server to store environment data and conduct deep mining to generate a control scheme based on user behavior habits， which is sent to the client through the Internet， and utilizes the advantages of cloud computing， such as high efficiency， intelligence， and cross-platform， to a large extent. The level of intelligent building systems has greatly improved people's lives.

Keywords： cloud computing; intelligent buildings; Internet of Things