基于EdgeX Foundry的新型智能家居架構設計與實現

朱景寧

摘? 要： 為了降低云平臺智能家居系統時延并減少帶寬成本，提出了一種新型智能家居架構。基于EdgeX Foundry框架實現新型智能家居系統的架構，并在該架構基礎上實現與智能設備通信的設備層，與控制界面通信的導出層，以及支持所有服務的服務支持層，分別實現Web端界面，iOS端界面和微信小程序端界面。對智能設備的控制進行了實驗，分析其控制的響應時間和EdgeX Foundry框架下系統的穩定性。實驗結果表明，該架構能有效地降低智能家居系統的時延和帶寬。

關鍵詞： 智能家居; EdgeX Foundry; iOS; 邊緣計算

中圖分類號：TP319? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ?文章編號：1006-8228（2020）04-41-04

Design and implementation of a new architecture for smart home

system with EdgeX Foundry framework

Zhu Jingning

（Faculty of Mechanical Engineering & Automation， Zhejiang Sci-Tech University， Hangzhou， Zhejiang 310018， China）

Abstact： In order to reduce the delay of cloud platform smart home system and reduce bandwidth cost， a new smart home architecture is proposed. The new architecture for smart home system is implemented under EdgeX Foundry framework， with the device layer that communicates with the smart devices， the export layer that communicates with the control interface， and the service support layer that supports all the services; and the web interface， iOS interface and WeChat applet interface are implemented respectively. The control to the smart devices is tested， and the response time of control and the stability of the system under EdgeX Foundry framework are analyzed. Experiment results show that the architecture can effectively reduce the delay and bandwidth of smart home systems.

Key words： smart home; EdgeX Foundry; iOS; edge calculation

0 引言

云計算[1]平臺，如Amazon EC2[2]、Microsoft Azure[3]和谷歌App Engine[4]，已經成為跨不同用戶設備提供無處不在的服務訪問的流行方法。因為云計算平臺可靠、始終在線和健壯，第三方開發人員已經基于此平臺為他們的最終用戶提供高質量的服務[5]。Netflix和Dropbox就是流行的云服務的例子。云服務要求開發人員將服務、應用程序和數據駐留在離線數據中心上。這意味著計算和存儲資源與終端用戶的設備在空間上是遙遠的。但是，越來越多的高質量服務，比如低延遲，強響應，低帶寬等，希望能在終端用戶的附近進行計算任務[6-7]。

邊緣計算，即是基于邊緣端進行的計算，即是在靠近智能設備或數據源頭的邊緣端實現存儲、計算等功能[8]。基于邊緣計算的應用程序可以在邊緣側進行計算和響應，能夠滿足行業對實時性、安全性和性價比等方面的基本需求[7]。邊緣計算一般處于物理實體和工業連接之間，它的興起實現了將智能服務如計算、存儲等降到邊緣端，滿足行業對低時延、低帶寬和安全性高等需求，為終端設備與云計算平臺的協作提供了重要支撐[9]。因此，在過去十年中，許多研究工作都支持創建邊緣計算服務的需求和好處，這些服務將計算功能分布在更接近客戶端設備的地方[10-11]。

本文提出了一種基于邊緣計算框架EdgeX Foundry[12]的智能家居架構設計，它能實現在智能家居系統的基礎上加入了邊緣計算，讓一些更希望留在附近的數據不需要上傳到云端，能夠在邊緣端進行處理。

1 基于EdgeX Foundry的智能家居系統設計

1.1 基于邊緣計算的智能家居控制系統整體架構

圖1為智能家居系統的系統架構圖，主要分為云計算層，終端控制界面，導出服務層，核心服務層，設備服務層，支持服務層中的support-znet模塊和燈光等智能設備的控制器。

如圖2所示，基于邊緣計算的智能家居控制系統主要分為核心服務層部分：core-data，core-metdata，core-command部分，設備支持層部分：support-znet部分，設備服務層部分：zgb-insona部分，以及設備導出層部分：export-homebridge，home-auto-project部分。基于邊緣計算的智能家居控制系統主要將數據保存在邊緣端，可變的數值存儲在core-data中，不可變的數值存儲在core-metadata中，然后再將一些其他的數據與云平臺對接，存放在云平臺上，通過這樣的方式將一些重要的數據存在邊緣端，即自身所處的局域網當中，以減少與云平臺的信息交互。

如圖3所示為基于EdgeX Foundry的智能家居系統運行流程圖。首先，zgb-insona向EdgeX Foundry注冊自身微服務，同時，export-homebridge也向edgex foundry注冊自身，然后在zgb-insona中添加智能設備，并將其信息保存在核心服務層中，之后在控制界面中點擊允許入網，允許入網的命令報文通過zgb-insona轉發到support-znet端。在智能設備上進行入網操作，就可以實現智能設備成功入網。緊接著，export-homebridge從EdgeX Foundry獲取已添加的設備信息，進行解析生成config.json文件，homebridge-zmq讀取config.json文件內容，運行之后即出現iOS端操控界面。

實際智能設備操控流程：iOS端界面點擊開燈，開燈的命令從homebridge-zmq發出，經由export-

homebridge，通過zeromq協議發到EdgeX Foundry的command，然后命令經由command通過http協議轉發到zgb-insona。zgb-insona再通過zeromq協議將信息轉發到support-znet中，support-znet對實際的智能設備進行操控，來實現智能設備的開關。

等到智能設備實際打開或關上之后，會將自身的狀態發送到support-znet，然后再經由zgb-insona，core-command，export-homebridge以及homebridge-

zmq，將智能設備的狀態反饋到iOS界面端去。

1.2 控制終端設計

如圖4所示為iOS端的操控界面，其中到家和晚安為情景模式，配件中燈圖標的為燈光，名字為DT82TE的為窗簾設備。

2 系統測試與分析

2.1 測試概述

搭建基于EdgeX Foundry的智能家居管理系統，主要包括：New Marsboard A20主機模塊，esp8266網關模塊，普通pc機以及iOS設備。實驗設計主要包含：將調光燈從低亮度設置為高亮度，將窗簾從關閉狀態調到一定程度的打開，情景模式的控制以及系統穩定性測試。

驗證前準備：將EdgeX Foundry的框架，以及自身實現的導出層，設備層和支持層都放到硬件系統中，然后通過web界面將實際的智能設備添加到局域網絡中，并進行設備入網的操作，等到所有設備成功入網后，開始進行單元測試，對系統進行性能測試并分析。

2.2 性能測試

系統性能測試的目的就是為了驗證智能家居系統的穩定性和高效性，通過單元測試對智能家居管理和控制的響應時間進行了暴力測試，對其響應時間測試次數是50次，獲取測試平均值，結果如表1所示。系統性能測試結果表明，其響應時間相較普通智能家居系統更快，系統穩定性更強，基本符合基于邊緣計算智能家居系統的設計需求。

3 總結

為了有效改善智能家居系統高延遲，無法有效使用帶寬等問題，文章提出基于邊緣計算平臺的智能家居設計方案。在EdgeX Foundry邊緣計算框架的基礎上，實現了設備層，導出層和服務支持層，成功解決了普通智能家居系統的高延遲問題，對帶寬需求大和成本高的問題也有一定的幫助。邊緣計算最終的目的即是讓智能終端能夠實時處理數據，能夠在低延時的狀態下對命令作出反饋，來滿足現今社會環境對智能設備的要求。

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