李红星

金宝通电子(深圳)有限公司

基于云计算的智能家居控制系统的研究与设计

李红星

金宝通电子(深圳)有限公司

随着物联网、大数据、云计算、人工智能等技术的不断发展及其在智能家居上的应用，已成为智能家居发展的新趋势。云计算其实已经不是简简单单的云存储和对计算能力的需求，其实它越来越是大数据、云计算和人工智能“三位一体”的东西。基于云计算的智能家居控制具有远大的发展前景，文章就基于云计算的智能家居控制系统的研究与设计进行简要的分析。

云计算；智能家居控制系统；设计

1.智能家居控制系统的发展现状

伴随着物联网、大数据、云计算、人工智能等一系列新兴技术的兴起，为智能家居的快速发展产生了极大的推动作用。传统的观念中，外界对所谓的云的认知依然停留在其充当存储与计算的工具而已。但是如果用大数据、人工智能一起为企业提供技术服务的话，想象空间还是非常大的。人工智能的突飞猛进、海量数据的积累，也为云计算带来的新的可能。

智能家居设备的不断增多，设备运行过程中所产生的数据呈几何级增长，形成巨量数据，既我们所说的大数据。智能家居智能功能的实现靠的就是对数据的处理能力，如果数据的量足够多，智能家居设备的分析能力也足够强，那么它们也就越有“智慧”，所达到的智能效果也就越佳。回到前面所说的如何处理大数据的问题，毫无疑云计算可担重任。智能家居由原来的“设备端+移动终端”的传统模式向“设备端+云端+移动终端”转变，所带来的最大变化是数据处理的能力的增强。在这个过程中，大数据的处理由云计算来完成，而不是由智能设备来完成，这样智能设备的处理数据压力将得到转移和缓解，大大提高设备的工作效率。

家用电器、家用医疗、家纺与家居、家庭安防、婴童产业、智能建筑等所有与家庭生活相关的设备与产品，通过信息传感技术、电子技术、通讯技术、智能控制技术，增加数据获取与数据通讯功能，实现传统产品的智能化升级，并将设备运行数据、操作与控制数据等海量大数据直接传送到云平台，服务家庭与个人生活，实现健康、舒适、便捷、智能的新一代家庭生活。未来，要想让智能家居像人一样拥有智慧，拥有生命，智能家居创业必须为智能家居注入大数据的收集，云计算和人工智能。云计算其实已经不是简简单单的云存储和对计算能力的需求。其实它越来越是大数据、云计算和人工智能“三位一体”的东西。

2.智能家居控制系统结构分析

智能家居控制系统结构主要分为以下几层：

1)第一层为控制终端。控制终端可以是一个人机界面设备，是用户使用智能家居系统的控制媒介，可以是智能手机或平板电脑的APP应用，也可以是普通计算机的软件，控制终端可通过有线宽带/3G/4G等技术接入Internet。同时整个智能家居网络做为一个局域网连接到Internet。终端用户可通过软件访问家庭网关服务器，获取存储在家庭网关单元中的家用设备数据，同时可以对家中的任意联网设备进行控制。

2)第二层为家庭网关，它主要完成家庭内部网络各种不同通信协议之间的转换和信息共享，以及同外部通信网络的信息交换功能。是家庭内外部网络交互的接口，需要支持多种通信方式，使得用户可以通过Internet 实现对家庭智能设备的远程控制和管理，是智能家居系统的核心。

3)第三层为家庭终端控制网络，负责控制各种家庭终端如电灯、电视、空调、智能插座及采集家庭环境的各类传感器等与家庭网关单元连接起来。一般采用无线个域网(WPAN)技术。用于无线个域网的通信技术有很多，如蓝牙、红外、Zigbee等。本方案家庭内部网络采用基于Zigbee RF4CE协议的无线网络实现。

3.云计算关键技术

3.1 数据存储技术。面对互联网的信息大爆炸，各类信息数据和文件的存储和处理要求己经超出了传统的基础硬件设备要求，云计算技术的出现恰好可以处理了当前海量数据的存储与管理问题。云计算技术主要采用的两大主流海量分布式数据存储技术包括GFS(GoogleFileSystem)和HDFS(HadoopDistributedFileSystem)。

3.2 虚拟化技术。虚拟化技术就是一种将应用系统的硬软件、数据、存储以及网络等不同层面进行逐一隔离，打破服务器、存储、数据中心、网络等和应用系统中的物理设备之间的单一划分，从而实现物理资源的动态使用及虚拟资源的新型调配。从云计算技术带给社会企业服务的本质上讲就是虚拟化技术在为社会企业IT系统服务。经过半个多世纪的发展，虚拟化技术早己从单一的侧重于数据中心的资源整合发展为可以依据企业的具体需要能够提供与当前业务环境相适应的、灵活的以服务器、存储与网络、软件及服务集于一体的全面的虚拟化战略解决方案，从而在提高系统的安全性和敏捷性同时实现企业效益的资源最优化。

4.智能家居云网络

整个云网络是一个分布式的结构，它有一个云服务中心或者网关，多个转发节点，以及无数普通节点——即叶子节点。

4.1 虚拟化应用。在云计算中，将应用虚拟化是个十分关键的概念。一般系统会将其中一台服务器单独列出，作为虚拟化的中心节点服务器，在此之上建立管理平台，多个位于LAN、WAN的物理服务器或虚拟服务器。对于智能家居，每个家庭都是一个节点，其硬件设备和应用都可以在这个虚拟化平台上加载。

4.2 数据清洗。在整个体系中，云网络中心会接收到海量用户数据，为了减少服务器负担和提高工作效率，中心需要对这些大数据进行一定的分析处理——数据清洗。在数据清洗过程中，中心要首先获取解析规则，在海量数据中抽取源数据，依照解析规则进行清理，然后将清洗过的数据存储到相应的缓存区，建立数据模型和数据映射。根据模型转换数据，加载到缓存中，然后在加载规律分析的基础上，将其加载到目标数据库。

5.云计算服务平台设计

云计算向其使用者提供的服务形式主要包括基础设施即服务IaaS、软件即服务SaaS和平台即服务PaaS三种。本文的云计算服务平台采用由IaaS和PaaS整合的方式来构建。如图1所示。

图1 云计算服务平台总架构

IaaS平台是云计算服务平台的基础，一般由控制节点和计算节点构成。控制节点通常只有一个节点，主要包括网络与存储管理、身份管理和应用程序编程接口API(Application Programming Interface)管理等，对虚拟网络的构建起决定性的作用。计算节点由多个节点构成，用于接收来自控制节点的虚拟化请求，执行服务器硬件虚拟化操作。IaaS之上的服务就是PaaS，它是将软件研发的平台作为一种服务，该平台是云计算服务平台的上层核心。

6.智能家居网关设计方案

本系统是采用云计算服务器为核心，由家庭控制设备与家庭网关互联并传输信息和数据，家庭网关将获取的各种传感器数据传送到云服务器，接受来自云服务器的指令对智能家居系统进行控制。和传统智能家居以家庭网关为核心相比，家庭网关在承担任务量方面有一定的减少，云服务器可以接受家庭系统的实时数据，在更大范围内进行统筹安排，同时云服务器可以存储大量的既往数据，便于以后系统升级改造可以基于己有的基础数据进行统计分析和数据挖掘，进一步提升智能家居带给人们生活的人性化和完善性水平。

7.用户控制终端的设计方案

本节的用户控制终端的设计方案采用具有Android操作系统的

智能手机，我们只需要在智能手机上开发相应的控制应用软件即可完成用户控制终端。所设计的软件具有人机交互界面，智能手机只需通过Wi-Fi联网并且该软件保证与智能家居云计算服务平台链接，即可通过验证登录智能家居云计算服务平台，随时随地查看智能家居状况、修改策略、远程控制任意联网设备以及查询相关信息等，并向其发送指令或接受信息。极大的方便了用户的使用，为用户带来更好的体验。在智能云平台的支持下，即使客户不在家中，也可以对家中设备(灯光、门窗、窗帘、空调、电视和地加热设备等)进行远程集中监视控制，并且还可以设置各种情景模式，定时开关灯、窗帘等，提高住宅的安全性。

[1]郭毅.智能家居控制系统的设计探讨[J].科技与创新，2016，06：124+127.

[2]杨夏飞，王之瑄.智能家居控制系统设计研究[J].住宅产业，2016，04：41-45.

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