基于智能家居的智慧圖書館數據層建設*

凌征強，黃　輝

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基于智能家居的智慧圖書館數據層建設*

凌征強，黃輝

摘要文章通過闡述若干大型信息技術企業的智能家居發展現狀，探討智能家居數據中心管理系統及其主要特點，針對智慧圖書館存在的大數據處理能力欠缺及區域數據智慧化功能不完善等問題，提出學習借鑒大型信息技術企業的智能家居數據層設計經驗，通過建設智慧圖書館數據中心、制定跨平臺數據通信標準、開發數據中心管理系統及區域數據子系統等措施，推進智慧圖書館數據層建設的策略。

關鍵詞智能家居智慧圖書館數據層數據中心系統

引用本文格式凌征強，黃輝. 基于智能家居的智慧圖書館數據層建設［J］. 圖書館論壇，2016（6）：114-120.

*本文系2014年度廣東省文化廳、廣東圖書館學會立項課題“基于物聯網環境的智慧圖書館研究”（項目編號：GDTK1434）和廣東省外語藝術職業學院科研團隊“高職教育信息化科研團隊”基金項目（項目編號：2014KYTD03）研究成果之一

0問題與背景

隨著智能信息技術的飛速發展，越來越多的智能設備應用于社會的各個領域，數字化技術朝智慧化發展的趨勢已不可逆轉。數字圖書館將逐步向智慧圖書館轉變，未來幾乎所有圖書館中的物品，都有可能被植入智能芯片而成為“智能物品”。“智能物品”可幫助館員采集、過濾、發送、統計、解讀各種數據信息，激發圖書館全新的辦館思路，營造令讀者更滿意的館舍環境，提供更優質的服務。已有不少文章描繪了智慧圖書館的美好畫面，但是，美好的愿景需要建立在圖書館強大的智慧化功能基礎之上。因此，圖書館必須要具有一個類似人類大腦的，可以統一管理、協調所有“智能物品”的，實現物與物、物與人之間交互的核心功能部分，這個核心就是智慧圖書館數據層，數據層由數據中心、數據中心管理系統及其子系統等組成。

數據層的數據中心和數據中心管理系統是實現圖書館智慧化的關鍵所在。有了數據中心，眾多“智能物品”產生的海量數據才能得到處理，物與物、物與人之間的交互溝通方能實現。所以構建具備存儲、分析、計算海量數據的數據中心是建設智慧圖書館的重要前提之一。它將作為一臺邏輯計算機來定義和遷移所有的計算、存儲和網絡資源，使圖書館內眾多智能物體產生的海量數據組合成為一個邏輯上的“數據整體”，之后，數據中心管理系統將調用、挖掘并響應來自感知層和應用層的數據請求，進而為圖書館實現智慧化提供有力支撐。

當前，國內外關于智慧圖書館的研究，主要集中在圖書RFID標簽設備和ZIGBEE短途通信組網技術［1］、可穿戴智能設備［2］、智慧圖書館個性化服務及模式構建［3］等方面，對建設智慧圖書館有較好的指導作用。但是，上述研究基本屬于智慧圖書館感知層和應用層方面［4］的研究，關于智慧圖書館數據層［5］的深入研究和案例較為罕見。數據中心和數據中心管理系統是智慧圖書館數據層的兩個核心部分，當前國內外圖書館業界對此尚無統一認識，亟需開展進一步的研究。由于智慧圖書館與智能家居皆屬于智能建筑［6］廣義理論的范疇，因此，通過分析大型信息技術企業的智能家居建設案例，探索適合當前我國智慧圖書館現狀的數據層建設問題，是一種可行的研究思路。

1　智能家居及其數據中心管理系統

國內外眾多大型信息技術企業都在探索并建設智能家居系統平臺，尤其是微軟、谷歌、三星、蘋果等國外及以BAT（百度、阿里、騰訊）等為代表的國內信息企業都提出了各自智能家居的數據處理系統理論及建設思路，對智慧圖書館建設數據中心管理系統具有較好的實際指導作用。

圖1　智能家居示意圖*

1.1智能家居

智能家居又稱為智能住宅。其融合利用先進的計算機、網絡通訊、綜合布線、醫療電子等信息技術，遵循人體工程學的原理，根據用戶的個性需求，將與家居生活密切相關的各子系統，如光線控制、安全防衛、內飾控制、燃料控制、家用電器、場景聯動、供暖制冷、環境衛生等，有機整合為一體，并通過中央智能系統控制和管理，最終實現“以人為本”的智能化家居生活［7］。智能家居環境下，家居設備可實現自動化及智能化的管理，即所有的家居設備，如電器、家具等均可針對用戶意愿提供個性化的服務，有如人類一樣具備了“智慧”的溝通能力。從圖1可看出，在整個智能環境下，住宅中的各種物品都具備了溝通交互功能，彼此可相互理解、合作，房屋的恒溫控制、照明、家電控制、園藝噴灌等子系統，皆由智能家居數據中心管理系統直接控制、調度，共同營造用戶定制的環境溫度、亮度和背景；同時還可使用手機等智能終端設備實現遠程管理。

1.2智能家居數據中心管理系統

1.2.1微軟“Xanadu 2.0”

為全面展示微軟公司的技術產品及對未來信息科技的設想，預測未來人類智能家居生活的場景，比爾·蓋茨斥資6300萬美元建造了名為“Xanadu 2.0”（世外桃源2.0）的“未來屋”［8］。“未來屋”完全由中央數據中心管理系統“Xanadu”自動控制，所有家居設備均通過無線網絡相互連接，并使用統一的數字語言相互溝通，同時配備人類聲控及指紋子系統，主人進門無需鑰匙，留言及書寫不用紙筆。來訪的客人只要佩戴為其定制的電子胸針，即可上傳個人數據，“Xanadu”系統會根據已有客人數據讀取其個人偏好，自動調節出令其賓至如歸的舒適背景環境，而沒有佩戴胸針的人則被認為是入侵者，“Xanadu”系統將拒絕回應請求，同時還會啟動防衛系統。此外，房屋遍布各種各樣的傳感器，可隨時自動調節燈光、溫濕度及灌溉植物。2006年4月，蓋茨在未來屋中設宴款待了訪問美國的中國國家領導人胡錦濤，并向他展示了未來屋的各種智能化功能。

1.2.2三星“SmartThings”

三星的智能家居控制系統平臺“SmartThings”通過遍布用戶家中的各種傳感器，實時監測室內溫濕度變化，并訂閱家庭監控服務。當用戶家中發生緊急事故，例如起火、水管爆裂及失竊時，“SmartThings”會立即向指定聯系人撥打電話或發送短信，報告發生了什么事情。通過安裝“SmartThings”的APP應用，用戶可以使用智能手機、手表及其他智能終端遙控屋內的電器，真正實現屋內所有的三星設備都連入“物聯網”，彼此可以相互識別、通信。2015年上半年，“SmartThings”開始進入實際部署階段。不過，三星的智能家居系統還不是非常完善，“SmartThings”僅限于三星設備之間的通暢互聯，對第三方設備的兼容性并不強。

1.2.3谷歌“Brillo”

2015年，谷歌以開源智能手機系統平臺“Android”為核心，開發了智能家居系統平臺“Brillo”和跨平臺物聯網協議“Weave”。“Weave”協議和“Brillo”系統配套使用，可以互相連接云端數據中心、“Android”手機和“Weave”協議支持的第三方設備，比如谷歌“Nest”傳感器系列產品可通過“Weave”協議與使用“Android”的手機互聯，使“Android”升級為一個兼容性極強的物聯網系統平臺。使用基于“Android”的“Brillo”，未來可以幫谷歌將谷歌搜索、瀏覽器“Chrome”、谷歌街景地圖、郵箱GMAIL等服務整合成一體，這意味著未來谷歌智能家居的潛在用戶群體將十分龐大。同樣，除了自動管理，用戶也可以通過“Brillo”實現手機遠程管理。

盡管智能家居仍未十分成熟，也尚未得到大規模普及。但是，根據美國專業咨詢機構Forrester的預測，到2020年，智能家居將成為繼智能手機后的下一個萬億級別的普通居民消費市場［9］。隨著智能家居產業越來越受重視，相關技術發展不斷進步，必然會有越來越多的智能化設備和應用不斷涌現。上述企業就已有不少成熟應用的案例，通過各自開發的系統平臺，基本實現了家居設備的自動化及智能化管理。在整個智能家居體系結構中，智能家居數據中心管理系統（smarthome control systems，SCS）是數據層的核心組成部分，是智能家居智慧化功能實現的關鍵。

1.3智能家居數據中心管理系統特點

根據微軟、三星、谷歌等公司的智能家居數據處理模式，可總結出智能家居數據中心管理系統的共同特點如下：

（1）系統結構靈活多變。從總體來看，智能家居數據中心管理系統是由各子系統通過遵循一定的網絡通信協議組合而成的系統。用戶可自行根據需求，增刪功能子系統。

（2）存儲量巨大，數據處理能力極強。智能家居數據中心屬于云計算中心，在智能家居環境中，各種家居設備、溫濕度傳感器、攝像頭等每月產生的實時數據流達到了令人驚訝的PB（千萬億字節）級別，因此必須具備儲存和處理海量大型數據的能力。

（3）操作簡單，管理快捷。智能家居數據中心管理系統的所有設備均可通過手機等智能終端接口接入，可提供可視化操作及管理，極為簡單方便。

（4）支持多種場景應用。可設定各種生活模式及場景，例如，在/離家模式，生日/宴會場景等。

（5）兼容性強，部署簡便。對于已設置好數據中心管理系統的環境，新增智能設備可以即插即用，只要插上電源，即可通過無線連接方式，加入智能家居系統。

2　我國智慧圖書館數據層建設問題

2.1智慧圖書館

智慧圖書館的出現源于人工智能技術的發展，國內外學者就智慧圖書館的定義進行了大量的探討，例如，芬蘭奧盧大學館員艾拓拉等提出的感知論，上海社會科學院信息研究所王世偉等提出的模式論，以及人文論、要素論、智能論等［10］，但仍未有統一的定義。作者認為，智慧圖書館是具備感知自動化（Perception Automatic ）、處理大數據化（ Processing Big Data）及服務個性化（Personalized service）功能，能夠令用戶產生智慧化體驗的綜合性圖書館。

2.2國內外智慧圖書館建設現狀

當前，國內外大部分智慧圖書館的智慧化建設程度不高，大多停留在“無人值守，自動感知，自助借還”階段。例如，廣州市群書博覽公司研發生產了“校園智慧圖書館”，在廣州市屬9所重點中學投入使用［11］；我國臺灣地區臺北市圖書館在超市、地鐵站、機場內設置了“智慧圖書館”［12］；澳大利亞阿蘭娜和馬德琳基金會在澳洲部署了400多個社區“智慧圖書館”［13］；美國佛羅里達布勞沃德縣圖書館與機場合作，在機場設置“智慧圖書館”［14］。這些圖書館的共同特點是無人值守，用戶自助服務，具備初步的智慧感知能力，依靠部署的自助借還書系統、RFID系統、門禁系統和物流配送系統組合而成；主要功能是提供自助借還書服務；優點是靠近社區及交通樞紐，方便讀者借還，因此較受群眾喜愛，一定程度上提高了圖書的流通率，但它們還不能提供主動的“個性化”服務，不具備大數據的處理能力，不能稱之為完全意義上的“智慧圖書館”。然而也有極個別完成了智慧圖書館“雛形”建設的圖書館，例如，深圳鹽田區圖書館和荷蘭阿姆斯特丹圖書館，這些圖書館實現了較大程度的自動化感知功能，可以通過讀者卡、手機等感知讀者位置，能夠存儲并分析有關讀者閱讀歷史及閱讀偏好的大量數據，結合圖書館的館藏資源和讀者的習慣，進行主動的信息資源推送服務，另外還針對性地實現了一些個性化的智慧功能，如書桌可以記憶讀者的閱讀習慣，自動調節坡度及高度［15］；阿姆斯特丹圖書館還推出了針對特殊讀者的個性化“跟隨沙發”［16］，在感知到讀者后，經過特殊改造的椅子會自動行駛到讀者跟前，一直跟隨至讀者離開圖書館才結束服務。

圖2　智慧圖書館數據層結構

2.3智慧圖書館數據層

智慧圖書館數據層的主要功能是采集和管理感知層、應用層的數據。數據層由數據中心、數據中心管理系統、區域子系統組成（見圖2）。

數據中心是個復合概念，它不僅僅是一些服務器的集合，而是一種多功能的，能容納眾多服務器、存儲、制冷以及通信設備的建筑，用以傳遞、加速、計算和存儲大規模的數據信息。智慧圖書館感知層采集的數據，應用層提交的數據及各種區域子系統產生的各類數據信息，統一存儲到數據中心。

數據中心需具備以下特性：（1）高傳輸性。能滿足當前及未來網絡傳輸的要求，能提供1-10GB或以上的傳輸速率。（2）高可靠性。使用開放標準的系統，能24小時不間斷運行。（3）低能耗。使用結構合理的低密度構造，同時具備高效的散熱性能。（4）延伸性好。能適應未來發展變化，支持業務增長及擴容，且方便維護。

數據中心管理系統是用于管理數據中心的操作系統。狹義的數據中心管理系統指管理數據中心的功能系統，它負責數據的導入、分析、查詢，并響應來自智慧圖書館應用層及感知層的請求。廣義的數據中心管理系統包括數據層中各區域子系統，除上述數據操作外，中心系統仍需響應來自數據層內部的各種跨平臺、跨協議的數據請求。

2.4我國智慧圖書館數據層建設存在的問題

2.4.1亟需加大數據存儲及處理能力

智慧圖書館的所謂“智慧”，并非通常意義上的人類智慧。智慧圖書館并不能像人類一樣產生思維意識，它實際是先通過數據中心監控、收集大量用戶個人日常行為習慣的非結構化數據，再進行大數據的統計、計算、分析，進而歸納、預測出用戶下一步可能的行為或行為趨勢，然后根據預測的結果提供自動化的服務，最終產生一種仿佛無所不知的“智慧化”圖書館用戶體驗。由于用戶行為數據是進行預測最重要的基礎，因此，智慧圖書館必須具備存儲及處理大型數據的能力。與大型信息技術企業的智能家居相比，當前我國大多數進行智慧圖書館建設的圖書館尚未具備大型的數據存儲及處理能力。少部分進行了初步智慧化建設的圖書館，例如，上海圖書館、深圳圖書館、廣州圖書館、北京理工大學圖書館、廈門集美大學圖書館等，完成了圖書的RFID標簽改造、ZIGBEE短途通信網絡架設、館內圖書導航移動手機APP應用［17］等建設工作。但是，這些屬于智慧圖書館感知層和應用層的建設，作為核心數據支持的數據層建設則幾乎沒有。某些區域圖書館進行了數據中心建設的嘗試，例如福建福州地區大學城策劃建設福州地區大學城數據中心［18］，但是并未達到處理大型數據的預期效果。由于沒有數據中心的支持，大量感知數據的存儲及處理無法即時進行，高級智慧化應用也無法得到進一步的數據支持。

2.4.2區域數據處理的智慧化程度有待提高

在智能家居環境中，整體智慧化并非由數據中心管理系統單獨提供，而是由多個功能子系統組合成的有機功能整體來實現。眾多子系統提供各種智慧化功能，再由數據中心管理系統統一協調管理。例如，安防子系統負責門禁、監控、消防等的智慧化；節能子系統負責燈光的開閉、植物灌溉、空調開關等智慧化。與此類似，整體圖書館功能的智慧化，也是由多個局部智慧化子系統組合成的邏輯整體。因為，圖書館內有多種服務、設備、人員、物品，服務環境較為復雜，因此，圖書館被劃分成許多局部的“小環境”，由不同的智慧子系統來分別進行管理。但是，目前我國智慧圖書館部署的各子系統功能仍有所欠缺。某些圖書館雖然部署了門禁、節能、背景控制、地圖導航、服務預知等子系統，實現了某些局部的“智慧化”，但整體的智慧化能力仍有待完善，尤其是缺乏能夠整體管理協調眾多功能子系統的中心管理系統。

2.4.3尚未具備統一的設備通信標準，數據兼容性較弱

“萬物互聯”是智慧圖書館的一個建設目標，要實現這一目標，圖書館內部的物品及設備必須能夠彼此識別。但是，受限于當前通信標準不統一，不同功能子系統間的設備數據兼容性較差或根本無法兼容。例如，三星的智能家居平臺下，只有三星的設備可以較好地互聯，而這在實際應用中是不現實的。同理，除了圖書外，圖書館中尚有大量設備需要進行“物化”［19］改造，用戶管理也會產生精確定位等需求，屆時將產生大量不同格式的第三方數據。但現實情況是，包括智能家居、智能建筑在內，當前并無統一的互聯通信標準，而出于壟斷性經營的商業目的，某些大型信息技術企業對于推動統一的設備通信標準并不積極，造成當前智能設備間的數據兼容性普遍較弱。

3　智慧圖書館數據層建設的推進策略

3.1加快建設智慧圖書館數據中心

數據中心是智慧圖書館數據層的核心組成部分之一。數據中心具備強大的數據存儲和計算功能，能管理感知層產生的海量非結構化數據，并為應用層的智慧化提供有力支撐。當前，數據中心建設的方案主要有兩種。一是自建數據中心。百度、阿里巴巴、谷歌、IBM等企業為了拓展業務，都建設有獨立的數據中心，例如，阿里云、谷歌drive等。自建的成本較高，后期維護對技術力量、資金等方面都有較高的要求，對普通的中小型圖書館來說存在較大的難度。因此，較為合理的做法是共建數據中心，即由區域內的圖書館共同出資構建并共同維護，通過設備聯合采購、聯合維護來進一步降低使用和維護成本，或者由國家圖書館、綜合性大學圖書館及地區公共圖書館等實力較強的大館牽頭建設，區域范圍內有數據使用需求的中小型圖書館以購買數據存儲和計算資源等方式分攤數據中心建設成本。二是租賃亞馬遜、阿里云、百度云等國內外大型云計算服務商提供的云服務。根據圖書館自身的實際情況，選擇按使用流量或使用時間來繳納費用，這種方式較適合資金不充裕的中小型圖書館。

3.2完善局部子系統建設并開發智慧數據中心管理系統

智慧圖書館數據中心管理系統實際是一個生態系統，由各個局部的功能子系統構成一個整體，再由數據中心管理系統來統一管理、調用。在功能子系統建設方面，除了當前各圖書館已建成的RFID標簽識別子系統外，還要推進門禁子系統、安防子系統、背景識別子系統、遠程監控子系統、節能子系統、圖書導航子系統、圖書自助借還子系統等建設，進一步完善圖書館整體的智慧化。在此基礎上，再通過引入或開發類似“Xanadu”“SmartThings”“Brillo”等的智能數據中心管理系統，實現數據層的智慧化。例如，深圳鹽田區圖書館部署了較為完善的局部數據子系統，包括智慧感知、智慧服務系統。通過智慧感知系統，該圖書館可根據讀者佩戴的智能穿戴設備或者手機APP感知及獲取讀者位置，再根據人流量的多少自動調節空調溫度、燈光強弱、通風等室內環境，并根據讀者的使用歷史、讀者的閱讀偏好等數據進行統計分析，主動進行信息推送。此外，讀者還可以在入館前，自行通過該館提供的智慧服務系統APP，預先查詢館內坐席、停車位等的實時情況，進而決定是否要去圖書館。

3.3逐步推進統一跨平臺的智慧圖書館通信協議的制定

不同設備遵循不同的通信標準，這嚴重制約了智慧圖書館的持續發展，因此相關部門必須要加快制定統一的、跨平臺的數據通信協議，提高智慧圖書館的數據兼容能力。通信協議的制定需要一個過程，例如，對于移動支付協議，一開始各電商和銀行都制定了各自獨立的標準，彼此不能兼容，由于消費者需求的推動，最后在政府主導下達成了一致，制定了當前較為完善的支付標準。因此，智慧圖書館的數據通信協議的制定，也需要立足讀者需求，從“以人為本”的個性化微服務［20］角度，在政府及相關行業學會的引導下逐步推進。

4　結語

2015年1月14日，中共中央辦公廳、國務院辦公廳印發了《關于加快構建現代公共文化服務體系的意見》［21］，強調“結合‘智慧城市’和‘寬帶中國’等國家重大信息工程建設，加快推進公共文化機構文化資源在智能社區中的應用……”，對圖書館推進公共文化服務的數字化、智能化建設，提出了具體要求［22］。實際上，我國不少圖書館嘗試著進行圖書館智慧化的建設，并取得了一定成效。例如，江蘇省蘇州市吳江區圖書館著手構建“智慧圖書館之城”，大力吸引市民參與，取得了良好效果，對推廣公共文化服務、整合公共文化資源起到了積極的作用。上海圖書館通過打造五新“智慧圖書館”，極大地提高了讀者訪問量及圖書借閱量。根據上海圖書館公布的統計數據，該館2014年度通借通還量超過了5700萬冊，大大超過往年的平均數量［23］。可見，推動智慧圖書館建設，不僅與我國的文化建設精神一致，也能有效地整合資源，推動圖書館業務的有效增長。但是，當前智慧圖書館研究局限在感知層和應用層，對作為重要核心的數據層的相關研究非常少。本文從研究相關大型信息技術企業的智能家居數據層建設的成功案例出發，就智慧圖書館的數據中心及其管理系統的建設提出一些探討性的意見，旨在拋磚引玉，引起更多專家學者對這一核心問題的關注和重視。作者也將會在后續的課題研究中，針對數據中心的相關技術問題進行更深入的研究，以探索適合我國智慧圖書館數據中心建設的技術解決方案，為圖書館數據層的智慧化建設，提供有價值的思路和意見。

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Data Layer Construction of Smart Library Based on Smart Home Design

LING Zheng-qiang，HUANG Hui

AbstractThis article expounds the present development about smart home of several IT enterprises，explores the data center system and the main features of smart home. Drawing lessons from those enterprises about the data layer design of smart home，the authors propose to promote the data layer construction of smart library by creating data center，setting standards for cross platform data communication，developing data center management system and regional data subsystem，etc.

Keywordssmart home；smart library；data layer；data center system

作者簡介凌征強，男，研究館員，碩士生導師，廣東省外語藝術職業學院圖書館館長；黃輝，男，廣東農工商職業技術學院圖書館副研究館員。

收稿日期2015-10-26