基于云計算的智能家居管理系統設計與應用

(北京物資學院 北京 100000)

一、緒論

智能家居是物聯網技術的一項應用，它通過傳感技術、傳輸技術、計算機處理技術等物聯網技術，將各種家具設備，比如照明、窗簾、空調、冰箱、電視、安防設備等連接到一起，通過傳感網絡、無線傳輸網絡和智能處理設備，為用戶提供智能家電控制、智能燈光控制、智能防盜報警、家居環境監測等智慧化的家居服務。

在現有的智能家居技術中，系統是基于獨立的智能處理控制模塊，即智能終端，對家居環境中各類信息進行采集、處理，并控制室內的各類傳感設備、家用電器等設備。這種技術面臨的問題包括以下三類：

(一)智能終端的穩定性和可靠性

智能家居的目的是為用戶提供穩定、舒適的智能家居環境，因此智能終端通常情況下處于24小時的工作狀態，這就對智能終端的穩定性提出了很高的要求。由于一個家庭只配備一臺智能處理終端，該終端負責整套智能家居系統的控制與管理，一旦該設備出現斷電、程序崩潰等異常情況，整個智能家居系統便無法正常工作，極大地降低了用戶對系統的體驗和滿意度。

(二)智能終端的數據處理能力

隨著智能家居系統的發展，家庭傳感設備的增多，智能家居系統需要處理的數據也將成指數級地增長，這些數據不僅包括各種傳感器實時監測到的數據，還包括設備的基本信息、對家用電器傳送的各類指令、實時的視頻監控數據流、在線設備的狀態信息等。有些數據需要長期保存，有些數據需要實時處理，這對智能終端的數據處理和存儲能力有很高的要求。現有的智能家居的智能終端多是以嵌入式開發平臺為基礎，大幅度提高數據處理能力需要較強的開發能力和較高的開發成本，這不利于智能家居這項技術的推廣以及大規模商業普及。

二、基于Hadoop云平臺的智能家居管理系統設計

(一)智能家居系統的云平臺框架設計

智能家居系統是在現有智能家居系統的基礎上引入了云計算的方法，室內部分沿用傳統智能家居的信息感知和傳輸方式，而在云平臺上，智能家居中的各種功能以服務的形式呈現給使用者，服務的使用者可以安全方便地在平臺上訂閱并使用所需的智慧家居服務。通過云計算平臺，將原本千千萬萬獨立的智能家居系統融合成網絡，在這個智慧服務網絡中，服務提供者的信息是開放、用戶信息的私密的，業務是集成的，服務是智慧化的，計算處理是分布式的，而用戶單元是異構的，體現了服務的個性化。

借鑒物聯網的模型，本課題將基于云計算的智能家居管理系統從結構上劃分為六層[17]。其中，第1層是指家居環境以及其中的設備，第2層是對信息的感知，第3層實現室內資源的共享，第4層完成傳感信息的融合和云端的智能處理，第5層是對各類服務和子系統的業務融合，第6層是用戶層，完成用戶身份的鑒權。

在6層模型中，第4層位于云計算中心，底層將整合后的傳感信息送至該層進行集中處理和管理，所以信息融合與處理層是整個智能家居系統的核心。

(二)信息融合與處理系統的設計

信息融合與處理系統需要處理的是三大類傳感信息。第一類是安裝在室內的傳感器、攝像頭等傳感設備直接采集到的室內環境及監控信息，這些信息實時傳送到云計算中心，經過適配和轉換成云平臺可以處理的格式類型，通過事務處理提供各種智慧化家居服務；第二類是云計算中心存儲的歷史信息，包括歷史傳感信息和處理產生的結果，利用歷史信息可以通過深度數據挖掘等技術為用戶提供更加智慧化的服務；第三類是用戶身份信息，因為云計算平臺的公用特性以及整個系統的多租戶特點，所有使用者平臺上都必須有唯一可確定的身份信息，用于身份鑒權和服務訂制。

為了能夠快速高效地處理這些傳感數據，云計算中心配置了與之相應的軟硬件，包括虛擬服務器、存儲設備等硬件設備和各種所需的軟件，對傳感信息進行分布式并行處理。

為了滿足不同需求，智能家居系統平臺需要為用戶提供多樣的應用和服務，系統既要提供常用的通用服務，又要可以提供個性化的服務，所以在設計信息融合與處理系統時，既要適應不同用戶間功能需求的差異，又要實現功能的可配置。為此，我們將整個系統分解成若干個功能上互不重疊的功能單元，每一個功能單元滿足用戶某一方面的需求，各個功能單元通過接口進行信息傳遞，這樣所有功能單元疊加起來可以盡可能地滿足所有用戶的多樣性需求。用戶可以根據需求和經濟能力，使用相應的功能單元，支付相應的業務費用。這樣既滿足了用戶需求的多樣性，又提高了系統的靈活性和擴展性。

因此，信息融合與處理系統需要包括多個功能單元、服務提供者的服務提供接口，通信適配與轉換模塊，同時，系統日志和設備管理單元也是必不可少的。

三、基于Hadoop云平臺的智能家居管理系統實現與應用

(一)家居服務環境的智能化管理系統

為了保證用戶數據的安全性、私密性以及系統運行的高效性，智能家居管理系統的云計算平臺按照不同的業務采用不同的方式對信息進行處理。對于涉及用戶隱私和安全，并且數據量較大的業務，比如家居安防、監控系統，系統按照用戶信息的不同，將每個用戶使用的服務打包成一個事務，并且可以保證在處理不同用戶的數據不會發生互相干擾；而對于數據量較小的業務，由于Hadoop擅長處理大規模數據，在不涉及用戶隱私和安全的情況下，系統按照物理范圍對用戶數據進行打包分組處理，比如對于數據量較小的室內溫濕度監控系統，系統可以將一個小區或者一個城市的所有溫濕度傳感信息整合后整體處理，根據用戶身份識別信息，并控制相應的家庭設備。

結論

通過結合智能家居和云計算這兩個熱門技術，在現有智能家居系統的基礎上，提出并實現了基于云計算的智能家居管理系統。本文研究了現有智能家居系統的各項關鍵技術，包括智能家居系統中的無線組網技術、信息感知技術和智能控制技術。這些技術，在新的基于云計算的智能家居管理系統中依然適用。并搭建了云計算平臺。云平臺以Hadoop為基礎，結合云計算的分布式集群系統，利用其中的三個節點，搭建了用于智能家居系統的云端平臺。在智能家居管理平臺的基礎上，完成了智能家居管理系統。

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