智能家居中的霧計算

陳曉紅

摘 要 物聯網被稱為信息產業的第三次發展浪潮，物聯網的發展影響到社會生活的各個領域，對大數據、云計算以及霧計算提出了新的要求。文章分析了霧計算和云計算的差異，各自的應用領域以及二者可以互為補充，使用案例闡述了霧計算在智能家居領域的應用。

關鍵詞 智能家居；霧計算；云計算

中圖分類號 G2 文獻標識碼 A 文章編號 1674-6708（2018）223-0158-02

物聯網即物物相聯，就是將所有物品通過傳感設備與互聯網連接起來，實現智能化的管理，是新一代網絡技術的集成和運用。物聯網是互聯網技術的拓展，提供各種業務和應用。物聯網已廣泛應用于各個領域，如：物流、安防、能源、交通、制造、醫療、建筑、家居等。物聯網催生了大數據、分布式的云計算以及霧計算。文章主要闡述霧計算在智能家居中的應用。

1 智能家居

智能家居指的是使用一定的設備和方法，使家庭變得更舒適、更安全、更高效。智能家居通過物聯網技術將家中的各種設備（如音視頻設備、數字影院系統、窗簾控制、空調控制、安防系統、照明系統、網絡家電等）連接在一起，提供家電、窗簾、照明、電話遠程控制，環境監測、防盜報警、暖通控制、可編程定時控制等多種功能。與傳統的家居相比，智能家居除了居住功能，更兼備網絡通信、信息家電、設備自動化，提供更加高效、舒適、安全、便利、環保的居住環境，使得家庭與外部信息交流更加暢通，幫助人們更加有效的安排時間，優化生活方式，使得家居生活更加便利、更加安全。

2 霧計算（Fog Computing）與云計算（Cloud Computing）

2.1 霧計算

在霧計算中，數據、數據處理和應用程序都？集中在網絡邊緣的設備中，而不是全部保存在云中，是云計算概念的延伸，是由思科公司（Cisco）首先提出的。相比云計算，霧計算的計算能力相對較弱，只有一些零散的計算設備，它是介于云計算和個人計算之間的。隨著云計算的使用，越來越發現實施起來很困難，現有的數據中心滿足不了云計算的高層計算算法，這為霧計算提供了機會，顯示出邊緣計算設備的作用，希望計算要在物理節點上分散，而不是集中，這就是霧計算。

云計算是以運營商服務，公有云為主的，霧計算是以個人云，私有云，企業云等為主。云計算的計算能力強，由群集的高性能計算設備所組成，霧計算以量制勝，不管單個計算節點能力多么弱都要發揮作用。霧計算擴展了云計算的計算模式，將計算從網絡中心擴展到了網絡的邊緣，廣泛應用于各種服務。霧計算的顯著特點是：低延時，位置感知，更廣泛的地理分布，更多的移動性的應用，支持更多的邊緣節點等。

物聯網所連設備數量巨大，分布廣泛，有了霧計算就可以部署更多的業務。例如，智能交通信號燈。使用傳感器監測行人、騎行者狀態以及正在靠近的車輛的速度和距離，智能信號燈與這些傳感器進行本地交互，根據交互的信息，智能信號燈向靠近的車輛發送報警，并修改其變燈周期，以防交通事故發生。

為了進行實時分析，智能交通燈系統收集的數據在本地處理，使用霧計算，重新協調相鄰智能交通燈系統可以對變燈周期進行任何修改，以響應交通狀況。智能交通燈系統生成的數據也被發送到云，用來分析長期交通模式。

2.2 霧計算與云計算的區別

與云計算不同，霧計算更接近網絡邊緣，采用分布式架構。霧計算將數據、數據處理和應用程序集中在網絡邊緣的設備中，而云計算的數據存儲及數據處理幾乎都在云端進行。因此，云計算是集中式計算，而霧計算是分布式計算。

云計算要求用戶連到遠程的大型數據中心才能進行存取服務，而霧計算不必如此。除了架構上的差異，云計算能夠提供的應用，霧計算大多數也能提供，只是霧計算的計算能力不如云計算的大型數據中心的能力強。

專業人士曾認為未來計算功能將完全放在云端。可是，數據從云端傳入、傳出要比想象的復雜和困難。而由于移動設備越來越多，在傳輸數據時，不僅對網絡帶寬提出更高的要求，而且使數據中心的負擔日益加重，數據傳輸和信息獲取越來越成為問題。結合分布式的霧計算，通過智能路由器等設備和技術手段，在不同設備之間組成數據傳輸帶，可以減少網絡流量，數據中心的計算負擔也相對減輕。

3 霧計算在智能家居中的使用

有些數據最好靠近其來源進行處理。本例是使用思科（Cisco）的Packet？Tracer模擬器實現智能家居的應用，智能家居利用霧計算進行監控并根據在家中檢測到的煙霧濃度采取措施。

一般情況下，家庭網關充當所有家庭內部設備的集中器和路由器。并提供一個基于Web的界面，允許用戶監視和控制各種智能家居設備，家居設備可以通過無線或有線方式連接到家庭網關，用戶可通過家中的任何計算機如平板電腦、智能手機、筆記本電腦或臺式電腦，遠程監視和控制智能家居中的設備。

本例中，家庭網關通過無線連接各個智能設備，包括：前門、窗戶、車庫門、風扇/煙霧檢測器。各個設備連到微控制器（MCU），在微控制器（MCU）進行編程控制家居設備。

業主在車庫里停放了一臺汽車，發動汽車時會產生一氧化碳，這會增加房屋內的一氧化碳濃度。添加到智能家居的微控制器（MCU）用于監測煙霧傳感器測量的煙霧濃度讀數，并決定是否給房屋通風。如果一氧化碳濃度高于10.3個單位，則經過編程的微控制器可用于自動打開窗戶、前門、車庫門，并高速啟動風扇。當一氧化碳濃度低于1個單位時，此操作才會恢復先前狀態，關閉門窗并停止風扇。

在微控制器（MCU）的編程代碼如下：

當微控制器打開門窗并啟動風扇后，煙霧水平下降至接近零。在監測煙霧濃度的同時，按住Alt鍵并點擊汽車停止引擎。這時，房屋內的CO和CO2濃度下降至0個單位。MCU關閉車庫門、前門和窗戶并停止風扇。

在智能家居案例中，霧計算是最佳選擇。系統處理煙霧傳感器產生的數據并用其就房屋空氣質量作出決定，無需將傳感器數據發送到云進行處理。云處理會減慢響應時間；如果與互聯網的連接中斷，整個系統將出現故障，還可能使用戶面臨生命危險。

4 結論

通過將萬物互聯，產生了大量的實時數據，要將數據轉換為具有商業價值的信息，對計算能力和存儲空間的需要不斷增加，這些一般由公共云供應商來提供。但是在云計算服務發展的過程中，數據傳輸以及信息提速的費用也越來越高。如果服務的實時性要求高，對云計算服務來說更加棘手。霧計算能識別更加靠近網絡邊緣的分布式計算基礎設施，它使邊緣設備可以在本地運行應用并立即做出決策，可以降低網絡傳輸數據的負擔，在網絡連接斷開時，也可以使物聯網設備運行繼續，從而提高了恢復能力，還能防止將敏感數據傳輸到邊緣以外，提高了安全性。

參考文獻

[1]楊志和.物聯網的邊界計算模型：霧計算[J].智能處理與應用，2014（12）：65-67.