基于開(kāi)源軟硬件的智能家居邊緣計(jì)算系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李曉微　孟芳宇　郭卓然　董靜怡　汪晗

摘要：智能家居產(chǎn)品和系統(tǒng)正在成為人們家居生活中不可或缺的組成部分，逐步滲透到人們?nèi)粘＜揖由畹姆椒矫婷妗㈤_(kāi)源軟硬件和邊緣計(jì)算技術(shù)的優(yōu)勢(shì)融入到智能家居設(shè)備的設(shè)計(jì)中，提出了一套改進(jìn)的智能家居系統(tǒng)架構(gòu)和軟硬件設(shè)計(jì)方案，為實(shí)現(xiàn)高可靠、可擴(kuò)展、功能完善的智能家居產(chǎn)品提供了切實(shí)可行的參考設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：智能家居;邊緣計(jì)算系統(tǒng);開(kāi)源軟硬件;云服務(wù)

中圖分類號(hào)：TU855

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI： 10.15913/j.cnki.kjycx.2019.08.066

1 概述

隨著物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算和人工智能等新興技術(shù)的不斷進(jìn)步和發(fā)展，給人類的工作和生活帶來(lái)了方方面面的改變。人們對(duì)生活質(zhì)量，特別是對(duì)家居生活的舒適性、便利性和安全性的要求不斷增強(qiáng)和提高，促使家居用品逐漸朝著自動(dòng)化和智能化的方向不斷發(fā)展。智能家居產(chǎn)品和系統(tǒng)正在成為人們家居生活中的不可或缺的組成部分，逐步滲透到人們?nèi)粘＜揖由畹姆椒矫婷妗Ｖ悄芗揖酉到y(tǒng)，最早是指在傳統(tǒng)家居基礎(chǔ)上，借助物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，將住宅中和家居生活有關(guān)的各種設(shè)施整合，實(shí)現(xiàn)照明控制、可編程定時(shí)控制、家電控制等功能，最終打造出集安全、便利、舒適性為一體的家居環(huán)境[l]。智能家居的概念是在1984年美國(guó)出現(xiàn)了世界上第一個(gè)“智能型建筑”“智能家居系統(tǒng)”而引發(fā)的，在此之后全世界的智能家居產(chǎn)品和系統(tǒng)漸漸興起，特別是近些年各種智能插座、智能攝像頭、智能音箱、智能燈泡和智能門禁等產(chǎn)品和系統(tǒng)層出不窮，深刻地改變了人們的生活方式。而隨著物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算和人工智能技術(shù)的出現(xiàn)，又不斷促進(jìn)智能家居系統(tǒng)的設(shè)計(jì)形態(tài)和實(shí)現(xiàn)功能的改變和完善。

具有功能性和智能性的家居產(chǎn)品近些年在市場(chǎng)上層出不窮，不同的公司提供了大量的品類繁多和功能豐富的系列產(chǎn)品，以及強(qiáng)大的中心控制系統(tǒng)。雖然智能家居產(chǎn)品和系統(tǒng)已經(jīng)在人們?nèi)粘Ｉ钪刑峁┝烁鞣N智能化的功能和人性化的服務(wù)，但仍然存在三個(gè)主要的問(wèn)題：①不同公司的智能家居產(chǎn)品和系統(tǒng)采用的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)不同，造成智能家居系統(tǒng)的封閉，存在產(chǎn)品兼容性較差的問(wèn)題;②由于智能家居產(chǎn)品依賴于制造商所提供的云服務(wù)，個(gè)人信息的隱私性和安全性掌握在制造商手中，存在無(wú)法得到完全保障的問(wèn)題;③各種產(chǎn)品嚴(yán)重依托于云計(jì)算手段，存在系統(tǒng)反應(yīng)遲緩和實(shí)時(shí)性不足的問(wèn)題[2]。

因此，本文利用邊緣計(jì)算、開(kāi)源軟件和開(kāi)源硬件等技術(shù)設(shè)計(jì)了一種智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)架構(gòu)，旨在一定程度上解決上述列舉的問(wèn)題，提供一套安全、有效、完善的智能家居系統(tǒng)。

2 智能家居系統(tǒng)概述

智能家居系統(tǒng)目的是提供舒適、方便、安全、環(huán)保的居家生活環(huán)境。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和人們需求的提高，當(dāng)前的智能家居系統(tǒng)擁有了更加豐富的功能，系統(tǒng)的軟硬件配置也更加復(fù)雜。其基本服務(wù)功能包括監(jiān)測(cè)監(jiān)控、設(shè)備控制、智能服務(wù)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，當(dāng)前在市場(chǎng)上的產(chǎn)品類型主要有以下幾種：①監(jiān)測(cè)監(jiān)控。智能溫控器，智能視頻監(jiān)控，智能門禁，火災(zāi)報(bào)警，煤氣泄漏監(jiān)測(cè)等。②設(shè)備控制。智能燈泡，遠(yuǎn)程家電控制，智能插座等。③智能服務(wù)。智能音箱，健康管理設(shè)備等。④數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。文件云盤，個(gè)人信息助理等。

智能家居系統(tǒng)以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)，從系統(tǒng)構(gòu)成上來(lái)看，一般將其分為感知控制層、網(wǎng)絡(luò)通信層、應(yīng)用服務(wù)層[3]三層結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

感知控制層實(shí)現(xiàn)感知數(shù)據(jù)的采集和家居設(shè)備的控制等功能，包含智能家居系統(tǒng)內(nèi)部的各種終端設(shè)備，主要由數(shù)據(jù)采集終端和設(shè)備控制終端組成。網(wǎng)絡(luò)通信層實(shí)現(xiàn)智能家居系統(tǒng)內(nèi)部的各個(gè)終端連接和對(duì)外的數(shù)據(jù)傳輸，包含個(gè)人中心控制器、路由器、云服務(wù)器和通信網(wǎng)絡(luò)。應(yīng)用服務(wù)層實(shí)現(xiàn)人與智能家居系統(tǒng)的交互功能，主要由電腦、手機(jī)等通信終端和具有管理功能的服務(wù)軟件組成。

網(wǎng)絡(luò)通信層中通常涉及到兩種網(wǎng)絡(luò)：①將感知控制層中的各個(gè)終端連接起來(lái)的局域網(wǎng)絡(luò);②將智能家居系統(tǒng)同外部的云服務(wù)器連接起來(lái)的廣域網(wǎng)絡(luò)。其中，由于ZigBee具有組網(wǎng)靈活、處理開(kāi)銷小、功耗低等特點(diǎn)，成為建立感知控制層局域網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議的首選。而WiFi具有速率高、擴(kuò)展性強(qiáng)、支持廣泛等特點(diǎn)，成為用來(lái)實(shí)現(xiàn)感知控制層中設(shè)備與外界的通信的主要方式。而網(wǎng)絡(luò)通信層中的云服務(wù)器為智能家居系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)分析、信息處理和智能服務(wù)等重要功能，可以說(shuō)是目前市場(chǎng)上智能家居產(chǎn)品的核心部分。

目前市場(chǎng)上智能家居產(chǎn)品基本上都由單獨(dú)的智能設(shè)備構(gòu)成，比如智能燈泡、智能門禁、智能攝像頭、家庭環(huán)境監(jiān)測(cè)、智能音箱等，這些智能家居產(chǎn)品都依賴于云服務(wù)，才能實(shí)現(xiàn)手機(jī)終端對(duì)智能家居產(chǎn)品的遠(yuǎn)程訪問(wèn)和控制。而基于云計(jì)算的智能家居系統(tǒng)，在云服務(wù)器出現(xiàn)故障或者網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)異常時(shí)，會(huì)造成系統(tǒng)的整體癱瘓，特別是在多個(gè)智能家居產(chǎn)品聯(lián)動(dòng)的應(yīng)用場(chǎng)景下，無(wú)法對(duì)多個(gè)設(shè)備在局域網(wǎng)中進(jìn)行協(xié)調(diào)。而大量的家庭監(jiān)控視頻數(shù)據(jù)會(huì)上傳到云服務(wù)中心，再分發(fā)到用戶終端，必然會(huì)消耗智能家居產(chǎn)品到云服務(wù)中心之間的通信帶寬。同時(shí)，智能家居產(chǎn)品通過(guò)Intemet網(wǎng)絡(luò)連接到產(chǎn)品廠商提供的云服務(wù)中心，用戶的個(gè)人數(shù)據(jù)和信息也存在著泄漏的風(fēng)險(xiǎn)。

3 邊緣計(jì)算系統(tǒng)

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智能家居、智能交通、智能制造等應(yīng)用上面臨著各種挑戰(zhàn)和問(wèn)題，邊緣計(jì)算技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，其具備的高速計(jì)算存儲(chǔ)力、快速?gòu)椥耘渲谩⒎植际桨踩Ｕ系忍卣鳎蛊溲杆俪蔀楣I(yè)界和研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)。

邊緣計(jì)算是指在靠近物或數(shù)據(jù)源頭的一側(cè)，采用網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算、存儲(chǔ)、應(yīng)用核心能力為一體的開(kāi)放平臺(tái)，就近提供最近端服務(wù)[4]。其應(yīng)用和處理程序在系統(tǒng)的邊緣側(cè)發(fā)起，因此可以產(chǎn)生更快的服務(wù)響應(yīng)，能夠滿足應(yīng)用場(chǎng)景中對(duì)實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)、智能應(yīng)用、數(shù)據(jù)處理、安全與隱私保護(hù)等多方面的基本需求。通常來(lái)看，邊緣計(jì)算處于物理實(shí)體和工業(yè)連接之間，或處于物理實(shí)體的頂端。邊緣計(jì)算同云計(jì)算的配合使用，能夠起到互補(bǔ)的作用，可以將云計(jì)算中部分計(jì)算任務(wù)遷移到邊緣計(jì)算設(shè)備上，從而降低云計(jì)算中心的計(jì)算存儲(chǔ)和網(wǎng)絡(luò)帶寬的負(fù)擔(dān)，提高數(shù)據(jù)的處理效率。在云計(jì)算中心網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)問(wèn)題的情況下，邊緣計(jì)算設(shè)備的歷史數(shù)據(jù)成為系統(tǒng)數(shù)據(jù)的備份，增強(qiáng)了系統(tǒng)的安全性。

邊緣計(jì)算技術(shù)在智能家居系統(tǒng)中的應(yīng)用，能夠解決當(dāng)前系統(tǒng)中存在的主要問(wèn)題，具有數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理、分布式保障、安全和隱私保護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，如圖2所示。應(yīng)用邊緣計(jì)算技術(shù)，可以把家庭的圖像、視頻和信息數(shù)據(jù)存放在本地存儲(chǔ)設(shè)備中，經(jīng)過(guò)邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)的隔離，保障用戶私人信息安全，防止個(gè)人隱私數(shù)據(jù)外泄;數(shù)據(jù)采集終端、設(shè)備控制終端以及各種智能終端，它們之間的數(shù)據(jù)和信號(hào)也可以通過(guò)本地的邊緣計(jì)算中心處理器進(jìn)行實(shí)時(shí)的協(xié)調(diào)和處理;家庭的邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)會(huì)定期與云計(jì)算服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)同步，更新數(shù)據(jù)狀態(tài)和設(shè)備控制信息等。

目前邊緣計(jì)算在國(guó)際和國(guó)內(nèi)的研究非常活躍，主要的標(biāo)準(zhǔn)體系架構(gòu)組織包括歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)的多接入邊緣計(jì)算（ MEC）、國(guó)內(nèi)的邊緣計(jì)算聯(lián)盟（ECC）、美國(guó)的開(kāi)放霧計(jì)算聯(lián)盟（ OpenFrog）、美國(guó)的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟（IIC）以及Linux基金會(huì)下的開(kāi)源項(xiàng)目EdgeX Foundry等。總體上，當(dāng)前邊緣計(jì)算研究形成了以產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟為主、標(biāo)準(zhǔn)組織和開(kāi)源活動(dòng)為輔的積極發(fā)展態(tài)勢(shì)[5]。

4 基于開(kāi)源軟硬件的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

開(kāi)源軟件，也稱為開(kāi)放源碼軟件，被定義為描述其源碼可以被公眾使用的軟件，此軟件的使用、修改和分發(fā)也不受許可證的限制[6]。開(kāi)源硬件指與自由及開(kāi)放源碼軟件相同方式設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)和電子硬件。開(kāi)源硬件延伸著開(kāi)源軟件代碼的定義，包括軟件、電路原理圖、材料清單、設(shè)計(jì)圖等都使用開(kāi)源許可協(xié)議，自由使用分享，完全以開(kāi)源的方式去授權(quán)方式，是開(kāi)源文化的一部分[7]。開(kāi)源軟硬件為系統(tǒng)開(kāi)發(fā)帶來(lái)安全可靠、代碼質(zhì)量高、定制性和擴(kuò)展性好、節(jié)約成本等優(yōu)勢(shì)，成為市場(chǎng)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中一種重要的方式。對(duì)于智能家居系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，采用開(kāi)源軟件程序和開(kāi)源硬件電路進(jìn)行開(kāi)發(fā)，能夠在系統(tǒng)的擴(kuò)展性和兼容性、成本控制及安全可靠等方面取得明顯的優(yōu)勢(shì)。本文基于邊緣計(jì)算和開(kāi)源軟硬件等關(guān)鍵技術(shù)，提出了一種智能家居系統(tǒng)架構(gòu)，以及硬件電路和軟件功能模塊的設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)了一套高可靠、可擴(kuò)展、功能完善的智能家居系統(tǒng)。

智能家居系統(tǒng)硬件部分設(shè)計(jì)中，采用了開(kāi)源電路系統(tǒng)Arduino電路板和Raspberry Pi處理器作為數(shù)據(jù)采集終端、設(shè)備控制終端，以及個(gè)人中心控制器，如圖3所示。

智能家居系統(tǒng)軟件部分設(shè)計(jì)中，采用開(kāi)源軟件程序作為基本處理模塊，對(duì)于Arduino電路板采用Arduino語(yǔ)言進(jìn)行功能程序設(shè)計(jì)，對(duì)于Raspberry Pi處理器采用Python語(yǔ)言進(jìn)行功能程序設(shè)計(jì)，如圖4所示。

5 總結(jié)

基于開(kāi)源軟硬件的智能家居系統(tǒng)能夠在產(chǎn)品價(jià)格、系統(tǒng)擴(kuò)展性、設(shè)備可靠性能等方面具有顯著的優(yōu)勢(shì)，而邊緣計(jì)算技術(shù)給智能家居系統(tǒng)帶來(lái)了實(shí)時(shí)響應(yīng)、節(jié)約網(wǎng)絡(luò)帶寬、隱私和信息安全等方面的提高。本文將開(kāi)源軟硬件和邊緣計(jì)算技術(shù)的優(yōu)勢(shì)融入到智能家居設(shè)備的設(shè)計(jì)中，提出了一套改進(jìn)的智能家居系統(tǒng)架構(gòu)和軟硬件設(shè)計(jì)方案，為實(shí)現(xiàn)高可靠、可擴(kuò)展、功能完善的智能家居產(chǎn)品提供了切實(shí)可行的參考設(shè)計(jì)。

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