一種基于云平臺(tái)的智能家居光控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

引 言

云計(jì)算是通過(guò)Internet 提供動(dòng)態(tài)、易擴(kuò)展、虛擬化計(jì)算資源的一種計(jì)算方式，使用方便，用戶不需了解云中基礎(chǔ)設(shè)施的細(xì)節(jié)，不必具備相應(yīng)的專業(yè)知識(shí)，也無(wú)需進(jìn)行直接控制。伯克利云計(jì)算白皮書的定義 ：云計(jì)算包括互聯(lián)網(wǎng)上各種服務(wù)形式的應(yīng)用以及應(yīng)用所依托的數(shù)據(jù)中心的軟硬件設(shè)施。應(yīng)用服務(wù)即SaaS（ Software as a Service，軟件即服務(wù)），而數(shù)據(jù)中心的軟硬件設(shè)施即所謂的云。

上述定義提出了云計(jì)算的兩方面含義，一方面描述了基礎(chǔ)設(shè)施，用來(lái)構(gòu)造應(yīng)用程序，其地位相當(dāng)于 PC機(jī)上的操作系統(tǒng) ；另一方面描述了建立在這種基礎(chǔ)設(shè)施之上的云計(jì)算應(yīng)用， 云計(jì)算是能夠提供動(dòng)態(tài)資源池、虛擬化和高可用性的下一代計(jì)算平臺(tái)。

因此，云計(jì)算未來(lái)主要有兩個(gè)發(fā)展方向，一個(gè)是構(gòu)建與應(yīng)用程序緊密結(jié)合的大規(guī)模底層基礎(chǔ)設(shè)施，使得應(yīng)用能夠擴(kuò)展到很大的規(guī)模 ；另一個(gè)是通過(guò)構(gòu)建新型云計(jì)算應(yīng)用程序， 在網(wǎng)絡(luò)上提供更加豐富的用戶體驗(yàn)。目前，在云計(jì)算應(yīng)用的構(gòu)造上，很多新型社會(huì)服務(wù)型網(wǎng)絡(luò)如Facebook 等，已經(jīng)體現(xiàn)了這個(gè)發(fā)展趨勢(shì)，而在研究上則開(kāi)始注重如何通過(guò)云計(jì)算基礎(chǔ)平臺(tái)將多個(gè)業(yè)務(wù)融合。

1 智能家居產(chǎn)品及其發(fā)展趨勢(shì)

智能家居的概念最早出現(xiàn)在美國(guó)，智能家居是以住宅為平臺(tái)，兼?zhèn)浣ㄖO(shè)備、網(wǎng)絡(luò)通信、信息家電和設(shè)備自動(dòng)化，集系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)、服務(wù)、管理為一體的高效、舒適、安全、便利、環(huán)保的居住環(huán)境。智能家居利用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和綜合布線技術(shù)，將與家居生活有關(guān)的各子系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合在一起，通過(guò)統(tǒng)籌管理優(yōu)化人們的生活方式，幫助人們有效安排時(shí)間，增強(qiáng)家居生活的安全性，甚至為各種能源費(fèi)用節(jié)約資金。一般而言，智能家居系統(tǒng)具有以下幾個(gè)特征 ：

家庭中具備完善的、安全的保安防災(zāi)措施和生活服務(wù)的智能控制器；

家庭與小區(qū)及社會(huì)具有高度的交互能力和溝通能力；

家庭內(nèi)部具備完善的安保措施及全面的設(shè)施監(jiān)控管理和信息化的服務(wù)管理；

為家庭提供多媒體信息服務(wù)；

提供了一體化、綜合的服務(wù)。

智能家居目前已取得了初步成功，但離 智能化 還有很長(zhǎng)的距離，智能家居的發(fā)展趨勢(shì)有以下幾個(gè)方向：

網(wǎng)絡(luò)化。每一個(gè)家電都有固定的網(wǎng)絡(luò)地址，可以隨時(shí)控制。網(wǎng)絡(luò)化是信息技術(shù)、通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)，是智能家居的一個(gè)重要條件。

智能化、人性化。隨著人工智能的不斷發(fā)展和機(jī)器人的出現(xiàn)，使得智能化不再是一個(gè)神話，而智能化是智能控制發(fā)展的必然趨勢(shì)。因此，家居也必然向智能化方向發(fā)展。智能家居是IT技術(shù)（特別是計(jì)算機(jī)技術(shù)）、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、控制技術(shù)向傳統(tǒng)家電產(chǎn)業(yè)滲透發(fā)展的必然結(jié)果。智能化應(yīng)服務(wù)于人們的生活，因此應(yīng)更全面、更富有人性化。

節(jié)能環(huán)保。智能化的本質(zhì)之一是降低成本和提高效率，節(jié)能是降低成本的關(guān)鍵技術(shù)。綠色、環(huán)保、節(jié)能將成為未來(lái)家居的重要考核指標(biāo)，甚至是首要考慮因素。在住宅實(shí)現(xiàn)了基本智能化后，綠色生態(tài)住宅便成為必然的追求目標(biāo)。提高生活環(huán)境的質(zhì)量是其未來(lái)發(fā)展必須考慮的因素。

一體化。家居智能化需滿足自動(dòng)化管理、安全防范監(jiān)控、火災(zāi)報(bào)警、對(duì)講呼叫、設(shè)備監(jiān)控等內(nèi)容，將其智能化功能集成，從而降低成本。

規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化。由于智能家居發(fā)展較晚，新技術(shù)、新產(chǎn)品層出不窮，而標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范還在制定之中，但規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化是智能家居快速發(fā)展，走入國(guó)際市場(chǎng)的必由之路。

2 需求分析

智能家居最重要的部分是智能控制邏輯，由于現(xiàn)階段世面上的家居系統(tǒng)都是基于單片機(jī)或者嵌入式的單機(jī)模塊，因此帶來(lái)了一些問(wèn)題。傳統(tǒng)智能家居系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。

對(duì)家庭設(shè)備的控制不夠智能，系統(tǒng)無(wú)法讓用戶體會(huì)到智能家居的智能。

每個(gè)家居廠商對(duì)控制邏輯的開(kāi)發(fā)是獨(dú)立的，和控制終端在一起后，導(dǎo)致廠商之間的合作比較繁雜，系統(tǒng)開(kāi)發(fā)周期慢，且維護(hù)困難等。

智能邏輯部署在控制終端，所以智能邏輯不具有靈活性，對(duì)用戶而言不方便。

廠商各自獨(dú)立研發(fā)自己的控制邏輯，導(dǎo)致智能家居產(chǎn)品價(jià)格居高不下，不能有效減少成本開(kāi)支。

企業(yè)一般自己開(kāi)發(fā)的控制邏輯部分比較簡(jiǎn)單，同質(zhì)化較大，沒(méi)有將控制系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)做充分處理。

云計(jì)算+ 物聯(lián)網(wǎng)的計(jì)算機(jī)服務(wù)應(yīng)用模式將會(huì)帶來(lái)一場(chǎng)新的IT 革命。云計(jì)算智能家居系統(tǒng)運(yùn)用云計(jì)算和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)， 為智能家居領(lǐng)域的控制提供了一種全新的軟件開(kāi)發(fā)、部署和應(yīng)用模式，是SaaS 的一種典型實(shí)現(xiàn)。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

綜上所述，傳統(tǒng)的智能家居系統(tǒng)存在智能邏輯不獨(dú)立， 智能邏輯不夠智能，企業(yè)開(kāi)發(fā)智能邏輯成本較大，用戶使用不方便，升級(jí)換代麻煩等一系列問(wèn)題，針對(duì)這些問(wèn)題，我們提出了以下解決方案：

在智能邏輯部署上，我們采用智能邏輯獨(dú)立化的策略。將智能邏輯部署在云端，對(duì)外開(kāi)放接口，在控制終端嵌入一段與云端通信程序，將控制終端與云端通過(guò) HTTP或者Socket等標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議連接，使智能邏輯與控制終端分離。由此可使智能邏輯實(shí)現(xiàn)部署簡(jiǎn)單（只需要接入云端），升級(jí)換代更容易的目標(biāo)，為智能家居企業(yè)節(jié)約了成本，提高了效益；

采用一系列智能算法和手段，包括數(shù)據(jù)挖掘，精細(xì)控制，個(gè)性化控制，模式匹配等，使得智能邏輯具有自學(xué)習(xí)性， 自適應(yīng)性，能夠更好地適應(yīng)用戶的生活習(xí)慣。

為提高用戶體驗(yàn)， 開(kāi)發(fā)了移動(dòng)控制終端（ 手機(jī)）， Web接入終端（網(wǎng)頁(yè)），方便用戶使用我們的服務(wù)。基于云平臺(tái)的智能家居系統(tǒng)架構(gòu)如圖 2所示。

圖 2 基于云平臺(tái)的智能家居系統(tǒng)架構(gòu)

在此系統(tǒng)架構(gòu)上開(kāi)發(fā)了智能光控系統(tǒng)的服務(wù)端和仿真客戶端。智能光控系統(tǒng)不同于傳統(tǒng)光控系統(tǒng)，具體表現(xiàn)在以下幾方面：

調(diào)控精度。智能光控系統(tǒng)可對(duì)燈的明亮度進(jìn)行調(diào)控， 不同于傳統(tǒng)的簡(jiǎn)單開(kāi)關(guān)操作；

調(diào)控方式。系統(tǒng)是全自動(dòng)的控制方式，是基于傳感器的掃描而非人為操作；

用戶體驗(yàn)及智能性。智能光控系統(tǒng)具有自適應(yīng)性， 會(huì)按照用戶期望及使用習(xí)慣進(jìn)行燈光調(diào)控，將房間內(nèi)的光線值始終保持在用戶認(rèn)為的最佳范圍內(nèi)；

部署方式。智能光控系統(tǒng)采用云計(jì)算部署，可與任何家庭終端設(shè)備相連，在成本、可維護(hù)性、數(shù)據(jù)安全性等方面都有明顯優(yōu)勢(shì)。

智能光控系統(tǒng)的工作流程如圖 3 所示。家庭終端首次和云端對(duì)接開(kāi)啟系統(tǒng)默認(rèn)模式，光線傳感器和紅外傳感器開(kāi)始工作，家庭終端將紅外傳感器和光線傳感器檢測(cè)到的值按照一定的頻率向云端發(fā)送當(dāng)前家庭各個(gè)房間的最新信息，云端更新最新信息到數(shù)據(jù)庫(kù)，然后啟動(dòng)智能調(diào)控服務(wù)，掃描在默認(rèn)模式下需要調(diào)節(jié)的燈并對(duì)之調(diào)節(jié)，將調(diào)節(jié)后的信息發(fā)送給家庭終端；當(dāng)用戶使用一段時(shí)間后如若發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)默認(rèn)值無(wú)法為其帶來(lái)最佳體驗(yàn)?zāi)敲纯梢允褂檬謾C(jī)客戶端或者Web 客戶端調(diào)整燈光效果，此時(shí)系統(tǒng)會(huì)暫時(shí)進(jìn)入用戶調(diào)節(jié)模式，在調(diào)節(jié)期間云端控制程序不會(huì)作用于當(dāng)前調(diào)控的燈，當(dāng)調(diào)節(jié)完畢后系統(tǒng)會(huì)記錄下用戶的最終調(diào)整值，并且轉(zhuǎn)化為開(kāi)燈指數(shù)和匹配模式存儲(chǔ)，將燈的工作模式切換為用戶自適應(yīng)模式。智能服務(wù)端重復(fù)迭代用戶自適應(yīng)模式，最終找到一個(gè)最適合用戶的光線強(qiáng)度。最后，為了測(cè)試和演示智能光控系統(tǒng)的效果，我們開(kāi)發(fā)

了仿真客戶端程序，它包含以下幾個(gè)功能 ：

仿真主人的真實(shí)家居生活，展示云端系統(tǒng)的智能控制功能，測(cè)試云端系統(tǒng)的功能錯(cuò)誤。

與云端系統(tǒng)通信，發(fā)送采集到的數(shù)據(jù)及接收調(diào)控命令。

與用戶交互，移動(dòng)主人的位置及顯示燈具狀態(tài)。

仿真家居環(huán)境，仿真光線及實(shí)時(shí)時(shí)間，仿真主人行為， 繪制家居環(huán)境效果圖。

仿真客戶端的主要工作分為采集家庭實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)并發(fā)送至服務(wù)器及接收服務(wù)器的調(diào)控命令以作出相應(yīng)的響應(yīng)。在采集家庭環(huán)境信息的同時(shí)還可以對(duì)不同場(chǎng)景進(jìn)行選擇，模擬現(xiàn)實(shí)世界的環(huán)境。在不同的場(chǎng)景下外界環(huán)境的光線對(duì)室內(nèi)燈光的影響不同。仿真系統(tǒng)為了將家庭的實(shí)時(shí)狀況傳送給服務(wù)器，在仿真客戶端中每十秒就將每個(gè)房間的紅外、光感等設(shè)備的信息發(fā)送至服務(wù)器，而對(duì)于手動(dòng)操作以及主人進(jìn)出房間等控制則作為緊急消息立即發(fā)送。同時(shí)仿真客戶端將時(shí)刻響應(yīng)服務(wù)器傳回的控制命令。圖 4所示為仿真客戶端中一個(gè)典型用戶場(chǎng)景的仿真。主人進(jìn)門后，走廊中的燈具自動(dòng)點(diǎn)亮。當(dāng)主人進(jìn)入臥室后， 臥室中的燈具自動(dòng)點(diǎn)亮，而走廊中的燈具則自動(dòng)熄滅。

結(jié) 語(yǔ)

文中設(shè)計(jì)了一個(gè)基于云平臺(tái)的智能家居光控系統(tǒng)，將智能家居光控邏輯放在云平臺(tái)上，借助云平臺(tái)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與數(shù)據(jù)計(jì)算能力，為家居用戶提供更體貼、個(gè)性化的智能光控服務(wù)。可提供具有自適應(yīng)，自調(diào)節(jié)，自學(xué)習(xí)等智能特性的全自動(dòng)家庭控制系統(tǒng)。

圖 4 智能光控系統(tǒng)的典型用戶場(chǎng)景仿真

未來(lái)的工作有兩項(xiàng)，一是使用高級(jí)人工智能算法改進(jìn)服務(wù)端的控制邏輯，使其更智能化 ；二是規(guī)范化和標(biāo)準(zhǔn)化服務(wù)端的數(shù)據(jù)收發(fā)接口，使其能夠連接多個(gè)廠商的智能家居產(chǎn)品。