一種基于云平臺的智能家居光控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

引 言

云計(jì)算是通過Internet 提供動態(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，也無需進(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)算是能夠提供動態(tài)資源池、虛擬化和高可用性的下一代計(jì)算平臺。

因此，云計(jì)算未來主要有兩個(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，而在研究上則開始注重如何通過云計(jì)算基礎(chǔ)平臺將多個(gè)業(yè)務(wù)融合。

1 智能家居產(chǎn)品及其發(fā)展趨勢

智能家居的概念最早出現(xiàn)在美國，智能家居是以住宅為平臺，兼?zhèn)浣ㄖO(shè)備、網(wǎng)絡(luò)通信、信息家電和設(shè)備自動化，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 還有很長的距離，智能家居的發(fā)展趨勢有以下幾個(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，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。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)量是其未來發(fā)展必須考慮的因素。

一體化。家居智能化需滿足自動化管理、安全防范監(jiān)控、火災(zāi)報(bào)警、對講呼叫、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，走入國際市場的必由之路。

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，因此帶來了一些問題。傳統(tǒng)智能家居系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。

對家庭設(shè)備的控制不夠智能，系統(tǒng)無法讓用戶體會到智能家居的智能。

每個(gè)家居廠商對控制邏輯的開發(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支。

企業(yè)一般自己開發(fā)的控制邏輯部分比較簡單，同質(zhì)化較大，沒有將控制系統(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)用模式將會帶來一場新的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)開發(fā)智能邏輯成本較大，用戶使用不方便，升級換代麻煩等一系列問題，針對這些問題，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，對外開放接口，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 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)部署簡單（只需要接入云端），升級換代更容易的目標(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)， 開發(fā)了移動控制終端（ 手機(jī)）， Web接入終端（網(wǎng)頁），方便用戶使用我們的服務(wù)。基于云平臺的智能家居系統(tǒng)架構(gòu)如圖 2所示。

圖 2 基于云平臺的智能家居系統(tǒng)架構(gòu)

在此系統(tǒng)架構(gòu)上開發(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)可對燈的明亮度進(jìn)行調(diào)控， 不同于傳統(tǒng)的簡單開關(guān)操作；

調(diào)控方式。系統(tǒng)是全自動的控制方式，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。

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接開啟系統(tǒng)默認(rèn)模式，光線傳感器和紅外傳感器開始工作，家庭終端將紅外傳感器和光線傳感器檢測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，然后啟動智能調(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)值無法為其帶來最佳體驗(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作用于當(dāng)前調(diào)控的燈，當(dāng)調(diào)節(jié)完畢后系統(tǒng)會記錄下用戶的最終調(diào)整值，并且轉(zhuǎn)化為開燈指數(shù)和匹配模式存儲，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，為了測試和演示智能光控系統(tǒng)的效果，我們開發(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)還可以對不同場景進(jìn)行選擇，模擬現(xiàn)實(shí)世界的環(huán)境。在不同的場景下外界環(huán)境的光線對室內(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，而對于手動操作以及主人進(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)典型用戶場景的仿真。主人進(jìn)門后，走廊中的燈具自動點(diǎn)亮。當(dāng)主人進(jìn)入臥室后， 臥室中的燈具自動點(diǎn)亮，而走廊中的燈具則自動熄滅。

結(jié) 語

文中設(shè)計(jì)了一個(gè)基于云平臺的智能家居光控系統(tǒng)，將智能家居光控邏輯放在云平臺上，借助云平臺強(qiáng)大的數(shù)據(jù)存儲與數(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家庭控制系統(tǒng)。

圖 4 智能光控系統(tǒng)的典型用戶場景仿真

未來的工作有兩項(xiàng)，一是使用高級人工智能算法改進(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。