面向智能家居大數(shù)據(jù)云存儲(chǔ)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

趙　妍，黃偉劍（.北京電子科技職業(yè)學(xué)院電信工程學(xué)院，北京　0076；.中國(guó)電子工程設(shè)計(jì)院，北京　004）

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面向智能家居大數(shù)據(jù)云存儲(chǔ)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

趙妍1，黃偉劍2
（1.北京電子科技職業(yè)學(xué)院電信工程學(xué)院，北京100176；2.中國(guó)電子工程設(shè)計(jì)院，北京100142）

摘要：為了使傳統(tǒng)家居設(shè)備可以進(jìn)行遠(yuǎn)程遙控，開發(fā)了在家具傳統(tǒng)設(shè)備上引入無線組網(wǎng)技術(shù)，使其達(dá)到訪問和遠(yuǎn)程控制的效果。針對(duì)在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)中，傳統(tǒng)云存儲(chǔ)系統(tǒng)缺少靈活性，不透明，魯棒性不強(qiáng)，無法有效存儲(chǔ)、管理和維護(hù)大數(shù)據(jù)的問題，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了面向大數(shù)據(jù)的云存儲(chǔ)系統(tǒng)，通過邏輯控制模塊對(duì)家居系統(tǒng)各業(yè)務(wù)請(qǐng)求進(jìn)行智能處理，利用用戶訪問模塊為用戶提供底層實(shí)現(xiàn)的各項(xiàng)功能，采用存儲(chǔ)模塊為家居系統(tǒng)提供透明的數(shù)據(jù)存取功能，利用文件讀/寫模塊將上層邏輯處理和底層存儲(chǔ)進(jìn)行隔離，使所設(shè)計(jì)系統(tǒng)更加健壯。軟件設(shè)計(jì)過程中，給出數(shù)據(jù)云存儲(chǔ)程序代碼，實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)云存儲(chǔ)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，新一代智能家居云存儲(chǔ)系統(tǒng)具有很高的可行性和實(shí)用性。

關(guān)鍵詞：智能家居；大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)；云存儲(chǔ)；遠(yuǎn)程遙控

近年來，隨著計(jì)算機(jī)信息技術(shù)的逐漸發(fā)展和應(yīng)用，云存儲(chǔ)技術(shù)成為一種新型的大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)解決方案，被開發(fā)者和企業(yè)廣泛應(yīng)用到眾多領(lǐng)域，以減少大數(shù)據(jù)管理和運(yùn)維成本，同時(shí)降低大數(shù)據(jù)的沖擊[1?4]。智能家居是新一代家居領(lǐng)域的一個(gè)重要課題，其由于高度的智能化，所涉及的數(shù)據(jù)量較大，這也限制了一般存儲(chǔ)技術(shù)的應(yīng)用，其特點(diǎn)導(dǎo)致適用于云存儲(chǔ)技術(shù)[5?6]。因此，對(duì)其的研究具有重要意義，已經(jīng)成為相關(guān)學(xué)者研究的重點(diǎn)課題，受到越來越廣泛的關(guān)注[7?9]。

但是，當(dāng)前的智能家居提出一種面向智能家居的大數(shù)據(jù)云存儲(chǔ)技術(shù)，結(jié)合智能家居數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的特點(diǎn)，給出了存儲(chǔ)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)，詳細(xì)分析了系統(tǒng)各模塊的硬件結(jié)構(gòu)，軟件設(shè)計(jì)過程中，在對(duì)智能家居大數(shù)據(jù)進(jìn)行云存儲(chǔ)時(shí)同步給出數(shù)據(jù)云存儲(chǔ)程序代碼。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)具有很高的可行性和實(shí)用性。

1　系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1面向智能家居大數(shù)據(jù)云存儲(chǔ)系統(tǒng)總體邏輯設(shè)計(jì)

新一代的面向智能家居大數(shù)據(jù)云存儲(chǔ)系統(tǒng)主要由邏輯控制模塊、用戶訪問模塊、存儲(chǔ)模塊、文件讀/寫模塊和面向智能家居的大數(shù)據(jù)云存儲(chǔ)模塊。

1.2智能家居云存儲(chǔ)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.2.1邏輯控制模塊

邏輯控制模塊是整個(gè)面向智能家居大數(shù)據(jù)云存儲(chǔ)系統(tǒng)的核心，是邏輯處理的樞紐，各業(yè)務(wù)類請(qǐng)求均在該模塊中被處理，因?yàn)榧尤肓四：幚硖卣?，其也被稱為模糊處理模塊。模糊處理模塊主要包括代理模塊、Jet?tyServer模塊和元數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊，詳細(xì)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示

圖1　邏輯控制模塊硬件結(jié)構(gòu)

代理模塊接收用戶訪問塊的請(qǐng)求，再按照請(qǐng)求的數(shù)據(jù)和家居相關(guān)的數(shù)據(jù)類型分別處理。針對(duì)各業(yè)務(wù)類的請(qǐng)求，代理模塊會(huì)將該請(qǐng)求發(fā)送至JettyServer模塊中，對(duì)其處理結(jié)果進(jìn)行接收，同時(shí)將接收到的結(jié)果發(fā)送至前端瀏覽器，實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶請(qǐng)求的處理。

代理模塊與JettyServer模塊在對(duì)用戶請(qǐng)求進(jìn)行處理的過程中，都會(huì)和用戶元數(shù)據(jù)的訪問相關(guān)，但只有JettyServer模塊才會(huì)和存儲(chǔ)模塊進(jìn)行通信。為了達(dá)到系統(tǒng)并發(fā)性能的要求，可將JettyServer看作是服務(wù)器引擎，在JettyServer之上建立整個(gè)系統(tǒng)的處理邏輯。Jetty?Server主要包括Connector組件、Handler組件和線程池等。元數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊保存有整個(gè)系統(tǒng)的元數(shù)據(jù)信息，主要由用戶信息、bucket信息、object信息等，是系統(tǒng)的關(guān)鍵部分。

1.2.2用戶訪問模塊

用戶訪問模塊是智能家居中的用戶和云存儲(chǔ)系統(tǒng)交互的紐帶，新一代智能家居設(shè)計(jì)的面向大數(shù)據(jù)云存儲(chǔ)系統(tǒng)可利用該模塊透明的為用戶提供底層實(shí)現(xiàn)的各項(xiàng)功能。該模塊硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

用戶訪問模塊主要由Web前端訪問模塊和SDK訪問模塊組成。Web前端訪問模塊以瀏覽器的形式為用戶提供注冊(cè)、登陸、上傳下載文件等功能。SDK訪問模塊為用戶提供了訪問基本的文件上傳、下載、刪除等操作。SDK訪問模塊最大的特點(diǎn)為能夠上傳大于瀏覽器限制的大文件。

圖2　用戶訪問模塊硬件結(jié)構(gòu)

1.2.3存儲(chǔ)單元模塊

存儲(chǔ)模塊為新一代智能家居云存儲(chǔ)系統(tǒng)提供了透明的數(shù)據(jù)存取功能，詳細(xì)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3　存儲(chǔ)模塊硬件結(jié)構(gòu)

為了節(jié)約成本，整個(gè)家居云存儲(chǔ)系統(tǒng)采用的服務(wù)器均較廉價(jià)。為了解決廉價(jià)服務(wù)器不穩(wěn)定、準(zhǔn)確率低的問題，新一代系統(tǒng)采用具有良好容錯(cuò)能力、良好糾錯(cuò)和故障檢測(cè)恢復(fù)機(jī)制的文件系統(tǒng)HDFS用于底層智能家居數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。HDFS在有效解決廉價(jià)服務(wù)器產(chǎn)生的弊端的同時(shí)，也充分利用了各種數(shù)據(jù)云存儲(chǔ)設(shè)備，大大降低了成本。

1.2.4文件讀/寫模塊

文件讀/寫模塊主要負(fù)責(zé)將上層邏輯處理和底層存儲(chǔ)進(jìn)行隔離，使本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)更加健壯。該模塊硬件接口結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4　文件讀寫模塊硬件結(jié)構(gòu)

為了使上層模塊的應(yīng)用更加順暢，新一代智能家居云存儲(chǔ)系統(tǒng)采用HDFS進(jìn)行存儲(chǔ)訪問，設(shè)計(jì)了文件讀/寫模塊。該模塊對(duì)底層存儲(chǔ)系統(tǒng)HDFS的讀/寫接口進(jìn)行封裝，獲取HDFS Operate接口，上層模塊可利用該接口對(duì)云存儲(chǔ)模塊進(jìn)行訪問，實(shí)現(xiàn)了訪問接口的統(tǒng)一，屏蔽了存儲(chǔ)的細(xì)節(jié)，使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)化程度大大增強(qiáng)。

1.2.5云存儲(chǔ)邏輯結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

面向智能家居的大數(shù)據(jù)云存儲(chǔ)的邏輯結(jié)構(gòu)是整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵，邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性對(duì)從用戶訪問至關(guān)重要，模塊接收到的請(qǐng)求進(jìn)行處理后，傳輸至存儲(chǔ)模塊，再由存儲(chǔ)模塊發(fā)送到面向智能家居的大數(shù)據(jù)云存儲(chǔ)模塊，在該模塊中實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)云存儲(chǔ)。詳細(xì)的云存儲(chǔ)邏輯結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5　面向智能家居的大數(shù)據(jù)云存儲(chǔ)模塊硬件結(jié)構(gòu)

在上述面向智能家居的大數(shù)據(jù)云存儲(chǔ)模塊硬件結(jié)構(gòu)分析的基礎(chǔ)上，給出智能家居大數(shù)據(jù)云存儲(chǔ)的存儲(chǔ)實(shí)現(xiàn)流程，如圖6所示。依據(jù)圖6描述的流程圖，給出智能家居大數(shù)據(jù)云存儲(chǔ)實(shí)現(xiàn)代碼：

2　仿真實(shí)驗(yàn)分析

為了驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的面向智能家居大數(shù)據(jù)云存儲(chǔ)系統(tǒng)的有效性，需要進(jìn)行相關(guān)的實(shí)驗(yàn)分析。實(shí)驗(yàn)將基于ARM處理器的智能家居大數(shù)據(jù)云存儲(chǔ)系統(tǒng)作為對(duì)比進(jìn)行分析。

2.1實(shí)驗(yàn)環(huán)境

實(shí)驗(yàn)環(huán)境的搭建主要包括服務(wù)器和測(cè)試客戶端，本實(shí)驗(yàn)將PC機(jī)作為服務(wù)器，將Android測(cè)試機(jī)作為測(cè)試客戶端，通過一臺(tái)TP?LINK 100M無線路由器構(gòu)成局域網(wǎng)進(jìn)行系統(tǒng)測(cè)試，詳細(xì)實(shí)驗(yàn)環(huán)境如表1和表2所示。

圖6　智能家居大數(shù)據(jù)云存儲(chǔ)流程圖

表1　PC硬件配置

表2　Android測(cè)試機(jī)硬件配置

2.2系統(tǒng)性能測(cè)試

本文將平均每秒事務(wù)數(shù)、平均事務(wù)響應(yīng)時(shí)間、CPU使用率和內(nèi)存使用率作為衡量系統(tǒng)性能的指標(biāo)。在20并發(fā)每并發(fā)用戶發(fā)送200次請(qǐng)求條件下，本文系統(tǒng)和ARM系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果如表3所示。

表3　性能比較結(jié)果

分析表3可以看出，采用本文系統(tǒng)的平均每秒事務(wù)數(shù)、平均事務(wù)響應(yīng)時(shí)間、CPU使用率和內(nèi)存使用率均優(yōu)于ARM系統(tǒng)，說明本文系統(tǒng)的性能明顯高于ARM系統(tǒng)，能夠用戶的要求。

2.3磁盤吞吐率測(cè)試

分別采用本文系統(tǒng)和ARM系統(tǒng)在4 GB磁盤中對(duì)智能家居大數(shù)據(jù)進(jìn)行云存儲(chǔ)，對(duì)兩種系統(tǒng)的磁盤吞吐率進(jìn)行測(cè)試，得到的結(jié)果如圖7所示。

圖7　兩種系統(tǒng)吞吐率比較結(jié)果

分析圖7可以看出，本文系統(tǒng)的吞吐率基本保持在40 MB/s，而ARM系統(tǒng)一直低于本文系統(tǒng)。這是因?yàn)锳RM系統(tǒng)容易受到網(wǎng)絡(luò)傳輸速度和存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)磁盤讀寫速度的影響，大大降低了訪問速度。

2.4可擴(kuò)展性測(cè)試

可擴(kuò)展性是大數(shù)據(jù)云存儲(chǔ)的一個(gè)重要特性，針對(duì)本文系統(tǒng)和ARM系統(tǒng)在不同虛擬機(jī)數(shù)量下二者所表現(xiàn)出來的性能，對(duì)其可擴(kuò)展性進(jìn)行比較，結(jié)果如圖8所示。

圖8　兩種系統(tǒng)可擴(kuò)展性比較結(jié)果

分析圖8可以看出，在虛擬機(jī)數(shù)量逐漸增加的情況下，本文系統(tǒng)和ARM系統(tǒng)所能執(zhí)行的事務(wù)數(shù)量均逐漸降低，但本文系統(tǒng)的下降幅度明顯低于ARM系統(tǒng)，說明本文系統(tǒng)的可擴(kuò)展性優(yōu)于ARM系統(tǒng)。

3　結(jié)　論

本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種面向智能家居大數(shù)據(jù)的云存儲(chǔ)系統(tǒng)，通過邏輯控制模塊對(duì)系統(tǒng)各業(yè)務(wù)請(qǐng)求進(jìn)行處理，利用用戶訪問模塊透明的為用戶提供底層實(shí)現(xiàn)的各項(xiàng)功能，通過存儲(chǔ)模塊為系統(tǒng)提供透明的數(shù)據(jù)存取功能。利用文件讀/寫模塊將上層邏輯處理和底層存儲(chǔ)進(jìn)行隔離，使所設(shè)計(jì)系統(tǒng)更加健壯。軟件設(shè)計(jì)過程中，在

對(duì)智能家居大數(shù)據(jù)進(jìn)行云存儲(chǔ)時(shí)同步給出數(shù)據(jù)云存儲(chǔ)程序代碼，實(shí)現(xiàn)智能家居大數(shù)據(jù)云存儲(chǔ)。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)具有很高的可行性和實(shí)用性。

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Design and implementation of big data cloud storage system for smart home

ZHAO Yan1，HUANG Weijian2
（1. Department of Computer Technology Beijing Polytechnic，Beijing 100176，China；2. China Electronics Engineering Design Institute，Beijing 100142，China）

Abstract：In order to achieve the access and remote control of the traditional home equipments，the wireless network tech?nology is introduced into the traditional home equipments. However，the traditional cloud storage system lacks flexibility，trans?parency，strong robustness，and cannot effectively store，manage and maintain the large data，so the design and implementation schemes for a big data cloud storage system are put forward. The smart processing of each business request to smart home sys?tems is executed through the logic control module. The access module is used to provide the users with all the functions of the underlying implementation. The storage module is adopted to provides transparent data access functions for the users. The file read?write module is taken to isolate the upper logic processing from the underlying storage to make the designed system more ro?bust. The data cloud storage program code is given for achievement of big data cloud storage. The experimental results show that the smart home cloud storage system of new generation has the high feasibility and practicability.

Keywords：smart home；big data storage；cloud storage；remote control

中圖分類號(hào)：TN926?34；TP242

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1004?373X（2016）10?0021?04

doi：10.16652/j.issn.1004?373x.2016.10.006

收稿日期：2015?10?25

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金（2014JGB347）

作者簡(jiǎn)介：趙妍（1978—），女，山東萊州人，講師，碩士研究生。主要研究方向?yàn)槲锫?lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)、軟件技術(shù)。