基于云計(jì)算的智能樓宇控制系統(tǒng)

周辰宇 劉寬 方鑠 劉亞煒

摘要：針對(duì)目前樓宇系統(tǒng)只有簡(jiǎn)單控制功能，不能對(duì)用戶(hù)行為數(shù)據(jù)進(jìn)行深入挖掘的普遍狀況，提出了基于云計(jì)算的智能樓宇控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用云服務(wù)器存儲(chǔ)環(huán)境數(shù)據(jù)并進(jìn)行深入挖掘，生成基于用戶(hù)行為習(xí)慣的控制方案，通過(guò)Internet發(fā)送給客戶(hù)端，發(fā)揮云計(jì)算的高效性、智慧性、跨平臺(tái)等優(yōu)勢(shì)，在較大程度上提升了智能樓宇系統(tǒng)的水平， 極大地改善了人們的生活。

關(guān)鍵詞：云計(jì)算;智能樓宇;物聯(lián)網(wǎng)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP311? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ?文章編號(hào)：1007-9416（2018）10-0000-00

隨著我國(guó)城市化的發(fā)展，城鎮(zhèn)化和智能化水平進(jìn)一步提高，因此市面上出現(xiàn)了大量的智能樓宇解決方案。這些智能樓宇解決方案普遍具有網(wǎng)絡(luò)化、信息化、便捷化的特點(diǎn)，能方便使用者對(duì)于各樣復(fù)雜的信息進(jìn)行收集和管理，滿(mǎn)足現(xiàn)代信息社會(huì)的基本要求。然而這些智能樓宇解決方案，較多還是停留在簡(jiǎn)單控制功能上，不能對(duì)用戶(hù)行為數(shù)據(jù)進(jìn)行深入挖掘，無(wú)法發(fā)揮智能樓宇的智慧性。本文提出了基于云計(jì)算的智能樓宇控制系統(tǒng)，能夠根據(jù)用戶(hù)行為實(shí)現(xiàn)樓宇智能調(diào)控，同時(shí)具有了安全便利和智慧高效的特點(diǎn)，并真正地發(fā)揮智能樓宇的智慧性。

1 系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集模塊、智能網(wǎng)關(guān)模塊、云服務(wù)器模塊、客戶(hù)端模塊，總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。數(shù)據(jù)采集模塊將數(shù)據(jù)包通過(guò)串口發(fā)送到智能網(wǎng)關(guān)模塊，智能網(wǎng)關(guān)模塊通過(guò)Internet傳給云服務(wù)器，云服務(wù)器存儲(chǔ)信息并生成方案給客戶(hù)端。

該系統(tǒng)布局相對(duì)簡(jiǎn)單，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)安裝于樓宇的靠近中心位置處，并通過(guò)串口與智能網(wǎng)關(guān)模塊相連，對(duì)整個(gè)Zigbee網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行維護(hù)與控制、縮短通信距離以及降低發(fā)射功率。樓宇各部分均置有路由器節(jié)點(diǎn)，路由器節(jié)點(diǎn)則與對(duì)該部分的終端節(jié)點(diǎn)設(shè)備相互通信，終端節(jié)點(diǎn)可按照用戶(hù)需求個(gè)性化搭配。

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

2.1 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊包括終端節(jié)點(diǎn)、協(xié)調(diào)器結(jié)點(diǎn)以及路由器節(jié)點(diǎn)。終端節(jié)點(diǎn)采集樓宇中各項(xiàng)數(shù)據(jù)，協(xié)調(diào)器建立和維護(hù)一個(gè)Zigbee網(wǎng)絡(luò)管理其網(wǎng)絡(luò)中的其他節(jié)點(diǎn)，路由器實(shí)現(xiàn)其他節(jié)點(diǎn)的消息轉(zhuǎn)發(fā)功能。其中，由協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)、路由器節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)構(gòu)成ZigBee三級(jí)樹(shù)型無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)成數(shù)據(jù)采集模塊的網(wǎng)絡(luò)骨架。

該模塊中環(huán)境信息采集傳感器有溫度傳感器、濕度傳感器、光照度傳感器、土壤傳感器、車(chē)距傳感器、煙霧傳感器、PM2.5傳感器和人體紅外傳感器;設(shè)備控制器有燈光控制器、插座控制器、窗簾控制器、空氣凈化器控制器、加濕器控制器、音樂(lè)控制器、聲光報(bào)警設(shè)備、空調(diào)、電腦和電視機(jī)ZigBee轉(zhuǎn)紅外信號(hào)控制模塊等。

數(shù)據(jù)采集模塊的三種節(jié)點(diǎn)均采用TI公司的CC2530芯片，具體內(nèi)部結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2所示。CC2530芯片擁有豐富的端口，能夠同時(shí)連接控制多個(gè)設(shè)備，同時(shí)具有良好的擴(kuò)展性，CC2530芯片與就近的傳感器或設(shè)備控制器通信連接并進(jìn)行信息傳輸，并將多個(gè)傳感器或設(shè)備控制器的信息通過(guò)一個(gè)無(wú)線數(shù)據(jù)包傳遞，用以降低室內(nèi)無(wú)線信號(hào)輻射。

2.2 智能網(wǎng)關(guān)模塊

智能網(wǎng)關(guān)模塊在網(wǎng)絡(luò)層以上實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)互連，以基于TCP/IP協(xié)議的Socket編程實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)器串口數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)傳輸，將數(shù)據(jù)通過(guò)WiFi路由器轉(zhuǎn)發(fā)給網(wǎng)絡(luò)。智能網(wǎng)關(guān)模塊可使用在不同的通信協(xié)議、數(shù)據(jù)格式，甚至體系結(jié)構(gòu)不同的兩種系統(tǒng)之間。

智能網(wǎng)關(guān)在系統(tǒng)內(nèi)部建立統(tǒng)一的數(shù)據(jù)處理中心，首先收集傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，并對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，實(shí)現(xiàn)內(nèi)部設(shè)備之間的信息交互;同時(shí)對(duì)外連接Internet，提供系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部各設(shè)備與外部設(shè)備相互通信的橋梁。

智能網(wǎng)關(guān)具有感知網(wǎng)絡(luò)接入的能力，即對(duì)各節(jié)點(diǎn)屬性、狀態(tài)等信息的獲取功能，可以感知各節(jié)點(diǎn)的實(shí)時(shí)狀態(tài)。并且具有對(duì)節(jié)點(diǎn)的遠(yuǎn)程控制、喚醒、診斷等功能，即實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)的自動(dòng)化管理。

智能網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)了傳感網(wǎng)絡(luò)到通信網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議轉(zhuǎn)換，將協(xié)議適配層上傳輸?shù)臉?biāo)準(zhǔn)格式數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一封裝，將廣域接入層下發(fā)的數(shù)據(jù)解包成標(biāo)準(zhǔn)格式數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)命令的解析，之后轉(zhuǎn)換為感知層協(xié)議可以識(shí)別的信號(hào)和控制指令。

此外，智能網(wǎng)關(guān)具有異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)互通的能力，因?yàn)橹悄芫W(wǎng)關(guān)接入必然存在跨域通信的要求，需要完善的尋址技術(shù)以確保所有節(jié)點(diǎn)的信息都能被準(zhǔn)確地進(jìn)行定位和查詢(xún)。

總而言之，智能網(wǎng)關(guān)在本系統(tǒng)中主要完成了三個(gè)任務(wù)：首先，是收集傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù);其次，執(zhí)行數(shù)據(jù)協(xié)議轉(zhuǎn)換;然后，將協(xié)議轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)快速的發(fā)送到Internet。除此以外，智能網(wǎng)關(guān)同時(shí)具有相應(yīng)的管理和控制能力。

2.3 云服務(wù)器模塊

云服務(wù)器采用Hadoop架構(gòu)進(jìn)行開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)，并運(yùn)用數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)管理和數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，對(duì)智能家居系統(tǒng)的環(huán)境信息、歷史信息、用戶(hù)行為信息等進(jìn)行分析挖掘，進(jìn)而預(yù)測(cè)用戶(hù)行為，并生成宜居的智能樓宇控制方案。數(shù)據(jù)通過(guò)Internet從智能網(wǎng)關(guān)模塊傳入云服務(wù)器，云服務(wù)器處理后再通過(guò)Internet傳輸至客戶(hù)端，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)更高層次智能樓宇管理。如圖3為系統(tǒng)數(shù)據(jù)挖掘與控制流程示意圖。

數(shù)據(jù)采集模塊中各傳感器采集到的環(huán)境實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)全部傳至智能網(wǎng)關(guān)模塊中，由其進(jìn)行信息匯總和整合;這些匯總數(shù)據(jù)通過(guò)Internet上傳至云服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫(kù)中儲(chǔ)存，如過(guò)程A所示。數(shù)據(jù)庫(kù)將數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理操作并構(gòu)建數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)，如過(guò)程B所示。云服務(wù)器采用頻繁模式挖掘算法、關(guān)聯(lián)規(guī)則挖掘算法、決策樹(shù)算法對(duì)數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步分析、預(yù)測(cè)，如過(guò)程C所示。云服務(wù)器將得到用戶(hù)行為的預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)，結(jié)合該系統(tǒng)的室內(nèi)ZigBee網(wǎng)絡(luò)布局，生成最佳控制方案，如過(guò)程D所示。所生成控制方案將通過(guò)Internet回傳至智能網(wǎng)關(guān)模塊，由其生成具體控制命令，通過(guò)串口傳輸給協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)進(jìn)而控制各種設(shè)備，如過(guò)程E所示。例如，系統(tǒng)能夠判斷出某用戶(hù)上班時(shí)間，提前20分鐘將打開(kāi)空調(diào)和加濕器至適宜的溫濕度，控制窗簾打開(kāi)或關(guān)閉，并在用戶(hù)來(lái)到辦公室后打開(kāi)燈光，用戶(hù)離開(kāi)后依次關(guān)閉燈光、空調(diào)和加濕器燈設(shè)備。

云服務(wù)器對(duì)用戶(hù)日常行為習(xí)慣進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘，形成符合用戶(hù)行為習(xí)慣的智能樓宇控制方案，用戶(hù)能夠選擇在云服務(wù)器中預(yù)先存放適宜本人工作或生活的個(gè)性化數(shù)據(jù)，由相應(yīng)算法將數(shù)據(jù)挖據(jù)結(jié)果與健康生活或工作數(shù)據(jù)結(jié)合進(jìn)行微調(diào)，產(chǎn)生用戶(hù)最佳健康生活或工作管理引導(dǎo)方案，通過(guò)算法逐步改變某些控制信息，使用戶(hù)慢慢適應(yīng)更健康的生活或工作習(xí)慣，改掉不良行為。

2.4 客戶(hù)端模塊

客戶(hù)端模塊大致分為手機(jī)客戶(hù)端或PC機(jī)客戶(hù)端，客戶(hù)端模塊通過(guò)Internet與云服務(wù)器相連，獲取數(shù)據(jù)采集模塊的數(shù)據(jù)，以及云服務(wù)器針對(duì)用戶(hù)行為習(xí)慣定制的解決方案。

客戶(hù)端可以對(duì)環(huán)境感知信息和視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)訪問(wèn)，對(duì)各種設(shè)備控制器進(jìn)行控制，以實(shí)現(xiàn)智能門(mén)禁、智能安防、智能澆水、智能窗簾等等。

客戶(hù)可使用微信、app或者網(wǎng)頁(yè)方式接入并登錄本系統(tǒng)，登錄后首先對(duì)用戶(hù)身份進(jìn)行驗(yàn)證，確認(rèn)安全后進(jìn)入該系統(tǒng)主控制頁(yè)面進(jìn)行功能模式選擇與設(shè)置，客戶(hù)端模式如下：

（1）自動(dòng)模式，該模式下系統(tǒng)通過(guò)用戶(hù)設(shè)定或系統(tǒng)預(yù)定義的參數(shù)閾值進(jìn)行自動(dòng)控制，用戶(hù)能夠查看當(dāng)前環(huán)境狀態(tài)及設(shè)備控制信息，也能夠修改控制參數(shù)。

（2）手動(dòng)模式，該模式下用戶(hù)能夠通過(guò)手動(dòng)控制樓宇中各設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)，還能夠查看到環(huán)境信息及當(dāng)前設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，通過(guò)進(jìn)入各子系統(tǒng)控制模塊進(jìn)行手動(dòng)控制操作，包括但不限于控制窗簾開(kāi)關(guān)、電視機(jī)換臺(tái)、空調(diào)溫度控制。

（3）專(zhuān)家模式：該模式是基于云計(jì)算，采用數(shù)據(jù)挖掘算法統(tǒng)計(jì)并挖掘用戶(hù)行為數(shù)據(jù)，根據(jù)用戶(hù)行為習(xí)慣而生成的一系列控制參數(shù)，如用戶(hù)對(duì)空氣溫濕度程度、光照強(qiáng)弱等環(huán)境的個(gè)性化需求，是一個(gè)真正屬于用戶(hù)自己的個(gè)性化智慧型的智能樓宇控制，同時(shí)用戶(hù)能夠在該模式下發(fā)現(xiàn)自身的一些隱性行為習(xí)慣。

3 系統(tǒng)測(cè)試

通過(guò)該系統(tǒng)，用戶(hù)可以采取自動(dòng)或手動(dòng)方式實(shí)現(xiàn)環(huán)境信息實(shí)時(shí)采集和樓宇的聯(lián)動(dòng)控制，也可采用專(zhuān)家模式中生成的智能樓宇控制方案。網(wǎng)頁(yè)端運(yùn)行如圖4所示。手機(jī)端APP運(yùn)行圖如圖5所示。

本系統(tǒng)所含傳感器包括溫度傳感器、濕度傳感器、光照度傳感器、土壤傳感器、車(chē)距傳感器、PM2.5傳感器和人體紅外傳感器;所含設(shè)備控制器為燈光控制器、插座控制器、窗簾控制器、空氣凈化器控制器。

4 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的基于云計(jì)算的智能樓宇控制系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)測(cè)試能很好地完成項(xiàng)目預(yù)期要求。實(shí)現(xiàn)了樓宇監(jiān)控系統(tǒng)的控制和對(duì)用戶(hù)行為數(shù)據(jù)進(jìn)行深入挖掘，生成了一套合理的生成基于用戶(hù)習(xí)慣的智能樓宇控制方案，系統(tǒng)功能強(qiáng)大，并且具有功耗低、成本低、安全性好、布局靈活、操作簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，在現(xiàn)代樓宇環(huán)境中具有很好的應(yīng)用前景。

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Intelligent Building Control System Based on Cloud Computing

ZHOU Chen-yu，LIU Kuan，F(xiàn)ANG Shuo，LIU Ya-wei

（School of Computer and Communication Engineering， Zhengzhou University of Light Industry， Zhengzhou Henan 450002）

Abstract： In view of the fact that the current building system has only simple control functions and can not deeply mine user behavior data， this paper proposes an intelligent building control system based on cloud computing. The system uses the cloud server to store environment data and conduct deep mining to generate a control scheme based on user behavior habits， which is sent to the client through the Internet， and utilizes the advantages of cloud computing， such as high efficiency， intelligence， and cross-platform， to a large extent. The level of intelligent building systems has greatly improved people's lives.

Keywords： cloud computing; intelligent buildings; Internet of Things