智能家居中的霧計算

陳曉紅

摘 要 物聯(lián)網(wǎng)被稱為信息產(chǎn)業(yè)的第三次發(fā)展浪潮，物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展影響到社會生活的各個領域，對大數(shù)據(jù)、云計算以及霧計算提出了新的要求。文章分析了霧計算和云計算的差異，各自的應用領域以及二者可以互為補充，使用案例闡述了霧計算在智能家居領域的應用。

關鍵詞 智能家居；霧計算；云計算

中圖分類號 G2 文獻標識碼 A 文章編號 1674-6708（2018）223-0158-02

物聯(lián)網(wǎng)即物物相聯(lián)，就是將所有物品通過傳感設備與互聯(lián)網(wǎng)連接起來，實現(xiàn)智能化的管理，是新一代網(wǎng)絡技術的集成和運用。物聯(lián)網(wǎng)是互聯(lián)網(wǎng)技術的拓展，提供各種業(yè)務和應用。物聯(lián)網(wǎng)已廣泛應用于各個領域，如：物流、安防、能源、交通、制造、醫(yī)療、建筑、家居等。物聯(lián)網(wǎng)催生了大數(shù)據(jù)、分布式的云計算以及霧計算。文章主要闡述霧計算在智能家居中的應用。

1 智能家居

智能家居指的是使用一定的設備和方法，使家庭變得更舒適、更安全、更高效。智能家居通過物聯(lián)網(wǎng)技術將家中的各種設備（如音視頻設備、數(shù)字影院系統(tǒng)、窗簾控制、空調(diào)控制、安防系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、網(wǎng)絡家電等）連接在一起，提供家電、窗簾、照明、電話遠程控制，環(huán)境監(jiān)測、防盜報警、暖通控制、可編程定時控制等多種功能。與傳統(tǒng)的家居相比，智能家居除了居住功能，更兼?zhèn)渚W(wǎng)絡通信、信息家電、設備自動化，提供更加高效、舒適、安全、便利、環(huán)保的居住環(huán)境，使得家庭與外部信息交流更加暢通，幫助人們更加有效的安排時間，優(yōu)化生活方式，使得家居生活更加便利、更加安全。

2 霧計算（Fog Computing）與云計算（Cloud Computing）

2.1 霧計算

在霧計算中，數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)處理和應用程序都？集中在網(wǎng)絡邊緣的設備中，而不是全部保存在云中，是云計算概念的延伸，是由思科公司（Cisco）首先提出的。相比云計算，霧計算的計算能力相對較弱，只有一些零散的計算設備，它是介于云計算和個人計算之間的。隨著云計算的使用，越來越發(fā)現(xiàn)實施起來很困難，現(xiàn)有的數(shù)據(jù)中心滿足不了云計算的高層計算算法，這為霧計算提供了機會，顯示出邊緣計算設備的作用，希望計算要在物理節(jié)點上分散，而不是集中，這就是霧計算。

云計算是以運營商服務，公有云為主的，霧計算是以個人云，私有云，企業(yè)云等為主。云計算的計算能力強，由群集的高性能計算設備所組成，霧計算以量制勝，不管單個計算節(jié)點能力多么弱都要發(fā)揮作用。霧計算擴展了云計算的計算模式，將計算從網(wǎng)絡中心擴展到了網(wǎng)絡的邊緣，廣泛應用于各種服務。霧計算的顯著特點是：低延時，位置感知，更廣泛的地理分布，更多的移動性的應用，支持更多的邊緣節(jié)點等。

物聯(lián)網(wǎng)所連設備數(shù)量巨大，分布廣泛，有了霧計算就可以部署更多的業(yè)務。例如，智能交通信號燈。使用傳感器監(jiān)測行人、騎行者狀態(tài)以及正在靠近的車輛的速度和距離，智能信號燈與這些傳感器進行本地交互，根據(jù)交互的信息，智能信號燈向靠近的車輛發(fā)送報警，并修改其變燈周期，以防交通事故發(fā)生。

為了進行實時分析，智能交通燈系統(tǒng)收集的數(shù)據(jù)在本地處理，使用霧計算，重新協(xié)調(diào)相鄰智能交通燈系統(tǒng)可以對變燈周期進行任何修改，以響應交通狀況。智能交通燈系統(tǒng)生成的數(shù)據(jù)也被發(fā)送到云，用來分析長期交通模式。

2.2 霧計算與云計算的區(qū)別

與云計算不同，霧計算更接近網(wǎng)絡邊緣，采用分布式架構。霧計算將數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)處理和應用程序集中在網(wǎng)絡邊緣的設備中，而云計算的數(shù)據(jù)存儲及數(shù)據(jù)處理幾乎都在云端進行。因此，云計算是集中式計算，而霧計算是分布式計算。

云計算要求用戶連到遠程的大型數(shù)據(jù)中心才能進行存取服務，而霧計算不必如此。除了架構上的差異，云計算能夠提供的應用，霧計算大多數(shù)也能提供，只是霧計算的計算能力不如云計算的大型數(shù)據(jù)中心的能力強。

專業(yè)人士曾認為未來計算功能將完全放在云端?？墒牵瑪?shù)據(jù)從云端傳入、傳出要比想象的復雜和困難。而由于移動設備越來越多，在傳輸數(shù)據(jù)時，不僅對網(wǎng)絡帶寬提出更高的要求，而且使數(shù)據(jù)中心的負擔日益加重，數(shù)據(jù)傳輸和信息獲取越來越成為問題。結合分布式的霧計算，通過智能路由器等設備和技術手段，在不同設備之間組成數(shù)據(jù)傳輸帶，可以減少網(wǎng)絡流量，數(shù)據(jù)中心的計算負擔也相對減輕。

3 霧計算在智能家居中的使用

有些數(shù)據(jù)最好靠近其來源進行處理。本例是使用思科（Cisco）的Packet？Tracer模擬器實現(xiàn)智能家居的應用，智能家居利用霧計算進行監(jiān)控并根據(jù)在家中檢測到的煙霧濃度采取措施。

一般情況下，家庭網(wǎng)關充當所有家庭內(nèi)部設備的集中器和路由器。并提供一個基于Web的界面，允許用戶監(jiān)視和控制各種智能家居設備，家居設備可以通過無線或有線方式連接到家庭網(wǎng)關，用戶可通過家中的任何計算機如平板電腦、智能手機、筆記本電腦或臺式電腦，遠程監(jiān)視和控制智能家居中的設備。

本例中，家庭網(wǎng)關通過無線連接各個智能設備，包括：前門、窗戶、車庫門、風扇/煙霧檢測器。各個設備連到微控制器（MCU），在微控制器（MCU）進行編程控制家居設備。

業(yè)主在車庫里停放了一臺汽車，發(fā)動汽車時會產(chǎn)生一氧化碳，這會增加房屋內(nèi)的一氧化碳濃度。添加到智能家居的微控制器（MCU）用于監(jiān)測煙霧傳感器測量的煙霧濃度讀數(shù)，并決定是否給房屋通風。如果一氧化碳濃度高于10.3個單位，則經(jīng)過編程的微控制器可用于自動打開窗戶、前門、車庫門，并高速啟動風扇。當一氧化碳濃度低于1個單位時，此操作才會恢復先前狀態(tài)，關閉門窗并停止風扇。

在微控制器（MCU）的編程代碼如下：

當微控制器打開門窗并啟動風扇后，煙霧水平下降至接近零。在監(jiān)測煙霧濃度的同時，按住Alt鍵并點擊汽車停止引擎。這時，房屋內(nèi)的CO和CO2濃度下降至0個單位。MCU關閉車庫門、前門和窗戶并停止風扇。

在智能家居案例中，霧計算是最佳選擇。系統(tǒng)處理煙霧傳感器產(chǎn)生的數(shù)據(jù)并用其就房屋空氣質(zhì)量作出決定，無需將傳感器數(shù)據(jù)發(fā)送到云進行處理。云處理會減慢響應時間；如果與互聯(lián)網(wǎng)的連接中斷，整個系統(tǒng)將出現(xiàn)故障，還可能使用戶面臨生命危險。

4 結論

通過將萬物互聯(lián)，產(chǎn)生了大量的實時數(shù)據(jù)，要將數(shù)據(jù)轉換為具有商業(yè)價值的信息，對計算能力和存儲空間的需要不斷增加，這些一般由公共云供應商來提供。但是在云計算服務發(fā)展的過程中，數(shù)據(jù)傳輸以及信息提速的費用也越來越高。如果服務的實時性要求高，對云計算服務來說更加棘手。霧計算能識別更加靠近網(wǎng)絡邊緣的分布式計算基礎設施，它使邊緣設備可以在本地運行應用并立即做出決策，可以降低網(wǎng)絡傳輸數(shù)據(jù)的負擔，在網(wǎng)絡連接斷開時，也可以使物聯(lián)網(wǎng)設備運行繼續(xù)，從而提高了恢復能力，還能防止將敏感數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭吘壱酝猓岣吡税踩浴?/p>

參考文獻

[1]楊志和.物聯(lián)網(wǎng)的邊界計算模型：霧計算[J].智能處理與應用，2014（12）：65-67.