邊緣計(jì)算在智慧家居的應(yīng)用研究

胡弟平， 孔祥元

(美的置業(yè)集團(tuán)廣東天元建筑設(shè)計(jì)有限公司，佛山528000)

0 引言

隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的崛起，云計(jì)算的發(fā)展得到了巨大的成功，IOT領(lǐng)域也借助云計(jì)算的發(fā)展，開(kāi)辟了端管云的公認(rèn)架構(gòu)，目前幾乎所有物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，基本上都是遵循“客戶端(或數(shù)據(jù)采集端)-管道(4G，WIFI等)-云服務(wù)”的原理，這種架構(gòu)將傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)機(jī)房放在云端，并保持著靈活的迭代能力；使得客戶端可以隨時(shí)隨地的享受數(shù)據(jù)服務(wù)和計(jì)算服務(wù)。但隨著物聯(lián)網(wǎng)的興起和發(fā)展，工程師們也發(fā)現(xiàn)這種架構(gòu)的一些弱點(diǎn):(1)隨著越來(lái)越多的設(shè)備和終端接入云端，數(shù)據(jù)呈現(xiàn)爆炸式增長(zhǎng)，對(duì)于云端也產(chǎn)生了考驗(yàn)。(2)對(duì)于智慧家居、智慧社區(qū)這種強(qiáng)局域性的應(yīng)用場(chǎng)景，并不是所有的數(shù)據(jù)都有必要“上云”，比如只應(yīng)用在家庭內(nèi)部的一些檢測(cè)數(shù)據(jù)，隱私信息等，對(duì)于這種數(shù)據(jù)，“上云”的做法同樣也引起了客戶的擔(dān)憂。(3)智慧家居、智慧社區(qū)這種局域性的場(chǎng)景具備高度個(gè)性化，云端事實(shí)上無(wú)法使用標(biāo)準(zhǔn)的業(yè)務(wù)邏輯來(lái)運(yùn)行這種高度個(gè)性化的場(chǎng)景。(4)在智慧家居領(lǐng)域，客戶同樣希望在缺少互聯(lián)網(wǎng)條件的情況仍然可以獲得相當(dāng)?shù)膱?chǎng)景體驗(yàn)，這是云計(jì)算架構(gòu)無(wú)法做到的。

因此，在IOT領(lǐng)域，邊緣計(jì)算的概念被提出并寄予厚望，尤其在智慧家居領(lǐng)域?qū)?huì)率先發(fā)力。

1 邊緣計(jì)算架構(gòu)

1.1 從邊緣計(jì)算與現(xiàn)有智慧家居架構(gòu)的區(qū)別

現(xiàn)有智慧家居系統(tǒng)普遍使用主流的IOT架構(gòu)將數(shù)據(jù)和用戶在云端進(jìn)行交互管理，其基本架構(gòu)如圖1所示。

圖1所示為現(xiàn)在主流智慧家居系統(tǒng)的架構(gòu)示意圖，設(shè)備和終端均可以通過(guò) NB-IOT、4G、WIFI、普通網(wǎng)關(guān)等形式連接到云端。設(shè)備的數(shù)據(jù)分為兩大類，一類是上報(bào)類數(shù)據(jù)(包括主動(dòng)上報(bào)和應(yīng)答上報(bào))，一類是由平臺(tái)下行的控制數(shù)據(jù)。

云平臺(tái)獲得數(shù)據(jù)后對(duì)設(shè)備進(jìn)行管理，與用戶系統(tǒng)以及其他必要的系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交叉，形成基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)。終端通過(guò)云平臺(tái)抽象后的數(shù)據(jù)接口，讀取所需要的數(shù)據(jù)，或者由平臺(tái)推送重要數(shù)據(jù)。同時(shí)云平臺(tái)為滿足智慧家居的業(yè)務(wù)需求，在平臺(tái)上構(gòu)建了基于用戶需求的業(yè)務(wù)場(chǎng)景模塊，現(xiàn)業(yè)務(wù)場(chǎng)景模塊一般基于標(biāo)準(zhǔn)的邏輯，主流使用IFTTT的規(guī)則；這給予了用戶很多具有想象力的發(fā)揮空間，用戶通過(guò)終端可以配置自己喜歡的場(chǎng)景模式，從而達(dá)到智慧家居的控制和場(chǎng)景需求。

圖1 主流IOT架構(gòu)示意圖

此外，基于設(shè)備端的接口一般以SDK的模式存在，用于不同廠商的設(shè)備進(jìn)行接入；云平臺(tái)一般還會(huì)留下供第三方云平臺(tái)對(duì)接的API接口，給第三方提供控制相關(guān)設(shè)備和場(chǎng)景的通道。

1.2 邊緣計(jì)算架構(gòu)的智慧家居系統(tǒng)架構(gòu)

如圖2所示，在設(shè)備或數(shù)據(jù)的近端，構(gòu)建了一個(gè)邊緣計(jì)算單元?？梢钥吹?，虛線框代表一個(gè)近端區(qū)域，每一個(gè)近端區(qū)域包括若干個(gè)設(shè)備和一個(gè)邊緣計(jì)算單元，這樣每一個(gè)邊緣計(jì)算單元可以就近處理附近的設(shè)備和數(shù)據(jù)，不用把所有數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)都要上報(bào)給云平臺(tái)進(jìn)行處理，這些邊緣計(jì)算單元可以處理諸如場(chǎng)景運(yùn)算、設(shè)備控制這樣的計(jì)算需求；同時(shí)邊緣計(jì)算單元也保留了與云端的通信接口，可以與云平臺(tái)進(jìn)行計(jì)算互補(bǔ)，終端則可以像傳統(tǒng)架構(gòu)一樣同云平臺(tái)進(jìn)行通信，除此之外，邊緣計(jì)算單元也可以在局域網(wǎng)對(duì)設(shè)備和場(chǎng)景進(jìn)行控制。

倘若把整個(gè)網(wǎng)絡(luò)放大，這個(gè)架構(gòu)就變成了一個(gè)云平臺(tái)對(duì)應(yīng)若干個(gè)邊緣計(jì)算單元，一個(gè)邊緣計(jì)算單元對(duì)應(yīng)若干個(gè)設(shè)備單位的模式。對(duì)于云平臺(tái)來(lái)說(shuō)，大大降低了其設(shè)備連接負(fù)載，簡(jiǎn)化了業(yè)務(wù)；對(duì)于近端區(qū)域來(lái)說(shuō)，提高了響應(yīng)速度，新增了局域網(wǎng)控制功能；對(duì)于用戶來(lái)說(shuō)，數(shù)據(jù)保存在近端，可以更放心的使用。

圖2 邊緣計(jì)算架構(gòu)示意圖

由以上架構(gòu)可知，引入邊緣計(jì)算單元后，技術(shù)上最大的變化是計(jì)算和管理分布化，可以進(jìn)行更加適合的分工，實(shí)現(xiàn)更多符合用戶實(shí)際需求的場(chǎng)景。

2 邊緣計(jì)算單元的載體和交互界面

2.1 邊緣計(jì)算的載體

近端區(qū)域里邊緣計(jì)算的載體?目前來(lái)看最適合的產(chǎn)品是家庭網(wǎng)關(guān)，在全屋智能化的情況下，家庭網(wǎng)關(guān)是必不可少的，因?yàn)槿葜悄芑嬖诖罅康腤SN設(shè)備，也就是無(wú)線傳感設(shè)備，比如被動(dòng)紅外探測(cè)器、門(mén)窗磁探測(cè)器等，這些設(shè)備目前來(lái)看一般使用非IP網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，網(wǎng)關(guān)是必要存在的。因此，家庭網(wǎng)關(guān)作為未來(lái)邊緣計(jì)算的載體值得期待。

2.2 邊緣計(jì)算單元與云平臺(tái)的交互界面

智慧家居應(yīng)用中包含了大量的數(shù)據(jù)和場(chǎng)景，涉及各種傳感器的數(shù)據(jù)、設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)、用戶行為數(shù)據(jù)、各種生活場(chǎng)景等。那么邊緣計(jì)算架構(gòu)的核心就在于如何與云平臺(tái)進(jìn)行合理的分工(即可提高效率、保障隱私且不會(huì)產(chǎn)生冗余問(wèn)題)。表1是根據(jù)客戶長(zhǎng)期以來(lái)運(yùn)行的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行的設(shè)計(jì)，涵蓋了最為核心的幾大類數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)的交互邏輯。

(1)標(biāo)有“(基)”的，表示該數(shù)據(jù)在此為基準(zhǔn)數(shù)據(jù)；標(biāo)有“(同)”的，表示該數(shù)據(jù)從對(duì)方同步而來(lái)，用戶在編輯應(yīng)用或者設(shè)備數(shù)據(jù)發(fā)生變化后，首先更改的是基準(zhǔn)數(shù)據(jù)端，然后觸發(fā)同步請(qǐng)求，使得云平臺(tái)保持正確的數(shù)據(jù)。此處云平臺(tái)保持同步數(shù)據(jù)的目的主要有兩個(gè):第一，當(dāng)用戶在終端異?；蚋鼡Q的情況下，可以在遠(yuǎn)端重新加載；第二，為大AI做數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。標(biāo)有“(獨(dú))”的，表示該數(shù)據(jù)只有在此端擁有，IFTTT是獨(dú)自在邊緣計(jì)算單元，表示家庭的核心場(chǎng)景計(jì)算由邊緣計(jì)算單元完成，云端并不需要進(jìn)行此項(xiàng)業(yè)務(wù)，但云端提供了IFTTT的通道，僅僅用于用戶在遠(yuǎn)程進(jìn)行IFTTT場(chǎng)景編輯，這對(duì)于云端非常重要，因?yàn)镮FTTT邏輯會(huì)耗費(fèi)大量的計(jì)算資源，而且它的個(gè)性化極強(qiáng)，如果每一個(gè)用戶下的IFTTT都在云端完成計(jì)算，那么將是巨大的資源消耗。

表1 邊緣計(jì)算單元與云平臺(tái)的交互界面

(2)隱私數(shù)據(jù)在近端是獨(dú)有的，這就避免了用戶的隱私數(shù)據(jù)在云端泄露的可能，這對(duì)于用戶來(lái)說(shuō)非常重要。這樣設(shè)計(jì)帶來(lái)的好處是在遠(yuǎn)端無(wú)法更新隱私數(shù)據(jù)，只能在近端更新，這一點(diǎn)會(huì)加強(qiáng)用戶的安全感。當(dāng)然，用戶可以自己設(shè)定哪些數(shù)據(jù)為隱私數(shù)據(jù)，哪些數(shù)據(jù)可以上傳到云端。同時(shí)得益于IFTTT執(zhí)行獨(dú)立在近端完成，涉及到隱私數(shù)據(jù)的場(chǎng)景也不會(huì)因此而失效，它們剛好在近端完成，遠(yuǎn)程仍然可以提供通道，但無(wú)法獲取數(shù)據(jù)。

(3)對(duì)于用戶數(shù)據(jù)而言，用戶數(shù)據(jù)保存在遠(yuǎn)端，這與現(xiàn)在主流互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)保持一致，并提供了其他行業(yè)平臺(tái)互通的可能性；對(duì)于近端計(jì)算單元來(lái)說(shuō)，并不關(guān)心用戶的數(shù)據(jù)，但是可以同步獲取相關(guān)的權(quán)限，比如不同的用戶對(duì)應(yīng)不同的操作權(quán)限，將會(huì)同步到近端計(jì)算單元，以保障用戶場(chǎng)景執(zhí)行的有效性。

以上就是邊緣計(jì)算單元與云平臺(tái)交互的基礎(chǔ)交互界面，通過(guò)這個(gè)交互界面，可以清晰地看到邊緣計(jì)算單元產(chǎn)生的巨大作用。

3 邊緣計(jì)算在分布式人工智能的應(yīng)用

3.1 AIOT的發(fā)展

AI的發(fā)展取得了巨大的成功，特別是在人臉識(shí)別、語(yǔ)音技術(shù)、廣告等領(lǐng)域，各行各業(yè)都被AI在影響，物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域也是如此，行業(yè)把AI+IOT的結(jié)合簡(jiǎn)稱AIOT，旨在將物聯(lián)網(wǎng)的各種數(shù)據(jù)進(jìn)行交叉，通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)，給用戶帶來(lái)更加智能的體驗(yàn)。智慧家居作為物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域典型的應(yīng)用，AI智能在智慧家居的應(yīng)用同樣令人期待。

AI能夠根據(jù)用戶的習(xí)慣自動(dòng)生成場(chǎng)景為用戶提供保姆式服務(wù)，這就是行業(yè)對(duì)于AI在智慧家居的期望目標(biāo)。那么邊緣計(jì)算單元的誕生，同樣也是推動(dòng)AI在智慧家居實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)的關(guān)鍵力量。

3.2 分布式AI的期望

隨著AI技術(shù)的不斷進(jìn)步，目前整個(gè)AI行業(yè)從芯片到應(yīng)用，均已有了很大的提升；基于AI專用芯片的誕生，使得機(jī)器學(xué)習(xí)算法對(duì)資源的消耗大幅度降低，邊緣計(jì)算單元有望在有限的資源下獲得局部的AI能力；這些能力足以使得邊緣計(jì)算單元獲得一項(xiàng)或者多項(xiàng)技能(假設(shè)把AI獲得類似人臉識(shí)別這種能力叫做一項(xiàng)技能)；對(duì)于云平臺(tái)來(lái)說(shuō)(有大量的邊緣計(jì)算單元)，能獲得大量的技能，使得云平臺(tái)本身?yè)碛懈鼜?qiáng)大的AI能力，這種分布式智能將大大地改善包括智能家居在內(nèi)的整個(gè)物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，使得AIOT真正落地，造福人類。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文闡述了邊緣計(jì)算在智慧家居的應(yīng)用研究，研究表明邊緣計(jì)算確實(shí)能夠在智慧家居行業(yè)產(chǎn)生關(guān)鍵價(jià)值，用于解決目前整個(gè)行業(yè)遇到的問(wèn)題。同時(shí)對(duì)AIOT的發(fā)展進(jìn)行了分析，認(rèn)為邊緣計(jì)算對(duì)AIOT的發(fā)展將貢獻(xiàn)分布式智能方式，對(duì)未來(lái)整個(gè)物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域產(chǎn)生重要影響。有理由期待，邊緣計(jì)算在智慧家居的應(yīng)用將進(jìn)一步提升行業(yè)的水平，將更好的為用戶提供體驗(yàn)式的服務(wù)。