基于開源軟硬件的智能家居邊緣計(jì)算系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李曉微　孟芳宇　郭卓然　董靜怡　汪晗

摘要：智能家居產(chǎn)品和系統(tǒng)正在成為人們家居生活中不可或缺的組成部分，逐步滲透到人們?nèi)粘＜揖由畹姆椒矫婷?。將開源軟硬件和邊緣計(jì)算技術(shù)的優(yōu)勢融入到智能家居設(shè)備的設(shè)計(jì)中，提出了一套改進(jìn)的智能家居系統(tǒng)架構(gòu)和軟硬件設(shè)計(jì)方案，為實(shí)現(xiàn)高可靠、可擴(kuò)展、功能完善的智能家居產(chǎn)品提供了切實(shí)可行的參考設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：智能家居;邊緣計(jì)算系統(tǒng);開源軟硬件;云服務(wù)

中圖分類號(hào)：TU855

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI： 10.15913/j.cnki.kjycx.2019.08.066

1 概述

隨著物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算和人工智能等新興技術(shù)的不斷進(jìn)步和發(fā)展，給人類的工作和生活帶來了方方面面的改變。人們對(duì)生活質(zhì)量，特別是對(duì)家居生活的舒適性、便利性和安全性的要求不斷增強(qiáng)和提高，促使家居用品逐漸朝著自動(dòng)化和智能化的方向不斷發(fā)展。智能家居產(chǎn)品和系統(tǒng)正在成為人們家居生活中的不可或缺的組成部分，逐步滲透到人們?nèi)粘＜揖由畹姆椒矫婷?。智能家居系統(tǒng)，最早是指在傳統(tǒng)家居基礎(chǔ)上，借助物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，將住宅中和家居生活有關(guān)的各種設(shè)施整合，實(shí)現(xiàn)照明控制、可編程定時(shí)控制、家電控制等功能，最終打造出集安全、便利、舒適性為一體的家居環(huán)境[l]。智能家居的概念是在1984年美國出現(xiàn)了世界上第一個(gè)“智能型建筑”“智能家居系統(tǒng)”而引發(fā)的，在此之后全世界的智能家居產(chǎn)品和系統(tǒng)漸漸興起，特別是近些年各種智能插座、智能攝像頭、智能音箱、智能燈泡和智能門禁等產(chǎn)品和系統(tǒng)層出不窮，深刻地改變了人們的生活方式。而隨著物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算和人工智能技術(shù)的出現(xiàn)，又不斷促進(jìn)智能家居系統(tǒng)的設(shè)計(jì)形態(tài)和實(shí)現(xiàn)功能的改變和完善。

具有功能性和智能性的家居產(chǎn)品近些年在市場上層出不窮，不同的公司提供了大量的品類繁多和功能豐富的系列產(chǎn)品，以及強(qiáng)大的中心控制系統(tǒng)。雖然智能家居產(chǎn)品和系統(tǒng)已經(jīng)在人們?nèi)粘Ｉ钪刑峁┝烁鞣N智能化的功能和人性化的服務(wù)，但仍然存在三個(gè)主要的問題：①不同公司的智能家居產(chǎn)品和系統(tǒng)采用的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)不同，造成智能家居系統(tǒng)的封閉，存在產(chǎn)品兼容性較差的問題;②由于智能家居產(chǎn)品依賴于制造商所提供的云服務(wù)，個(gè)人信息的隱私性和安全性掌握在制造商手中，存在無法得到完全保障的問題;③各種產(chǎn)品嚴(yán)重依托于云計(jì)算手段，存在系統(tǒng)反應(yīng)遲緩和實(shí)時(shí)性不足的問題[2]。

因此，本文利用邊緣計(jì)算、開源軟件和開源硬件等技術(shù)設(shè)計(jì)了一種智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)架構(gòu)，旨在一定程度上解決上述列舉的問題，提供一套安全、有效、完善的智能家居系統(tǒng)。

2 智能家居系統(tǒng)概述

智能家居系統(tǒng)目的是提供舒適、方便、安全、環(huán)保的居家生活環(huán)境。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和人們需求的提高，當(dāng)前的智能家居系統(tǒng)擁有了更加豐富的功能，系統(tǒng)的軟硬件配置也更加復(fù)雜。其基本服務(wù)功能包括監(jiān)測監(jiān)控、設(shè)備控制、智能服務(wù)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，當(dāng)前在市場上的產(chǎn)品類型主要有以下幾種：①監(jiān)測監(jiān)控。智能溫控器，智能視頻監(jiān)控，智能門禁，火災(zāi)報(bào)警，煤氣泄漏監(jiān)測等。②設(shè)備控制。智能燈泡，遠(yuǎn)程家電控制，智能插座等。③智能服務(wù)。智能音箱，健康管理設(shè)備等。④數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。文件云盤，個(gè)人信息助理等。

智能家居系統(tǒng)以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)，從系統(tǒng)構(gòu)成上來看，一般將其分為感知控制層、網(wǎng)絡(luò)通信層、應(yīng)用服務(wù)層[3]三層結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

感知控制層實(shí)現(xiàn)感知數(shù)據(jù)的采集和家居設(shè)備的控制等功能，包含智能家居系統(tǒng)內(nèi)部的各種終端設(shè)備，主要由數(shù)據(jù)采集終端和設(shè)備控制終端組成。網(wǎng)絡(luò)通信層實(shí)現(xiàn)智能家居系統(tǒng)內(nèi)部的各個(gè)終端連接和對(duì)外的數(shù)據(jù)傳輸，包含個(gè)人中心控制器、路由器、云服務(wù)器和通信網(wǎng)絡(luò)。應(yīng)用服務(wù)層實(shí)現(xiàn)人與智能家居系統(tǒng)的交互功能，主要由電腦、手機(jī)等通信終端和具有管理功能的服務(wù)軟件組成。

網(wǎng)絡(luò)通信層中通常涉及到兩種網(wǎng)絡(luò)：①將感知控制層中的各個(gè)終端連接起來的局域網(wǎng)絡(luò);②將智能家居系統(tǒng)同外部的云服務(wù)器連接起來的廣域網(wǎng)絡(luò)。其中，由于ZigBee具有組網(wǎng)靈活、處理開銷小、功耗低等特點(diǎn)，成為建立感知控制層局域網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議的首選。而WiFi具有速率高、擴(kuò)展性強(qiáng)、支持廣泛等特點(diǎn)，成為用來實(shí)現(xiàn)感知控制層中設(shè)備與外界的通信的主要方式。而網(wǎng)絡(luò)通信層中的云服務(wù)器為智能家居系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)分析、信息處理和智能服務(wù)等重要功能，可以說是目前市場上智能家居產(chǎn)品的核心部分。

目前市場上智能家居產(chǎn)品基本上都由單獨(dú)的智能設(shè)備構(gòu)成，比如智能燈泡、智能門禁、智能攝像頭、家庭環(huán)境監(jiān)測、智能音箱等，這些智能家居產(chǎn)品都依賴于云服務(wù)，才能實(shí)現(xiàn)手機(jī)終端對(duì)智能家居產(chǎn)品的遠(yuǎn)程訪問和控制。而基于云計(jì)算的智能家居系統(tǒng)，在云服務(wù)器出現(xiàn)故障或者網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)異常時(shí)，會(huì)造成系統(tǒng)的整體癱瘓，特別是在多個(gè)智能家居產(chǎn)品聯(lián)動(dòng)的應(yīng)用場景下，無法對(duì)多個(gè)設(shè)備在局域網(wǎng)中進(jìn)行協(xié)調(diào)。而大量的家庭監(jiān)控視頻數(shù)據(jù)會(huì)上傳到云服務(wù)中心，再分發(fā)到用戶終端，必然會(huì)消耗智能家居產(chǎn)品到云服務(wù)中心之間的通信帶寬。同時(shí)，智能家居產(chǎn)品通過Intemet網(wǎng)絡(luò)連接到產(chǎn)品廠商提供的云服務(wù)中心，用戶的個(gè)人數(shù)據(jù)和信息也存在著泄漏的風(fēng)險(xiǎn)。

3 邊緣計(jì)算系統(tǒng)

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智能家居、智能交通、智能制造等應(yīng)用上面臨著各種挑戰(zhàn)和問題，邊緣計(jì)算技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，其具備的高速計(jì)算存儲(chǔ)力、快速彈性配置、分布式安全保障等特征，使其迅速成為工業(yè)界和研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)。

邊緣計(jì)算是指在靠近物或數(shù)據(jù)源頭的一側(cè)，采用網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算、存儲(chǔ)、應(yīng)用核心能力為一體的開放平臺(tái)，就近提供最近端服務(wù)[4]。其應(yīng)用和處理程序在系統(tǒng)的邊緣側(cè)發(fā)起，因此可以產(chǎn)生更快的服務(wù)響應(yīng)，能夠滿足應(yīng)用場景中對(duì)實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)、智能應(yīng)用、數(shù)據(jù)處理、安全與隱私保護(hù)等多方面的基本需求。通常來看，邊緣計(jì)算處于物理實(shí)體和工業(yè)連接之間，或處于物理實(shí)體的頂端。邊緣計(jì)算同云計(jì)算的配合使用，能夠起到互補(bǔ)的作用，可以將云計(jì)算中部分計(jì)算任務(wù)遷移到邊緣計(jì)算設(shè)備上，從而降低云計(jì)算中心的計(jì)算存儲(chǔ)和網(wǎng)絡(luò)帶寬的負(fù)擔(dān)，提高數(shù)據(jù)的處理效率。在云計(jì)算中心網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)問題的情況下，邊緣計(jì)算設(shè)備的歷史數(shù)據(jù)成為系統(tǒng)數(shù)據(jù)的備份，增強(qiáng)了系統(tǒng)的安全性。

邊緣計(jì)算技術(shù)在智能家居系統(tǒng)中的應(yīng)用，能夠解決當(dāng)前系統(tǒng)中存在的主要問題，具有數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理、分布式保障、安全和隱私保護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，如圖2所示。應(yīng)用邊緣計(jì)算技術(shù)，可以把家庭的圖像、視頻和信息數(shù)據(jù)存放在本地存儲(chǔ)設(shè)備中，經(jīng)過邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)的隔離，保障用戶私人信息安全，防止個(gè)人隱私數(shù)據(jù)外泄;數(shù)據(jù)采集終端、設(shè)備控制終端以及各種智能終端，它們之間的數(shù)據(jù)和信號(hào)也可以通過本地的邊緣計(jì)算中心處理器進(jìn)行實(shí)時(shí)的協(xié)調(diào)和處理;家庭的邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)會(huì)定期與云計(jì)算服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)同步，更新數(shù)據(jù)狀態(tài)和設(shè)備控制信息等。

目前邊緣計(jì)算在國際和國內(nèi)的研究非?；钴S，主要的標(biāo)準(zhǔn)體系架構(gòu)組織包括歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)的多接入邊緣計(jì)算（ MEC）、國內(nèi)的邊緣計(jì)算聯(lián)盟（ECC）、美國的開放霧計(jì)算聯(lián)盟（ OpenFrog）、美國的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟（IIC）以及Linux基金會(huì)下的開源項(xiàng)目EdgeX Foundry等?？傮w上，當(dāng)前邊緣計(jì)算研究形成了以產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟為主、標(biāo)準(zhǔn)組織和開源活動(dòng)為輔的積極發(fā)展態(tài)勢[5]。

4 基于開源軟硬件的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

開源軟件，也稱為開放源碼軟件，被定義為描述其源碼可以被公眾使用的軟件，此軟件的使用、修改和分發(fā)也不受許可證的限制[6]。開源硬件指與自由及開放源碼軟件相同方式設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)和電子硬件。開源硬件延伸著開源軟件代碼的定義，包括軟件、電路原理圖、材料清單、設(shè)計(jì)圖等都使用開源許可協(xié)議，自由使用分享，完全以開源的方式去授權(quán)方式，是開源文化的一部分[7]。開源軟硬件為系統(tǒng)開發(fā)帶來安全可靠、代碼質(zhì)量高、定制性和擴(kuò)展性好、節(jié)約成本等優(yōu)勢，成為市場產(chǎn)品開發(fā)中一種重要的方式。對(duì)于智能家居系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，采用開源軟件程序和開源硬件電路進(jìn)行開發(fā)，能夠在系統(tǒng)的擴(kuò)展性和兼容性、成本控制及安全可靠等方面取得明顯的優(yōu)勢。本文基于邊緣計(jì)算和開源軟硬件等關(guān)鍵技術(shù)，提出了一種智能家居系統(tǒng)架構(gòu)，以及硬件電路和軟件功能模塊的設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)了一套高可靠、可擴(kuò)展、功能完善的智能家居系統(tǒng)。

智能家居系統(tǒng)硬件部分設(shè)計(jì)中，采用了開源電路系統(tǒng)Arduino電路板和Raspberry Pi處理器作為數(shù)據(jù)采集終端、設(shè)備控制終端，以及個(gè)人中心控制器，如圖3所示。

智能家居系統(tǒng)軟件部分設(shè)計(jì)中，采用開源軟件程序作為基本處理模塊，對(duì)于Arduino電路板采用Arduino語言進(jìn)行功能程序設(shè)計(jì)，對(duì)于Raspberry Pi處理器采用Python語言進(jìn)行功能程序設(shè)計(jì)，如圖4所示。

5 總結(jié)

基于開源軟硬件的智能家居系統(tǒng)能夠在產(chǎn)品價(jià)格、系統(tǒng)擴(kuò)展性、設(shè)備可靠性能等方面具有顯著的優(yōu)勢，而邊緣計(jì)算技術(shù)給智能家居系統(tǒng)帶來了實(shí)時(shí)響應(yīng)、節(jié)約網(wǎng)絡(luò)帶寬、隱私和信息安全等方面的提高。本文將開源軟硬件和邊緣計(jì)算技術(shù)的優(yōu)勢融入到智能家居設(shè)備的設(shè)計(jì)中，提出了一套改進(jìn)的智能家居系統(tǒng)架構(gòu)和軟硬件設(shè)計(jì)方案，為實(shí)現(xiàn)高可靠、可擴(kuò)展、功能完善的智能家居產(chǎn)品提供了切實(shí)可行的參考設(shè)計(jì)。

參考文獻(xiàn)：

[1]嚴(yán)萍，張興敢，柏業(yè)超.基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能家居系統(tǒng)[J].南京大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2012，48（1）： 26-32.

[2]張小琳，何青，李雯.基于云計(jì)算的智能家居管理系統(tǒng)的研究[J].無線互聯(lián)科技，2017（ 6）： 110-112.

[3]戴建，史志才，吳飛.基于三層架構(gòu)的智能家居系統(tǒng)研究與實(shí)現(xiàn)[J].電子測量技術(shù)，2016 （1）.

[4]崔兆蕾.邊緣計(jì)算技術(shù)在安防行業(yè)的發(fā)展及應(yīng)用[J].中國安防，2018，149 （4）： 83-85.

[5]楚俊生，張博山，林兆驥.邊緣計(jì)算在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的應(yīng)用及展望[J].信息通信技術(shù)，2018，12（5）：33-41.

[6]羅盛才.開源軟件應(yīng)用于高中信息技術(shù)教學(xué)的優(yōu)勢[J].中國信息技術(shù)教育，2013（7）：164-167.

[7] John-DavidWarren，JoshAdams，HaraldMolle.機(jī)器人權(quán)威指南[M].北京：電子工業(yè)出版社，2014.