基于云服務(wù)平臺(tái)的智能家居管理系統(tǒng)研究

摘要：智能家居應(yīng)用領(lǐng)域還存在很多問題，采用云服務(wù)平臺(tái)可以有效提升通信性能和數(shù)據(jù)信息資源利用效率，這就需要建立起系統(tǒng)構(gòu)架，探索集中管理和智慧控制管理模式。本文先對主流智能家居系統(tǒng)技術(shù)進(jìn)行研究，并對如何進(jìn)地智能家居系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)進(jìn)行探討，可供相關(guān)人員參考。

關(guān)鍵詞：云服務(wù)技術(shù);智能家居;通信技術(shù)

一、引言

隨著城鎮(zhèn)居民收入的不斷攀升，對家居生活的智能化和舒適化提出了更高的要求，但是，智能家居仍存在著很多需要解決的問題，例如，沒有建立起統(tǒng)一的無線通信標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范，控制實(shí)時(shí)性差和資源利用率不理想等，還沒有完全采用智能化控制，導(dǎo)致智能家居行業(yè)的發(fā)展受到抑制。采用云服務(wù)、無線傳感通信技術(shù)等前沿技術(shù)，可以為智能家居管理系統(tǒng)提供技術(shù)解決方案，云服務(wù)平臺(tái)可提升智能家居系統(tǒng)的通信實(shí)時(shí)性和數(shù)據(jù)資源利用率，具有較高的計(jì)算性能和可拓展性，可實(shí)現(xiàn)對智能家居系統(tǒng)的集中管理和智慧控制。

二、智能家居系統(tǒng)技術(shù)研究

（一）無線通信技術(shù)

1.Wi-Fi無線通信技術(shù)

Wi-Fi無線通信技術(shù)已經(jīng)得到普及與應(yīng)用，通過無線電波實(shí)現(xiàn)與網(wǎng)絡(luò)的連接，家庭、辦公場所等都已經(jīng)進(jìn)行Wi-Fi信號全覆蓋，該通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)基于IEEE802.11，具有更快數(shù)據(jù)傳輸速度、更低的功耗和更強(qiáng)的穿墻能力，實(shí)現(xiàn)了低數(shù)據(jù)速率連接的分配，有利于延長物聯(lián)網(wǎng)傳感器電池使用壽命，但Wi-FiHallow技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與應(yīng)用還存在一定的時(shí)間。

2.ZigBee通信技術(shù)

ZigBee無線通信技術(shù)可應(yīng)用于遠(yuǎn)程自動(dòng)控制領(lǐng)域，數(shù)據(jù)通信安全可靠，也不需要太高的功耗，數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延也比較低，無源設(shè)備也可以加入通信網(wǎng)絡(luò)中，通信協(xié)議也得到簡化，比WI-FI技術(shù)有著更快的響應(yīng)速度，轉(zhuǎn)換至工作狀態(tài)和接入網(wǎng)絡(luò)時(shí)間短，具有更大規(guī)模的組網(wǎng)能力，可拓展為星型、樹型等拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。該通信技術(shù)多應(yīng)用于工業(yè)遙測遙控、自動(dòng)控制等領(lǐng)域，利用龐大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行信號采集與發(fā)送控制信號，不同節(jié)點(diǎn)間進(jìn)行高效協(xié)調(diào)，可以達(dá)到較高的通信效率。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷應(yīng)用，更多的節(jié)點(diǎn)與傳感終端均采用ZigBee通信模塊，可用為網(wǎng)絡(luò)感知層。采用開源協(xié)議?？蓾M足不同廠商的協(xié)議更改的需要，但協(xié)議更改需要一定周期，不利于ZigBee通信設(shè)備的普及與應(yīng)用，可芯片價(jià)格高且需要結(jié)合不同的應(yīng)用場景，制約著該技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。同時(shí)，穿墻能力與衍射能力不足，特別是應(yīng)用于鋼筋混凝土建筑中，數(shù)據(jù)通信能力效果也會(huì)變?nèi)?，如果對無線信號進(jìn)行放大處理，還會(huì)存在輻射污染問題。

3.藍(lán)牙通信技術(shù)

作為在國際上開放通信標(biāo)準(zhǔn)的通信技術(shù)，藍(lán)牙通信采用短程無線鏈路實(shí)現(xiàn)不同終端設(shè)間的通信，該通信標(biāo)準(zhǔn)采用2.4GHz頻段，低功耗為該通信技術(shù)的核心，隨著藍(lán)牙技術(shù)推出新的版本，數(shù)據(jù)傳輸距離與速率也得到了提升，并具備室內(nèi)定位功能，可對終端進(jìn)行準(zhǔn)確定位。當(dāng)前，低功耗藍(lán)牙通信終端已經(jīng)應(yīng)用于智能穿戴、車載通信終端等方面，但由于通信距離小、抗干擾性能等缺點(diǎn)，藍(lán)牙技術(shù)在智能家居方面的應(yīng)用并不順利。

4.射頻通信技術(shù)

射頻通信技術(shù)可工作于多種頻段，不同工作頻段可應(yīng)用于不同應(yīng)用場合，有著很好的抗干擾性能，可達(dá)到較高的信號接收靈敏度。終端設(shè)備開發(fā)成本低，運(yùn)行功耗低且具有更遠(yuǎn)的傳輸距離，可以通過穿墻來傳輸信號，已經(jīng)在智能家居、自動(dòng)控制等領(lǐng)域得到應(yīng)用。

（二）云服務(wù)技術(shù)

1.云計(jì)算

對網(wǎng)絡(luò)計(jì)算資源進(jìn)行整合與調(diào)配，采用相同的通信接口對用戶提供計(jì)算服務(wù)，是一種互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用層的數(shù)據(jù)信息處理平臺(tái)，將網(wǎng)絡(luò)信息資源進(jìn)行共享，為互聯(lián)網(wǎng)用戶提供計(jì)算能力。云計(jì)算技術(shù)具有高可用性，可對海量數(shù)據(jù)信息進(jìn)行存儲(chǔ)并提供算力，可向用戶提供高質(zhì)量計(jì)算服務(wù)，還可以進(jìn)行配置、添加或拓展來提升系統(tǒng)靈活性，可實(shí)現(xiàn)與服務(wù)器的節(jié)點(diǎn)連接來構(gòu)建起服務(wù)器集群，如果某個(gè)節(jié)點(diǎn)失效也可以在較短時(shí)間內(nèi)繼續(xù)提供計(jì)算服務(wù)，具有很高的系統(tǒng)可靠性。服務(wù)終端所提交的資源可在云端進(jìn)行全面管理，采用虛擬化處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)對資源的配置，把不同資源配置給需要提供計(jì)算服務(wù)的用戶。云計(jì)算具備的集群特性可以滿足資源調(diào)整與需求伸縮的要求，還可以提供多種技術(shù)接口，確保用戶增長產(chǎn)生的計(jì)算整合需求。云計(jì)算技術(shù)可實(shí)現(xiàn)對感知數(shù)據(jù)的應(yīng)用，減少服務(wù)節(jié)點(diǎn)硬件使用數(shù)量，將公共云運(yùn)行費(fèi)用轉(zhuǎn)變由第三方支出。具有成熟可靠的編程開發(fā)模型，只需要結(jié)合項(xiàng)目開發(fā)需求即可以設(shè)計(jì)接口程序，不需要考慮數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與計(jì)算的具體細(xì)節(jié)，降低項(xiàng)目開發(fā)成本與周期。當(dāng)前，私用云是為某個(gè)組織運(yùn)提供的云計(jì)算基礎(chǔ)設(shè)施，計(jì)算資源在企業(yè)內(nèi)部進(jìn)行共享;公有云采取租借方式為公眾或集體提供云端算力服務(wù);混合云由兩個(gè)及以上的不同方式的云端系統(tǒng)構(gòu)成，每個(gè)云端系統(tǒng)均保持獨(dú)立，對不同云計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行整合;社區(qū)云為特定社區(qū)獨(dú)有，由多個(gè)組織構(gòu)成。IaaS服務(wù)模式，把服務(wù)器、存儲(chǔ)中心等網(wǎng)絡(luò)計(jì)算設(shè)施提供給用戶，也可以將虛擬化技術(shù)等實(shí)現(xiàn)有效地管理;PaaS服務(wù)模式，通過部署開發(fā)工具靠墻產(chǎn)平臺(tái)，用戶可以根據(jù)使用需要來開發(fā)應(yīng)用，不再考慮硬件與操作系統(tǒng)等方面的投入;SaaS服務(wù)模式，為用戶提供滿足云端運(yùn)行的應(yīng)用程序，不再注重網(wǎng)絡(luò)設(shè)施與細(xì)節(jié)。

2.云存儲(chǔ)

把數(shù)據(jù)信息存儲(chǔ)于網(wǎng)絡(luò)云端來創(chuàng)建云存儲(chǔ)模型，物理存儲(chǔ)可以在多個(gè)云端服務(wù)器實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)，交由托管公司進(jìn)行管理與運(yùn)營，云存儲(chǔ)服務(wù)商可以確保數(shù)據(jù)信息的可用性，有利于維護(hù)和運(yùn)行網(wǎng)絡(luò)云端物理存儲(chǔ)環(huán)境，有使用需求的用戶可通過購買與租賃來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和管理。云存儲(chǔ)為新型的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)服務(wù)方式，是通過將網(wǎng)絡(luò)管理設(shè)備進(jìn)行高度集成，對多種訪問接口進(jìn)行整合等，創(chuàng)建出龐大而復(fù)雜的云存儲(chǔ)服務(wù)系統(tǒng)。將存儲(chǔ)設(shè)備作為核心部件，應(yīng)用接口可對用戶提供數(shù)據(jù)信息存儲(chǔ)與訪問服務(wù)，通過不同訪問層和接口層等的協(xié)作，可以完成數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與訪問。

（三）機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)

人工智能中最為重要的內(nèi)容就是進(jìn)行機(jī)器學(xué)習(xí)，通過對量化模型的研發(fā)，可以在不進(jìn)行顯式編程的條件下執(zhí)行多種任務(wù)，通過機(jī)器學(xué)習(xí)來識(shí)別復(fù)雜計(jì)算模型，并提出智能化的計(jì)算決策，可結(jié)合實(shí)際問題來建模，參考現(xiàn)有經(jīng)驗(yàn)來提高模型效果。

1.機(jī)器學(xué)習(xí)

通過機(jī)器學(xué)習(xí)把實(shí)際存在的問題進(jìn)行抽象人處理，把問題場景作為模型輸入，并將其饋送至計(jì)算模型，把反饋回來的方案作為模型輸出。輸入函數(shù)與輸出函數(shù)為：

（1）

（2）

計(jì)算查勘型為輸入至輸出空間的數(shù)學(xué)映射：

（3）

通過機(jī)器學(xué)習(xí)來對存在的實(shí)際問題進(jìn)行處理，采用已知經(jīng)驗(yàn)來優(yōu)化改進(jìn)計(jì)算模型f（·），憑借經(jīng)驗(yàn)將樣本點(diǎn)集合作為數(shù)據(jù)集。一般情況下，將模型進(jìn)行優(yōu)化過程稱作訓(xùn)練，對模型運(yùn)行效果進(jìn)行檢驗(yàn)被叫作測試，如果創(chuàng)建的模型是參數(shù)化的模型，應(yīng)該將模型運(yùn)行于不同參數(shù)條件下進(jìn)行檢驗(yàn)。在進(jìn)行模型創(chuàng)建時(shí)，多將數(shù)據(jù)集劃分為不相交的多個(gè)集合，樣本點(diǎn)可作為模型訓(xùn)練的對象，樣本點(diǎn)集合作為模型的測試集，如果要選用模型的參數(shù)，應(yīng)該采用和測試集相同的集合作為開發(fā)集。

數(shù)據(jù)集類型決定著算法模型與優(yōu)化選擇，如果數(shù)據(jù)集樣本點(diǎn)存在輸入x，應(yīng)該選用非監(jiān)督學(xué)習(xí)算法，而如果樣本點(diǎn)采用（x，y）數(shù)據(jù)組，需要應(yīng)用監(jiān)督算法來進(jìn)行學(xué)習(xí)。在進(jìn)行非監(jiān)督學(xué)習(xí)過程中，數(shù)據(jù)集只能作為輸入，不采用正確輸出用于監(jiān)督信號，多用于解決聚類問題，只確定出樣本特征值，無法進(jìn)行準(zhǔn)確的分類，無法給出有所類別，進(jìn)行學(xué)習(xí)并確定出樣本以后可以對類型進(jìn)行區(qū)分。而在監(jiān)督學(xué)習(xí)過程中，需要結(jié)合訓(xùn)練集來對模型進(jìn)行優(yōu)化，將測試樣例用于輸入，輸出要接近于正確輸出，多應(yīng)用于回歸和分類問題，回歸問題是一種連續(xù)值，分類問題可用于輸出離散值。

2.人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

分類與問歸問題可采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來解決，實(shí)質(zhì)上也是一種監(jiān)督算法，作為對復(fù)雜數(shù)據(jù)信息進(jìn)行輸入處理的模型框架。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)有著對信號進(jìn)行處理的單元，不同單元間可以進(jìn)行數(shù)據(jù)信息連接，每個(gè)單元間的數(shù)據(jù)連接都是有權(quán)重的。神經(jīng)元作為基本的網(wǎng)絡(luò)單位，可用于數(shù)據(jù)信息進(jìn)行操作與處理，接收到一組數(shù)據(jù)信息的輸入，進(jìn)行加權(quán)求和處理認(rèn)后，通過激活函數(shù)來確定輸出。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為端至端的數(shù)據(jù)信息處理系統(tǒng)，將一定格式的數(shù)據(jù)作為輸入，進(jìn)行計(jì)算操作以后輸出一定格式數(shù)據(jù)信息，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部操作與計(jì)算結(jié)果可視作黑箱，網(wǎng)絡(luò)頂點(diǎn)需要進(jìn)行層次發(fā)，輸出層通過網(wǎng)絡(luò)輸出數(shù)據(jù)。還需要對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行調(diào)整與修正，對內(nèi)部參數(shù)進(jìn)行訓(xùn)練，可以實(shí)現(xiàn)對模型的優(yōu)化。

三、智能家居系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

（一）服務(wù)端結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

云服務(wù)平臺(tái)可將云計(jì)算技術(shù)充分發(fā)揮出來，服務(wù)端軟件應(yīng)用于云服務(wù)平臺(tái)，每個(gè)模塊間進(jìn)行協(xié)作來對網(wǎng)關(guān)信息進(jìn)行管理，實(shí)現(xiàn)對用戶端的遠(yuǎn)程控制，服務(wù)端軟件體系見圖1所示。

圖1中的登錄模塊可實(shí)現(xiàn)對家庭網(wǎng)關(guān)、用戶終端登錄等的管理，可滿足添加和刪除用戶、密碼修改等方面的需要。家庭網(wǎng)關(guān)運(yùn)行以后，需要向系統(tǒng)提出用戶登錄請求，用于系統(tǒng)配置、記錄并發(fā)送網(wǎng)關(guān)名稱，用戶密碼等，驗(yàn)證以后就可以登錄。通信模塊將家居系統(tǒng)運(yùn)行形成的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的交互與遠(yuǎn)程控制。數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)模塊對用戶和網(wǎng)關(guān)信息、終端設(shè)備狀態(tài)、操作歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)。日志模塊對系統(tǒng)操作歷史進(jìn)行記錄，可用于對操作記錄的查詢，可為后續(xù)的系統(tǒng)調(diào)試與數(shù)據(jù)維護(hù)提供參考。預(yù)測模塊采用人工神經(jīng)算法，對智能家居系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)信息進(jìn)行訓(xùn)練，并對終端設(shè)備運(yùn)行情況進(jìn)行預(yù)測，也可優(yōu)化出更符合用戶使用習(xí)慣的家居設(shè)計(jì)。

（二）服務(wù)端基本功能設(shè)計(jì)

對用戶登錄驗(yàn)證、密碼修改和心跳包的收發(fā)等功能進(jìn)行管理，通過家庭網(wǎng)關(guān)驗(yàn)證以后方可實(shí)現(xiàn)客戶端的登錄，但兩者間的驗(yàn)證流程并不相同。家庭網(wǎng)關(guān)驗(yàn)證時(shí)，啟動(dòng)運(yùn)行后向管理系統(tǒng)提出登錄請求，對請求信息進(jìn)行驗(yàn)證以后，將信息植入網(wǎng)關(guān)狀態(tài)表。網(wǎng)關(guān)可能用戶信處表進(jìn)行維護(hù)并創(chuàng)建鏈表，并對ID信息進(jìn)行記錄。需要對家居終端設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行轉(zhuǎn)換時(shí)，網(wǎng)關(guān)對用戶信息進(jìn)行登記。家庭網(wǎng)關(guān)獲取到終端智能家居設(shè)備信息，把獲取到的數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)送至服務(wù)端軟件，對靈敏據(jù)進(jìn)行線程解析。家庭網(wǎng)關(guān)發(fā)送出來的數(shù)據(jù)信息多為智能家電設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的信息，通信協(xié)議對數(shù)據(jù)進(jìn)行解析與格式轉(zhuǎn)換以后，把信息發(fā)送到數(shù)據(jù)庫。如果服務(wù)端軟件獲取到客戶端請求并啟動(dòng)線程解析，對控制類型進(jìn)行識(shí)別與判斷，并對發(fā)送的命令進(jìn)行及時(shí)響應(yīng)再轉(zhuǎn)發(fā)至網(wǎng)關(guān)。如果請求解析或校驗(yàn)沒有完成，將反饋信息提交到目的網(wǎng)關(guān)請求。

（三）預(yù)測模塊設(shè)計(jì)

智能家居系統(tǒng)應(yīng)該與機(jī)器學(xué)習(xí)算法進(jìn)行高度結(jié)合，對傳輸過來的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析與學(xué)習(xí)，通過向服務(wù)器發(fā)送命令請求并將客戶端狀態(tài)向用戶進(jìn)行反饋。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型具有較高的預(yù)測準(zhǔn)確性和很短的預(yù)測時(shí)間，采用反向傳播算法對權(quán)值梯度進(jìn)行計(jì)算，通過反向逐層對權(quán)值進(jìn)行修改。算法包括數(shù)據(jù)前向計(jì)算、誤差反向修正，輸入至輸出方向通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行計(jì)算來確定輸出，輸出至輸入方向要對權(quán)值與偏置進(jìn)行優(yōu)化。BP算法是當(dāng)前神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中最為成熟的訓(xùn)練方法，訓(xùn)練完成以后可以得到誤差函數(shù)最小值，應(yīng)用梯度下降法可以對權(quán)值和偏置的改進(jìn)，可以使算法在進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合、預(yù)測和逼近等方面有著很好的適用性。

1.輸入輸出

通過傳感器對家居環(huán)境數(shù)據(jù)與狀態(tài)進(jìn)行采集，擬合環(huán)境與設(shè)備數(shù)據(jù)作為網(wǎng)絡(luò)輸入數(shù)據(jù)，把相同時(shí)間的環(huán)境數(shù)據(jù)和電氣狀態(tài)進(jìn)行整合，作為網(wǎng)絡(luò)模型的輸入，環(huán)境數(shù)據(jù)與設(shè)備數(shù)據(jù)隨機(jī)采集，可以建立起訓(xùn)練樣本集，由于輸入數(shù)據(jù)存在著較差異，應(yīng)該對數(shù)據(jù)歸一化處理。

2.整體流程

創(chuàng)建4層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，2個(gè)隱藏層設(shè)置15個(gè)神經(jīng)元節(jié)點(diǎn)，隱藏層激勵(lì)函數(shù)可采用tansig函數(shù)，輸出層為用purelin函數(shù)。把輸入數(shù)據(jù)采取相同格式提供給網(wǎng)絡(luò)神經(jīng)系統(tǒng)，通過2個(gè)隱藏層和輸出層，對數(shù)據(jù)進(jìn)行加權(quán)求和再采用激勵(lì)函數(shù)進(jìn)行處理，得到神經(jīng)元輸出，求解不同網(wǎng)絡(luò)層權(quán)值和偏差并進(jìn)行優(yōu)化，對每個(gè)網(wǎng)絡(luò)層和修正量數(shù)據(jù)進(jìn)行更新。建立的網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模塊把網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)庫內(nèi)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)地歸化處理，對不同層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來訓(xùn)練，這樣就可以得到最為理想的預(yù)測模型，再把預(yù)測模型進(jìn)行封裝處理來作為API接口，把實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息提交給預(yù)測模型即可得以數(shù)據(jù)，再封裝處理后傳輸給網(wǎng)關(guān)來對不同家電終端進(jìn)行控制。

（四）客戶端設(shè)計(jì)

Anroid系統(tǒng)在國內(nèi)手機(jī)和平板等終端應(yīng)用得較為廣泛，Liunx為系統(tǒng)核心層，對硬件設(shè)備提供驅(qū)動(dòng)，智能家居系統(tǒng)客戶端設(shè)計(jì)有登錄界面、設(shè)備控制界面、用戶管理界面，用戶信息實(shí)體類和設(shè)備信息實(shí)體類等具有數(shù)據(jù)信息支持作用。

四、結(jié)束語

綜上所述，對智能家居主要無線通信技術(shù)進(jìn)行研究，根據(jù)智能家居網(wǎng)絡(luò)實(shí)際需求，要結(jié)合投資成本、復(fù)雜程度和應(yīng)用場景等情況，把射頻通信技術(shù)用于信息傳輸，并對智能家居功能和性能需要進(jìn)行深入分析，制定出智能家居總體設(shè)計(jì)方案，把系統(tǒng)軟件應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，并對BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行研究，對歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練，可以準(zhǔn)確預(yù)測出用戶的行為，實(shí)現(xiàn)智能網(wǎng)關(guān)與用戶終端的雙向通信，系統(tǒng)通信效率高且有著較短的響應(yīng)時(shí)間。

作者單位：劉成浩? ? 上海東冠通信建設(shè)有限公司

參? 考? 文? 獻(xiàn)

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