一种基于云平台的智能家居光控系统设计

董清+洪歧

摘 要：文中设计了一个基于云平台的智能家居光控系统，将以终端控制器为中心的传统家居光控系统改造成以云服务器为中心的智能家居光控系统，借助云平台强大的数据存储与数据计算能力，为家居用户提供更体贴、更个性化的智能光控服务。

关键词：云平台；智能家居；系统设计；光控

中图分类号：TP39 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2017）04-00-03

0 引 言

云计算是通过Internet提供动态、易扩展、虚拟化计算资源的一种计算方式，使用方便，用户不需了解云中基础设施的细节，不必具备相应的专业知识，也无需进行直接控制。伯克利云计算白皮书的定义：云计算包括互联网上各种服务形式的应用以及应用所依托的数据中心的软硬件设施。应用服务即SaaS（ Software as a Service，软件即服务）， 而数据中心的软硬件设施即所谓的云。

上述定义提出了云计算的两方面含义，一方面描述了基础设施，用来构造应用程序，其地位相当于PC机上的操作系统；另一方面描述了建立在这种基础设施之上的云计算应用，云计算是能够提供动态资源池、虚拟化和高可用性的下一代计算平台。

因此，云计算未来主要有两个发展方向，一個是构建与应用程序紧密结合的大规模底层基础设施，使得应用能够扩展到很大的规模；另一个是通过构建新型云计算应用程序，在网络上提供更加丰富的用户体验。目前，在云计算应用的构造上，很多新型社会服务型网络如Facebook等，已经体现了这个发展趋势，而在研究上则开始注重如何通过云计算基础平台将多个业务融合。

1 智能家居产品及其发展趋势

智能家居的概念最早出现在美国，智能家居是以住宅为平台，兼备建筑设备、网络通信、信息家电和设备自动化，集系统、结构、服务、管理为一体的高效、舒适、安全、便利、环保的居住环境。智能家居利用先进的计算机技术、网络通信技术和综合布线技术，将与家居生活有关的各子系统有机结合在一起，通过统筹管理优化人们的生活方式，帮助人们有效安排时间，增强家居生活的安全性，甚至为各种能源费用节约资金。一般而言，智能家居系统具有以下几个特征：

（1）家庭中具备完善的、安全的保安防灾措施和生活服务的智能控制器；

（2）家庭与小区及社会具有高度的交互能力和沟通能力；

（3）家庭内部具备完善的安保措施及全面的设施监控管理和信息化的服务管理；

（4）为家庭提供多媒体信息服务；

（5）提供了一体化、综合的服务。

智能家居目前已取得了初步成功，但离“智能化”还有很长的距离，智能家居的发展趋势有以下几个方向：

（1）网络化。每一个家电都有固定的网络地址，可以随时控制。网络化是信息技术、通信技术和计算机技术发展的必然趋势，是智能家居的一个重要条件。

（2）智能化、人性化。随着人工智能的不断发展和机器人的出现，使得智能化不再是一个神话，而智能化是智能控制发展的必然趋势。因此，家居也必然向智能化方向发展。智能家居是IT技术（特别是计算机技术） 、网络技术、控制技术向传统家电产业渗透发展的必然结果。智能化应服务于人们的生活，因此应更全面、更富有人性化。

（3）节能环保。智能化的本质之一是降低成本和提高效率，节能是降低成本的关键技术。绿色、环保、节能将成为未来家居的重要考核指标，甚至是首要考虑因素。在住宅实现了基本智能化后，绿色生态住宅便成为必然的追求目标。提高生活环境的质量是其未来发展必须考虑的因素。

（4）一体化。家居智能化需满足自动化管理、安全防范监控、火灾报警、对讲呼叫、设备监控等内容，将其智能化功能集成，从而降低成本。

（5）规范化、标准化。由于智能家居发展较晚，新技术、新产品层出不穷，而标准和规范还在制定之中，但规范化、标准化是智能家居快速发展，走入国际市场的必由之路。

2 需求分析

智能家居最重要的部分是智能控制逻辑，由于现阶段世面上的家居系统都是基于单片机或者嵌入式的单机模块，因此带来了一些问题。传统智能家居系统结构如图1所示。

（1）对家庭设备的控制不够智能，系统无法让用户体会到智能家居的智能。

（2）每个家居厂商对控制逻辑的开发是独立的，和控制终端在一起后，导致厂商之间的合作比较繁杂，系统开发周期慢，且维护困难等。

（3）智能逻辑部署在控制终端，所以智能逻辑不具有灵活性，对用户而言不方便。

（4）厂商各自独立研发自己的控制逻辑，导致智能家居产品价格居高不下，不能有效减少成本开支。

（5）企业一般自己开发的控制逻辑部分比较简单，同质化较大，没有将控制系统采集到的数据做充分处理。

云计算+物联网的计算机服务应用模式将会带来一场新的IT革命。云计算智能家居系统运用云计算和物联网技术，为智能家居领域的控制提供了一种全新的软件开发、部署和应用模式，是SaaS的一种典型实现。

3 系统设计

综上所述，传统的智能家居系统存在智能逻辑不独立，智能逻辑不够智能，企业开发智能逻辑成本较大，用户使用不方便，升级换代麻烦等一系列问题，针对这些问题，我们提出了以下解决方案：

（1）在智能逻辑部署上，我们采用智能逻辑独立化的策略。将智能逻辑部署在云端，对外开放接口，在控制终端嵌入一段与云端通信程序，将控制终端与云端通过HTTP或者Socket等标准通信协议连接，使智能逻辑与控制终端分离。由此可使智能逻辑实现部署简单（只需要接入云端），升级换代更容易的目标，为智能家居企业节约了成本，提高了效益；

（2）采用一系列智能算法和手段，包括数据挖掘，精细控制，个性化控制，模式匹配等，使得智能逻辑具有自学习性，自适应性，能够更好地适应用户的生活习惯。

（3）为提高用户体验，开发了移动控制终端（手机），Web接入终端（网页），方便用户使用我们的服务。基于云平台的智能家居系统架构如图2所示。

在此系统架构上开发了智能光控系统的服务端和仿真客户端。智能光控系统不同于传统光控系统，具体表现在以下几方面：

（1）调控精度。智能光控系统可对灯的明亮度进行调控，不同于传统的简单开关操作；

（2）调控方式。系统是全自动的控制方式，是基于传感器的扫描而非人为操作；

（3）用户体验及智能性。智能光控系统具有自适应性，会按照用户期望及使用习惯进行灯光调控，将房间内的光线值始终保持在用户认为的最佳范围内；

（4）部署方式。智能光控系统采用云计算部署，可与任何家庭终端设备相连，在成本、可维护性、数据安全性等方面都有明显优势。

智能光控系统的工作流程如图3所示。家庭终端首次和云端对接开启系统默认模式，光线传感器和红外传感器开始工作，家庭终端将红外传感器和光线传感器检测到的值按照一定的频率向云端发送当前家庭各个房间的最新信息，云端更新最新信息到数据库，然后启动智能调控服务，扫描在默认模式下需要调节的灯并对之调节，将调节后的信息发送给家庭终端；当用户使用一段时间后如若发现系统默认值无法为其带来最佳体验那么可以使用手机客户端或者Web客户端调整灯光效果，此时系统会暂时进入用户调节模式，在调节期间云端控制程序不会作用于当前调控的灯，当调节完毕后系统会记录下用户的最终调整值，并且转化为开灯指数和匹配模式存储，将灯的工作模式切换为用户自适应模式。智能服务端重复迭代用户自适应模式，最终找到一个最适合用户的光线强度。

最后，为了测试和演示智能光控系统的效果，我们开发了仿真客户端程序，它包含以下几个功能：

（1）仿真主人的真实家居生活，展示云端系统的智能控制功能，测试云端系统的功能错误。

（2）与云端系统通信，发送采集到的数据及接收调控命令。

（3）与用户交互，移动主人的位置及显示灯具状态。

（4）仿真家居环境，仿真光线及实时时间，仿真主人行为，绘制家居环境效果图。

仿真客户端的主要工作分为采集家庭实时数据并发送至服务器及接收服务器的调控命令以作出相应的响应。在采集家庭环境信息的同时还可以对不同场景进行选择，模拟现实世界的环境。在不同的场景下外界环境的光线对室内灯光的影响不同。仿真系统为了将家庭的实时状况传送给服务器，在仿真客户端中每十秒就将每个房间的红外、光感等设备的信息发送至服务器，而对于手动操作以及主人进出房间等控制则作为紧急消息立即发送。同时仿真客户端将时刻响应服务器传回的控制命令。图4所示为仿真客户端中一个典型用户场景的仿真。主人进门后，走廊中的灯具自动点亮。当主人进入卧室后，卧室中的灯具自动点亮，而走廊中的灯具则自动熄灭。

4 结 语

文中设计了一个基于云平台的智能家居光控系统，将智能家居光控逻辑放在云平台上，借助云平台强大的数据存储与数据计算能力，为家居用户提供更体贴、个性化的智能光控服务。可提供具有自适应，自调节，自学习等智能特性的全自动家庭控制系统。

未来的工作有两项，一是使用高级人工智能算法改进服务端的控制逻辑，使其更智能化；二是规范化和标准化服务端的数据收发接口，使其能够连接多个厂商的智能家居产品。

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