基于开源软硬件的智能家居边缘计算系统设计

李晓微　孟芳宇　郭卓然　董静怡　汪晗

摘要：智能家居产品和系统正在成为人们家居生活中不可或缺的组成部分，逐步渗透到人们日常家居生活的方方面面。将开源软硬件和边缘计算技术的优势融入到智能家居设备的设计中，提出了一套改进的智能家居系统架构和软硬件设计方案，为实现高可靠、可扩展、功能完善的智能家居产品提供了切实可行的参考设计。

关键词：智能家居;边缘计算系统;开源软硬件;云服务

中图分类号：TU855

文献标识码：A

DOI： 10.15913/j.cnki.kjycx.2019.08.066

1 概述

随着物联网、云计算和人工智能等新兴技术的不断进步和发展，给人类的工作和生活带来了方方面面的改变。人们对生活质量，特别是对家居生活的舒适性、便利性和安全性的要求不断增强和提高，促使家居用品逐渐朝着自动化和智能化的方向不断发展。智能家居产品和系统正在成为人们家居生活中的不可或缺的组成部分，逐步渗透到人们日常家居生活的方方面面。智能家居系统，最早是指在传统家居基础上，借助物联网技术，将住宅中和家居生活有关的各种设施整合，实现照明控制、可编程定时控制、家电控制等功能，最终打造出集安全、便利、舒适性为一体的家居环境[l]。智能家居的概念是在1984年美国出现了世界上第一个“智能型建筑”“智能家居系统”而引发的，在此之后全世界的智能家居产品和系统渐渐兴起，特别是近些年各种智能插座、智能摄像头、智能音箱、智能灯泡和智能门禁等产品和系统层出不穷，深刻地改变了人们的生活方式。而随着物联网、云计算和人工智能技术的出现，又不断促进智能家居系统的设计形态和实现功能的改变和完善。

具有功能性和智能性的家居产品近些年在市场上层出不穷，不同的公司提供了大量的品类繁多和功能丰富的系列产品，以及强大的中心控制系统。虽然智能家居产品和系统已经在人们日常生活中提供了各种智能化的功能和人性化的服务，但仍然存在三个主要的问题：①不同公司的智能家居产品和系统采用的技术标准不同，造成智能家居系统的封闭，存在产品兼容性较差的问题;②由于智能家居产品依赖于制造商所提供的云服务，个人信息的隐私性和安全性掌握在制造商手中，存在无法得到完全保障的问题;③各种产品严重依托于云计算手段，存在系统反应迟缓和实时性不足的问题[2]。

因此，本文利用边缘计算、开源软件和开源硬件等技术设计了一种智能家居系统设计架构，旨在一定程度上解决上述列举的问题，提供一套安全、有效、完善的智能家居系统。

2 智能家居系统概述

智能家居系统目的是提供舒适、方便、安全、环保的居家生活環境。随着科学技术的发展和人们需求的提高，当前的智能家居系统拥有了更加丰富的功能，系统的软硬件配置也更加复杂。其基本服务功能包括监测监控、设备控制、智能服务、数据存储，当前在市场上的产品类型主要有以下几种：①监测监控。智能温控器，智能视频监控，智能门禁，火灾报警，煤气泄漏监测等。②设备控制。智能灯泡，远程家电控制，智能插座等。③智能服务。智能音箱，健康管理设备等。④数据存储。文件云盘，个人信息助理等。

智能家居系统以物联网技术为基础，从系统构成上来看，一般将其分为感知控制层、网络通信层、应用服务层[3]三层结构，如图1所示。

感知控制层实现感知数据的采集和家居设备的控制等功能，包含智能家居系统内部的各种终端设备，主要由数据采集终端和设备控制终端组成。网络通信层实现智能家居系统内部的各个终端连接和对外的数据传输，包含个人中心控制器、路由器、云服务器和通信网络。应用服务层实现人与智能家居系统的交互功能，主要由电脑、手机等通信终端和具有管理功能的服务软件组成。

网络通信层中通常涉及到两种网络：①将感知控制层中的各个终端连接起来的局域网络;②将智能家居系统同外部的云服务器连接起来的广域网络。其中，由于ZigBee具有组网灵活、处理开销小、功耗低等特点，成为建立感知控制层局域网络通信协议的首选。而WiFi具有速率高、扩展性强、支持广泛等特点，成为用来实现感知控制层中设备与外界的通信的主要方式。而网络通信层中的云服务器为智能家居系统提供数据存储、数据分析、信息处理和智能服务等重要功能，可以说是目前市场上智能家居产品的核心部分。

目前市场上智能家居产品基本上都由单独的智能设备构成，比如智能灯泡、智能门禁、智能摄像头、家庭环境监测、智能音箱等，这些智能家居产品都依赖于云服务，才能实现手机终端对智能家居产品的远程访问和控制。而基于云计算的智能家居系统，在云服务器出现故障或者网络出现异常时，会造成系统的整体瘫痪，特别是在多个智能家居产品联动的应用场景下，无法对多个设备在局域网中进行协调。而大量的家庭监控视频数据会上传到云服务中心，再分发到用户终端，必然会消耗智能家居产品到云服务中心之间的通信带宽。同时，智能家居产品通过Intemet网络连接到产品厂商提供的云服务中心，用户的个人数据和信息也存在着泄漏的风险。

3 边缘计算系统

随着物联网技术在智能家居、智能交通、智能制造等应用上面临着各种挑战和问题，边缘计算技术应运而生，其具备的高速计算存储力、快速弹性配置、分布式安全保障等特征，使其迅速成为工业界和研究领域的热点。

边缘计算是指在靠近物或数据源头的一侧，采用网络、计算、存储、应用核心能力为一体的开放平台，就近提供最近端服务[4]。其应用和处理程序在系统的边缘侧发起，因此可以产生更快的服务响应，能够满足应用场景中对实时业务、智能应用、数据处理、安全与隐私保护等多方面的基本需求。通常来看，边缘计算处于物理实体和工业连接之间，或处于物理实体的顶端。边缘计算同云计算的配合使用，能够起到互补的作用，可以将云计算中部分计算任务迁移到边缘计算设备上，从而降低云计算中心的计算存储和网络带宽的负担，提高数据的处理效率。在云计算中心网络出现问题的情况下，边缘计算设备的历史数据成为系统数据的备份，增强了系统的安全性。

边缘计算技术在智能家居系统中的应用，能够解决当前系统中存在的主要问题，具有数据实时处理、分布式保障、安全和隐私保护等优点，如图2所示。应用边缘计算技术，可以把家庭的图像、视频和信息数据存放在本地存储设备中，经过边缘计算网关的隔离，保障用户私人信息安全，防止个人隐私数据外泄;数据采集终端、设备控制终端以及各种智能终端，它们之间的数据和信号也可以通过本地的边缘计算中心处理器进行实时的协调和处理;家庭的边缘计算节点会定期与云计算服务器进行数据同步，更新数据状态和设备控制信息等。

目前边缘计算在国际和国内的研究非常活跃，主要的标准体系架构组织包括欧洲电信标准协会的多接入边缘计算（ MEC）、国内的边缘计算联盟（ECC）、美国的开放雾计算联盟（ OpenFrog）、美国的工业互联网联盟（IIC）以及Linux基金会下的开源项目EdgeX Foundry等。总体上，当前边缘计算研究形成了以产业联盟为主、标准组织和开源活动为辅的积极发展态势[5]。

4 基于开源软硬件的系统设计

开源软件，也称为开放源码软件，被定义为描述其源码可以被公众使用的软件，此软件的使用、修改和分发也不受許可证的限制[6]。开源硬件指与自由及开放源码软件相同方式设计的计算机和电子硬件。开源硬件延伸着开源软件代码的定义，包括软件、电路原理图、材料清单、设计图等都使用开源许可协议，自由使用分享，完全以开源的方式去授权方式，是开源文化的一部分[7]。开源软硬件为系统开发带来安全可靠、代码质量高、定制性和扩展性好、节约成本等优势，成为市场产品开发中一种重要的方式。对于智能家居系统的设计，采用开源软件程序和开源硬件电路进行开发，能够在系统的扩展性和兼容性、成本控制及安全可靠等方面取得明显的优势。本文基于边缘计算和开源软硬件等关键技术，提出了一种智能家居系统架构，以及硬件电路和软件功能模块的设计方案，实现了一套高可靠、可扩展、功能完善的智能家居系统。

智能家居系统硬件部分设计中，采用了开源电路系统Arduino电路板和Raspberry Pi处理器作为数据采集终端、设备控制终端，以及个人中心控制器，如图3所示。

智能家居系统软件部分设计中，采用开源软件程序作为基本处理模块，对于Arduino电路板采用Arduino语言进行功能程序设计，对于Raspberry Pi处理器采用Python语言进行功能程序设计，如图4所示。

5 总结

基于开源软硬件的智能家居系统能够在产品价格、系统扩展性、设备可靠性能等方面具有显著的优势，而边缘计算技术给智能家居系统带来了实时响应、节约网络带宽、隐私和信息安全等方面的提高。本文将开源软硬件和边缘计算技术的优势融入到智能家居设备的设计中，提出了一套改进的智能家居系统架构和软硬件设计方案，为实现高可靠、可扩展、功能完善的智能家居产品提供了切实可行的参考设计。

参考文献：

[1]严萍，张兴敢，柏业超.基于物联网技术的智能家居系统[J].南京大学学报（自然科学版），2012，48（1）： 26-32.

[2]张小琳，何青，李雯.基于云计算的智能家居管理系统的研究[J].无线互联科技，2017（ 6）： 110-112.

[3]戴建，史志才，吴飞.基于三层架构的智能家居系统研究与实现[J].电子测量技术，2016 （1）.

[4]崔兆蕾.边缘计算技术在安防行业的发展及应用[J].中国安防，2018，149 （4）： 83-85.

[5]楚俊生，张博山，林兆骥.边缘计算在物联网领域的应用及展望[J].信息通信技术，2018，12（5）：33-41.

[6]罗盛才.开源软件应用于高中信息技术教学的优势[J].中国信息技术教育，2013（7）：164-167.

[7] John-DavidWarren，JoshAdams，HaraldMolle.机器人权威指南[M].北京：电子工业出版社，2014.