基于云计算的智能家居系统架构研究

摘要：分析了当前智能家居普遍面临的问题，提出了一种基于云计算服务模式的智能家居云架构体系。该系统以家庭网关作为连通家庭设备、云服务器的桥梁，用户可以使用PC或移动终端对家居设备进行控制和监控。

关键词：智能家居；云计算；家庭网关；物联网

中图分类号：

文献标识码：A 文章编号：1672-7800（2014）003-0080-03

0 引言

在智能家居领域，各个家居之间的通信都是通过网络实现的。智能家居中数据的存储、可视化需要进行合理、统一的处理。云计算可以提供一个虚拟基础设施以处理和整合智能家居中的监控设备、存储设备、分析工具、可视化平台。

云计算作为一种基于互联网的大众参与的计算模式，是在互联网对低成本海量数据存储以及大规模并行计算需求快速增长的背景下出现的新型IT服务架构。云计算服务不仅包括网络上以应用方式提供的服务，还包括以提供数据中心的硬件或者系统软件为内容的服务。如今，人们把数据中心的软件和硬件称为云。所有服务均放置于服务器端，用户可以通过网络按需使用。

智慧家居这个概念的提出，让家庭生活开始走向数据化和信息化，采用各类传感器采集家庭生活中的信息，并联动相关的控制器对家庭生活进行智能处理，并且采用专用网关，将其与互联网连接起来，在家庭中构建出一个家庭互联网，以真正实现“智慧家庭”，也即智能家居在物联网时代的应用。

智能家居作为物联网时代的重要组成部分，其业务平台是智慧家庭的后端管理平台，是连接千家万户乃至各种与生活相关的机构的枢纽。由于光纤到户政策的推出，以及移动互联网的发展，互联网已经无处不在，并具备了广泛的受众基础。因此，将家庭物联网与互联网相连之后，智慧家庭业务平台将会承载海量数据，并且需要对海量数据进行存储、分析、应用，从而使得云计算引入此业务平台成为必然。在这样的趋势下，智能家居云作为家庭信息业务的基础应运而生。

智能家居云在为用户提供基础设施（包括处理器、内存、存储、网络接口）的基础上，结合用户的普遍应用类型，开发用户所需要的各种应用，同时有针对性地为不同的用户提供应用，让用户自主选择。

智能家居已不仅仅是家庭生活的自动化，更加涵盖了安全监控、医疗护理、便利舒适以及节能环保等内容，甚至还在不断扩展中。比如，物联传感已经将智能家居与智慧交通实现接轨。随着该概念的兴起，一系列的智能设备如同雨后春笋，比如各种智能锁、智能门禁，安防报警、远程监控等。但是，这些孤立的产品对于用户而言，并不如厂家演示的那样神奇。

在这种情况下，基于智能家居云的智能家居解决方案，将那些孤立的产品通过网络互联互通，并集中控制，赋予家居设备真正的智慧，让用户体验到真正的未来之家。

在该系统中，用户将会享受到智能安防、智能医疗、环境监控、场景控制、节能减排等服务，以及一系列的信息服务。智能家居云作为智能家居的业务服务平台，起到了承上启下的作用。智能家居云对下可以管理单个智慧家庭内的智慧产品，甚至可以综合管理整个智能社区乃至整个智慧城市；对上则可以支持多种行业应用，同时与第三方功能业务平台进行对接，将各种垂直的物联网应用，整合成一个完善的应用网络体系。比如，因为智能家居平台具备7*24小时在线的特性。因此，智能家居云平台可作为一个网络社区，实现购物、交友、教育、娱乐等多方功能，让家庭成为生活的中心。

1 智能家居云架构

整个智能家居系统分成3部分：移动终端应用系统、云平台、家庭网关。整体架构如图1所示。

智能家居云主要是为了解决智能家居环境中数据存储和数据处理方面的工作，当用户需要向智能家居云服务提供者获得控制、存储等业务云服务时，首先在家庭网关中进行身份注册，随后添加家庭中的智能设备，下载家居应用。当用户通过Android客户端或电脑客户端登录智能家居应用获取云服务，用户即可控制家居设备、监控家居环境，如图2所示。

1.1 云平台构建

云平台总架构采用IaaS（Infrastructure as a Service）与PaaS（Platform as a Service）整合的方式来构建应用平台，如图3所示。

IaaS基础设施云为上层平台提供处理、存储、网络、操作系统和其它必要的应用程序。PaaS在IaaS提供的虚拟机集群基础上为客户提供开发语言工具Web服务器和数据库等应用。这样，只需要在PaaS平台上开发对应的智能家居云服务应用即可。

1.2 云应用系统架构

根据上图所示，用户通过家庭网关WebOS向云端Home App注册帐号密码，并选择所需控制的家电应用，同时云端实时更新该用户家庭网关webOS执行列表并实时采集家电信息。之后用户使用移动终端设备对家电进行控制操作，则直接访问云端所选择的家电应用实例，实现家居智能控制。

以JavaWeb为例，结合传统移动服务与JavaEE标准，对于云端每个家电应用均采用系统分层结构模型。如图5所示，系统模型按照逻辑结构分为6层，安全过滤层、访问控制层、异常处理层、日志处理层、业务逻辑层和数据访问层。通过该分层模型，可以层层处理数据，充分保证数据的安全和有效性。

2 家庭网关

家庭网关作为连接公网（云平台）和家庭私网（家庭内部ZigBee网络）的枢纽，既负责家庭内部对云端的访问和交互，又负责用户从云端对家庭网络的访问和控制，另外还需要负责家庭内部设备的互联、互控等操作。因此，家庭网关在智能家居系统中起到了至关重要的作用。家庭网关的通信主要包括云端与家庭网关、家庭网关与Zigbee网络两部分。

2.1 家庭网关设计

家庭网关可以随时查看各网络摄像头监控画面，并接收各传感器、探测器节点的报警信号，一旦监测到险情，立即与云平台通信并发送短信或拨打电话给用户或110报警中心。

由于系统需要处理较大的视频数据，采用ARM+DSP应用处理器加上丰富的外部接口，用户可以方便与电视等媒体介质连接，硬件结构如图6所示。

2.2 各种传感节点和网络摄像头设计

可选择煤气、烟感等传感器来实时监测家庭可能出现的险情，同时选择门磁、红外等探测器监测非法入侵，将这些传感器、探测器与Zigbee的终端节点连接，从而实时将报警信息发送给协调器。其结构如图7所示。

网络摄像机安装非常简单，不需要传统模拟摄像机专业布线，只需要电源就可以通过有线或WiFi无线连接，用户随时随地就能通过手机或电脑查看监控画面。

2.3 家庭无线网络设计

家庭网络采用两种网络数据传输，各个传感器和探测器与家庭网关通过Zigbee协议来进行数据通信，采用树状结构。Zigbee技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本的无线通信技术。它应用简单、组网能力强、可靠性高，拥有一套非常完整的协议层次结构。其网状结构如图8所示。

3 结语

现在智能家居的云架构原型基本完成，随着云计算和高速网络接入的逐渐发展，该系统模型将越来越来凸显其优势。在云平台上开发家庭娱乐、公共信息服务等应用为用户提供了更广阔的服务体验。云存储各个家庭的水电等数据，结合数据挖掘和大数据分析技术，宏观统筹实现节能环保。将云计算和智能家居整合形成智能小区乃至智慧城市，将是下一个IT技术浪潮。

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