基于物联网及大数据的智能家庭解决方案实例分析(共27页).docx

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1、精选优质文档-倾情为你奉上基于物联网及大数据的智能家庭解决方案实例分析（高级教程）新用户请点击标题下主讲嘉宾：陈志成主持人：中关村大数据产业联盟 副秘书长 陈新河承 办：中关村大数据产业联盟嘉宾介绍：陈志成：博士、教授。现任中国人工智能学会基础委员会常务委员，中国通信学会云计算专家委员会委员，北京格分维科技有限公司总经理。以下为分享实景全文：陈志成 很高兴认识大家，简介一下：陈志成，博士，教授。清华大学计算机系博士后，英国访问学者。主要研究领域为：物联网、云计算、数据分析、人工智能、智慧家居、智慧医疗、智慧农业等。主持和参与多项国家级、省部级、国际合作、及企业横向合作课题，发表论文和专利数十篇

2、。曾先后担任清华大学操作系统研究中心助理研究员，IEEE智能计算ICIC2006国际会议程序委员会委员、专题分会主席，计算机领域核心期刊审稿专家，高新技术企业技术总监；北京邮电大学世纪学院计算机系学科带头人，教授；华为技术公司高级技术专家，负责通信云计算、物联网(车联网)的系统架构设计，担任华为无线西研飞虎队队长，负责软件能力提升、新技术开发、及软件难题的攻坚工作。获得优秀教师、优秀共产党员，突出贡献奖等。现任：中国人工智能学会基础委员会常务委员，中国通信学会云计算专家委员会委员，中国信息协会大数据分会理事，北京格分维科技有限公司总经理。大家好：很高兴受中关村大数据产业联盟陈新河副秘书长的邀请

3、，来做客分享智能家居方面的话题。具体题目是“基于物联网及大数据的智能家庭解决方案实例分析”。欢迎大家来参与交流，希望能给大家带来一些启发，我自己也从中学习到一些东西。在我分享过程中，大家可以随时发问，参与讨论。在正式分享之前，首先说明两点：1. 智能家居方面的项目现在很多，大家到处都能够找到资料来看，所以今晚分享的重点不是纯学术的，也不是纯应用的，而是重点分享我自己从几年前到现在对智能家居的一些看法、观点、认识，并从中重点介绍我们自己负责的智能家居的解决方案思路。2. 今晚分享的内容尽管是我总体负责的，但其中涉及到众多人员的参与，在此必须先致谢一下，感谢他们，得到他们同意。主要成员有：北京工商

4、大学计算机学院副教授毛明毅老师，她是智能家居自然基金项目的主持人；原北京工业大学硕士生黄庆福(2011年初毕业)；原四川大学博士生吕建军(2010年底毕业)；原北京邮电大学世纪学院的于璐琪，原清华大学计算机系硕士生高崝，合作测试公司(北京中科企锐科技中心)总经理梁国超，合作推广应用的装修公司，智能家居合作伙伴公司(福建亿力科技)等。下面简要说明一下今晚分享的内容：第一部分：从事智能家居研发的经历分享。第二部分：基于物联网的智能家居解决方案的具体分析。第三部分：关于智能家居数据分析云平台建设。第四部分：关于智能家居开发的标准及接口讨论。第五部分：群友专家共同交流、提问、讨论。下面开始逐个部分介绍

5、。第一部分：从事智能家居研发的经历分享。我们团队做智能家居的历程：2005年开始做智能家居，基于zigbee协议的烟感器等，消防告警系统等。2006年做智能安防，考勤，监控系统等。2008年做基于手机的WAP应用，实现远程管理。2010年研发完成智能插座，整套物联网系统，初步应用。2011年北京市自然基金项目，物联网智能家居系统。2012年搭建大数据分析平台。2013年新版系统测试应用。2014年智能家居物联网系统专著出版(最近出)。我2006年开始做物联网方面的工作，当时国内还没有物联网这个概念，我们就做基于Zigbee协议的家庭和办公大楼的消防设备联网报警系统，比如房间的烟感器告警、温湿度

6、告警等。后来在此基础上用于煤矿井下的瓦斯浓度监测，河道水质监测等。我自己主要做智能家居的远程管理方面的开发，其他的一些项目是与企业合作开发的。我们于2008年开始使用物联网这个词，当时翻译还存在多个版本，起初用“Object Network”，后来从国外看资料才发现用“Internet ofThings”，这二者细看也有区别，粗看也就不计较了。前者强调“对象、物体，意思是把物体连成网络”，后者强调“任何事物的网络”，不过二者也都可以包括“物体、网络、以及基于其上的应用”。关于智能家居，英文也不统一，无论国内外文献，都有用过“Smart Home”的，也有用过“Intelligent Home”

7、的。二者都在普遍使用，也有用单词“House”的，不同文献中，其侧重点不同，用的英文不太一样，大家自己可以选择使用。由于当时在学校任教，都是计算机专业的，在2008年至2014年之间，每年都有学生毕业设计选择这方面的课题，2009年之前我们做手机版本的系统还是基于WAP2.0来做的，用诺基亚手机。到2010年开始改为在Android上开发，由于主要是学生开发，当时把规划的功能都实现了，但做了3个版本的界面，我感觉用户体验还不够好，当时我们小批量生产应用了一些家庭，也有装修公司催着我们下订单，但由于我当时出国，就没有去做大量应用的推广。2011年由北京工商大学和北京邮电大学联合申请到了北京市自然

8、科学基金项目，我们在之前物联网架构的基础上增加了大数据分析部分，目前基金项目已经结题，其中发表了十余篇相关的文章，申请了几项软件著作权，也有一些应用。今年我们正在招聘有经验的设计人员，在重新设计界面，重新开发一个版本。第二部分：基于物联网的智能家居解决方案的具体分析。基于物联网与大数据的智能家庭解决方案，其系统架构如下图。整个系统主要包含三个部分：一是家庭设备的传感器研究与开发，二是云平台服务器的建立，三是应用终端。项目提出了整体性的系统架构，研究其中各个部分之间的通讯协议，制定接口标准，建立可服务的云计算平台。从分层的角度来看，主要包含“感知层”、“网络层”、“应用层”。其中，网络服务云平台

9、整体上可以放在网络层，这种架构不仅适用于智能家电的远程控制，也适合于智能远程医疗，远程抄表，家庭监控防盗等。云平台可以对用户家庭数据进行分析处理，并根据不同情况提供一些建设性的用电节能指示、家庭安全监控提示等。上述这些都是物联网通用的分层结构，但是，针对我们具体的这个项目，数据采集与家电控制部分，主要开发了以下几个模块，分享如下。第一个模块：智能插座(或称智能节点)。智能插座属于设计中的底层传感器，功能是接收来自服务器的操作指令，从而控制继电器操作，对交流电进行控制，而且通过红外通讯，可以遥控各种具有红外遥控功能的家电，其设计方案框图如下。智能插座由5部分电路组成，分别是单片机控制核心、nRF

10、24L01无线模块、光耦与继电器控制单元、红外发射电路以及电源模块。单片机控制单元主要通过nRF24L01无线模块接收操作指令，通过分析处理，截取正确的命令，然后根据命令是发射红外信号还是操作继电器。电源模块主要是将交流电AC220V转换成DC12V的直流，并且通过两ASM1117稳压芯片，将12V稳压到5V和3.3V，分别给单片机和无线模块供电，电源模块所能提供的最大电路为360ma，足够智能节点的工作电流。第二个模块：路由转换器（或称智能网关）。路由转换器的功能就是通过无线网络或者wifi，接收服务器的数据，然后将这个数据转换，再次通过nRF24L01无线模块发送出去，这样，智能插座就能收

11、到用户的操作命令了。之所以选择这种方案，主要考虑成本问题，毕竟每个智能插座配备一个wifi模块，成本必然非常昂贵，而设计一个路由转换器，只需要一个Wifi模块，无线模块使用廉价、性能优异的nRF24L01即可。路由转换器由4部分组成，分别是STM32F处理器核心、Wifi无线模块、nRF24L01无线模块以及电源管理。STM32F处理器选用STM32F103CBT6，使用的内核属于Cortex-M3系列，最大主频为72MHz，具备非常丰富的通讯接口单元。Wifi无线模块使用深圳海凌科电子有限公司出产的commwifi WLAN模块，图片如下：第三个模块：红外通信模块。红外通信模块是我们这个项目

12、的特色，通过它实现了“精细化家电的管控”，可以远程控制空调温度，电视频道等。红外通信模块的编解码支持常用的多种格式，以NEC为例，如下图。另外，针对常用电器，通过红外读取其遥控器按键编码，实现了“参数自我学习”功能，类似于一个“万能遥控器”，这个功能被集成到智能插座之中，但其学习的编解码数据则保留在服务器数据库中。智能插座的实质意义就是底层控制传感器，是智能家居管理系统中的执行单元，它的功能就是通过nRF24L01无线模块接收数据，从而控制继电器操作，并且通过红外发射管，将红外信号发射出去。智能网关电源供电使用9V的适配器，芯片为LM2675-3.3V开关电源芯片，电压直接输出3.3V，最大供

13、电电流是1A。下面看几张具体的实物图如下。第四个模块：WIFI模块。WIFI采用现成的集成即可，在前面智能网关中已有介绍。我们也有用Zigbee的。作为案例分享，给出基于WIFI开发的调试系统图如下，供开发人员参考。第五个模块：总线。总线主板的PCB设计等就不发图片了，其中涉及一个地址空间的管理，十分重要，如下图所示。以上的各个模块主要都是讲的“数据采集、传输”环节。下面开始介绍云平台的设计。第三部分：关于智能家居数据分析云平台建设。在最前面的总体设计图中，中间层的那一部分，就是云平台。我们也开发了基于PC机的Web页面，以及手机APP。基于云计算的数据分析平台如下图。我们其实开始用的关系数据

14、库，后来增加了Hadoop和MapReduce并行处理系统。我们在2011年用的就是开源的，如下图。现在正在改版，打算不全用这个。服务器管理这部分，重要的还是数据管理问题。下面给出几个具体的数据库设计，供大家参考。家电设备数据表，如下：网络服务器的主要功能是家电设备管理、用电分析。其中，我们做了个积分功能，针对不同用户、小区用电情况进行分析，定期评比节能标兵。针对PC网站功能，截图如下。关于大数据分析部分，主要也就是统计图表，目前我们正在增加基于用户评价、积分的非结构化数据部分的功能开发。其中一点很有意思，可以说一下：我们通过用电情况分析，可以了解哪个家庭通常在什么时段用电，比如：年轻人都在半

15、夜上网，睡觉很晚，老年人一般都早睡早起等，这些能够被分析挖掘出来。大数据部分，我不重点介绍了。下面介绍手机端部分。手机端侧，提供几个图片供参考。上面第二、三部分介绍到这里，下面介绍智能家庭系统的开发接口。第四部分：关于智能家居开发的标准及接口讨论。这部分大家可以交流讨论，我们做这件事，其实一开始就是想做个“开发平台”，提供接口给行业开发者用。智能家居尽管各种标准也有很多，但缺乏开发套件，当然，现在国内外很多公司都提供了。不过各自接口侧重点不同。我们在去年基本完成了智能家居接口的设计和开发，拟作为我国国内的行业标准推行，草案已经完成了，现在联合多家单位来参与，依据物联网智能家庭系统的整体设计，从

16、各层次上进行分析设计，接口主要分成如下三个层次：1) 数据采集及控制命令接口；2) 数据分析处理及网络服务接口；3) 移动手机客户端接口。下面给出三类的具体接口设计，选取部分典型的接口分享给大家，供同行开发人员参考。第一层接口：数据采集及家电管理接口，定义的设备类及方法如下表。家电设备管理的接口，暂时截图这么多，其它还有一些接口。下面介绍控制器的控制命令接口，包含创建、打开、关闭接口，及消息接口。第二层接口：数据分析及网络服务管理接口。上面是数据采集和设备控制部分的一些接口，下面是网络服务器部分的一些接口，给出几个接口示例就OK了。第三层接口：移动手机客户端接口。好的，网络服务器的接口还有很多

17、，包括对数据库操作的接口，数据访问接口，统计信息接口，这就不再介绍了。下面给出移动手机客户端的典型接口。以上介绍的这些接口，最终在服务器上以“服务组件”的形式运行，手机端应用程序可以调用，采用http协议，同时也支持RESTful调用。支持 JSon和XML两种格式。作为实际案例分析，要讲的内容基本就完了。其中，为什么选择“智能插座”作为核心环节，这个问题，其实是我们多方讨论的方案。下面，简介一下我们合作伙伴的智能家居应用情况，这是福建亿力科技公司，国网信通亿力科技公司的产品，前几年已有很多应用。其主要思路是：从单纯的智能家居应用，逐渐演变为智能社区，以及网络化应用，如下图。下面图都比较清楚，

18、我就不过多解释了，大家不清楚可以发问。好了，相关的项目，以及我这边开发的，合作开发的，论文和专利有40多项，软件著作权20余项。今晚的主要内容分享到此结束吧，下面大家进行交流讨论。交流互动吴岸城：不知道当初怎么做得主控芯片选择？陈志成：是的，通信芯片选择，主要根据你用的协议来选择，主板方面，主要还是看功能多少。我们要考虑成本，所以选中档偏下的。当初做这个的时候比较早，考虑成本占据主要因素，现在其实升级了。吴岸城：当时考虑过多少种？现在升级了？陈志成：我们也比对了好几种吧，至少3种。选择这个原因之一是当时提供开发调试工具。与当前很多做智能家庭不同的是：本方案强调“廋网关”，“厚插座”。另外，我们

19、也在推智能家居的网络“开发套件”，准备在高校搞比赛。这个开发套件可能更有用，今年上半年增加“语音控制”的接口。吴岸城：语音控制有成熟api，确实现在加上，成本较低。陈志成：是的，“语音”，“手势”接口，已经成为趋势。比如对着手机APP说一声：“换台CCTV-1”，那么就换了。黄明峰：我对智能家居的国家标准持悲观态度陈志成：是的，国家标准我也是这样认为，行业标准也难统一。但总还是需要有人去推动吧。彭永红：陈总讲得很深入，技术到位，接下来就是产业化问题。基于目前智慧化建设、节能环保的需求，可以结合大数据大系统大场景来做！陈志成：大数据方面我们还是刚开始，需要积累一段时间，请彭老师指导！David:

20、先打一个广告，再问两个问题。广告是：我这边原位替换nrf24l01无线系列以及升级版内置mcu系列,红外编解码系列遥控，学习型红外遥控，霍尔传感，有刷无刷马达驱动，继电器用驱动，部分318w的led驱动都已量产出货，能大幅降低物料成本，欢迎选购。其他的后继智能led驱动，气敏类温湿、空气质量检测，以及步进马达驱动，伺服马达驱动，舵机驱动，磁编码器也已研发或给委托设计客户出小样，欢迎合作开发。问题是：第一，没看到链路层架构上充分利用通讯芯片的自组网功能，第二，开放式的数据库平台是怎么考虑的，是否已经有大厂配合推广。陈志成：很好，无线红外等器件的选择，后面可以合作。关于两个问题，第一个：项目的定位

21、是“通过配置来增加，删除设备，开关的管理就表示你是否在线，是一对一的关系。开始阶段不需要自组织网络的，因为那样复杂，在家庭环境之下相当固定”。后来我们团队有个计算机的博士，他就专门研究了自组织网这块，也实现了，但产品中没有用。第二个：开放数据库平台，主要基于对外提供“开发APP接口”考虑的，其中有安全机制保障，我们主要联系开发商、装修公司、学校来推广应用。唐劲松：当初看重BI。不过随着人力成本上升与90后追求个性自我的现实，今后工厂乃至家庭健康护理，要承担繁重和机械的标准化工作，势必要依赖AI。这个比目前不成熟的智能家居对工厂更刚需。所以是IT之后最大的机会！陈志成：是的，我认可你这个观点，智能家居如果真要成熟普及，还真得靠机器人进屋，再加上网络化的智能服务，背后还是AI支撑。呵呵，家里没几个机器人的，感觉没有智能家居的味道。唐劲松：如果能扫地搽桌子兼洗碗的机器人，单价做到万元以内。90还是需要的。专心-专注-专业