陈志成：基于物联网及大数据的智能家庭解决方案实例分析【大数据专栏】
【这是“大数据专栏”的推送文章，本专栏由中关村大数据产业联盟与科技杂谈合作提供】
文 / 陈志成 ，本文为陈志成在中关村大数据产业联盟“大数据100分”论坛上的交流探讨实录
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。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，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。
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“ObjectNetwork”，后来从国外看资料才发现用“InternetofThings”，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“SmartHome”的，也有用过“IntelligentHome”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、nRF24L01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commwifiWLAN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，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，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: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3~18w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。
陈新河：中关村大数据产业联盟副秘书长；《软件定义世界，数据驱动未来》，非常感谢志成的精彩分享！
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