1、基于物聯網及大數據的智能家庭解決方案實例分析（高級教程）新用戶請點擊標題下主講嘉賓：陳志成主持人：中關村大數據產業聯盟副秘書長陳新河承辦：中關村大數據產業聯盟嘉賓介紹：陳志成：博士、教授。現任中國人工智能學會基礎委員會常務委員，中國通信學會云計算專家委員會委員，北京格分維科技有限公司總經理。以下為分享實景全文：陳志成很高興認識大家，簡介一下：陳志成，博士，教授。清華大學計算機系博士后，英國訪問學者。主要研究領域為：物聯網、云計算、數據分析、人工智能、智慧家居、智慧醫療、智慧農業等。主持和參與多項國家級、省部級、國際合作、及企業橫向合作課題，發表論文和專利數十篇。曾先后擔任清華大學操作系統研究中

2、心助理研究員，IEEE智能計算ICIC2006國際會議程序委員會委員、專題分會主席，計算機領域核心期刊審稿專家，高新技術企業技術總監；北京郵電大學世紀學院計算機系學科帶頭人，教授；華為技術公司高級技術專家，負責通信云計算、物聯網（車聯網）的系統架構設計，擔任華為無線西研飛虎隊隊長，負責軟件能力提升、新技術開發、及軟件難題的攻堅工作。獲得優秀教師、優秀共產黨員，突出貢獻獎等。現任：中國人工智能學會基礎委員會常務委員，中國通信學會云計算專家委員會委員，中國信息協會大數據分會理事，北京格分維科技有限公司總經理。大家好：很高興受中關村大數據產業聯盟陳新河副秘書長的邀請，來做客分享智能家居方面的話題。具

3、體題目是“基于物聯網及大數據的智能家庭解決方案實例分析”。歡迎大家來參與交流，希望能給大家帶來一些啟發，我自己也從中學習到一些東西。在我分享過程中，大家可以隨時發問，參與討論。在正式分享之前，首先說明兩點：1 .智能家居方面的項目現在很多，大家到處都能夠找到資料來看，所以今晚分享的重點不是純學術的，也不是純應用的，而是重點分享我自己從幾年前到現在對智能家居的一些看法、觀點、認識，并從中重點介紹我們自己負責的智能家居的解決方案思路。2 .今晚分享的內容盡管是我總體負責的，但其中涉及到眾多人員的參與，在此必須先致謝一下，感謝他們，得到他們同意。主要成員有：北京工商大學計算機學院副教授毛明毅老師，她

4、是智能家居自然基金項目的主持人；原北京工業大學碩士生黃慶福（2011年初畢業）;原四川大學博士生呂建軍（2010年底畢業）；原北京郵電大學世紀學院的于璐琪，原清華大學計算機系碩士生高靖，合作測試公司（北京中科企銳科技中心）總經理梁國超，合作推廣應用的裝修公司，智能家居合作伙伴公司（福建億力科技）等。下面簡要說明一下今晚分享的內容：第一部分：從事智能家居研發的經歷分享。第二部分：基于物聯網的智能家居解決方案的具體分析。第三部分：關于智能家居數據分析云平臺建設。第四部分：關于智能家居開發的標準及接口討論。第五部分：群友專家共同交流、提問、討論。下面開始逐個部分介紹。第一部分：從事智能家居研發的經歷

5、分享。我們團隊做智能家居的歷程：2005年開始做智能家居，基于zigbee協議的煙感器等，消防告警系統等2006年做智能安防，考勤，監控系統等。2008年做基于手機的WAP應用，實現遠程管理。2010年研發完成智能插座，整套物聯網系統，初步應用。2011年北京市自然基金項目，物聯網智能家居系統。2012年搭建大數據分析平臺。2013年新版系統測試應用。2014年智能家居物聯網系統專著出版（最近出）。我2006年開始做物聯網方面的工作，當時國內還沒有物聯網這個概念，我們就做基于Zigbee協議的家庭和辦公大樓的消防設備聯網報警系統，比如房間的煙感器告警、溫濕度告警等。后來在此基礎上用于煤礦井下的

6、瓦斯濃度監測，河道水質監測等。我自己主要做智能家居的遠程管理方面的開發，其他的一些項目是與企業合作開發的。我們于2008年開始使用物聯網這個詞，當時翻譯還存在多個版本，起初用“ObjectNetwork,后來從國外看資料才發現用“InternetofThings,這二者細看也有區別，粗看也就不計較了。前者強調“對象、物體，意思是把物體連成網絡”，后者強調“任何事物的網絡”，不過二者也都可以包括“物體、網絡、以及基于其上的應用”。關于智能家居，英文也不統一，無論國內外文獻，都有用過“SmartHome”的，也有用過“IntelligentHome”的。二者都在普遍使用，也有用單詞“House”的

7、，不同文獻中，其側重點不同，用的英文不太一樣，大家自己可以選擇使用。由于當時在學校任教，都是計算機專業的，在2008年至2014年之間，每年都有學生畢業設計選擇這方面的課題，2009年之前我們做手機版本的系統還是基于WAP2.0來做的，用諾基亞手機。到2010年開始改為在Android上開發，由于主要是學生開發，當時把規劃的功能都實現了，但做了3個版本的界面，我感覺用戶體驗還不夠好，當時我們小批量生產應用了一些家庭，也有裝修公司催著我們下訂單，但由于我當時出國，就沒有去做大量應用的推廣。2011年由北京工商大學和北京郵電大學聯合申請到了北京市自然科學基金項目，我們在之前物聯網架構的基礎上增加了

8、大數據分析部分，目前基金項目已經結題，其中發表了十余篇相關的文章，申請了幾項軟件著作權，也有一些應用。今年我們正在招聘有經驗的設計人員，在重新設計界面，重新開發一個版本。第二部分：基于物聯網的智能家居解決方案的具體分析。基于物聯網與大數據的智能家庭解決方案，其系統架構如下圖。整個系統主要包含三個部分：一是家庭設備的傳感器研究與開發，二是云平臺服務器的建立，三是應用終端。項目提出了整體性的系統架構，研究其中各個部分之間的通訊協議，制定接口標準，建立可服務的云計算平臺。制，也適合于智能遠程醫療，遠程抄表，家庭監控防盜等。云平臺可以對用戶家庭數據進行分析處理，并根據不同情況提供一些建設性的用電節能指

9、示、家庭安全監控提示等。上述這些都是物聯網通用的分層結構，但是，針對我們具體的這個項目，數據采集與家電控制部分，主要開發了以下幾個模塊，分享如下。第一個模塊：智能插座（或稱智能節點）o智能插座屬于設計中的底層傳感器，功能是接收來自服務器的操作指令，從而控制繼電器操作，對交流電進行控制，而且通過紅外通訊，可以遙控各種具有紅外遙控功能的家電，其設計方案框圖如下。智能插座由5部分電路組成，分別是單片機控制核心、nRF24L01無線模塊、光耦與繼電器控制單元、紅外發射電路以及電源模塊。單片機控制單元主要通過nRF24L01無線模塊接收操作指令，通過分析處理，截取正確的命令，然后根據命令是發射紅外信號還

10、是操作繼電器。電源模塊主要是將交流電AC220V轉換成DC12V的直流，并且通過兩ASM1117穩壓芯片，將12V穩壓到5V和3.3V,分別給單片機和無線模塊供電，電源模塊所能提供的最大電路為360ma,足夠智能節點的工作電流。第二個模塊：路由轉換器（或稱智能網關）。路由轉換器的功能就是通過無線網絡或者wifi,接收服務器的數據，然后將這個數據轉換，再次通過nRF24L01無線模塊發送出去，這樣，智能插座就能收到用戶的操作命令了。之所以選擇這種方案，主要考慮成本問題，畢竟每個智能插座配備一個wifi模塊，成本必然非常昂貴，而設計一個路由轉換器，只需要一個Wifi模塊，無線模塊使用廉價、性能優異

11、的nRF24L01即可。路由轉換器由4部分組成，分別是STM32F處理器核心、Wifi無線模塊、nRF24L01無線模塊以及電源管理。STM32F處理器選用STM32F103CBT6,使用的內核屬于Cortex-M3系列，最大主頻為72MHz,具備非常豐富的通訊接口單元。Wifi無線模塊使用深圳海凌科電子有限公司出產的commwifiWLAN模塊,圖片如下：第三個模塊：紅外通信模塊。紅外通信模塊是我們這個項目的特色，通過它實現了“精細化家電的管控”，可以遠程控制空調溫度，電視頻道等。紅外通信模塊的編解碼支持常用的多種格式，以NEC為例，如下圖。另外，針對常用電器，通過紅外讀取其遙控器按鍵編碼，

12、實現了“參數自我學習”功能，類似于一個“萬能遙控器”，這個功能被集成到智能插座之中，但其學習的編解碼數據則保留在服務器數據庫中。智能插座的實質意義就是底層控制傳感器，是智能家居管理系統中的執行單元，它的功能就是通過nRF24L01無線模塊接收數據，從而控制繼電器操作，并且通過紅外發射管，將紅外信號發射出去。智能網關電源供電使用9V的適配器，芯片為LM2675-3.3V開關電源芯片,電壓直接輸出3.3V,最大供電電流是1A下面看幾張具體的實物圖如下。第四個模塊：WIFI模塊。WIFI采用現成的集成即可，在前面智能網關中已有介紹。我們也有用Zigbee的。作為案例分享，給出基于WIFI開發的調試系

13、統圖如下，供開發人員參考。第五個模塊：總線。總線主板的PCB設計等就不發圖片了，其中涉及一個地址空間的管理，十分重要，如下圖所示。以上的各個模塊主要都是講的“數據采集、傳輸”環節。下面開始介紹云平臺的設計。第三部分：關于智能家居數據分析云平臺建設。在最前面的總體設計圖中，中間層的那一部分，就是云平臺。我們也開發了基于PC機的Web頁面，以及手機APP。基于云計算的數據分析平臺如下圖。我們其實開始用的關系數據庫，后來增加了Hadoop和MapReduce并行處理系統。我們在2011年用的就是開源的，如下圖。現在正在改版，打算不全用這個。服務器管理這部分，重要的還是數據管理問題。下面給出幾個具體的

14、數據庫設計，供大家參考。家電設備數據表，如下：網絡服務器的主要功能是家電設備管理、用電分析。其中，我們做了個積分功能，針對不同用戶、小區用電情況進行分析，定期評比節能標兵。針對PC網站功能，截圖如下。關于大數據分析部分，主要也就是統計圖表，目前我們正在增加基于用戶評價、積分的非結構化數據部分的功能開發。其中一點很有意思，可以說一下：我們通過用電情況分析，可以了解哪個家庭通常在什么時段用電，比如：年輕人都在半夜上網，睡覺很晚，老年人一般都早睡早起等，這些能夠被分析挖掘出來。大數據部分，我不重點介紹了。下面介紹手機端部分。手機端側，提供幾個圖片供參考。上面第二、三部分介紹到這里，下面介紹智能家庭系

15、統的開發接口第四部分：關于智能家居開發的標準及接口討論這部分大家可以交流討論，我們做這件事，其實一開始就是想做個“開發平臺”，提供接口給行業開發者用。智能家居盡管各種標準也有很多，但缺乏開發套件，當然，現在國內外很多公司都提供了。不過各自接口側重點不同。我們在去年基本完成了智能家居接口的設計和開發，擬作為我國國內的行業標準推行，草案已經完成了，現在聯合多家單位來參與，依據物聯網智能家庭系統的整體設計，從各層次上進行分析設計，接口主要分成如下三個層次：1）數據采集及控制命令接口；2）數據分析處理及網絡服務接口；3）移動手機客戶端接口。下面給出三類的具體接口設計，選取部分典型的接口分享給大家，供同

16、行開發人員參考。第一層接口：數據采集及家電管理接口，定義的設備類及方法如下表。家電設備管理的接口，暫時截圖這么多，其它還有一些接口。下面介紹控制器的控制命令接口，包含創建、打開、關閉接口，及消息接口第二層接口：數據分析及網絡服務管理接口。上面是數據采集和設備控制部分的一些接口，下面是網絡服務器部分的一些接口，給出幾個接口示例就OK了第三層接口：移動手機客戶端接口。好的，網絡服務器的接口還有很多，包括對數據庫操作的接口，數據訪問接口，統計信息接口，這就不再介紹了。下面給出移動手機客戶端的典型接口以上介紹的這些接口，最終在服務器上以“服務組件”的形式運行，手機端應用程序可以調用，采用http協議，

17、同時也支持RESTful調用。支持JSon和XML兩種格式。作為實際案例分析，要講的內容基本就完了。其中，為什么選擇“智能插座”作為核心環節，這個問題，其實是我們多方討論的方案。下面，簡介一下我們合作伙伴的智能家居應用情況，這是福建億力科技公司，國網信通億力科技公司的產品，前幾年已有很多應用。其主要思路是：從單純的智能家居應用，逐漸演變為智能社區，以及網絡化應用，如下圖。下面圖都比較清楚，我就不過多解釋了，大家不清楚可以發問。好了，相關的項目，以及我這邊開發的，合作開發的，論文和專利有40多項，軟件著作權20余項。今晚的主要內容分享到此結束吧，下面大家進行交流討論。交流互動吳岸城：不知道當初怎

18、么做得主控芯片選擇？陳志成：是的，通信芯片選擇，主要根據你用的協議來選擇，主板方面，主要還是看功能多少。我們要考慮成本，所以選中檔偏下的。當初做這個的時候比較早，考慮成本占據主要因素，現在其實升級了。吳岸城：當時考慮過多少種？現在升級了？陳志成：我們也比對了好幾種吧，至少3種。選擇這個原因之一是當時提供開發調試工具。與當前很多做智能家庭不同的是：本方案強調“瘦網關”，“厚插座”。另外，我們也在推智能家居的網絡“開發套件”，準備在高校搞比賽。這個開發套件可能更有用，今年上半年增加“語音控制”的接口。吳岸城：語音控制有成熟api,確實現在加上，成本較低。陳志成：是的，“語音”，“手勢”接口，已經成為趨勢。比如對著手機APP說一聲：“換臺CCTV-1"，那么就換了。黃明峰：我對智能家居的國家標準持悲觀態度陳志成：是的，國家標準我也是這樣認為，行業標準也難統一。但總還是需要有人去推動吧。彭永紅：陳總講得很深入，技術到位，接下來就是產業化問題。基于目前智慧化建設、節能環保的需求，可以結合大數據大系統大場景來做！陳志成：大數據方面我們還是剛開始，需要積累一段時間，請彭老師指導！David:先打一個廣告，再問兩個問題。廣告是：我這邊原位替換nrf24l01無線系列以及升級版內置mcu系列，紅外編解碼系列遙控，學習型紅外遙控，霍爾傳感，有刷