农业信息管理与应用

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1、 农业信息化管理与应用 学院名称：信息学院 专业班级：农业信息化 学 号：20159060504 姓 名：刘畅 基于云计算的智能家居管理系统设计与应用 摘要 随着人们生活水平的不断提高，以及科技水平的迅猛发展，基于物联网的智能家居技术与产品应运而生，但如今的智能家居系统存在着种种问题，比如重复建设、系统功能和性能受限、扩展性差以及后期维护难度较大等等，这些问题都限制了智能家居的发展和普及。本论文试图采用云计算的方法解决这些问题。本文在数据处理和软件设计等相关技术的基础上，提出了一个基于云计算的智能家居管理系统，并做了示范应用。 本文首先介绍了现有智能家居和云计算中涉及的关键技术。借鉴现有的智能

2、家居系统， 本课题采用ZigBee短距离无线通信技术在室内进行无线组网，搭建室内无线局域网络，利用传感器、摄像头等采集室内各项信息，并通过无线网络传输。在此基础上，本文着重分析了云计算技术在智能家居管理系统中的应用，并利用南京邮电大学物联网科技园的现有设备，采用Hadoop的技术，搭建了智能家居系统的云端平台。在云平台设计与实现的过程中，参考物联网的结构模型，提出了基于云计算的智能家居管理系统的六层模型，并对云计算平台的核心部分信息融合与处理层进行了详细设计。 最后，作为对智能家居云平台管理系统的应用与验证，本文设计并实现了基于云计算的 智能家居管理系统可以提供的一项服务一一智慧家居花卉管理。

3、在这个子系统的设计与实现 中，首先从系统结构出发对系统作了整体规划，然后从软件、硬件和云计算平台三个方面实 现了系统功能。通过子系统的实现验证了云计算智能家居管理系统的可行性与先进性。 关键词 物联网，智能家居，云计算，Hadoop 一、绪论 1、 物联网智能家居概述 智能家居是物联网技术的一项应用，它通过传感技术、传输技术、计算机处理技术等物 联网技术，将各种家具设备，比如照明、窗帘、空调、冰箱、电视、安防设备等连接到一起， 通过传感网络、无线传输网络和智能处理设备，为用户提供智能家电控制、智能灯光控制、 智能防盗报警、家居环境监测等智慧化的家居服务。 智能家居系统一般具有5项基本功能，其中

4、包括家居安防、灯光控制、环境控制、家电控制、多终端管理。用户可以根据自己的实际情况和需求进行功能配置，在这5个基本功能中，家居安防系统可以利用技术手段有效地提高居家环境的安全性，包含防盗、防燃气泄漏、防火等功能，通过远程视频监控，用户可以通过网络随时了解家中情况，做到对家庭安全的保护，灯光控制和家电控制系统是通过传感器检测室内的光照情况、家电的运行情况，然后根据结果控制灯光的强弱、家电设备的开启与关闭，环境控制系统是对室内的各种环境参数进行监测，比如室内的温湿度情况、室内有毒气体的含量等，并且通过智能化的处理后对室内环境进行调节，而多种途径控制功能可以让用户在任何地点通过多种方式对家中的情况进

5、行监控、操作与管理，提高了智能家居系统使用的便捷性。 2、 云计算 云计算是一种以传统互联网为基础，通过互联网方式提供动态且易扩展的虚拟化资源等 相关服务的使用和交付模式。云计算的概念是对传统互联网和网络的抽象说法，它既包括IT基础设施的交付和使用模式，又包括具体的服务的交付和使用模式。通过云计算，传统意义上的计算能力的性质也发生了变化了，计算能力也可以作为商品进行交换和流通，人们可以利用网络完成一切需要处理的任务，计算能力通过网络传递，从而摆脱硬件和软件资源的限制，真正做到全网协作、按需计算。云计算的核心目的是满足用户对计算能力不断提高的需求。 云计算提供的资源是可以动态生成的虚拟化资源，用

6、户可以通过网络方便地访问这些资 源。与传统的IT技术不同，资源的使用者并不需要掌握云计算本身的技术，而是根据实际的需求，通过网络向云计算技术的提供者租赁、使用资源，并支付相应费用。总而言之，在云计算模式下，用户不需要管理或控制底层的基础设施，只需要控制操作系统以及部署在操作系统上的应用程序。 3、 现有智能家居技术面临的问题 在现有的智能家居技术中，系统是基于独立的智能处理控制模块，即智能终端，对家居 环境中各类信息进行采集、处理，并控制室内的各类传感设备、家用电器等设备。这种技术 面临的问题包括以下三类: (1)智能终端的稳定性和可靠性。(2)智能终端的数据处理能力。(3)传统的智能家居系统

7、扩展性较差、成本较高。 二、智能家居与云计算中的关键技术研究 1、 无线组网技术 目前主流的无线通信技术主要有移动蜂窝通信、蓝牙、WiFi，以及ZigBee等，而目前主要的智能家居系统解决方案都是采用ZigBee技术作为室内的无线组网方案。ZigBee技术是基于OSI协议和IEEE802.15.4协议开发的一种短距离无线通信技术，具有复杂度低、动态路由、通信距离短、数据速率低、可自组网、低功耗、低成本等特点。ZigBee具有很多技术特点，非常适合用于覆盖面积小、低成本开发的智能家居系统。 2、 信息感知技术 智能家居系统中涉及到空气质量信息、光照信息、家电状态信息和能耗信息等一系列传 感信息，

8、因此信息感知技术是智能家居系统中的关键技术之一。信息感知技术主要依赖于各 类传感器，传感器及其相关信息涉及范围较广，包括硬件信息、处理信息、感知目标信息和 感知结果信息。每种信息之间的结构各不相同，同一种信息针对不同应用领域的结构又有所 不同。如今，传感技术发展迅猛，传感器信息资源复杂多样，本小节主要从传感器的定义及 基本特征两个方面进行详细介绍。 3、 智能控制技术 智能控制模块是智能家居系统的核心模块，负责整个家庭信息网络的控制据的储存、分析，需要具有通信能力、数据处理与存储能力、高度的稳定性，、管理以及数以及为用户提供友好的交互界面。通常，智能家居系统中的智能控制模块是基于嵌入式技术开发

9、的。 嵌入式系统是在计算机技术的基础上，根据具体应用，对计算机软硬件进行裁剪的专用计算机系统。嵌入式系统对功能、成本、可靠性、功耗有严格的要求。嵌入式系统有着广泛的应用场景，从制造业、工业、汽车制造业、航空装备、船舶制造，到日常生活中用到的通信设备、家电产品等各方面都存在着各种7各样的嵌入式系统的应用。作为一种专用计算机系统，区别于通用计算机系统，嵌入式系统主要有以下几个重要的特点： (1)专业性强(2)实时性强(3)系统精简(4)集成度高、体积小、功耗低 4、 云计算与Hadoop平台 云计算技术是在分布式计算、并行计算、网络技术、虚拟化技术、数据库技术等一系列 传统技术的基础上发展起来的一

10、种综合信息技术，它将以前各种异构的、分散的硬件和软件 资源进行整合，经过虚拟化处理后，再将这些资源以服务的形式提供给用户，为用户提供更 加快捷的信息处理方式。 云计算的基本原理是将服务器集群化，并利用远程服务器集群为互联网用户提供存储、 计算、软硬件等服务，用户可以根据需求使用存储系统或服务器。云计算这种信息技术的交 付方式实现了“按需计算、按需付费”，避免了软硬件的重复投入，大大提高了软硬件资源的利用效率。云计算可以分为基础设施层、平台层和应用层。 云计算关键技术：云计算是一种以数据为中心的超级计算方式，体系结构复杂，涉及众多技术领域，其中最为关键的技术包含数据存储技术和虚拟化技术等技术。

11、Hadoop 是一个可靠的、可扩展的分布式计算和数据存储工具。它是在服务器集群上编写和执行应用程序的开源软件。Hadoop中的应用程序可以用任何编程语言编写。 Hadoop 是以 Hadoop 分布式文件（Hadoop Distributed File System，HDFS）和 MapReduce为核心当程序员使用Map和Reduce函数编写应用程序时，Hadoop自动并行执行这些函数。Hadoop 允许用户使用任意可用的 Map 和 Reduce 函数创建和执行任务。 三、基于Hadoop云平台的智能家居管理系统设计 1、智能家居系统的云平台框架设计 智能家居系统是在现有智能家居系统的基础

12、上引入了云计算的方法，室内部分沿用传统智能家居的信息感知和传输方式，而在云平台上，智能家居中的各种功能以服务的形式呈现给使用者，服务的使用者可以安全方便地在平台上订阅并使用所需的智慧家居服务。通过云计算平台，将原本千千万万独立的智能家居系统融合成网络，在这个智慧服务网络中，服务提供者的信息是开放、用户信息的私密的，业务是集成的，服务是智慧化的，计算处理是分布式的，而用户单元是异构的，体现了服务的个性化。 借鉴物联网的模型，本课题将基于云计算的智能家居管理系统从结构上划分为六层，其中，第1层是指家居环境以及其中的设备，第2层是对信息的感知，第3层实现室内资源的共享，第4层完成传感信息的融合和云端

13、的智能处理，第5层是对各类服务和子系统的业务融合，第6层是用户层，完成用户身份的鉴权。 2、信息融合与处理系统的设计 信息融合与处理系统需要处理的是三大类传感信息。第一类是安装在室内的传感器、摄 像头等传感设备直接采集到的室内环境及监控信息，这些信息实时传送到云计算中心，经过 适配和转换成云平台可以处理的格式类型，通过事务处理提供各种智慧化家居服务；第二类 是云计算中心存储的历史信息，包括历史传感信息和处理产生的结果，利用历史信息可以通 过深度数据挖掘等技术为用户提供更加智慧化的服务；第三类是用户身份信息，因为云计算 平台的公用特性以及整个系统的多租户特点，所有使用者平台上都必须有唯一可确定的

14、身份 信息，用于身份鉴权和服务订制。 为了能够快速高效地处理这些传感数据，云计算中心配置了与之相应的软硬件，包括虚 拟服务器、存储设备等硬件设备和各种所需的软件，对传感信息进行分布式并行处理。 因此，信息融合与处理系统需要包括多个功能单元、服务提供者的服务提供接口，通信 适配与转换模块，同时，系统日志和设备管理单元也是必不可少的。 4、 分布式处理系统的设计 信息融合与处理系统实现了对海量传感信息数据进行融合、抽象、存储和管理。分布式处理系统便是用集群的方式完成对传感信息的分布式处理，用 Hadoop 算法对海量的传感信息进行分布式的并行处理。 由于智能家居系统所涉及的传感信息具有海量性、结构

15、复杂性、来源复杂性，所以分布式处理系统必须具备以下四个特点： （1） 稳定性高（2）实时性强（3）可扩展（4）高性能 分布式处理系统的设计：考虑到分布式处理系统的稳定性、实时性、可拓展性和高性能这四个基本要求，从系统结构的角度提出了智能家居系统中的云端分布式处理系统模型，该模型分为三层，分别是数据感知层、数据处理层和数据存储层。 四、智能家居管理系统的Hadoop云平台测试与分析 1、云计算的部署架构 关于云计算，目前IT 行业中有私有云、公有云、混合云三种框架结构。它们具有不同的特点，也各有优缺点。公有云是面向公众的云服务平台。在这种模式下，云服务提供商将应用程序、存储设备和其他服务提供给用户，用户无需前期投入，也不用对设备和软件进行维护，只需要注册用户便可使用服务。用户所使用的程序及相关数据都存放在提供公有云的服务商那里，所以公有云最大的缺点是安全和隐私问题。 私有云也称内部云，是指企业内部组建的，专为企业内部服务的云平台。相对于公有云， 私有云一般建设在企业内部网络上，因而可以提供有效的数据安全性和操控性。私有云的优 势是保证数据的安全性，系统的可操作性强。但缺点是整套系统的建设需要前期大量投入购 买软硬件和后期的维护，也就是说它还是传统的商业模型。 混合云是公有云和私有云两种模式的混合。具体是指用户使用云计算服务的时候既使用 了