CN115918035A - 用于实现家庭计算云的方法和装置 - Google Patents
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Abstract
一种家庭计算系统(云)集成协议网关、WiFi路由器、云服务器和大容量存储设备以在诸如家庭住宅之类的本地环境中支持可能使用不同的连接协议的一个或多个物联网(IoT)设备。通常，该家庭计算云通过在本地处理收集的设备数据而不是通过将该设备数据发送到公共计算云以进行处理来减少发送到该公共计算云的数据流量的量。该家庭计算云可从该公共计算云下载适当的数据分析模型，在本地训练(例如，强化学习)模型，并在本地执行训练后的模型以从收集的IoT设备数据获得预测信息。该家庭计算云还允许用户应用程序经由互联网通过协议网关和IoT消息转换器直接访问连接的IoT设备。
Description
技术领域
本公开的方面涉及实现本地计算云，该本地计算云直接与移动设备(例如移动电话)交互，以用于访问远程IoT设备。本地计算云可位于家庭中并且可支持使用不同无线通信协议的一个或多个物联网(IoT)设备。IoT设备与用户应用程序之间的消息经由互联网通过IoT协议进行桥接。在用户应用程序请求时，例如经由移动应用程序交换消息。本地计算云还可以连接到公共计算云，其中本地计算云可以下载适当的分析模型以用于本地执行。可以通过本地计算云，利用适当的硬件来进行模型的强化训练。
背景技术
物联网(IoT)应用程序通常依赖于远程和集中式服务器来收集输入数据，并且基于当前输入以及历史数据来生成某些动作。这种方法通常需要诸如智能传感器、恒温器和智能电器之类的IoT设备，以在它们自身与诸如公共计算云之类的远程服务器之间交换数据。使用另一种方法，可能需要网关来将数据从一个连接协议转换到另一连接协议以便将数据从终端设备发送到远程服务器，例如，从ZigBee转换到WiFi。终端设备与远程服务器之间的大量数据传输通常会产生昂贵的服务成本。此外，这可能在网络中产生大量数据流量，从而可能为了维持期望的服务质量水平而导致额外网络延迟、传输期间的数据丢失或昂贵的维护成本。另外，在公共计算云中存储大量个性化数据时，尽管存储成本很高，但数据安全和隐私也是重要的关注点。
发明内容
一种家庭计算系统(其可被称为″家庭计算云″)集成协议网关、WiFi路由器、云服务器和大容量存储设备以支持诸如家庭住宅的本地环境中的一个或多个物联网(IoT)设备。因为家庭计算云本地处理收集的设备数据而不是将设备数据发送到公共计算云(系统)以用于处理，所以家庭计算云通常减少被发送到公共计算云的数据流量的量。可以通过在本地保存源数据、数据操作和预测结果来维护数据隐私。为了这样做，家庭计算云可以从公共计算云下载适当的数据分析模型(其可以被称为″模型″)。然后，家庭计算云可通过从一个或多个IoT设备获得设备数据而在本地执行模型，将一些或全部设备数据应用于模型，并且从模型获得预测结果。然后可以将预测结果应用于支持的IoT设备中的一者或多者以影响一个或多个IoT设备的操作。
另一方面，家庭计算云从公共计算云下载适当的预训练模型以及对应学习算法。然后，家庭计算云在本地使用实时IoT设备数据对模型执行强化训练。
另一方面，家庭计算云从公共计算云下载简单的预训练模型以及对应学习算法。然后，家庭计算云对模型执行强化训练以适应家庭计算云的环境(例如，支持的IoT设备的类型)。
另一方面，家庭计算云支持由来自下载的数据分析模型的信息更新的规则引擎。
另一方面，家庭计算云包括被配置为与一个或多个IoT设备(例如，智能传感器、恒温器和智能电器)接合的协议网关和IoT消息转换器，以使得IoT设备能够经由家庭计算云与用户应用程序(例如移动应用程序)交换信息。
另一方面，家庭计算云包括协议网关。协议网关支持多种不同的无线电类型(例如，用于ZigBee的ZigBee网关，用于Z-Wave的Z-Wave网关，以及用于蓝牙低功耗(BLE)的BLE中心等等)。
另一方面，家庭计算云包括IoT消息转换器(其可以被称为″消息转换器″)。消息转换器包括IoT协议消息代理(其可以被称为″消息代理″，诸如MQTT代理)和IoT协议消息网桥(其可以被称为″消息网桥″)。消息代理支持从一个或多个IoT设备发布消息和从用户应用程序订阅消息。消息网桥(例如，用于Zigbee设备的MQTT/Zigbee网桥、用于Z-Wave设备的MQTT/Z-Wave网桥和用于BLE设备的MQTT/BLE网桥等)将符合多个无线电类型中的一个无线电类型的消息映射到IoT协议消息。
另一方面，作为示例，当用户想要检查Zigbee设备的状态或从移动(用户)应用程序控制该状态时，可以经由互联网将请求发送到家庭计算云内的MQTT代理。然后可以通过对应MQTT/Zigbee网桥将该请求转换成Zigbee格式并且通过Zigbee网关将该请求转发到Zigbee设备。
另一方面，家庭计算云支持IP更新器，该IP更新器可将请求发送到DNS服务器以更新分配给家庭计算云的IP地址。
另一方面，家庭计算云支持IoT网络控制台，该IoT网络控制台从一个或多个支持的IoT设备读取设备数据并且允许用户控制一个或多个IoT设备。IoT网络控制台可以与移动设备上执行的移动应用程序交互。
附图说明
当结合附图阅读时，将更好地理解本发明的上述概述以及本发明的示例性实施方案的以下详细描述，这些附图是作为实例而非作为对所要求保护的本发明的限制而包括的。
图1示出了家庭计算云与互联网、公共计算云和移动电话交互(根据实施方案执行用户应用程序0)的家庭环境。
图2示出了根据实施方案的没有WiFi路由器能力的家庭计算云。
图3示出了根据实施方案的具有WiFi路由器能力的家庭计算云。
图4示出了根据实施方案的与公共计算云和用户应用程序交互的家庭计算云。
图5示出了根据实施方案的家庭计算云。
图6示出了根据实施方案的家庭计算云的软件部件。
图7示出了根据实施方案的用于家庭计算云使用MQ遥测传输(MQTT)代理桥接Zigbee设备的消息序列。
图8示出了根据实施方案的用于家庭计算云使用MQ遥测传输(MQTT)代理桥接Z-Wave设备的消息序列。
图9示出了根据实施方案的用于家庭计算云使用MQ遥测传输(MQTT)代理桥接蓝牙低能耗(BLE)设备的消息序列。
图10示出了根据实施方案的用于在家庭计算云中配置WiFi路由器的消息序列。
图11示出了根据实施方案的用于在家庭计算云内连接用户应用程序的方法。
图12示出了根据实施方案的用于在家庭计算云内连接用户应用程序的方法。
图13示出了根据实施方案的用于使用家庭计算云注册蓝牙低功耗(BLE)设备的方法。
具体实施方式
″家庭计算云″可不限于家庭住宅，并且可以支持其它类型的实体，诸如企业或建筑物。因此，可将″家庭计算云″理解为″本地计算云″。而且，″云″可以被称为计算系统等。
根据实施方案的方面，家庭计算云集成协议网关、IoT消息转换器、WiFi路由器、云服务器和大容量存储设备以支持诸如家庭住宅的本地环境中的一个或多个物联网(IoT)设备。因为家庭计算云在本地处理收集的设备数据而不是将设备数据发送到公共计算云以进行处理，所以家庭计算云通常减少发送到公共计算云的数据流量的量。这种方法还通过将所有源数据保存在本地以用于分析、学习和归档来提高数据隐私。为了这样做，家庭计算云具有足够的计算能力、现场存储器和数据存储设备，以用于运行数据分析模型、学习算法和存储大量数据。
对于实施方案的另一方面，家庭计算云可以与公共计算云交互以便交换与一个或多个IoT设备相关的信息。例如，公共计算云可以将室外温度和用户的地理位置提供到恒温器，并且恒温器可以包括室外温度、用户的位置和控制继电器的温度设置点。
对于实施方案的另一方面，公共计算云(其可以被称为″公共云″)可以提供由第三方提供商通过公共互联网提供的计算服务，使得这些计算服务可以用于想要使用或购买它们的任何人(例如，用于节能的分析模型、用于预测维护的分析模型等)。服务可以是免费的或按需出售的，因此允许客户仅在消耗的CPU循环、存储或带宽中按使用情况支付。
对于实施方案的另一方面，家庭计算云可以支持尽可能多的无线通信协议以允许实现不同无线通信协议的IoT设备彼此交互。实施方案支持各种无线协议，包括但不限于WiFi、Zigbee、Z-Wave和蓝牙低功耗(BLE))等。
BLE设备和ZigBee设备通常在2.4GHz频带中操作，而Z-Wave设备通常在Sub-1G频带中操作。WiFi设备通常在900Mhz、2.4Ghz、3.6Ghz、4.9Ghz、5Ghz、5.9Ghz和60GHz频带中操作。
对于实施方案的另一方面，家庭计算云可以包括位于家庭中的一个或多个IoT设备。实施方案支持各种IoT设备，包括但不限于无线传感器、智能恒温器、智能电器、照明设备、安全设备等。
对于实施方案的另一方面，家庭计算云可以支持一个或多个IoT协议，以使得由用户应用程序经由互联网进行访问。
对于实施方案的另一方面，家庭计算云可以实现IoT消息网桥以将通信协议转换为IoT协议，使得用户应用程序可以经由协议网关和消息转换器与IoT设备通信。
对于实施方案的另一方面，可以将规则引擎添加到家庭计算云以支持人工智能。
对于实施方案的另一方面，家庭计算云与用户应用程序之间的通信可由用户应用程序或规则引擎中的预定义规则发起。
图1示出了根据实施方案的家庭计算云101驻留在家庭环境中。家庭计算云101允许经由互联网103使用数据信道152、153访问用户应用程序104。同时，家庭计算云101经由数据信道151与公共计算云102交互。
虽然图1描绘了跨越家庭的操作环境，但是实施方案可以跨越其它本地环境，例如建筑物或商业场所。
IoT设备(未明确示出)可以是家庭内提供发送的信息并经由家庭计算云101获得接收到的信息的相互关联的计算设备(例如，智能恒温器或电器)。接收到的信息可以指示IoT设备应该执行的一个或多个动作。
IoT设备可以支持不同的无线通信协议。示例性协议包括但不限于WiFi、ZigBee、Z-Wave和BLE。
家庭计算云与用户应用程序之间的通信可以经由规则引擎中预定义的用户应用程序或规则来发起。通信协议可以是但不限于WiFi、以太网、LTE和NB-IoT。IoT协议可以是但不限于MQTT、CoAP和LwM2M等。
用于家庭计算云与公共计算云之间的通信的协议可以与用于用户应用程序的那些协议相同。然而，取决于应用场景，可以使用不同的协议，例如，离散数据与连续流信号。
在实现物联网(IoT)系统时，数据流量容量、数据安全和数据隐私是重要的考虑因素。通过使互联网103与由家庭计算云101支持的应用环境的数据信道151、152和153上的流量最小化以及通过使存储在公共计算云102内的数据量最小化，可以减少来自未授权访问的数据暴露。此外，可以减少数据流量，并且因此降低使用由公共计算云102提供的服务的成本。通过将数据存储在家庭计算云101内并且从家庭计算云101中进行数据分析和机器学习，在互联网连接不可访问时维持服务。此外，可以消除从互联网连接引入的延迟。然而，由于公共计算云102通常提供家庭计算云101可能无法提供的计算能力和软件服务，因此可能无法完全规避该PCC提供的服务。
图2示出了根据实施方案的与单独WiFi路由器206相关联的家庭计算云(HCC)201，该HCC与用户应用程序207和公共计算云(PCC)202交互。
本地IoT设备204-205与用户应用程序207之间的交互可以由协议网关210和在家庭计算云201上运行的IoT消息转换器211支持。IoT设备204-205经由协议网关210利用对应协议(例如，Zigbee)通信。协议网关210将设备消息传递到IoT消息转换器211，该IoT消息转换器包括IoT协议消息代理208(例如，MQTT代理)或CoAP服务器(未明确示出)和IoT协议消息网桥209(例如，MQTT/Zigbee网桥)。利用消息转换器211，IoT设备消息被桥接到IoT协议消息(例如，MQTT消息)中并且被发送到其它设备或用户应用程序。作为示例，可以将来自Zigbee设备205的MQTT消息发送到家庭计算云201，该家庭计算云终止于订阅对应设备主题的规则引擎。然后，规则引擎可以触发要发送到移动应用程序207的警报以引起用户的注意。用户可以通过经由移动应用程序207发起动作来作出响应，并且移动应用程序207因此生成经由互联网发送到家庭计算云(HCC)201的MQTT消息。家庭计算云201包括将MQTT消息转换为Zigbee消息的消息转换器211和协议网关210。然后，经由协议网关210将Zigbee消息传送到Zigbee设备205以基于用户的动作执行操作。
对于一些实施方案，协议网关210和/或IoT消息转换器211可以由包括一个或多个处理设备的专用电子设备来实现。专用电子设备还可以包括一个或多个专用集成电路(ASIC)、复杂可编程逻辑设备(CPLD)、现场可编程门阵列(FPGA)或其它集成电路。
替代地，协议网关210和/或IoT消息转换器211可以由处理器402(如将要讨论的，如图4所示)执行来自计算机可读介质(例如，存储器设备409)的计算机可执行指令来实现。
支持MQTT客户端的WiFi设备(例如，设备203)也可以连接到HCC201内的MQTT代理(服务器)208。
由家庭计算云201收集的设备数据可以存储在大容量数据存储设备(例如图4所示的存储设备411)中，并且因此规避了与公共计算云201来回发送收集的数据的附加成本。
因为大量的IoT数据可以存储在大容量存储设备中(例如，许多千兆字节)，所以可以将存储的数据组织在关系数据库中以有效地管理数据。实施方案可以包括嵌入式数据库软件(例如，SQLite)以支持以数据库关系组织的所存储的IoT数据。
WiFi设备203与家庭计算云201之间的通信可以通过两个不同路径251或252发生，这取决于WiFi设备203连接到哪个WiFi接入点。对于路径251，将来自WiFi设备203的MQTT消息从家庭WiFi路由器206路由到MQTT代理208，该MQTT代理可以经由WiFi路由器206和互联网将MQTT消息引导到其它IoT设备(例如，设备204和/或205)或用户应用程序207。通过路径252，WiFi设备203直接连接到充当WiFi接入点(AP)的家庭计算云201，并且还可以连接到家庭WiFi路由器206以进行互联网访问以达到用户应用程序207。
图3示出了根据实施方案的具有WiFi路由器能力的家庭计算云301。因为家庭计算云301包括WiFi路由器306，所以所有WiFi设备(例如，设备303)都可以连接到该家庭计算云，以便由用户应用程序307和/或公共计算云302访问互联网服务。此外，移动设备307在非常接近时还可以连接到家庭计算云301以用于访问互联网服务。
图4示出了根据实施方案的与公共计算云414和用户应用程序412交互的家庭计算云401。
类似于图2和图3，家庭计算云401经由通信服务器(IoT网关)407、公共计算云414经由云接口403和移动设备412与IoT设备404-406交互。
家庭计算云401包括处理设备402、云接口403、通信服务器407、存储器设备409和存储设备411。另外，家庭计算云401可以包括具有一些实施方案的嵌入式WiFi路由器408(例如，如图3所示)。
处理设备402通过执行存储在存储器设备409上的计算机可读指令来控制家庭计算云401的操作。例如，处理设备402可以执行计算机可读指令以执行分析模型和学习算法。实施方案可以支持各种计算机可读介质，这些计算机可读介质可以是由处理设备402访问的任何可用介质，并且包括易失性和非易失性介质、可移动和不可移动介质。作为实例而非限制，计算机可读介质可以包括计算机存储介质和通信介质的组合。
计算机存储介质可以包括以用于存储如计算机可读指令、数据结构、程序模块或其它数据等信息的任何方法或技术实现的易失性和非易失性、可移动和不可移动介质。计算机存储介质包括但不限于随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、闪存或其它存储器技术、CD-ROM、数字多功能盘(DVD)或其它光盘存储、磁带盒、磁带、磁盘存储或其它磁存储设备，或可用于存储所需信息并可由计算设备存取的任何其它介质。
通信介质通常以如载波或其它传输机制等调制数据信号来体现计算机可读指令、数据结构、程序模块或其它数据，并且包括任何信息传递介质。调制数据信号是其一个或多个特征以在信号中编码信息的方式设置或改变的信号。作为示例而非限制，通信介质包括诸如有线网络或直接有线连接的有线介质，以及诸如声学、RF、红外和其它无线介质的无线介质。
家庭计算云401可以在存储器设备409处从公共计算云402执行下载的模型410。机器学习模型410可包括来自IoT设备404-406的神经网络模型处理数据作为输入，从而产生来自模型410的一个或多个决策输出。
如果对来自模型的预测输出存在任何校正动作，则家庭计算云401可以应用强化学习来训练模型。
家庭计算云401可以支持语音辅助单元414，该语音辅助单元促进与用户和与在移动设备412上执行的应用程序相关联的家庭计算云401的自然交互。例如，当用户紧邻语音辅助单元414，例如语音辅助电子电路时，用户可以表达IoT设备请求，而不是通过移动设备412输入请求。继续示例，当在移动设备上查看来自IoT设备304的设备数据时，用户可以在执行应用程序307时通过代理308口头请求订阅由IoT设备305(如图3所示)发布的消息。因此，家庭计算云可以并行处理多个设备操作，其中一个操作通过移动设备412直接发起并且另一个操作通过语音辅助单元414发起。
语音辅助单元414将现有云解决方案的语音辅助服务软件开发工具包(SDK)集成到家庭云401。例如，Alexa语音服务SDK可以集成到家庭云401中。该单元利用家庭云401的麦克风硬件(例如，如图5所示的麦克风阵列515)来监测触发关键字并捕获来自用户的语音数据。如果发现匹配的关键字，则可以将语音服务请求发送到外部服务提供商。外部服务提供商处理该请求并将该动作加上语音通知发送回语音辅助单元414。从外部服务提供商发送回来的动作可以是基于MQTT的消息，该消息可以触发家庭云401上的规则引擎来处理后续动作。语音通知可以由语音辅助单元414通过家庭云401的扬声器硬件(例如扬声器阵列516)回放。
WiFi站模式是支持与家庭WiFi路由器/接入点(AP)连接的实体并且连接到外部互联网。WiFi站模式支持设置家庭WiFi路由器的密码和WiFi加密，诸如WPA/WAP2/WPA3。它还可以支持2.4GHz和5GHz WiFi频带和不同的WiFi协议，诸如802.11b/g/n/ac和WiFi-6(802.11ax)。
WiFi接入点(AP)模式支持经由以太网接口连接到路由器或调制解调器，例如电缆调制解调器或ADSL调制解调器。AP能够实现其它WiFi设备的WiFi连接能力以遵循802.11b/g/n/ac和/或802.11ax标准过程进行连接。WiFi设备(例如，移动电话)可以连接到AP并且被分配有本地IP地址并连接到互联网。
图5示出了根据实施方案的家庭计算云401。家庭计算云401可以扩展家庭控制台的连接性、存储和计算能力。核心处理器501可以是多核心处理器，其足够强大以实现诸如模型410的数据分析模型(如图4所示)，并且可以基于对来自模型的预测输出的手动校正来重新训练模型。由于可用的计算能力，用于重新训练模型的算法可能受到限制。如果添加一个或多个图形处理单元(GPU)以增加系统计算能力，则可以实现更复杂的重新训练算法，诸如用于视频或热图像的算法。
存储器子系统由嵌入式多媒体控制器/双数据速率(eMMC/DDR)502以及大容量存储器存储装置503组成。例如，实施方案可以具有64GB eMMC、4GB DDR4存储器和较大的(例如，1TB)大容量数据存储装置。替代地，能够处理机器学习的更复杂的系统可以具有256GBeMMC、32GB DDR4存储器和2TB大容量数据存储或更多。大容量数据存储装置可以安装在内部或外部，并且可以灵活调整。
家庭计算云401的连接子系统可以从基本网关变化到WiFi路由器网关504。基本网关可以包含：
-WiFi in AP/Station模式
-BLE和Zigbee
-LTE/NB-IoT(Cat-NB或Cat-M)
可以支持具有嵌入式WiFi路由器的路由器功能的WiFi路由器网关504可以包含：
-WiFi in AP模式505
-WiFi in AP/Station模式506
-BLE和Zigbee 507
-以太网508
可以添加LTE模块和/或NB-IoT模块(例如，Cat-NB或Cat-M)509以允许到家庭计算云401的移动性。
电源输入510可以是用于基本网关的基本15W、3A USB电源适配器。对于更复杂的系统，AC电源510可用于提供更灵活的电力分配方案以适应系统需求。可以添加可充电电池511以在断电的情况下维持操作。
可以添加外部安全硬件512以提高访问和数据安全级别。此外，可以添加特定硬件513、514以支持附加服务(例如，与iPod设备的兼容性)。
可以添加音频输入(例如，麦克风阵列515)和输出(例如，扬声器阵列516)以支持用户与家庭计算云401之间的自然交互。
图6示出了根据实施方案的家庭计算云600的软件部件。家庭计算云600可以为用户提供IoT网络控制台(未明确示出)以配置系统，以读取IoT设备数据，并且控制IoT设备。网络控制台可以不使用端口80或443以避免用于HTTP和HTTPS的默认端口。网络控制台可以与用户应用程序一起操作，用户应用程序可以是在移动设备(例如，图4所示的设备412)上执行的移动应用程序、软件应用程序、设备应用程序、终端应用程序等。
网络控制台可用于配置用户账户以允许访问家庭计算云600。另外，网络控制台可以为规则引擎601和/或预测模型602提供用户控制。
用户控件可以(由用户、服务提供商或两者的组合)手动创建，并且接着由规则引擎601执行。替代地，可以由预训练模型使用与预测引擎602相关联的机器学习算法生成用户控件。模型可以是自适应的，以经由内部强化学习模型匹配用户行为。系统可以下载和采用新的训练模型。
预测引擎602可以包括具有多个层的神经网络，每个层具有多个节点。神经网络通常包括输入层、一个或多个中间(隐藏)层和输出层。输入层的每个节点对应于神经网络的输入，并且输出层的每个节点对应于所得预测输出(换句话说，预测)。
对于支持强化学习的家庭计算云，预测引擎602可以在引入校正动作时重新训练模型自身。
IoT网络控制台可以支持HTTPS/HTTP协议。IoT网络控制台使用户能够(但不限于)：
1.读取传感器数据背景：控制台可以为用户提供网页以浏览传感器数据的历史，例如智能电插座的功耗。
2.搜索、添加或移除设备：网页可以允许用户添加或删除IoT设备(例如，如图4所示的设备404-406)。
3.设备管理：通过设备和用户管理604，用户可以浏览设备状态，例如低电池状态、窗户传感器打开或关闭、插座接通或断开。
4.配置规则引擎601以启用一系列或一组动作。
5.配置预测模型602或强化训练算法。
用户可以在本地WiFi网络内或通过互联网从外部访问网络控制台。
家庭计算云600实现MQTT消息代理603，该MQTT消息代理启用执行MQTT客户端的WiFi设备以经由其本身订阅或发布消息。家庭计算云600还可以支持移动应用程序经由其进行订阅和发布，以及通过互联网在IoT设备与用户应用程序(例如，移动应用程序、软件应用程序、终端设备等)之间进行通信。
可以经由互联网通过MQTT消息代理603对传感器数据进行外部发布。MQTT消息代理603还可以利用家庭WiFi路由器或家庭计算云600内的嵌入式WiFi路由器上的端口转发服务。家庭WiFi路由器408(如图4所示)上的端口转发可能需要支持IoT网络控制台的外部互联网访问。如果家庭计算云301(如图3所示)也支持WiFi路由器，则可以在家庭计算云301内在内部且自动地执行端口转发。
本地网关功能(例如，ZigBee网关605、BLE控制606或MQTT代理603)可以在本地发布MQTT消息。MQTT代理603可以将消息桥接到其它订阅方。
MQTT代理603通常位于远程公共云服务器(例如，与公共计算云402相关联，如图4所示)中。家庭计算云600安装MQTT代理603，使得移动应用程序可以直接订阅家庭计算云600内的MQTT代理603。因此，移动应用程序可以经由互联网直接与家庭计算云交换消息。
MQTT代理603可以支持安全插座层(SSL)MQTT连接。
参考通用即插即用(UPnP)客户端607，设备上的UPnP控制实体可以经由UPnP协议配置家庭WiFi路由器的端口转发。IoT服务器使用除80或443之外的另一端口编号。此方法避免了使用标准HTTP/HTTPS端口编号。为了从外部互联网访问网络服务器，使用网络浏览器功能的用户应用程序使用相同的特定端口编号。
当家庭云网关306支持嵌入式WiFi路由器时，不需要UPnP客户端607。
设备管理实体604可以包括设备管理的三个主要服务：
1.连接检测：必须监测每个设备的在线状态并定期报告给MQTT代理。用户应用程序可以经由MQTT消息监测设备的在线状态。
2.重启：设备重启控制。
3.用于连接设备的软件升级。
REST API服务608提供身份验证和认证服务。REST API服务608可用于客户端应用程序与对应REST API服务器之间的X.509验证。在验证客户端身份之后，客户端可以获得用于访问MQTT主题的用户令牌。另外，REST API还可以支持设备与用户应用程序之间的设备控制和设备状态通知。
实体继续访问网页以获得WiFi路由器的外部IP地址。一旦获得外部地址，网页会使用外部IP地址和用户定义的URL地址定期更新域名系统(DNS)服务器。
家庭计算云301可以在其网络服务器上提供UI网页，以用于设置用户的规则。这些规则是不同设备的一系列″If″、″else″动作的组合。例如，如果门传感器打开(″门打开″)，则灯亮起。一旦定义了规则，则该信息将被解析到规则引擎。然后，规则引擎监测门开关的状态。如果打开，则灯就会亮。虽然用户控制可以由通过UI网页输入的配置信息来建立，但是机器学习算法(例如，预测引擎602)可以用对应用户控制信息来更新规则引擎601。
图7示出了根据实施方案的用于使用MQ遥测传输(MQTT)代理702桥接Zigbee设备701的消息序列700。
ZigBee属性数据751、752可以通过MQTT消息753更新到家庭计算云。MQTT/ZigBee网桥704发布消息并将该消息订阅到本地MQTT代理702。设备数据被更新并存储到本地大量数据中(例如，如图4所示的家庭计算云401的存储装置411)。数据更新还可以被发布到订阅主题的用户应用程序705。
图8示出了根据实施方案的用于使用MQ遥测传输(MQTT)代理802桥接Z-Wave设备801的消息序列800。家庭计算云可以包括Z-Wave网关803和MQTT/Z-Wave网桥804。
与图7所示的消息序列700类似，Z-Wave命令数据851、852可以通过MQTT消息853更新到家庭计算云。MQTT/Z-Wave网桥804向/从本地MQTT代理802发布和订阅消息。更新设备数据并将该设备数据存储到家庭计算云的本地大容量数据存储装置中。数据更新还可以被发布到订阅该主题的用户应用程序805。
图9示出了根据实施方案的用于使用MQ遥测传输(MQTT)代理902桥接BLE设备901的消息序列900。家庭计算云可以包括BLE中心903和MQTT/BLE网桥904。
BLE中心903接收BLE设备数据951，将该BLE设备数据转换为BLE简档数据952，并且将该BLE设备数据转发到MQTT/BLE网桥904。MQTT/BLE网桥904将BLE简档数据重新构建为MQTT消息953。MQTT/BLE网桥904向/从本地MQTT代理902发布和订阅消息。更新设备数据并将该设备数据存储到家庭计算云的本地大容量数据存储装置中。还可以将数据更新发布到订阅主题的用户应用程序905。
图10示出了根据实施方案的用于在家庭计算云201中配置WiFi路由器206(如图2所示)的消息场景1000。对于嵌入式WiFi路由器设置，配置是指正常WiFi路由器设置页面。家庭云网关使用与图10相同的认证过程。随后，用户可以经由BLE连接设置正常路由器设置。
用户应用程序207的BLE通信可用于与外部WiFi路由器206建立家庭云201。另外，该BLE通信提供了用于授权请求的安全连接，如图10所示。如果家庭云201已经连接到外部WiFi路由器，则安全连接可以在WiFi连接上，而不是在BLE连接上。
在家庭云201授权用户应用程序207并与用户应用程序207建立通信之后，所有其它MQTT消息或IoT控制消息可以由WiFi通信和用户应用程序307传送，该用户应用程序307可以是用户应用程序207的一部分。用户应用程序207可以包括用户应用程序307的所有控制功能，以及用于账户设置和认证的机制。
如果家庭云利用嵌入式WiFi路由器，则如图10所示，可以经由BLE或WiFi实现安全连接。
嵌入式WiFi路由器还可以通过使用WiFi AP模式来支持传统方式的配置。用户应用程序可以使用与设置外部WiFi路由器类似的方法从配置网页配置该嵌入式WiFi路由器。然而，如果用户应用程序需要授权IoT服务，则可以建立安全连接，如图10所示。在授权用户应用程序并获得客户端ID和信息之后，用户应用程序307可以经由WiFi连接到家庭云的REST和MQTT服务。
因为家庭计算云201通常是无头的，所以用户配置过程通常由本地网络内的用户应用程序207执行。如消息场景1000中所示，根据安全BLE协议执行WiFi配置。
WiFi路由器206广播其在广播消息1001中的普通唯一标识符(UUID)。用户应用程序207在发送消息1002时会发现已知UUID并连接到WiFi路由器206。
用户应用程序207和WiFi路由器206通过消息1003-1009交换执行认证。回答请求消息1004(和类似的消息1007)请求另一方基于从请求器侧发送的随机数列表来计算回答。因为双方都知道如何基于随机数列表计算回答，所以这种秘密是双方先验已知的。如果两侧的回答匹配，则两个设备都是认证的设备。成功完成后，用户应用程序207经由消息1010接收加密密钥。然后在消息交换1011期间在用户应用程序207与WiFi路由器206之间建立通信。
利用消息场景1000，用户应用程序207知道与消息1012相对应的家庭计算云的本地IP地址，使得可以建立直接连接，其中用户可以经由消息1013建立正常路由器设置。
因为家庭计算云是无头的，所以用户注册过程通常由本地网络内的用户应用程序执行。
图11和图12示出了用于建立家庭计算云(其可被称为家庭云(HC))与用户应用程序之间的本地连接的两种方法(分别可以称为情况1和情况2)。
图11示出了基于安全BLE的第一方法1100。用户应用程序1101不知道家庭计算云1102的本地IP地址。图12示出了第二方法1200，其中当已知家庭计算云的本地IP地址时，在移动应用程序1201与家庭计算云1202之间直接建立连接。
参考图11，在框1101处，将家庭计算云(HC)201连接到WiFi路由器206(如图2所示)。在框1102处，发起广播，使得在框1103处通过无线广播信道提供UUID。
如果利用BLE，则可以使用每个BLE规格定义的机制来广播UUID。如果利用WiFi，则经由IP广播消息进行UUID的广播。另外，如图10所示，建立安全连接的机制适用于WiFi上的IP消息。
在框1104和1105处，用户应用程序207通过安全无线信道(例如，BLE信道)连接到家庭计算云201。用户应用程序207随后在框1106-1108处获得家庭计算云201的本地IP地址。当用户应用程序207获得本地IP地址时，用户应用程序207进行到过程1200，如图12所示。然而，如果用户应用程序207先验地知道本地IP地址，则用户应用程序207在不执行过程1100的情况下直接进行到过程1200。
参考图12，在框1201和框1202处，用户应用程序207建立与家庭计算系统201的RESTful服务器的连接。
在框1203-1205处，用户应用程序207建立新账户。用户应用程序207将新的用户名发送到家庭计算云201，其中REST API支持″添加″用户命令。因此，家庭计算云201为新用户创建新记录。此外，家庭计算云201还生成SSH密钥对。然后将公钥、客户端证书和根证书发送到用户应用程序207以设置MQTT包的SSL连接。
一旦用户应用程序207与家庭计算云201注册(如将进一步详细讨论的)，用户应用程序207可以订阅家庭云的MQTT代理并控制和监测框1206处的设备。
家庭计算云201支持IoT无线设备，诸如但不限于BLE、ZigBee设备和运行MQTT客户端的WiFi设备。每个设备使用可以与家庭计算云201配对的不同无线电协议。
图13示出了根据实施方案的用于将BLE设备204(如图2所示)与家庭计算云201注册的消息场景1300。ZigBee和Z-Wave设备注册通常基于对应协议。
BLE设备204与家庭计算系统201的配对在框1301和1302处发起。
在框1303处，BLE设备204通过无线广播信道广播其UUID。如果在框1304-1305处由家庭计算系统201进行识别，则在框1306-1311处，在家庭计算系统201与BLE设备204之间建立BLE连接。
在框1312处，BLE设备204和家庭计算系统201能够彼此通信，例如，BLE设备204向家庭计算系统201提供IoT数据以进行处理。
以下描述基于以上描述的一些示例性实施方案：
对于第一示例性实施方案，一种方法和装置集成WiFi路由器、IoT网关和大容量存储设备，以允许本地保留数据用于规则引擎和数据分析模型的应用，例如家庭计算云。规则引擎和/或分析模型可以支持机器学习。
对于第二示例性实施方案，家庭计算云允许用户应用程序经由互联网直接与连接的IoT设备交换消息。
对于第三示例性实施方案，装置可以包括存储能力，该存储能力包括大容量数据存储设备、HDD、SSD或经由USB3.0与外部硬盘的接口，以允许在本地进行机器学习和数据分析以保护数据隐私。存储能力还可以支持存储大量传感器和/或IoT设备的数据。
对于第四示例性实施方案，从公共计算云下载预训练模型。家庭计算云可以采用预训练模型作为在家庭计算云内进行本地强化学习(训练)的起点。
对于第五实施方案，家庭计算云包括IP更新器，该IP更新器将请求发送到远程DNS服务器以更新其IP地址，使得用户应用程序或浏览器可以获得家庭(私人)计算云的外部IP地址。在结合DNS操作时，域名可以映射到家庭计算云的网关的IP地址。
对于第六实施方案，具有网络套接字服务器的装置允许用户应用程序获得始终接通的连接而不需要保持轮询。该设备可以使用网络套接字服务器来提供用户移动应用程序的连接。
对于第七实施方案，具有HTTP/HTTPS服务器的装置提供基于网络的接口，用于对诸如ZigBee设备、Z-Wave设备、BLE设备或WiFi连接设备之类的配对或连接设备进行家庭IoT控制。
对于第八实施方案，具有REST API服务器的装置提供对用户应用程序服务的RESTful IoT控制，例如用户注册和设备管理。
对于第九实施方案，具有数据库控制的装置利用数据存储服务，例如SQLite，以有效地管理大量数据。
对于第十实施方案，具有MQTT代理(或类似服务)的装置支持基于连接的MQTT的设备。所有基于MQTT的设备可在同一网络内进行内部通信。
对于第十一实施方案，装置可以包括用于桥接诸如ZigBee、Z-Wave、BLE等不同类型设备的不同无线电子系统的网关。该装置可以将ZigBee桥接到MQTT，将Z-Wave桥接到MQTT，并且将BLE桥接到MQTT。
对于第十二实施方案，该装置可以经由认证协议利用不同用户连接来支持多个账户访问控制。用户应用程序可以在内部或外部连接到该装置。
对于第十三实施方案，具有UPnP能力的装置支持在家庭计算云的WiFi路由器上的端口转发功能。
对于第十四实施方案，装置通过安全BLE连接协议的设备使移动设备能够配置家庭计算云，诸如家庭WiFi路由器配置。
对于第十五实施方案，装置将语音辅助功能(例如，Amazon、Alexa、Google Home)与本地应用程序集成，以提供用户与装置之间的自然交互。
如本领域技术人员可以理解的，具有含有用于控制计算机系统的指令的相关联计算机可读介质的计算机系统可被用于实现本文所公开的示例性实施方案。计算机系统可以包括至少一个计算机，如微处理器、数字信号处理器和相关联的外围电子电路。
Claims (21)
1.一种与支持的物联网(IoT)设备交互的家庭计算系统，所述家庭计算系统包括：
家庭计算云网关，所述家庭计算云网关进一步包括WiFi路由器；
通信网关，所述通信网关被配置为接合第一IoT设备和第二IoT设备，其中所述第一IoT设备支持第一通信协议，并且所述第二IoT设备支持第二通信协议；
处理器，所述处理器用于执行计算机可执行指令；
存储器，所述存储器存储所述计算机可执行指令，所述计算机可执行指令在由所述处理器执行时使所述家庭计算系统：
分别从所述第一IoT设备和所述第二IoT设备接收第一消息和第二消息，其中所述第一消息和所述第二消息分别符合所述第一通信协议和所述第二通信协议；
分别将来自所述第一通信协议和所述第二通信协议的所述第一消息和所述第二消息转换为IoT协议；并且
经由所述WiFi路由器将所转换的第一消息和所转换的第二消息直接传输到用户的用户应用程序。
2.根据权利要求1所述的家庭计算系统，包括：
网络套接字服务器；
其中所述存储器存储计算机可执行指令，所述计算机可执行指令在由所述处理器执行时进一步使所述家庭计算系统：
经由所述网络套接字服务器建立所述用户应用程序与所述家庭计算系统之间的连接，其中所述连接规避由所述用户应用程序进行的轮询。
3.根据权利要求1所述的家庭计算系统，其中所述存储器存储计算机可执行指令，所述计算机可执行指令在由所述处理器执行时进一步使所述家庭计算系统：
从所述第一IoT设备获得已发布消息；
当所述用户应用程序订阅对应主题时，将所述已发布消息转发到所述用户应用程序。
4.根据权利要求1所述的家庭计算系统，进一步包括：
大容量存储设备；
其中所述存储器存储计算机可执行指令，所述计算机可执行指令在由所述处理器执行时进一步使所述家庭计算系统：
从所述支持的IoT设备获得IoT数据；并且
将所述IoT数据本地保留在所述大容量存储设备上；并且
本地处理本地保留的IoT数据。
5.根据权利要求4所述的家庭计算系统，进一步包括：
云接口，所述云接口被配置为与公共计算云交换信息；
其中所述存储器存储计算机可执行指令，所述计算机可执行指令在由所述处理器执行时进一步使所述家庭计算系统：
基于所述支持的IoT设备通过所述云接口从所述公共计算云下载来自多个数据分析模型的选定数据分析模型；
本地执行所述数据分析模型；
从所述大容量存储设备检索所述本地保留的IoT数据；
将所述本地保留的IoT数据提供到所述数据分析模型；
响应于所述提供，从所述数据分析模型获得预测结果；并且
将所述预测结果应用于所述支持的IoT设备中的至少一个支持的IoT设备。
6.根据权利要求4所述的家庭计算系统，其中所述存储器存储计算机可执行指令，所述计算机可执行指令在由所述处理器执行时进一步使所述家庭计算系统：
根据存储在所述大容量存储设备上的所述本地保留的IoT数据生成关系数据库；
从所述用户应用程序接收结构化查询语言(SQL)命令；并且
响应于所述接收，基于所述SQL命令操作所述保留的IoT数据。
7.根据权利要求1所述的家庭计算系统，进一步包括：
语音辅助单元；
其中所述存储器存储计算机可执行指令，所述计算机可执行指令在由所述处理器执行时进一步使所述家庭计算系统：
在所述用户应用程序被激活时从所述用户获得语音输入；并且
通过所述语音辅助单元生成关于所述支持的IoT设备中的至少一个支持的IoT设备的IoT数据请求。
8.根据权利要求1所述的家庭计算系统，其中所述存储器存储计算机可执行指令，所述计算机可执行指令在由所述处理器执行时进一步使所述家庭计算系统：
生成IoT网络控制台；
通过所述IoT网络控制台读取来自一个或多个IoT设备的设备数据；
通过所述IoT网络控制台控制所述一个或多个IoT设备，
其中所述IoT网络控制台与所述用户应用程序交互。
9.根据权利要求3所述的家庭计算系统，其中所述存储器存储计算机可执行指令，所述计算机可执行指令在由所述处理器执行时进一步使所述家庭计算系统：
从所述用户应用程序接收注册请求；
响应于所述接收，生成针对所述用户的记录并且将密钥对发送到所述用户应用程序；并且
当所述注册成功完成时，允许所述用户应用程序对所述对应主题的订阅。
10.根据权利要求1所述的家庭计算系统，其中所述存储器存储计算机可执行指令，所述计算机可执行指令在由所述处理器执行时进一步使所述家庭计算系统：
将IP地址请求发送到远程域名服务器以更新所述家庭计算云网关的IP地址，其中所述用户应用程序能够经由经更新的IP地址访问所述家庭计算系统。
11.根据权利要求1所述的家庭计算系统，其中所述存储器存储计算机可执行指令，所述计算机可执行指令在由所述处理器执行时进一步使所述家庭计算系统：
与移动设备建立安全连接；
通过所述安全连接接收配置信息；并且
基于所述配置信息配置所述家庭计算云网关。
12.一种用于支持家庭计算系统的方法，所述方法包括：
分别从第一IoT设备和第二IoT设备接收第一已发布消息和第二已发布消息，其中所述第一已发布消息和所述第二已发布消息分别符合第一通信协议和第二通信协议；
分别将所述第一已发布消息和所述第二已发布消息从所述第一通信协议和所述第二通信协议转换为IoT协议；
当第一用户应用程序仅订阅与所述第一IoT设备相关联的第一主题时，仅将第一已转换消息直接传输到第一用户应用程序；以及
当第二用户应用程序订阅所述第一主题和与所述第二IoT设备相关联的第二主题两者时，将所述第一已转换消息和第二已转换消息直接传输到第二用户应用程序。
13.根据权利要求12所述的方法，其中所述IoT协议包括MQ遥测传输(MQTT)协议，其中所述第一通信协议和所述第二通信协议选自WiFi协议、Zigbee协议、Z-Wave协议和BLE协议，并且其中所述第一通信协议与所述第二通信协议是不同的。
14.根据权利要求12所述的方法，包括：
当所述家庭计算云连接到外部家庭WiFi路由器时，经由通用即插即用(UPnP)协议配置所述外部家庭WiFi路由器的端口转发。
15.根据权利要求12所述的方法，包括：
经由第一连接认证所述第一用户应用程序；以及
经由第二连接认证所述第二用户应用程序，其中所述第一连接和所述第二连接在同一时间段期间处于活动状态。
16.根据权利要求12所述的方法，包括：
由所述家庭计算系统基于支持的IoT设备从公共计算云下载来自多个数据分析模型的选定数据分析模型；
由所述家庭计算系统本地执行所述数据分析模型；
由所述家庭计算系统从大容量存储设备检索本地保留的IoT数据；
由所述家庭计算系统将所述本地保留的IoT数据提供到所述数据分析模型；
响应于所述提供，由所述家庭计算系统从所述数据分析模型获得预测结果；以及
由所述家庭计算系统将所述预测结果应用于所述支持的IoT设备中的至少一个支持的IoT设备。
17.根据权利要求16所述的方法，包括：
由所述家庭计算系统从公共计算云接收外部信息；以及
将所述外部信息与所述预测结果组合以通过所述支持的IoT设备中的所述至少一个支持的IoT设备发起动作。
18.根据权利要求12所述的方法，包括：
由规则引擎从第三IoT设备接收第三已发布消息；
由所述规则引擎触发警报；以及
由所述规则引擎将所述警报发送到所述第一用户应用程序和所述第二用户应用程序中的一者。
19.根据权利要求12所述的方法，包括：
在所述第一用户应用程序正在执行时获得语音输入；以及
通过语音辅助单元生成关于所述支持的IoT设备中的至少一个支持的IoT设备的IoT数据请求。
20.一种具有存储在其上的指令的非暂态计算机可读介质，所述指令在被执行时使计算设备：
基于支持的IoT设备从公共计算云下载来自多个数据分析模型的选定数据分析模型；
本地执行所述数据分析模型；
从大容量存储设备检索本地保留的IoT数据；
将所述本地保留的IoT数据提供到所述数据分析模型；
响应于所述提供，从所述数据分析模型获得预测结果；
从公共计算云接收外部信息；
将所述外部信息与所述预测结果组合；并且
将组合的外部信息和预测结果应用于所述支持的IoT设备中的至少一个支持的IoT设备。
21.根据权利要求10所述的非暂态计算机可读介质，所述非暂态计算机可读介质具有存储在其上的附加计算机可读指令，所述附加计算机可读指令在被执行时使所述计算设备：
分别从第一IoT设备和第二IoT设备接收第一已发布消息和第二已发布消息，其中所述第一消息和所述第二消息分别符合所述第一通信协议和所述第二通信协议；
分别将所述第一已发布消息和所述第二已发布消息从所述第一通信协议和所述第二通信协议转换为IoT协议；
当第一用户应用程序仅订阅与所述第一IoT设备相关联的第一主题时，仅将第一已转换消息直接传输到所述第一用户应用程序；并且
当第二用户应用程序订阅所述第一主题和与所述第二IoT设备相关联的第二主题两者时，将所述第一已转换消息和第二已转换消息直接传输到所述第二用户应用程序。
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