移動網(wǎng)下絡(luò)智能設(shè)備數(shù)據(jù)節(jié)流探討

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隨著智能家居概念被炒熱，市場上井噴出很多智能設(shè)備，然而要實現(xiàn)真正的智能硬件生態(tài)圈，無論在市場還是技術(shù)層面，仍然有很長的一段路要走。在眾多的智能設(shè)備中，有一部分是通過家庭Wi-Fi接入互聯(lián)網(wǎng)的，有一部分則是通過移動網(wǎng)絡(luò)（GPRS、3G、4G）再接入互聯(lián)網(wǎng)的，特別是一些可穿戴設(shè)備。與基于Wi-Fi的設(shè)備很不同，移動網(wǎng)絡(luò)是按照流量計費的，通訊費用就成為了這類產(chǎn)品在設(shè)計時必須考慮的一個重要方面。雖然移動網(wǎng)絡(luò)的資費越來越便宜，但是智能設(shè)備的使用也并非一天半天，如果使用了一種簡單粗暴的通訊方案，日積月累，將會產(chǎn)生很多沒有實際意義的流量，浪費資源和金錢，最終影響產(chǎn)品在市場上的競爭力。

1數(shù)據(jù)篩選

在數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸之前，智能硬件需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，判斷需要傳輸哪些數(shù)據(jù)，例如一些工業(yè)設(shè)備的運行狀態(tài)、可穿戴設(shè)備的一些人體數(shù)據(jù)等等。在業(yè)務(wù)系統(tǒng)設(shè)計的時候，就必須要對數(shù)據(jù)進(jìn)行分級分類。哪些是必須要傳的，哪些是在緊急情況下可以舍棄的，例如一些冷凍冷藏的設(shè)備，停機故障的數(shù)據(jù)是最重要的，因為這類設(shè)備一旦停機，可能會使得冷凍的食品、藥品或者名貴紅酒變壞，導(dǎo)致客戶重大的損失。再進(jìn)一步，根據(jù)需要，智能硬件可以將一些底層數(shù)據(jù)加以統(tǒng)計再進(jìn)行傳輸，例如智能手環(huán)，可以將客戶的步行里程統(tǒng)計一段再上傳到云平臺記錄，而不是將客戶的每一步都實時傳輸上去。更進(jìn)一步，可以將定時傳輸這種傳統(tǒng)模式改為有變化再傳輸，例如云平臺想監(jiān)控一個傳感設(shè)備的溫度曲線，可以在溫度發(fā)生變化的時候才傳輸數(shù)據(jù)，而不是不管溫度是否有變化每隔幾秒就將溫度往云平臺傳輸。

2數(shù)據(jù)壓縮

所謂數(shù)據(jù)壓縮，是指減少數(shù)據(jù)量以減少存儲、傳輸?shù)目臻g的一種技術(shù)方法，并且在這過程中不丟失數(shù)據(jù)信息。在智能家居系統(tǒng)中，通訊的兩端設(shè)備（例如智能設(shè)備與云平臺、智能設(shè)備與APP、云平臺與APP之間），在往對方發(fā)送數(shù)據(jù)前，可考慮先對數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮，接收方在收到數(shù)據(jù)后，再對數(shù)據(jù)進(jìn)行解壓。數(shù)據(jù)的壓縮算法有很多，例如LZW壓縮算法、Huffman壓縮算法、Rice壓縮算法、RLE壓縮算法、LZ77等等。這些算法都各有優(yōu)缺點，究竟需要如何選擇？首先，要考慮的是數(shù)據(jù)特征，如果需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，出現(xiàn)的字符類型少，而且很明顯地有些字符的頻率很高，則適合使用以頻率特征為壓縮原則的算法，例如Huffman、RLE等。如果有比較多字符串重復(fù)的，則可以考慮用窗口式的壓縮算法，例如LZ77等。但是，如果發(fā)現(xiàn)要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量較少，或者重復(fù)性不高，那么就無需再使用壓縮算法，以免產(chǎn)生更多的數(shù)據(jù)浪費。其次，要考慮算法所占用的資源情況，因為智能硬件為了能走進(jìn)普通老百姓的家里，吸引更多消費者購買，使自己在市場上更有競爭力，往往會選擇低成本的方案。也就是說，智能設(shè)備的硬件資源，往往只能滿足其功能性的需求，CPU、RAM的資源都非常有限。所以應(yīng)該根據(jù)硬件的資源情況，選取代碼量少，占用資源少的壓縮算法。以Huffman為例，Huffman算法首先統(tǒng)計字符出現(xiàn)的頻率，然后再用這個頻率作為一個權(quán)值，構(gòu)建一個Huffman二叉樹，頻率高的字符會在樹的上層，頻率低的會在樹的下層。然后就是通過遍歷二叉樹的方式對所有字符進(jìn)行編碼。最終的結(jié)果是，出現(xiàn)頻繁的字符，能用較少的位來表示，出現(xiàn)不頻繁的字符用較多的位來表示，從而達(dá)到節(jié)省空間的效果。在將這個算法寫到單片機的過程中，會發(fā)現(xiàn)遇到幾個問題，首先是建樹，樹這個概念在單片機的編程中非常少用，一般嵌入式開發(fā)人員習(xí)慣使用數(shù)組，比較好控制，并且數(shù)組的空間是預(yù)先就分配好的。而Huffman樹則是一個動態(tài)生成的樹，編程時對其空間很難做出準(zhǔn)確評估，這樣就必然導(dǎo)致預(yù)申請很多空間以做準(zhǔn)備，其結(jié)果往往會比數(shù)組要的空間多。另外，字符頻率的統(tǒng)計以及字符編碼，都需要耗費CPU時間及額外的資源，所以，Huffman算法并不太適合用在低成本的智能硬件中。所以，選取什么算法，需要綜合考慮壓縮比、復(fù)雜度以及硬件資源這幾個維度。參考文獻(xiàn)[1]嚴(yán)蔚敏,吳偉民.數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（C語言版）[M].北京:清華大學(xué)出版社,1997.[2]謝希仁.計算機網(wǎng)絡(luò)[M].第5版.北京:電子工業(yè)出版社,2008.

3合適的傳輸協(xié)議

用于智能設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，目前使用較多的有三種：HTTP、TCP和UDP。按照ISO七層模型劃分（自底向上：物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層、會話層、表示層、應(yīng)用層），HTTP是屬于應(yīng)用層的，而TCP和UDP則屬于傳輸層的，從網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包的角度來看，數(shù)據(jù)包是自下而上層層封裝的，所以在同等內(nèi)容的情況下，HTTP會比TCP和UDP占用較多的資源。而TCP是可靠的、有連接的協(xié)議，需要三次握手，UDP則不需要，所以在這個角度上看，UDP占用的資源比TCP要少。但是在選擇協(xié)議的時候，占用的資源并不是唯一的度量，還要考慮并發(fā)量、功能乃至產(chǎn)品的生命周期。如果一個系統(tǒng)并發(fā)量低、功能簡單、周期短，則可以考慮用TCP，畢竟使用UDP還需要自己實現(xiàn)重發(fā)等機制。但一個系統(tǒng)并發(fā)量很高，則考慮用UDP，因為TCP的連接性會產(chǎn)生很多長連接，占用網(wǎng)絡(luò)帶寬、防火墻等資源。一般情況下TCP會比UDP少20%左右的并發(fā)數(shù)，但具體情況會受到業(yè)務(wù)系統(tǒng)程序的影響。

4總結(jié)

在智能設(shè)備的設(shè)計中，特別是基于移動網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備，需要盡量節(jié)省流量，使產(chǎn)品有更大的實用性。在考慮數(shù)據(jù)流量時，按照數(shù)據(jù)篩選、數(shù)據(jù)壓縮、傳輸協(xié)議這幾個步驟進(jìn)行評估，站在整套系統(tǒng)的角度去綜合權(quán)衡數(shù)據(jù)的問題，最終選取出最適合的一個數(shù)據(jù)節(jié)流的方案。

作者：梁成就 單位：珠海格力電器股份有限公司