移動網下絡智能設備數據節流探討

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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備，然而要實現真正的智能硬件生態圈，無論在市場還是技術層面，仍然有很長的一段路要走。在眾多的智能設備中，有一部分是通過家庭Wi-Fi接入互聯網的，有一部分則是通過移動網絡（GPRS、3G、4G）再接入互聯網的，特別是一些可穿戴設備。與基于Wi-Fi的設備很不同，移動網絡是按照流量計費的，通訊費用就成為了這類產品在設計時必須考慮的一個重要方面。雖然移動網絡的資費越來越便宜，但是智能設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，將會產生很多沒有實際意義的流量，浪費資源和金錢，最終影響產品在市場上的競爭力。

1數據篩選

在數據進行傳輸之前，智能硬件需要對數據進行預處理，判斷需要傳輸哪些數據，例如一些工業設備的運行狀態、可穿戴設備的一些人體數據等等。在業務系統設計的時候，就必須要對數據進行分級分類。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備，停機故障的數據是最重要的，因為這類設備一旦停機，可能會使得冷凍的食品、藥品或者名貴紅酒變壞，導致客戶重大的損失。再進一步，根據需要，智能硬件可以將一些底層數據加以統計再進行傳輸，例如智能手環，可以將客戶的步行里程統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。更進一步，可以將定時傳輸這種傳統模式改為有變化再傳輸，例如云平臺想監控一個傳感設備的溫度曲線，可以在溫度發生變化的時候才傳輸數據，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數據壓縮

所謂數據壓縮，是指減少數據量以減少存儲、傳輸的空間的一種技術方法，并且在這過程中不丟失數據信息。在智能家居系統中，通訊的兩端設備（例如智能設備與云平臺、智能設備與APP、云平臺與APP之間），在往對方發送數據前，可考慮先對數據進行壓縮，接收方在收到數據后，再對數據進行解壓。數據的壓縮算法有很多，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。這些算法都各有優缺點，究竟需要如何選擇？首先，要考慮的是數據特征，如果需要傳輸的數據，出現的字符類型少，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的，則可以考慮用窗口式的壓縮算法，例如LZ77等。但是，如果發現要傳輸的數據量較少，或者重復性不高，那么就無需再使用壓縮算法，以免產生更多的數據浪費。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。所以應該根據硬件的資源情況，選取代碼量少，占用資源少的壓縮算法。以Huffman為例，Huffman算法首先統計字符出現的頻率，然后再用這個頻率作為一個權值，構建一個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行編碼。最終的結果是，出現頻繁的字符，能用較少的位來表示，出現不頻繁的字符用較多的位來表示，從而達到節省空間的效果。在將這個算法寫到單片機的過程中，會發現遇到幾個問題，首先是建樹，樹這個概念在單片機的編程中非常少用，一般嵌入式開發人員習慣使用數組，比較好控制，并且數組的空間是預先就分配好的。而Huffman樹則是一個動態生成的樹，編程時對其空間很難做出準確評估，這樣就必然導致預申請很多空間以做準備，其結果往往會比數組要的空間多。另外，字符頻率的統計以及字符編碼，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、復雜度以及硬件資源這幾個維度。參考文獻[1]嚴蔚敏,吳偉民.數據結構（C語言版）[M].北京:清華大學出版社,1997.[2]謝希仁.計算機網絡[M].第5版.北京:電子工業出版社,2008.

3合適的傳輸協議

用于智能設備的數據傳輸協議，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、數據鏈路層、網絡層、傳輸層、會話層、表示層、應用層），HTTP是屬于應用層的，而TCP和UDP則屬于傳輸層的，從網絡數據包的角度來看，數據包是自下而上層層封裝的，所以在同等內容的情況下，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。但是在選擇協議的時候，占用的資源并不是唯一的度量，還要考慮并發量、功能乃至產品的生命周期。如果一個系統并發量低、功能簡單、周期短，則可以考慮用TCP，畢竟使用UDP還需要自己實現重發等機制。但一個系統并發量很高，則考慮用UDP，因為TCP的連接性會產生很多長連接，占用網絡帶寬、防火墻等資源。一般情況下TCP會比UDP少20%左右的并發數，但具體情況會受到業務系統程序的影響。

4總結

在智能設備的設計中，特別是基于移動網絡的設備，需要盡量節省流量，使產品有更大的實用性。在考慮數據流量時，按照數據篩選、數據壓縮、傳輸協議這幾個步驟進行評估，站在整套系統的角度去綜合權衡數據的問題，最終選取出最適合的一個數據節流的方案。

作者：梁成就 單位：珠海格力電器股份有限公司