一種智能家居系統(tǒng)的集群識(shí)別調(diào)度的研究

羅 達(dá)，付 蔚，蔡林沁，稅夢(mèng)玲，唐鵬光

(重慶郵電大學(xué)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)與網(wǎng)絡(luò)化控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400065)

責(zé)任編輯:薛 京

伴隨泛在網(wǎng)技術(shù)［1］提供的動(dòng)態(tài)易擴(kuò)展服務(wù)的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)的興起意味著取用方便的彈性服務(wù)將覆蓋越來越多的領(lǐng)域，“云連世界，感知世界”。與此同時(shí)，面對(duì)老齡化現(xiàn)象暴露出的社會(huì)問題，家居智能化的應(yīng)用價(jià)值越來越明顯。智能家居是物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)中與老百姓日常生活緊密相關(guān)的重要組成部分。

智能家居系統(tǒng)將家庭中各類信息化家用電器、家庭安防監(jiān)測(cè)設(shè)備、家庭環(huán)境監(jiān)測(cè)裝置等與信息相關(guān)的通信設(shè)備統(tǒng)一集成到家庭智能化系統(tǒng)中進(jìn)行異地或集中通信、控制、監(jiān)視等家庭日常管理，為人們提供舒適、環(huán)保、安全、方便的家居生活自動(dòng)化應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)真正意義上的數(shù)字化現(xiàn)代居家環(huán)境。伴隨著智能家居網(wǎng)絡(luò)化服務(wù)的不斷深入開展，智能家居系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)易擴(kuò)展服務(wù)成為亟待解決的問題。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

智能家居［2］以住宅為平臺(tái)，兼?zhèn)浣ㄖ⑿畔⒓译姾蛡鞲芯W(wǎng)絡(luò)，集系統(tǒng)、服務(wù)、管理為一體的居住環(huán)境，是一個(gè)包括家居布線系統(tǒng)、家居安防系統(tǒng)、家庭自動(dòng)化系統(tǒng)(對(duì)照明、家電等電氣設(shè)備的自動(dòng)化控制以及對(duì)能源和環(huán)境等的自動(dòng)檢測(cè)等)和家庭體驗(yàn)系統(tǒng)(包括音視頻共享、家庭信息服務(wù)、健康管理等)多種功能技術(shù)的系統(tǒng)。物聯(lián)網(wǎng)智能家居總體網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖如圖1所示。用戶通過PDA、手機(jī)或個(gè)人計(jì)算機(jī)等本地或遠(yuǎn)程控制終端，登錄瀏覽遠(yuǎn)程管理服務(wù)平臺(tái)，隨時(shí)了解家中的各種動(dòng)態(tài)，實(shí)時(shí)掌握家中的各種情況，實(shí)現(xiàn)家庭所有電器統(tǒng)一控制，三表抄送、授權(quán)開鎖、查看住宅溫度和濕度、調(diào)整燈光亮度、為盆景澆水施肥等，通過手機(jī)等各種渠道獲得相應(yīng)信息。

圖1 物聯(lián)網(wǎng)智能家居總體網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

智能家居系統(tǒng)根據(jù)底層設(shè)備的數(shù)據(jù)采集及控制、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳遞和終端數(shù)據(jù)處理的功能需求，可以劃分為感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層3個(gè)層次［2］。

感知層包括了所有搭載數(shù)據(jù)鏈路層組網(wǎng)通信模塊的底層前端家居設(shè)備，由其組建采用符合IEEE 802.15.4通信標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的低速率無線個(gè)人局域網(wǎng)，它的最大優(yōu)勢(shì)是低功率消耗、低速傳輸以及成本低廉，使得在低吞吐量的家庭應(yīng)用環(huán)境中使用無線連接成為可能。本文采用IEEE 802.15.4e協(xié)議。底層前端家居設(shè)備按照業(yè)務(wù)應(yīng)用分類為安防報(bào)警類、環(huán)境監(jiān)測(cè)及調(diào)節(jié)類、家電控制類，能耗管理類、智能醫(yī)療類。每一個(gè)入網(wǎng)設(shè)備都將分配獲得一個(gè)數(shù)據(jù)鏈路層地址，并由智能家居家庭網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)鏈路層和網(wǎng)絡(luò)層的數(shù)據(jù)交互。

網(wǎng)絡(luò)層包括了標(biāo)準(zhǔn)TCP/IP協(xié)議的智能家居Web服務(wù)器和家庭網(wǎng)關(guān)，智能家居Web服務(wù)器通過訪問家庭網(wǎng)關(guān)獲取數(shù)據(jù)并通過Web站點(diǎn)發(fā)布到互聯(lián)網(wǎng)，便利且開放式的共享智能家居感知層家居設(shè)備資源。

應(yīng)用層是用戶(包括人、組織和其他系統(tǒng))和物聯(lián)網(wǎng)的接口，按照應(yīng)用層網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可以統(tǒng)分為本地智能終端和遠(yuǎn)程智能終端，包括室內(nèi)控制機(jī)、手機(jī)、平板電腦、筆記本式計(jì)算機(jī)等便捷式智能終端，利用友好的用戶體驗(yàn)界面完成人和物聯(lián)網(wǎng)之間的信息交互過程。人機(jī)交互是人和物聯(lián)網(wǎng)之間傳遞并交換功能任務(wù)信息的中間件和對(duì)話窗口。

2 設(shè)計(jì)方案

2.1 包處理關(guān)鍵技術(shù)的實(shí)現(xiàn)

智能家居智能終端可以實(shí)時(shí)地接收到前端底層設(shè)備發(fā)來的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行相應(yīng)的報(bào)文處理，根據(jù)整個(gè)家庭環(huán)境的檢測(cè)狀態(tài)從而自適應(yīng)地采取相應(yīng)的措施具有重要的意義。系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，利用多線程技術(shù)，將接收到的數(shù)據(jù)包存儲(chǔ)在共享數(shù)據(jù)區(qū)中，輔助線程從共享數(shù)據(jù)區(qū)中讀取相應(yīng)數(shù)據(jù)報(bào)文處理和顯示。智能終端設(shè)計(jì)中利用多線程處理方式，信息接收線程的主要任務(wù)是將接收到的數(shù)據(jù)報(bào)文存儲(chǔ)到共享內(nèi)存區(qū)中，而信息處理輔助線程的主要任務(wù)是對(duì)收到的請(qǐng)求及響應(yīng)報(bào)文進(jìn)行解析，按協(xié)議指定的命令完成相應(yīng)工作，請(qǐng)求服務(wù)處理是指在有接收到發(fā)來的請(qǐng)求服務(wù)發(fā)送回應(yīng)報(bào)文的情況下，組裝回應(yīng)報(bào)文，將組裝好的報(bào)文發(fā)送給信息發(fā)送線程。

報(bào)文頭用于標(biāo)識(shí)服務(wù)報(bào)文類型，屬于應(yīng)用層，通過開辟一個(gè)獨(dú)立的UDP端口號(hào)實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用層其他服務(wù)的區(qū)別。服務(wù)字段是對(duì)服務(wù)的定義，所有的服務(wù)由通信的雙方根據(jù)該字段的內(nèi)容，進(jìn)行相應(yīng)處理。對(duì)于每個(gè)服務(wù)都有主叫和應(yīng)答之分，通過服務(wù)類型字段給出，1為主叫服務(wù)，2為答應(yīng)服務(wù)。智能家居業(yè)務(wù)應(yīng)用有起居、就餐、回家、離家、會(huì)客等場(chǎng)景。這些使用場(chǎng)景涉及的服務(wù)業(yè)務(wù)可以分成控制類、安防告警類、娛樂類、視頻監(jiān)控類、溝通類、生活類、計(jì)量類、監(jiān)護(hù)類和環(huán)境監(jiān)測(cè)類，從而開辟服務(wù)字段設(shè)定標(biāo)志位。智能家居數(shù)據(jù)包報(bào)文格式如圖2所示。

圖2 智能家居數(shù)據(jù)包報(bào)文格式圖

2.2 算法的軟件實(shí)現(xiàn)

本文結(jié)合當(dāng)前智能空間服務(wù)組合的語(yǔ)義匹配相關(guān)研究，利用上下文的空間信息服務(wù)組合語(yǔ)義匹配方法，并且根據(jù)各服務(wù)參數(shù)的關(guān)系引入索引機(jī)制，將抽象的空間信息服務(wù)組合模型轉(zhuǎn)換成可執(zhí)行鍵值映射。

考慮家庭設(shè)備類型的兼容性，即相同的設(shè)備具有相同的功能，或者相仿的設(shè)備具有類似的功能，可以將它們的啟動(dòng)和互訪劃分為不同的空間信息服務(wù)組合［3］，每一個(gè)空間信息服務(wù)組合都有其自己固有的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，去對(duì)應(yīng)不同粒度的實(shí)體，具有高度的獨(dú)立性和完整性。

在智能終端中，定義一個(gè)統(tǒng)一的服務(wù)信息庫(kù)HomeLibrary，作用為記錄應(yīng)用層屬性［4］的工具庫(kù)，部分智能家居服務(wù)信息庫(kù)如圖3所示。通過串ID識(shí)別碼判斷相應(yīng)的映射，實(shí)現(xiàn)命令和功能屬性的一一映射，屬性是設(shè)備客觀實(shí)體功能的本質(zhì)屬性，是可以設(shè)置的變量。通過應(yīng)用屬性表和串ID識(shí)別碼的換算，準(zhǔn)確有效地將抽象的空間信息服務(wù)轉(zhuǎn)換成可執(zhí)行的命令字符串。

圖3 部分智能家居服務(wù)信息庫(kù)圖

結(jié)合對(duì)象所屬的類和類之間的關(guān)系，根據(jù)各服務(wù)參數(shù)的關(guān)系引入索引機(jī)制，Cluster ID是每個(gè)對(duì)象所屬的類的標(biāo)志，由空間信息服務(wù)組合分配，在內(nèi)部使用的是實(shí)例ID，為了確保互操作性，所有家居設(shè)備都應(yīng)該實(shí)現(xiàn)兼容的啟動(dòng)屬性設(shè)備描述符［5－6］和服務(wù)標(biāo)識(shí)符，必須和設(shè)備功能事節(jié)點(diǎn)一一映射。綜合考慮前端設(shè)備節(jié)點(diǎn)的類型和功能、節(jié)點(diǎn)電源特性、包含在節(jié)點(diǎn)里的設(shè)備特征描述、設(shè)備特征的進(jìn)一步信息以及定義的使用者的描述，建立層次化的屬性描述空間結(jié)構(gòu)，從領(lǐng)域(domain)空間、定義(definition)空間和語(yǔ)境(context)空間定義和描述特征運(yùn)算和推理規(guī)則。智能家居設(shè)備描述結(jié)構(gòu)為:

資源服務(wù)和用戶情景組成了智能家居系統(tǒng)的元素，優(yōu)先權(quán)策略是預(yù)先分配給各種可能的情景以不同優(yōu)先權(quán)，一旦兩個(gè)或兩個(gè)以上不同的情景出現(xiàn)沖突時(shí)，具有較高優(yōu)先權(quán)的情景獲得的采納，智能空間提供相應(yīng)服務(wù)［6］。優(yōu)先權(quán)是預(yù)先分配給各種情景的，情景沖突只能在這種靜態(tài)的優(yōu)先權(quán)內(nèi)處理。面向智能家居場(chǎng)景集群特征的識(shí)別及調(diào)度流程如圖4所示。

圖4 面向智能家居場(chǎng)景集群特征的識(shí)別及調(diào)度流程圖

1)應(yīng)用層收到設(shè)備交互的數(shù)據(jù)后，在傳感器實(shí)例SensorAPP中查找對(duì)應(yīng)的家居入網(wǎng)設(shè)備，按照智能家居應(yīng)用屬性表的要求，初始化家居入網(wǎng)設(shè)備對(duì)應(yīng)應(yīng)用場(chǎng)景屬性中的屬性和功能。

2)在數(shù)據(jù)報(bào)文數(shù)據(jù)處理線程UdpDataRcvThread中，收到Incoming_MSG_CMD后將接收到的數(shù)據(jù)包存儲(chǔ)在共享數(shù)據(jù)區(qū)中，輔助線程ProcessMSG從共享數(shù)據(jù)區(qū)中讀取相應(yīng)數(shù)據(jù)報(bào)文。

3)根據(jù)命令中幀控制域指示的命令類型分別進(jìn)入各簇命令處理。

4)在動(dòng)態(tài)感知管理中，根據(jù)設(shè)置的管理員、普通用戶、來訪人員的身份區(qū)別，以及各情景模式的區(qū)別，預(yù)先設(shè)置了不同的設(shè)備集群協(xié)同工作方式，初始化情景模式，并將共享數(shù)據(jù)區(qū)中讀取到的相應(yīng)數(shù)據(jù)報(bào)文處理后傳遞給狀態(tài)管理。

5)狀態(tài)管理在其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中查找是否有想接收的命令、想匹配的命令項(xiàng)，通過命令表查找相應(yīng)的回調(diào)函數(shù)，調(diào)用回調(diào)函數(shù)處理。

6)初始化命令表，根據(jù)命令表中預(yù)定的鍵值對(duì)，加載回調(diào)函數(shù)的綁定服務(wù)。調(diào)用相應(yīng)項(xiàng)中的回調(diào)函數(shù)對(duì)設(shè)備進(jìn)行操作，如果需要發(fā)送應(yīng)答則發(fā)送應(yīng)答。

7)根據(jù)回調(diào)的綁定服務(wù)，從傳感器實(shí)例中讀取所需的入網(wǎng)情景模式設(shè)備信息，并根據(jù)動(dòng)態(tài)情景管理預(yù)定情景，發(fā)送串識(shí)別碼，啟動(dòng)或訪問相應(yīng)指定設(shè)備。

3 結(jié)論

本文從物聯(lián)網(wǎng)的實(shí)際應(yīng)用出發(fā)，探討了智能家居網(wǎng)絡(luò)化動(dòng)態(tài)易擴(kuò)展服務(wù)的問題和研究方向。針對(duì)傳統(tǒng)家居控制系統(tǒng)單一化的數(shù)據(jù)報(bào)文處理方式的不足，結(jié)合智能空間上下文服務(wù)已有的研究成果，詳細(xì)介紹了一種針對(duì)智能家居的包處理技術(shù)和集群識(shí)別調(diào)度的算法，在家居動(dòng)態(tài)場(chǎng)景的基礎(chǔ)上配置了模塊化的功能需求，規(guī)范和增強(qiáng)了家居的動(dòng)態(tài)易擴(kuò)展性要求。

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