智慧家庭中基于物聯網技術的個性化搜索服務設計

文 學 張普釗 胡燕飛

（1.中國移動通信集團重慶有限公司，重慶 400062；2.中國電信股份有限公司重慶網絡監控維護中心，重慶 400062）

1 引言

智慧家庭市場是最具潛力的新興信息消費市場。智慧家庭服務系統中涉及的業務領域廣泛、服務參與者和角色眾多、交互過程復雜、多方協作要求高，在使用方式、交互模式、系統架構等方面均有其特殊性，因而對業務系統的流程分析、過程建模、系統設計和實現技術等方面提出了新的要求。

物聯網的出現為家庭網絡的新型個性化服務啟發了新的思路。物聯網是以感知客觀物理世界為目的，實現“物物互聯、感知世界”的綜合信息系統，它被稱為是繼計算機、互聯網、移動通信網之后信息技術革命的第三次浪潮，是信息產業發展的又一重大里程碑。物聯網的本質是通過可獲取物理實體狀態信息的嵌入式傳感器件進行狀態信息的采集，通過可融合各種異構網絡的泛在網進行信息的可靠傳輸，通過可處理海量數據的信息處理系統進行信息智能加工及決策。研究表明，到2017年物聯網的machine-to-machine的市場需求將達到2900億美元，而物聯網技術與智慧家庭的有機融合，將家中的電視、計算機、移動設備、電表、照明燈具、家電、電源插座和傳感器以及外部的服務“連接”在一起，必將會為中國的經濟帶來新的增長點，并極大地便利用戶的日常生活。

目前，越來越多的具有聯網功能的智能硬件設備應用到人們的家庭中。如基 于Web技術的業務pachube.com， Xively，及微軟的 SenseWeb，通過提供應用程序接口的方式將如空調、熱水器的溫度、室內空氣的濕度、植株生長狀態等結構化的傳感器數據發布到了物聯網中。聯網智能設備的廣泛普及極大地推動了家庭個性化搜索服務的發展，在未來的家庭生活中，用戶將可通過運營商的移動通信網絡，在戶外搜索查詢滿足需求的家庭網絡內部智能設備的狀態。

圖1 新型個性化家庭網絡架構

然而，目前的網絡構建為傳統的互聯網解決方案，其搜索對象僅為文本、圖片、視頻、音頻等靜態或緩變的非結構化數據，尚未出現針對家庭網絡個性化搜索服務的網絡構建方案。因此，本文提出了基于物聯網技術的新型家庭網絡的構建方案，并設計了適用于家庭用戶個性化搜索服務的流程，為家庭網絡個性化搜索業務的發展提供了理論基礎。

2 基于物聯網技術的新型家庭網絡構建方案

傳統互聯網搜索方式需要對網絡中所有對象依次進行遍歷訪問，并將對象的反饋結果與用戶搜索的內容進行匹配。傳統的搜索方式與網絡形態的通信開銷將隨著網絡規模的增大呈現出幾何倍增長。因此，有必要結合家庭網絡的特征，設計適用于家庭用戶個性化搜索的網絡架構。

新型個性化家庭網絡架構如圖1所示。它由客戶端、上層網關、家庭網關、預測模型數據庫、家用傳感器群五部分構成。用戶通過客戶端發出個性化搜索請求；上層網關為層次化結構，負責搜索請求的下發及家用傳感器上報數據的收集；預測模型數據庫用于存儲傳感器上報的歷史數據與預測模型；家用傳感器嵌入在家用設備中，用于采集電視、冰箱等家電狀態或水表、電表等能源消耗數據。

上層網關分布在Internet中，每個上層網關負責一個或多個小區的家庭網絡。家庭網關負責管理家庭網絡中的智能硬件的組網，實現服務發現功能。預測模型數據庫存儲傳感器發布的預測模型。家庭網關與預測模型數據庫關聯，并周期性地爬取傳感器發布的web頁面來獲取傳感器當前的讀數或預測模型。

圖2 基于新型家庭網絡的智能設備搜索流程

圖3 不同搜索次數下的搜索流程通信開銷對比

圖4 不同運行時間下的搜索流程通信開銷對比

用戶可通過客戶端在戶外查詢家庭網絡中冰箱、空調、窗簾等智能設備的狀態，并可下發指令至對應的硬件平臺。客戶端通過GUI界面發起搜索請求，用戶請求首先由上層網關進行處理，按照地理位置等具有區分度的信息進行分類，并下發到家庭網關進行搜索。

未來的智慧家庭中具有短距無線通信與組網能力的智能硬件將日益普及，與傳統互聯網中搜索對象為靜態或偽靜態數據不同，智慧家庭中的搜索對象為海量的狀態動態變化的家用設備，為保證家庭用戶個性化搜索的時效性與可靠性，使得搜索過程快速收斂，區別與傳統的家庭網絡構建方式，本文為每個智能化的家用設備構建了可反應其狀態變化趨勢的預測模塊，從而估計家用智能設備匹配用戶搜索的概率，以提高搜索引擎的搜索效率。

3 個性化搜索服務流程設計

如前所述，由于面向海量智能家用設備，因此適用于搜索服務的家庭網絡架構的設計有其特殊性。本部分將提出適用的智能設備搜索方案，以降低家庭網絡的能耗與通信開銷。設計流程如圖2所示。

步驟1：首先，家用設備需構建可估計其狀態變化的預測模型，并在上報周期內采用無線通信技術（如ZigBee、藍牙等）上傳至家庭網關。

步驟2：其次，家庭網關在周期性地收集傳感器上報的預測模型后，將之存入預測模型數據庫中，以備后續快速定位滿足用戶需求的家用設備。

步驟3：然后，用戶可在戶外通過客戶端經移動通信網絡發起全局搜索請求，也可在家庭內部通過直接與家庭網絡通信的方式進行局部搜索。

步驟4：上層網關負責響應用戶發起的搜索請求，并按照地理位置等具有區分度的信息將搜索請求下發到對應的家庭網關進行設備的進一步搜索。

步驟5：家庭網關在接收到上層網關下發的搜索命令后，將訪問本地的預測模型數據庫，搜索滿足用戶搜索要求的家庭設備，并估計家庭設備匹配用戶搜索內容的概率，進而，將匹配設備按照概率降序上報至上層網關。

步驟6：上層網關將接收到的搜索結果進行匯聚，并依據匹配概率再次進行融合排序，按找順序向家庭網關發起驗證命令，進行智能設備的進一步狀態驗證。

步驟7：家庭網關按照上層網關的命令對選中的家庭設備進行匹配驗證，并將驗證結果反饋給上層網關。

步驟8：最后，由上層網關將將驗證后的搜索結果返回給用戶。

4 驗證

本文采用Intel Berkeley實驗室實測的54個傳感器，驗證所提新型智慧家庭網絡結構與搜索流程（Smart search）的有效性，并與典型方法（Random search）進行了性能對比。性能指標為家庭網絡搜索的通信開銷。計算機仿真軟件環境為Matlab R2014a，仿真結果均為運行20次后的平均值。

如圖3所示，在不同搜索次數條件下，所提Smart search方法較隨機搜索Random search方法在通信開銷方面減少了約21%。圖4中，在不同運行時間下，Smart search較Random search在通信開銷方面平均減少了19%，可大大降低智慧家庭網絡的功耗，延長家庭網絡硬件設備的工作壽命。這是由于Smart search方法建立了對智慧化的家用設備的狀態預測機制，可快速、準確定位用戶所需家庭設備，并反饋設備的當前狀態。因此，Smart search可大大降低家庭網絡的通信開銷。

結語

物聯網與智慧家庭的有機融合必將極大地改變目前人們的日常生活方式，促進家庭生活向智慧化、個性化方向發展。本文提出適用于智慧家庭中智能硬件設備搜索的網絡架構，設計了可擴展、低開銷的搜索方案。經仿真驗證表明，所提網絡架構與搜索流程可大幅降低家庭網絡的通信開銷。

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