智能家居系統體系架構設計

侯洪鳳，王立娟，何丹丹，王建鵬

（1.大連科技學院 遼寧 大連 116052；2.山東水泥廠有限公司 山東 濟南 250116）

智能家居系統體系架構設計

侯洪鳳1，王立娟1，何丹丹1，王建鵬2

（1.大連科技學院 遼寧 大連 116052；2.山東水泥廠有限公司 山東 濟南 250116）

養老智能化就是通過智能家居系統的設施來實現用戶和家居設備間的信息交互與通信，營造安全、舒適的居家環境。為提高老年居民生活的便利性、安全性，為用戶提供更具個性化、人性化的服務，本文在采用web服務的SOA的理念和csp的AI技術構建的智能家居系統體系架構的基礎上增加了用戶推介功能，可為用戶提供更具個性化、智能性服務滿足老年人的多樣化需求。

智能家居系統；體系架構；動態組合；用戶推介

隨著我國人口老齡化日益加劇，“養老”已經成為社會普遍關注的熱點問題，目前主要有居家養老、社區養老和機構養老等模式。世界衛生組織調查顯示，居家養老既符合我國的傳統文化習俗，又可使得老人和周圍環境融為一體心理更加健康，所以他們會更傾向于傳統的居家養老。智能家居系統可為老年人提供生活照料、健康管理、安全監控等服務，為居家養老的實行提供必要的技術支持。

劉榮輝等基于智能家居控制的一種非特定人孤立詞的語音識別系統。陳卯純等基于當今物聯網和相關技術的發展以及智能家居的現狀，提出了一種新型人機交互的信息處理模型。文獻［1］提出的基于web服務的SOA的理念和csp的AI技術的智能家居系統體系架構可針對具體的外部環境實現服務的動態組合。文中在文獻［1］提出的架構基礎上進行了改進，增加了用戶推薦模塊，以解決用戶端信息過載問題，為用戶端推送有效和需要的服務信息。

1　相關技術概述

1.1面向服務架構（SOA）

面向服務的體系結構（Service-oriented Architecture，SOA）是一種新型的軟件體系架構，強調互操作性、重用、異步通信及服務的自由組合。Web服務是使用開放協議進行通信的、獨立并可自我描述的應用程序組件，Web服務提供的基于標準訪問的獨立功能實體滿足了SOA的松耦合的要求，并且提供文本消息傳遞為異構系統提供通訊機制。兩者相互促進，Web服務是目前一種最好的實現SOA的技術。

1.2基于約束滿足問題（CSP）的AI規劃

AI規劃是Web服務自動進行組合的方法，組合的過程不需要用戶干預，能夠自動組合成解決問題的Web服務組合序列。AI規劃主要是基于Web服務的語義化描述，如OWLS服務本體描述。OWL－S將Web服務看成AI中的動作，通過服務的輸入參數、輸出參數、前提條件和服務效果等來描述Web服務。在使用AI規劃生成服務組合時，需要將Web服務的上述描述映射為動作形式化表述，以構造Web服務組合為目標，通過形式化推理得出Web服務的組合序列，動態形成服務組合。

1.3情境感知技術

情境感知（context Aware）技術源于普適計算的研究，它通過傳感器及其相關技術能使設備感知當前的情境。動態組合時需要隨時感知情境的變化，更新約束；另外，通過感知當前情境信息，可以向用戶推介可能需要的服務。智能家居系統會提供上百種服務，和老年人當前環境有關的服務可能只是很少一部分，因此通過用戶推介模塊可以向老年人推送滿足他們需求的個性化服務。

2　智能家庭體系結構

為提高老年居民生活的便利性和安全性，文中在文獻［1］提出的架構基礎上進行了改進，增加了服務推介功能，可為用戶提供更具個性化、人性化的服務。該體系結構由最低的設備互連的層次、較高的進行復雜的組合服務的中間層和為用戶提供一系列的服務的應用層組成。為了使養老系統真正體現智能行為，該體系將采用人工智能領域的獨立計劃根據不斷變化的環境，在已有的約束條件下，根據用戶的服務請求在運行時自動生成服務組合操作家庭中的各種設備。

圖1　智能家居系統體系結構Fig.1　Smart Home system architecture

2.1普遍層

普遍層由各種硬件設備組成，如傳感器、家用電器、醫療設備等。由于物理設備使用不同的通訊協議 （如 UpnP、Bluetooth、Zigbee等），普遍層平臺通過為每一種通信技術使用一個適當的代理來解決異構性問題。同時，該平臺利用OSGi（開放服務網關協議）將硬件設施的功能包裝成web服務，服務出現、消失或者是狀態發生變化時，通過異步發布訂閱機制通知更高層的客戶端（如情景感知模塊、存儲庫、用戶層）。

2.2組合層

組合層是智能家居體系結構的核心，共包括6大功能。1）存儲庫。存儲庫存儲服務類型及房子的布局，需要根據普遍層的通知及時根據更新。

2）情景感知。情景感知模塊無縫的監視設備的狀態和用戶的位置，搜集信息，并通過發布訂閱機制通知組合模塊、規則處理模塊和用戶推介模塊。

3）規則處理。規則處理使用來自于情景感知模塊的環境變化信息，判定如果某些條件成立觸發某一規則，直接調用組合模塊。

4）用戶推介。用戶推介模塊根據情境感知模塊提供的根據用戶所處的情境信息、用戶特征庫的客戶類型、行為偏好等相應信息及推送規則庫中的規則進行規則比對，然后向用戶端推送相應的用戶感興趣的服務。用戶推介除了具備推介的主動性、智能性外還應具備針對性，能針對不同用戶的特定信息需求進行檢索、加工和推介。比如，如果情境感知到用戶在床上剛醒，根據用戶的特征及歷史行為規則（如每天早上習慣看書、到臥室窗呼吸新鮮空氣等）及時向用戶推介抬高床頭、打開窗簾等服務。廚房的相關服務對用戶來說則是無用的，無需顯示在用戶端界面上，避免出現信息過載問題。

5）指揮。指揮模塊將來自于組合模塊的規劃解釋成普遍層能夠執行的指令。

6）組合。組合模塊是組合層的核心，它必須通過不斷與其他組件，如情境感知模塊和存儲庫傳遞互動的異步消息，以便它無縫地調整規劃領域的實例來反映環境的變化，并在運行時做出反應。組合模塊接收來自于用戶層或者規則處理模塊的復雜目標，根據存儲庫提供的服務的輸入參數、輸出參數、前提條件和服務效果及實時的環境狀態信息結合CSP表中的約束條件，使用AI規劃動態生成服務組合的計劃傳遞給指揮模塊。由于組合的前提條件和服務效果需要滿足一定的約束條件，如老年人請求的打開窗簾的服務，如果窗戶是向內開的，則打開窗簾服務成功實現的前提條件是窗戶的狀態應該是關閉的。當家居環境發生變化，如窗戶的開關狀態發生變化，需要把新狀態引發的約束加到CSP表中。因此進行AI規劃時需要考慮約束滿足問題，規劃出的動態服務組合才能更具有效性，并且能成功的滿足用戶的期望和目標。

2.3用戶層

用戶層為普通用戶和管理員提供和較低層提供交互的接口，采用面向用戶的原則，采用抽象自適應接口（AAI）可以支持不同的用戶接口，如智能手機、平板電腦、語音設備等。

3　結　論

傳統的智能養老系統大多采用開關或紅外傳感器實現單一的服務或固定的服務預定序列，不能根據外界環境的實時信息動態產生復雜的服務組合。文中提出的架構在文獻［1］的基礎上進行了改進，增加了用戶推介功能，既能實現在無需重啟系統的前提下方便設備自由進入和離開網絡，采用SOA來解決異構性問題，利用先進的基于CSP的AI技術根據上下文情境信息實時動態組合所需服務實現用戶的高級目標，又能解決信息過載問題，為用戶端提供主動性、智能性的個性化服務。

［1］Eirini Kaldili，Ehsan Ullan Warriach，Alexander Lazovik，and Marco Aiello，Coordinating the Web of Services for a Smart Home［J］.ACM Transactions on the Web，2013，7（2）：1-40.

［2］麻志毅，陳泓婕.一種面向服務的體系結構參考模型［J］.計算機學報，2006（7）：1011-1019.

［3］劉輝.一種支持SOA架構的企業服務總線的研究與設計［D］.贛州：江西理工大學，2009.

［4］EhsanUllahWarriach，EiriniKaldeli，JaapBresser，Alexander Lazovik，Marco Aiello，Heterogeneous Device Discovery Framework for the Smart Homes，2011 IEEE GCC Conference and Exhibition（GCC），2011：19-22.

［5］BellavistaP，CorradiA，MontanariR.，Toninelli，A.： Context-aware semantic discovery for next generation mobile systems［J］.IEEE Commun，2006，44（9）：62-71.

［6］田全才，徐斌.基于SOA的主動信息推送系統［J］.兵工自動化，2014（8）：56-59.

［7］劉榮輝，彭世國，劉國英.基于智能家居控制的嵌入式語音識別系統［J］.廣東工業大學學報，2014（6）：1-5.

［8］陳卯純，孫薇，趙小惠.物聯網智能家居中的人機交互［J］.包裝工程，2014（4）：64-67.

Design of smart home system architecture

HOU Hong-feng1，WANG Li-juan1，HE Dan-dan1，WANG Jian-peng2
（1.Dalian Institute of Science and Technology，Dalian 116052，China；2.Shandong Cement Works Co.，Ltd.，Jinan 250116，China）

The pension intelligent is to implement the information interaction and communication between the user and household equipment through the implementation of the smart home system，create a safe and comfortable home environment.In order to improve the convenience and security of elderly residents and provide users with more personalized and humanization services，thearchitectureproposedinthispaperaddsthefunctionofuserrecommendationonthebasisofsmarthome architecture which adopts the concept of SOA based on web services，uses AI technology based on CSP to support dynamic combination of services.Thearchitecturecanprovidepersonalized，intelligentservicestomeetthediverseneedsoftheelderly.

smart home system；architecture；dynamic combination；user recommendations

TN0

A

1674－6236（2016）03-0014-02

2015-03-19稿件編號：201503258

侯洪鳳（1979—），女，山東萊州人，碩士研究生，副教授。研究方向：養老信息化、企業信息化研究。