智能家居系統(tǒng)體系架構(gòu)設(shè)計(jì)

侯洪鳳，王立娟，何丹丹，王建鵬

（1.大連科技學(xué)院 遼寧 大連 116052；2.山東水泥廠有限公司 山東 濟(jì)南 250116）

智能家居系統(tǒng)體系架構(gòu)設(shè)計(jì)

侯洪鳳1，王立娟1，何丹丹1，王建鵬2

（1.大連科技學(xué)院 遼寧 大連 116052；2.山東水泥廠有限公司 山東 濟(jì)南 250116）

養(yǎng)老智能化就是通過(guò)智能家居系統(tǒng)的設(shè)施來(lái)實(shí)現(xiàn)用戶和家居設(shè)備間的信息交互與通信，營(yíng)造安全、舒適的居家環(huán)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(gè)性化、人性化的服務(wù)，本文在采用web服務(wù)的SOA的理念和csp的AI技術(shù)構(gòu)建的智能家居系統(tǒng)體系架構(gòu)的基礎(chǔ)上增加了用戶推介功能，可為用戶提供更具個(gè)性化、智能性服務(wù)滿足老年人的多樣化需求。

智能家居系統(tǒng)；體系架構(gòu)；動(dòng)態(tài)組合；用戶推介

隨著我國(guó)人口老齡化日益加劇，“養(yǎng)老”已經(jīng)成為社會(huì)普遍關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題，目前主要有居家養(yǎng)老、社區(qū)養(yǎng)老和機(jī)構(gòu)養(yǎng)老等模式。世界衛(wèi)生組織調(diào)查顯示，居家養(yǎng)老既符合我國(guó)的傳統(tǒng)文化習(xí)俗，又可使得老人和周圍環(huán)境融為一體心理更加健康，所以他們會(huì)更傾向于傳統(tǒng)的居家養(yǎng)老。智能家居系統(tǒng)可為老年人提供生活照料、健康管理、安全監(jiān)控等服務(wù)，為居家養(yǎng)老的實(shí)行提供必要的技術(shù)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(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng)。陳卯純等基于當(dāng)今物聯(lián)網(wǎng)和相關(guān)技術(shù)的發(fā)展以及智能家居的現(xiàn)狀，提出了一種新型人機(jī)交互的信息處理模型。文獻(xiàn)［1］提出的基于web服務(wù)的SOA的理念和csp的AI技術(shù)的智能家居系統(tǒng)體系架構(gòu)可針對(duì)具體的外部環(huán)境實(shí)現(xiàn)服務(wù)的動(dòng)態(tài)組合。文中在文獻(xiàn)［1］提出的架構(gòu)基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，增加了用戶推薦模塊，以解決用戶端信息過(guò)載問(wèn)題，為用戶端推送有效和需要的服務(wù)信息。

1　相關(guān)技術(shù)概述

1.1面向服務(wù)架構(gòu)（SOA）

面向服務(wù)的體系結(jié)構(gòu)（Service-oriented Architecture，SOA）是一種新型的軟件體系架構(gòu)，強(qiáng)調(diào)互操作性、重用、異步通信及服務(wù)的自由組合。Web服務(wù)是使用開(kāi)放協(xié)議進(jìn)行通信的、獨(dú)立并可自我描述的應(yīng)用程序組件，Web服務(wù)提供的基于標(biāo)準(zhǔn)訪問(wèn)的獨(dú)立功能實(shí)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(gòu)系統(tǒng)提供通訊機(jī)制。兩者相互促進(jìn)，Web服務(wù)是目前一種最好的實(shí)現(xiàn)SOA的技術(shù)。

1.2基于約束滿足問(wèn)題（CSP）的AI規(guī)劃

AI規(guī)劃是Web服務(wù)自動(dòng)進(jìn)行組合的方法，組合的過(guò)程不需要用戶干預(yù)，能夠自動(dòng)組合成解決問(wèn)題的Web服務(wù)組合序列。AI規(guī)劃主要是基于Web服務(wù)的語(yǔ)義化描述，如OWLS服務(wù)本體描述。OWL－S將Web服務(wù)看成AI中的動(dòng)作，通過(guò)服務(wù)的輸入?yún)?shù)、輸出參數(shù)、前提條件和服務(wù)效果等來(lái)描述Web服務(wù)。在使用AI規(guī)劃生成服務(wù)組合時(shí)，需要將Web服務(wù)的上述描述映射為動(dòng)作形式化表述，以構(gòu)造Web服務(wù)組合為目標(biāo)，通過(guò)形式化推理得出Web服務(wù)的組合序列，動(dòng)態(tài)形成服務(wù)組合。

1.3情境感知技術(shù)

情境感知（context Aware）技術(shù)源于普適計(jì)算的研究，它通過(guò)傳感器及其相關(guān)技術(shù)能使設(shè)備感知當(dāng)前的情境。動(dòng)態(tài)組合時(shí)需要隨時(shí)感知情境的變化，更新約束；另外，通過(guò)感知當(dāng)前情境信息，可以向用戶推介可能需要的服務(wù)。智能家居系統(tǒng)會(huì)提供上百種服務(wù)，和老年人當(dāng)前環(huán)境有關(guān)的服務(wù)可能只是很少一部分，因此通過(guò)用戶推介模塊可以向老年人推送滿足他們需求的個(gè)性化服務(wù)。

2　智能家庭體系結(jié)構(gòu)

為提高老年居民生活的便利性和安全性，文中在文獻(xiàn)［1］提出的架構(gòu)基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，增加了服務(wù)推介功能，可為用戶提供更具個(gè)性化、人性化的服務(wù)。該體系結(jié)構(gòu)由最低的設(shè)備互連的層次、較高的進(jìn)行復(fù)雜的組合服務(wù)的中間層和為用戶提供一系列的服務(wù)的應(yīng)用層組成。為了使養(yǎng)老系統(tǒng)真正體現(xiàn)智能行為，該體系將采用人工智能領(lǐng)域的獨(dú)立計(jì)劃根據(jù)不斷變化的環(huán)境，在已有的約束條件下，根據(jù)用戶的服務(wù)請(qǐng)求在運(yùn)行時(shí)自動(dòng)生成服務(wù)組合操作家庭中的各種設(shè)備。

圖1　智能家居系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)Fig.1　Smart Home system architecture

2.1普遍層

普遍層由各種硬件設(shè)備組成，如傳感器、家用電器、醫(yī)療設(shè)備等。由于物理設(shè)備使用不同的通訊協(xié)議 （如 UpnP、Bluetooth、Zigbee等），普遍層平臺(tái)通過(guò)為每一種通信技術(shù)使用一個(gè)適當(dāng)?shù)拇韥?lái)解決異構(gòu)性問(wèn)題。同時(shí)，該平臺(tái)利用OSGi（開(kāi)放服務(wù)網(wǎng)關(guān)協(xié)議）將硬件設(shè)施的功能包裝成web服務(wù)，服務(wù)出現(xiàn)、消失或者是狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，通過(guò)異步發(fā)布訂閱機(jī)制通知更高層的客戶端（如情景感知模塊、存儲(chǔ)庫(kù)、用戶層）。

2.2組合層

組合層是智能家居體系結(jié)構(gòu)的核心，共包括6大功能。1）存儲(chǔ)庫(kù)。存儲(chǔ)庫(kù)存儲(chǔ)服務(wù)類型及房子的布局，需要根據(jù)普遍層的通知及時(shí)根據(jù)更新。

2）情景感知。情景感知模塊無(wú)縫的監(jiān)視設(shè)備的狀態(tài)和用戶的位置，搜集信息，并通過(guò)發(fā)布訂閱機(jī)制通知組合模塊、規(guī)則處理模塊和用戶推介模塊。

3）規(guī)則處理。規(guī)則處理使用來(lái)自于情景感知模塊的環(huán)境變化信息，判定如果某些條件成立觸發(fā)某一規(guī)則，直接調(diào)用組合模塊。

4）用戶推介。用戶推介模塊根據(jù)情境感知模塊提供的根據(jù)用戶所處的情境信息、用戶特征庫(kù)的客戶類型、行為偏好等相應(yīng)信息及推送規(guī)則庫(kù)中的規(guī)則進(jìn)行規(guī)則比對(duì)，然后向用戶端推送相應(yīng)的用戶感興趣的服務(wù)。用戶推介除了具備推介的主動(dòng)性、智能性外還應(yīng)具備針對(duì)性，能針對(duì)不同用戶的特定信息需求進(jìn)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(jù)用戶的特征及歷史行為規(guī)則（如每天早上習(xí)慣看書(shū)、到臥室窗呼吸新鮮空氣等）及時(shí)向用戶推介抬高床頭、打開(kāi)窗簾等服務(wù)。廚房的相關(guān)服務(wù)對(duì)用戶來(lái)說(shuō)則是無(wú)用的，無(wú)需顯示在用戶端界面上，避免出現(xiàn)信息過(guò)載問(wèn)題。

5）指揮。指揮模塊將來(lái)自于組合模塊的規(guī)劃解釋成普遍層能夠執(zhí)行的指令。

6）組合。組合模塊是組合層的核心，它必須通過(guò)不斷與其他組件，如情境感知模塊和存儲(chǔ)庫(kù)傳遞互動(dòng)的異步消息，以便它無(wú)縫地調(diào)整規(guī)劃領(lǐng)域的實(shí)例來(lái)反映環(huán)境的變化，并在運(yùn)行時(shí)做出反應(yīng)。組合模塊接收來(lái)自于用戶層或者規(guī)則處理模塊的復(fù)雜目標(biāo)，根據(jù)存儲(chǔ)庫(kù)提供的服務(wù)的輸入?yún)?shù)、輸出參數(shù)、前提條件和服務(wù)效果及實(shí)時(shí)的環(huán)境狀態(tài)信息結(jié)合CSP表中的約束條件，使用AI規(guī)劃動(dòng)態(tài)生成服務(wù)組合的計(jì)劃傳遞給指揮模塊。由于組合的前提條件和服務(wù)效果需要滿足一定的約束條件，如老年人請(qǐng)求的打開(kāi)窗簾的服務(wù)，如果窗戶是向內(nèi)開(kāi)的，則打開(kāi)窗簾服務(wù)成功實(shí)現(xiàn)的前提條件是窗戶的狀態(tài)應(yīng)該是關(guān)閉的。當(dāng)家居環(huán)境發(fā)生變化，如窗戶的開(kāi)關(guān)狀態(tài)發(fā)生變化，需要把新?tīng)顟B(tài)引發(fā)的約束加到CSP表中。因此進(jìn)行AI規(guī)劃時(shí)需要考慮約束滿足問(wèn)題，規(guī)劃出的動(dòng)態(tài)服務(wù)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(biāo)。

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(yīng)接口（AAI）可以支持不同的用戶接口，如智能手機(jī)、平板電腦、語(yǔ)音設(shè)備等。

3　結(jié)　論

傳統(tǒng)的智能養(yǎng)老系統(tǒng)大多采用開(kāi)關(guān)或紅外傳感器實(shí)現(xiàn)單一的服務(wù)或固定的服務(wù)預(yù)定序列，不能根據(jù)外界環(huán)境的實(shí)時(shí)信息動(dòng)態(tài)產(chǎn)生復(fù)雜的服務(wù)組合。文中提出的架構(gòu)在文獻(xiàn)［1］的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，增加了用戶推介功能，既能實(shí)現(xiàn)在無(wú)需重啟系統(tǒng)的前提下方便設(shè)備自由進(jìn)入和離開(kāi)網(wǎng)絡(luò)，采用SOA來(lái)解決異構(gòu)性問(wèn)題，利用先進(jìn)的基于CSP的AI技術(shù)根據(jù)上下文情境信息實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)組合所需服務(wù)實(shí)現(xiàn)用戶的高級(jí)目標(biāo)，又能解決信息過(guò)載問(wèn)題，為用戶端提供主動(dòng)性、智能性的個(gè)性化服務(wù)。

［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.

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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(hào)：201503258

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