基于對(duì)等P2P技術(shù)的家庭智能網(wǎng)關(guān)架構(gòu)設(shè)計(jì)

黃自蘭　梁楠楠

摘 要

近年以來(lái)，智能家居的發(fā)展已經(jīng)為我國(guó)智能建筑市場(chǎng)的主流，但由于價(jià)位過(guò)高，家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)布線較為困難等多方面原因，使得智能家居在普通家庭用戶家庭無(wú)法普及。而本次研究目的為利用P2P的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)使具備計(jì)算能力、感知能力、執(zhí)行能力的各類設(shè)備互相通信，將普通的家庭物理空間變成一個(gè)基于知識(shí)表達(dá)和推理，能夠?yàn)榧揖迎h(huán)境中的各類實(shí)體提供必要的環(huán)境信息和技術(shù)支持的有機(jī)整體。本文通過(guò)闡述家庭智能網(wǎng)關(guān)在國(guó)內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀以及研究的意義，對(duì)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，并依據(jù)家庭智能網(wǎng)關(guān)的需求來(lái)設(shè)計(jì)研究，以供讀者參考。

【關(guān)鍵詞】家庭智能網(wǎng)關(guān) 網(wǎng)絡(luò)布線 設(shè)計(jì)研究

1 研究背景

1.1 國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

截至目前，國(guó)外對(duì)于家庭智能網(wǎng)關(guān)等方面的研究已經(jīng)比較深入，一些知名的科研機(jī)構(gòu)都對(duì)這個(gè)領(lǐng)域進(jìn)行著開發(fā)和探索，其中，麻省理工學(xué)院成立的人工智能實(shí)驗(yàn)室曾經(jīng)建立了一個(gè)較為清晰的架構(gòu)，通過(guò)最底層的Vision與用戶直接接觸并且判斷用戶的行為舉止；位于第二的Agent層上為更多的應(yīng)用提供了接口；第三層是提供特殊應(yīng)用的應(yīng)用層，從而實(shí)現(xiàn)用戶通過(guò)語(yǔ)音來(lái)控制演講的圖片以及演示文稿等。除此之外，東京大學(xué)的Intelligent Space項(xiàng)目研究、斯坦福大學(xué)的Interactive Workspaces項(xiàng)目研究等，都是國(guó)際上較為出名的相關(guān)研究。

在上世紀(jì)90年代末，國(guó)內(nèi)的一些高校與企業(yè)也參與到智能家庭網(wǎng)關(guān)相關(guān)的項(xiàng)目研究，其中較有代表性的就是清華大學(xué)人機(jī)交互集成研究所自主設(shè)計(jì)的智能空間管理平臺(tái)（Smart Platform），其主要提出了智能環(huán)境空間中的服務(wù)與依賴關(guān)系；另外國(guó)內(nèi)也有一些學(xué)者以及研究機(jī)構(gòu)在網(wǎng)絡(luò)資源管理上下了不少功夫，曾經(jīng)提出在互聯(lián)網(wǎng)資源聚合模型、機(jī)制方面的虛擬計(jì)算方法，在網(wǎng)絡(luò)資源共享與利用上的質(zhì)量與可信程度也有著一定的成就。

1.2 研究?jī)?nèi)容的意義

本研究分析了家庭智能網(wǎng)關(guān)的發(fā)展現(xiàn)狀，借鑒前人提出的相關(guān)優(yōu)秀理論和成果，并立足于實(shí)現(xiàn)家庭智能網(wǎng)關(guān)的移動(dòng)互聯(lián)，通過(guò)使用拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)其性能進(jìn)行驗(yàn)證和測(cè)試。本研究通過(guò)分析抽象的智能家庭網(wǎng)關(guān)中的軟、硬設(shè)施資源，構(gòu)建更廣泛的家庭智能網(wǎng)關(guān)，并通過(guò)其與云計(jì)算的相契合，開拓家庭智能網(wǎng)關(guān)得新研究領(lǐng)域。

2 關(guān)鍵技術(shù)探究

2.1 P2P技術(shù)綜述

P2P技術(shù)是一種早在二十世紀(jì)六十年代末的網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)時(shí)就已經(jīng)采用的對(duì)等網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，這種技術(shù)以環(huán)境共享網(wǎng)絡(luò)的分布資源為目標(biāo)，規(guī)定了系統(tǒng)的一些基本原則。從而真正的能夠?qū)崿F(xiàn)“互幫互助”的資源共享。傳統(tǒng)的C/S架構(gòu)成為了家庭智能網(wǎng)關(guān)應(yīng)用與發(fā)展的短板，而在對(duì)等網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)中，每臺(tái)主機(jī)即是客戶端又是服務(wù)器，可以自主的進(jìn)行資源交流，因此，P2P結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中的各個(gè)主機(jī)都是對(duì)等的地位。

2.2 家庭智能網(wǎng)絡(luò)相關(guān)協(xié)議的研究、分析

在我國(guó)家電網(wǎng)絡(luò)智能網(wǎng)關(guān)尚未有較為統(tǒng)一的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，而國(guó)內(nèi)外一些廠家所聯(lián)合制定的標(biāo)準(zhǔn)都是基于各自不同的優(yōu)勢(shì)產(chǎn)品而制定，選取的角度和針對(duì)點(diǎn)不盡相同，所以這些標(biāo)準(zhǔn)都只是覆蓋了一部分的領(lǐng)域，現(xiàn)存的一些家庭智能網(wǎng)絡(luò)協(xié)議主要有X-10、IEEE1394、HomeRF、BlueTooth等。

其中，X-10協(xié)議是指將電力傳輸線作為傳輸介質(zhì)的遠(yuǎn)程控制通信協(xié)議，在住宅儀表以及電器控制中多為使用，這是最簡(jiǎn)單也是歷史最長(zhǎng)的一個(gè)協(xié)議，但是這個(gè)協(xié)議中的控制系統(tǒng)方案并不完善，由此會(huì)引發(fā)出傳輸效率較低以及通信媒介單一的情況，其抗干擾性能也不是特別高；而所謂BlueTooth，就是人們常說(shuō)的藍(lán)牙技術(shù)，在短距離間通過(guò)無(wú)線電來(lái)傳播，它不同于一般的設(shè)備互聯(lián)、識(shí)別協(xié)議，應(yīng)用至今已經(jīng)較為廣泛，包括人們的移動(dòng)電話、無(wú)線藍(lán)牙耳機(jī)、筆記本電腦等一些家用電子產(chǎn)品，在車載系統(tǒng)中也有應(yīng)用，藍(lán)牙技術(shù)融合了TDMA以及FH等多種先進(jìn)技術(shù)，甚至可以異步數(shù)據(jù)通信。其余相關(guān)的協(xié)議也各有優(yōu)勢(shì)劣勢(shì)，由于篇幅所限，此處不再贅述。

3 家庭智能網(wǎng)關(guān)的需求分析

為了進(jìn)一步的實(shí)現(xiàn)家庭網(wǎng)絡(luò)內(nèi)外部的移動(dòng)互聯(lián)，需要有一種特殊的傳輸設(shè)備作為其中間體，對(duì)于根據(jù)不同網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行解析協(xié)議、互助通信，因此本文引入了智能家庭網(wǎng)關(guān)的概念，使其除了一般的路由和轉(zhuǎn)發(fā)功能外還架設(shè)起家庭內(nèi)網(wǎng)與公共網(wǎng)絡(luò)的橋梁，成為家庭網(wǎng)絡(luò)的接入節(jié)點(diǎn)，從而真正的能夠?qū)崿F(xiàn)“互幫互助”的資源共享。更深層次的來(lái)說(shuō)，智能家庭網(wǎng)關(guān)位于外網(wǎng)與內(nèi)網(wǎng)的街入口處，對(duì)外要有著獨(dú)立的IP地址，對(duì)內(nèi)要能夠?qū)υO(shè)備進(jìn)行協(xié)調(diào)與管理。

4 家庭智能網(wǎng)關(guān)研究與設(shè)計(jì)

隨著互聯(lián)網(wǎng)用戶不斷增加，對(duì)于各種生活應(yīng)用的需求不斷上升，傳統(tǒng)的服務(wù)器無(wú)法很好地滿足人們的需求，或者需要耗費(fèi)巨大的資源才能使用，所以，傳統(tǒng)的C/S架構(gòu)成為了家庭智能網(wǎng)關(guān)應(yīng)用與發(fā)展的短板，因此我們提出基于對(duì)等P2P技術(shù)的網(wǎng)關(guān)新架構(gòu)，來(lái)負(fù)責(zé)服務(wù)共享，也為以后的智能網(wǎng)關(guān)發(fā)展打下基礎(chǔ)。按照P2P網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)我們可以將其劃分為有一定結(jié)構(gòu)的對(duì)等網(wǎng)絡(luò)以及沒(méi)有一定結(jié)構(gòu)的對(duì)等網(wǎng)絡(luò)，在對(duì)等網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)中，每臺(tái)主機(jī)即是客戶端又是服務(wù)器，可以自主的進(jìn)行資源交流。研究表明，前者在路由算法以及信息雜亂等方面都有著較大的優(yōu)勢(shì)。

5 小結(jié)

截至目前，國(guó)際上對(duì)于家庭智能網(wǎng)關(guān)等方面的研究已經(jīng)比較深入，一些知名的科研機(jī)構(gòu)都對(duì)這個(gè)領(lǐng)域進(jìn)行著開發(fā)和探索，并取得了較為優(yōu)秀的成就。在上世紀(jì)90年代末，我國(guó)一些高校與企業(yè)也開始參與到智能家庭網(wǎng)關(guān)相關(guān)的項(xiàng)目研究，也在網(wǎng)絡(luò)資源管理上下了不少功夫，在網(wǎng)絡(luò)資源共享與利用上的質(zhì)量與可信程度也有著一定的成就。目前在我國(guó)家電網(wǎng)絡(luò)智能網(wǎng)關(guān)尚未有較為統(tǒng)一的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，而國(guó)內(nèi)外一些廠家所聯(lián)合制定的標(biāo)準(zhǔn)都是基于各自不同的優(yōu)勢(shì)產(chǎn)品而制定，選取的角度和針對(duì)點(diǎn)不盡相同，通過(guò)闡述家庭智能網(wǎng)關(guān)在國(guó)內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀以及研究的意義，分析部分關(guān)鍵協(xié)議，提出適當(dāng)?shù)募彝ブ悄芫W(wǎng)關(guān)需求，其余方面仍有待進(jìn)一步的研究。

（指導(dǎo)老師：梁楠楠）

參考文獻(xiàn)

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[3]張超.家庭智能網(wǎng)關(guān)的研究與實(shí)現(xiàn)[D].合肥：安徽理工大學(xué)，2016.

作者單位

安徽省宿州市宿州學(xué)院信息工程學(xué)院 安徽省宿州市 234000