數據驅動的智慧實訓室服務模式設計

黃麗芬， 黃大榮， 陳迪泉， 劉道敬

(1.廣東行政職業學院,廣州 510800； 2.重慶交通大學,重慶 400000；3.深圳鍵橋通訊技術股份有限公司,廣東 深圳 518000； 4.廣州工商學院，廣州 510800)

數據驅動的智慧實訓室服務模式設計

黃麗芬1， 黃大榮2， 陳迪泉3， 劉道敬4

(1.廣東行政職業學院,廣州 510800； 2.重慶交通大學,重慶 400000；3.深圳鍵橋通訊技術股份有限公司,廣東 深圳 518000； 4.廣州工商學院，廣州 510800)

以智慧實訓室感知層的建設為實踐平臺，將物聯網服務與設備感知融合，提出一種基于數據驅動的、支持各感知設備直接感知控制的物聯網智慧服務模式，實現以數據驅動感知，以感知實現服務。闡述了該模式中用到的數據驅動控制過程的新實現方法，詳細描述了通信對象、數據驅動感知、控制以及智慧服務等概念的內涵，并結合高校校園應用實際給出了基于數據驅動智慧實訓室服務模式的結構。介紹了通信對象封裝、組地址、物理地址、通信對象服務器等概念及實現方法，深入講解基于數據驅動的智慧感知模式設計與應用開發過程，闡述該模式下感知層節點設備之間的智能識別與智慧感知過程，并以實訓室照明實例驗證服務模式的無中心智慧識別功能。

智慧實訓室; 數據驅動; 物聯網服務模式; 通信對象; 智慧感知

0 引 言

物聯網的感知和服務模式，即如何根據物理環境動態變化，自主感知、融合、控制各種設備上的信息，提供智能化的物聯網服務，是物聯網理論和技術的一個研究熱點。目前已有許多學者關注于這方面的研究，嘗試從感知內容、情境及交互機制等角度研究物聯網智慧感知和服務模式[1-7]。李力行等[1]在前人面向服務的方法與物聯網結合研究[2]的基礎上，引入環境實體的概念表達各物體屬性和行為，將物聯網服務與環境實體交互，提出基于環境建模的物聯網服務模型，將環境的感應性、適應性以及時間屬性體現在物聯網服務中。肖融等[3]提出基于傳感內容的尋徑模型，設計物聯網內容組播和內容任播消息的信息傳遞方法，并根據內容敏感范圍，設計了節點休眠機制，有利于實現感知信息的高效節能傳播。文獻[4-5]中均將情境因素引入建模過程，結合情境探討信息獲取、建模和智能處理等問題，研究建立基于情境感知的物聯網系統結構模型。賈冰等[6]則從主動服務資源與用戶需求間等級映射的角度提供物聯網服務模式解決方案。田梅[7]將關聯主義學習和情境感知的理論引入智慧圖書館的應用服務建模。這些研究多集中在對單獨的應用層或感知層服務建模，離實現從感知到應用、按需提供的智能化物聯網服務要求尚遠。本研究將物聯網服務與設備感知的融合，對物聯網中的“物”進行標識、賦予物理屬性和實質特性，運用智能接口，實現個體間的信息交換和通信，實現個體與信息網絡的無縫整合。本文以智慧實訓室的感知建設為實踐平臺，設計了一種基于數據驅動的智慧服務模式，實現以數據驅動感知，以感知實現服務，應用通信對象綁定、組地址、物理地址等的設計使感知層節點設備間能直接進行智能識別與智慧感知，各現場終端感知數據可直接觸發某種應用功能，甚至完成某全局性的服務，實現智慧實訓室的無中心智慧感知。

1 數據驅動的智慧服務模式描述

1.1 數據驅動的控制過程

1.1.1 數據驅動控制過程及傳統實現方式

數據點是系統中的過程和控制變量，是數字化、信息化過程中關注的各種基本的數據信息單元，可以是各種數字I/O、模擬量I/O、字符串數據、日期參數、時間參數、配置屬性參數、診斷數據或其他系統參數等。在傳統的處理方案中，數據點都必須借助于各種信息采集器將系統中所有輸入數據采集到一種稱為主控制器的處理裝置中，經過在主控制器中預先編寫的控制算法和處理程序，將各種輸入數據進行綜合分析處理后，將處理結構再送到各種輸出執行器中。在這里，信息采集器和輸出執行器僅僅承擔了數據的收集與輸出功能，不能處理各數據點之間的邏輯關系[8-9]。

1.1.2 基于數據驅動的物聯網系統控制過程新實現方式

根據設備需求來定義通信對象，用以存放協議中的數據點，同時將數據點間的邏輯關系進行封裝綁定。對數據點類型進行了規范，并且引入通信對象、功能組、關聯矩陣等概念，數據點之間的邏輯關系用功能服務來描述，功能服務與通信對象之間的關聯關系通過組地址進行綁定。借助于運行在各節點設備中的通信對象服務器所提供的一套精簡指令，讀/寫數據點的值，實現基于“數據驅動”的“全局事件”。

以EIB協議為例，在每一個節點設備中，根據該節點需要進行網絡交互的信息內容，事先定義全局通信對象，通信對象的描述遵循EIS的交互規則。每個節點中可以定義一個或多個通信對象，并以對象表的方式對通信對象及其描述信息進行存儲。如某智能節點定義了開關和調光功能，則需定義開關對象(1 bit)和調光對象(4 bit)。為實現通信和管理的需求，每一個對象都包含有自己的通信標記和描述信息。

1.2 數據驅動的智慧服務模式描述

1.2.1 通信對象的標示與識別

感知層所有感知設備直接聯網，具有智能識別能力。單個設備數據在網絡中交互時以通信對象的形式出現，設備的功能屬性以對象屬性的方式存在于設備數據中。包含對象的信息來源(或身份ID)、類型、名稱、數值、工程量單位、量綱、精度等級等各種屬性信息，統一編碼，同時建立相應的解析服務體系，使對象信息的含義豐富、明確，具有智能識別能力。

1.2.2 數據驅動的感知和控制

一個智能終端由一個或幾個通信對象構成，能直接對物理世界的信息進行智能識別和智慧控制，不需要另配控制器對現場采集信息進行綜合分析與處理，直接實現基于數據驅動的全局服務功能。具體可根據需求設置數據驅動條件，通信對象值變化滿足條件即發送數據幀，形成局部或全局的功能服務。各種控制策略與復雜算法處理功能通過設置條件或功能組綁定的方式下放到感知層的現場設備本身。末端的設備分為智能感知設備和智能執行設備兩大類，感知和控制設備之間的關聯與功能聯動根據需求進行功能組綁定。

1.2.3 數據驅動智慧服務

數據驅動的智慧服務摒棄中心的思想，脫離區域控制器進行信息收集，每個終端設備可以通過網絡直接交互。根據應用原子服務劃分各式各樣的功能服務模塊，每種原子服務由一些獨立的智能感知設備觸發，直接驅動本功能組內的其他智能執行設備完成預定的應用服務，若干原子服務組合形成大型場景服務，各級別服務設置可在應用層集中更新。

圖1所示為智慧實訓室的感知服務結構圖[10-13]，在感知層主要包括各種環境感知、安防感知、RFID節點，各智慧節點根據預先設置的服務實現智慧感知和控制。以溫度服務為例，溫度感知節點定時感知溫度，到達下限即發送感知數據控制空調節點，空調節點狀態變化自動上報數據，至此完成溫控子服務。

圖1 智慧實訓室感知服務結構圖

2 數據驅動的智慧感知模式設計

2.1 通信對象的封裝

物理世界感知數據的類型及屬性豐富且復雜，數據的長度也不固定長度，這里引入全局通信對象的概念來解決設備感知信息存儲和傳輸問題。通信對象是控制網絡的通信主體。為了實現基于數據的全局通信功能，本設計采用KNX/EIB技術規范中對通信對象的定義與描述來進一步說明。即在通信對象定義時包含了數據指針、設置參數、數據類型說明、通信標記幾個部分，并將數據指針、信息類型、數據類型3個部分封裝成一個全局通信對象，3個部分各占1 byte。在通信對象描述結構中，首字節用于存放指向通信對象數據的指針，用于數據尋址，獲得具體的數據值；次字節存放通信對象的屬性設置信息，主要存儲通信對象的通信標志位設置信息；末字節存放通信對象數據類型說明，主要存放所存儲數據類型命令碼及長度[13-14]。通信對象的標志位設置信息描述如表1所示。

通信對象(Comm_Object)的數據結構設計參考如下：

StructComm_Object

{

表1 通信對象的標志位設置信息描述

8_Bit_Unsined_int Number；/* Communication_Object_Number */

8_Bit_Unsined_int Data_Pointer；

typedef union {

byte Byte；

Struct {

byte CONFIGMARK0 ：2； /* Transmit_Piority Bit 0 Bit1*/

byte CONFIGMARK2 ：1； /* Communication Enable Flag Bit 2 */

byte CONFIGMARK3： 1； /* Read Enable Flag Bit 3 */

byte CONFIGMARK4： 1； /* Writer Enable Flag Bit 4 */

byte CONFIGMARK5： 1； /* Memory Type Flag Bit 5 */

byte CONFIGMARK6 ：1； /* Transmit Enable Flag Bit 6 */

byte CONFIGMARK7 ：1； /* Bit 7 */

} Bits；

} CONFIGMARKSTR；

8_Bit_Unsined_int Object_Type； /* 支持BooLean等 17種數據類型*/

typedef union {

byte Byte；

struct {

byte COMMARK0 ：2； /* Transmission_Status Bit 0 Bit1*/

byte COMMARK2 ：1； /* Read_request_Flag Bit 2 */

byte COMMARK3： 1； /* Update_Falg Bit 3 */

byte COMMARK4： 2； /* Transmission_Status Bit 4 Bit 5*/

byte COMMARK 6 ：1； /* Read_request_Flag Bit 6 */

byte COMMARK 7 ：1； /* Update_Falg Bit 7 */

} Bits；

} COMMARKSTR；

}；

在上述結構中，把對通信對象的讀、寫等操作用1個8 bit的配置字節來描述，而對通信對象的通信管理用4個bit來描述，另外，單獨用一個字節來描述通信對象的數據類型。為了兼顧不同通信對象數據類型不同所帶來的通信對象值的存取訪問問題，在通信對象的結構定義中采用1個8 bit的指針來解決。

2.2 物理地址與組地址

物理地址和組地址的引入用于確定設備和通信對象在物聯網及功能服務中的邏輯關系。物理地址的定義是為了唯一標識某個具體的節點設備。物理地址由2 bit組成，用十進制表示為：XX.XX.XXX，最大值為15.15.255，分別代表智慧網絡拓撲中的域、線和設備，具有唯一性[15]。物理地址主要服務于物聯網設備的程序下載、組地址表下載、系統監控等功能。

組地址的應用通常表示在系統中定義的某項具體服務的編號，是按照一定標準設立的數據單元(即通信對象)、設備或所選功能的集合[15]。為了匹配和尋找該功能服務中的每個對象元素，使其協調配合完成既定的功能動作服務，引入了組地址的概念，通過標記該功能組編號的組地址報文來尋址。根據每個設備參與要實現的功能服務數，一個設備可能對應一個或多個組地址。以KNX/EIB協議為例，通過組地址某個EIB節點設備的訪問尋址可直接定位在每個綁定的通信對象上，即，某個通信對象值的變化可以形成一個系統性的全局服務。

為了與物理地址的尋址兼容，組地址也采用2個字節表示(其中首位永遠是0)，有效的組地址是15 bit[15]。但組地址的分段不是表示所在網絡的拓撲結構，而是表示節點設備在功能服務上所對應的邏輯區域。

根據需求，可以將組地址定義成2層或3層，將系統服務池中要實現的功能服務劃分為主服務、子服務和中間服務。例如用第1段區分服務類別，第2段區分地域位置，第3段區分不同的設備或通信對象。故而不同的設備可以屬于同一個組地址，同一個設備也可以同時被多個組地址進行管理。組地址的存在使得物聯網子服務及多子服務并發容易實現。

2.3 通信對象服務器

通信對象是感知層的通信主體，它要求跨越設備地址進行尋址，直接在兩個或多個通信對象主體(可以來自不同設備)之間進行信息交互，當某個通信對象的數據值發生變化時，立即通知相關的通信對象響應，配合完成預定的功能動作[13-16]。系統中功能服務動作的完成無需主控制器的參與，直接由每一個具體的通信對象發起或響應，每一個節點設備都是對等的，無主從之分，從而實現真正的分布智能。為此，在每一個節點設備中必須提供一套支持通信對象全局通信的精簡指令系統，這就是常說的通信對象服務器。

在通信對象服務器中必須實現每個節點設備中所含通信對象的管理與任務調度。如：查詢通信對象表中當前通信對象的狀態、讀/寫通信對象表中通信對象的值、通信對象與組地址的綁定處理等。圖2所示為通信對象的操作管理流程圖。

圖2 通信對象操作管理流程圖

為了實現基于通信對象的分布智能通信，在每個節點設備中通信對象服務器必須實現具體的服務功能。表2所示為定義的通信對象常見功能。

表2 通信對象服務器中實現的常見功能表

2.4 數據驅動的智慧感知過程和應用開發

將實訓室各種控制需求，如照明、安防、場景等進行抽象，提出數據點、定義子服務/服務等。服務是指完成某一系列功能動作的聯合體，由一個或多個設備聯合完成，是發送和接收數據點的集合。如開/關某回路燈、開/關某區域燈、溫控某區域、以某個輸入條件開/關某些設備等。要實現這些功能服務，必須要有多個通信對象同時參與。一個發出操作指令的通信對象稱為發送對象，而這些被控制的另一些通信對象被稱為接收對象。一個接收對象可以從多個功能服務組地址接收信息，如一盞燈可以連接到不同的組地址，處于不同的場景中。一個發送通信對象只能通過一個單獨的組地址發送，比如在某服務的場景控制中，一個開關傳感器只能通過一個組地址來發送控制命令。

通信設備間的智慧感知和聯動過程是通過關聯通信對象與功能組來實現的，即在定義關聯表和關聯矩陣來描述對象表、組地址表之間的關聯關系。發送對象因動作、值更新或其他觸發條件滿足形成數據幀發送過程，查詢關聯表綁定組地址，發送帶組地址的數據幀，該功能組相關的通信對象節點將自動響應，修改通信對象的通信狀態，刷新通信對象當前狀態和值，配合完成所定義的功能動作。據此，某一節點的數據變化可直接驅動產生全局功能服務，自主觸發其他預定義的關聯動作，無需上一層控制器參與，即可實現各智能感知節點之間的智能識別和智慧感知功能。在上位機配置管理系統中可以將組地址表和關聯表下載到相應的智能節點中，實現對網絡內節點功能的智能配置。根據具體的項目需求分析，設計并定義功能組，并識別各節點的通信對象，分配各節點參與的功能動作，完成功能組與節點中具體通信對象的綁定設計，完成功能組與通信對象的關聯配置。

在基于數據驅動的智慧感知模式設計中，沒有主控制器的概念，每一個感知終端節點都是一個控制指令下達單元或執行單元，都可自主觸發一個全局的功能動作，而不用編程。每一個具體節點設備的故障只影響該節點本身對應的執行功能，不會影響其他系統的功能服務實現，具有很高的可靠性。完成設備的系統開發后，感知設備實現應用開發相對簡單，實施步驟具體如下：

(1) 通信對象物理地址定義與下載。物理地址的定義主要解決網絡的拓撲結構定義和各終端節點設備之間通信的物理路由，為基于通信對象的通信創造前提條件。下載操作主要解決廠家應用程序(如通信對象服務器程序、通信對象需執行的應用功能的簡單處理程序等)和初始化參數的下載等。

(2) 功能定義與組地址規劃。根據具體項目要實現的服務目標，對系統的所有功能服務進行疏理，按功能動作的配合實施要求和管理需要，將功能服務劃分層次，標識每項具體功能動作執行所涉及的設備節點或通信對象，進行組地址規劃，將具體功能與通信對象進行關聯。

(3) 通信對象與組地址的綁定。通過上層配置管理軟件設置，將通信對象與功能組進行關聯，通過組地址進行綁定，完成關聯方案。然后將關聯綁定結果——組地址表和關聯表下載到對應的終端節點設備中，實現具體通信對象與功能服務的綁定。

(4) 數據驅動與全局服務事件。在系統運行中，各終端節點設備在自身通信對象服務器的管理下，會自動查詢本節點中的通信對象表、地址表、關聯表、通信對象狀態表，對通信對象值的讀/寫進行自動處理，實時地刷新通信對象的當前值，并將通信對象值的變化應引起的功能動作指令下達給相關的通信對象配合執行，實現基于數據驅動的全局服務事件，使系統的各項服務在沒有主控制器的參與下自動完成。

3 應用舉例

這里以智慧實訓室照明子系統的應用為例，通信協議是EIB協議，定義有一個開關節點設備、兩個被控燈具設備。通過全局通信對象的交互和功能綁定操作來實現智慧交互功能過程描述如下：

開關節點定義開關對象(物理地址為0x0A0B)，燈具設備節點定義兩個燈具對象，設計兩個控制場景組地址：0x0001(控制燈1)，0x0002(控制燈2)，設置物理地址和定義功能組并下載。

開關節點按下“開”動作經逐層封裝由對象服務器輪詢并最終發送出EIB協議數據幀如下：

BC 0A 0B 00 02 E2 00 80 01 2F

含義為從開關節點發送0x01(開關對象值“開”)到組地址為0x0002的節點設備。

通過組地址關聯到的節點設備在接收到數據幀后，對象服務器操作并逐層解析，先獲得組地址0x0002信息，然后根據節點內部的關聯表查詢到與該組地址綁定的接收對象，根據組地址綁定到被控燈具2，判斷關聯條件是否滿足，最后燈具2做出保存對象值操作并觸發“開”動作，對象值更新后自動反饋數據幀：BC 00 02 0A 0B 78 E5 61 01 FB 。圖3所示為數據幀發送情況監測。

系統功能服務一經定義、下載、綁定，通信對象節點的信息發送和接收過程均自主處理，無須服務中心干預，滿足系統對于智能識別和智慧感知的要求。詳細功能設計時，還可根據具體場景特征進一步拓展設計(如：通過設置光度傳感器上限/下限值來智慧感知控制區域燈光場景)，定義更完善的功能組關聯矩陣來實現各感知對象之間更復雜的服務關系，使實訓室感知系統具備更加智慧的數據感知和處理能力。

圖3 數據幀傳輸情況監測

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Designing and Study the Service Model of Smart Training Room Based on Data Driven

HUANGLifen1，HUANGDarong2，CHENDiquan3，LIUDaojing4

(1.Guangdong Vocational Institute of Public Administration, Guangzhou 510800, China; 2. Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400000, China; 3. Shenzhen Keybridge Communications Co., Ltd., Shenzhen 518000, Gungdong, China; 4. Guangzhou College of Technology and Business, Guangzhou 510800, China)

With the practical platform of smart training room, integrating service of IOT (Internet of Things) and equipment perception, the service model of smart training room based on data driven is provided to achieve data driven perception and service, it supports all kinds of devices and senses and controls these devices. Firstly, a new realization of data driven control process used in this model is introduced. Then, the concepts of communication object, data driven sense and control, intelligent service are described in detail, and the structure of smart training room service model based on data driven is provided combined with the reality of campus. Secondly, based on the concept and realization of communication object encapsulation group address, physical address, and communication object services are introduced, the design and application development progress of this model are explained, and the progress of intelligent recognition and smart sense between devices from sensing layer are described. At last, the training room lighting system is taken as an example to validate the smart recognition and the function provided by this service model.

smart training room; data driven; IOT service model; intelligent recognition

2016-05-09

國家自然科學基金(61004118,61304104)；重慶市高等學校優秀人才支持計劃(2014-18)；2015年廣東省普通高校青年創新人才項目(自然科學)(2015KQNCX195)；2015年廣東省高職教育教學管理委員會教改課題(JGW2015010)；重慶市研究生教改重點項目(yjg152011)；重慶市高等教育科學研究課題(CQGJ15010C)

黃麗芬(1982-)，女，安徽桐城人，碩士，實驗師，研究方向：物聯網技術，計算機應用技術。

Tel.：18933990826；E-mail：114645808@qq.com

TP 393

A

1006-7167(2017)02-0125-06