一种智能家居系统的集群识别调度的研究

罗 达，付 蔚，蔡林沁，税梦玲，唐鹏光

(重庆邮电大学工业物联网与网络化控制教育部重点实验室，重庆 400065)

责任编辑:薛 京

伴随泛在网技术［1］提供的动态易扩展服务的发展，物联网的兴起意味着取用方便的弹性服务将覆盖越来越多的领域，“云连世界，感知世界”。与此同时，面对老龄化现象暴露出的社会问题，家居智能化的应用价值越来越明显。智能家居是物联网应用技术中与老百姓日常生活紧密相关的重要组成部分。

智能家居系统将家庭中各类信息化家用电器、家庭安防监测设备、家庭环境监测装置等与信息相关的通信设备统一集成到家庭智能化系统中进行异地或集中通信、控制、监视等家庭日常管理，为人们提供舒适、环保、安全、方便的家居生活自动化应用，实现真正意义上的数字化现代居家环境。伴随着智能家居网络化服务的不断深入开展，智能家居系统的动态易扩展服务成为亟待解决的问题。

1 系统架构

智能家居［2］以住宅为平台，兼备建筑、信息家电和传感网络，集系统、服务、管理为一体的居住环境，是一个包括家居布线系统、家居安防系统、家庭自动化系统(对照明、家电等电气设备的自动化控制以及对能源和环境等的自动检测等)和家庭体验系统(包括音视频共享、家庭信息服务、健康管理等)多种功能技术的系统。物联网智能家居总体网络拓扑结构图如图1所示。用户通过PDA、手机或个人计算机等本地或远程控制终端，登录浏览远程管理服务平台，随时了解家中的各种动态，实时掌握家中的各种情况，实现家庭所有电器统一控制，三表抄送、授权开锁、查看住宅温度和湿度、调整灯光亮度、为盆景浇水施肥等，通过手机等各种渠道获得相应信息。

图1 物联网智能家居总体网络拓扑结构图

智能家居系统根据底层设备的数据采集及控制、网络数据实时传递和终端数据处理的功能需求，可以划分为感知层、网络层和应用层3个层次［2］。

感知层包括了所有搭载数据链路层组网通信模块的底层前端家居设备，由其组建采用符合IEEE 802.15.4通信标准规范的低速率无线个人局域网，它的最大优势是低功率消耗、低速传输以及成本低廉，使得在低吞吐量的家庭应用环境中使用无线连接成为可能。本文采用IEEE 802.15.4e协议。底层前端家居设备按照业务应用分类为安防报警类、环境监测及调节类、家电控制类，能耗管理类、智能医疗类。每一个入网设备都将分配获得一个数据链路层地址，并由智能家居家庭网关实现数据链路层和网络层的数据交互。

网络层包括了标准TCP/IP协议的智能家居Web服务器和家庭网关，智能家居Web服务器通过访问家庭网关获取数据并通过Web站点发布到互联网，便利且开放式的共享智能家居感知层家居设备资源。

应用层是用户(包括人、组织和其他系统)和物联网的接口，按照应用层网络拓扑结构，可以统分为本地智能终端和远程智能终端，包括室内控制机、手机、平板电脑、笔记本式计算机等便捷式智能终端，利用友好的用户体验界面完成人和物联网之间的信息交互过程。人机交互是人和物联网之间传递并交换功能任务信息的中间件和对话窗口。

2 设计方案

2.1 包处理关键技术的实现

智能家居智能终端可以实时地接收到前端底层设备发来的数据，并进行相应的报文处理，根据整个家庭环境的检测状态从而自适应地采取相应的措施具有重要的意义。系统设计中，利用多线程技术，将接收到的数据包存储在共享数据区中，辅助线程从共享数据区中读取相应数据报文处理和显示。智能终端设计中利用多线程处理方式，信息接收线程的主要任务是将接收到的数据报文存储到共享内存区中，而信息处理辅助线程的主要任务是对收到的请求及响应报文进行解析，按协议指定的命令完成相应工作，请求服务处理是指在有接收到发来的请求服务发送回应报文的情况下，组装回应报文，将组装好的报文发送给信息发送线程。

报文头用于标识服务报文类型，属于应用层，通过开辟一个独立的UDP端口号实现与应用层其他服务的区别。服务字段是对服务的定义，所有的服务由通信的双方根据该字段的内容，进行相应处理。对于每个服务都有主叫和应答之分，通过服务类型字段给出，1为主叫服务，2为答应服务。智能家居业务应用有起居、就餐、回家、离家、会客等场景。这些使用场景涉及的服务业务可以分成控制类、安防告警类、娱乐类、视频监控类、沟通类、生活类、计量类、监护类和环境监测类，从而开辟服务字段设定标志位。智能家居数据包报文格式如图2所示。

图2 智能家居数据包报文格式图

2.2 算法的软件实现

本文结合当前智能空间服务组合的语义匹配相关研究，利用上下文的空间信息服务组合语义匹配方法，并且根据各服务参数的关系引入索引机制，将抽象的空间信息服务组合模型转换成可执行键值映射。

考虑家庭设备类型的兼容性，即相同的设备具有相同的功能，或者相仿的设备具有类似的功能，可以将它们的启动和互访划分为不同的空间信息服务组合［3］，每一个空间信息服务组合都有其自己固有的数据结构，去对应不同粒度的实体，具有高度的独立性和完整性。

在智能终端中，定义一个统一的服务信息库HomeLibrary，作用为记录应用层属性［4］的工具库，部分智能家居服务信息库如图3所示。通过串ID识别码判断相应的映射，实现命令和功能属性的一一映射，属性是设备客观实体功能的本质属性，是可以设置的变量。通过应用属性表和串ID识别码的换算，准确有效地将抽象的空间信息服务转换成可执行的命令字符串。

图3 部分智能家居服务信息库图

结合对象所属的类和类之间的关系，根据各服务参数的关系引入索引机制，Cluster ID是每个对象所属的类的标志，由空间信息服务组合分配，在内部使用的是实例ID，为了确保互操作性，所有家居设备都应该实现兼容的启动属性设备描述符［5－6］和服务标识符，必须和设备功能事节点一一映射。综合考虑前端设备节点的类型和功能、节点电源特性、包含在节点里的设备特征描述、设备特征的进一步信息以及定义的使用者的描述，建立层次化的属性描述空间结构，从领域(domain)空间、定义(definition)空间和语境(context)空间定义和描述特征运算和推理规则。智能家居设备描述结构为:

资源服务和用户情景组成了智能家居系统的元素，优先权策略是预先分配给各种可能的情景以不同优先权，一旦两个或两个以上不同的情景出现冲突时，具有较高优先权的情景获得的采纳，智能空间提供相应服务［6］。优先权是预先分配给各种情景的，情景冲突只能在这种静态的优先权内处理。面向智能家居场景集群特征的识别及调度流程如图4所示。

图4 面向智能家居场景集群特征的识别及调度流程图

1)应用层收到设备交互的数据后，在传感器实例SensorAPP中查找对应的家居入网设备，按照智能家居应用属性表的要求，初始化家居入网设备对应应用场景属性中的属性和功能。

2)在数据报文数据处理线程UdpDataRcvThread中，收到Incoming_MSG_CMD后将接收到的数据包存储在共享数据区中，辅助线程ProcessMSG从共享数据区中读取相应数据报文。

3)根据命令中帧控制域指示的命令类型分别进入各簇命令处理。

4)在动态感知管理中，根据设置的管理员、普通用户、来访人员的身份区别，以及各情景模式的区别，预先设置了不同的设备集群协同工作方式，初始化情景模式，并将共享数据区中读取到的相应数据报文处理后传递给状态管理。

5)状态管理在其数据结构中查找是否有想接收的命令、想匹配的命令项，通过命令表查找相应的回调函数，调用回调函数处理。

6)初始化命令表，根据命令表中预定的键值对，加载回调函数的绑定服务。调用相应项中的回调函数对设备进行操作，如果需要发送应答则发送应答。

7)根据回调的绑定服务，从传感器实例中读取所需的入网情景模式设备信息，并根据动态情景管理预定情景，发送串识别码，启动或访问相应指定设备。

3 结论

本文从物联网的实际应用出发，探讨了智能家居网络化动态易扩展服务的问题和研究方向。针对传统家居控制系统单一化的数据报文处理方式的不足，结合智能空间上下文服务已有的研究成果，详细介绍了一种针对智能家居的包处理技术和集群识别调度的算法，在家居动态场景的基础上配置了模块化的功能需求，规范和增强了家居的动态易扩展性要求。

［1］邬贺铨.智能家居与安防应用部署实例［EB/OL］.［2012－02－01］.http://www.unitedforum.cn/news_ny.asp?id=860.

［2］周洪波.Web 4.0:“中国式”物联网定义［EB/OL］.［2012－02－01］.http://www.wlw.gov.cn/zxzx/wilt/594260.shtml.

［3］PENIX J，BARAONA P，ALEXANDER P.Classification and retrieval of reusable components using semantic features［C］//Proc.10th Knowledge－Based Software Engineering Conference.Boston:IEEE Computer Society Press，1995:131－138.

［4］KANG K C，KIM S，LEE J，et al.A feature－oriented reuse method with domain－specific reference architectures［J］.Annals of Software Engineering，1998，5(1):143－168.

［5］CALVANESE D，GIACOMO G，LENZERINI M，et al.Reasoning in expressive description logics［M］.North－Holland:Elsevier Science Publishers，2000.

［6］张向刚，陈东义，刘锦德.觉察上下文应用的开放式支撑环境研究［J］.华中科技大学学报:自然科学版，2005，33(S1):179－181.