一种基于物联网技术的宇航智能家居系统设计

高延超，王九龙，王 悦

(中国空间技术研究院载人航天总体部,北京100094)

1 引言

随着NASA宣布美国航天员将重返月球,地月空间载人航天器将会在不久的将来成为各国研究的热点。未来该类型载人航天器将具有在轨时间越来越长、在轨任务越来越多、空间越来越大等特点,系统设计时对航天员在轨工作生活体验也越来越重视,所以更加高效、便捷、舒适、智能的人机交互系统将会变得尤为重要［1］。

智能家居系统是物联网技术的一种具体实现［2］,目标是让家居环境更舒适、更安全、更环保、更便捷,系统功能可涵盖家居功能各个方面。同时,由于网络化架构系统兼容性好,智能家居系统功能可根据家庭需求进行功能的灵活扩展或裁减［3］。目前,国际空间站基于这种理念已尝试应用智能终端支持在轨任务,如HoloLens头盔,但由于其信息系统设计局限性,仅能支持特定智能功能且扩展性差［4］。同时,国内载人航天器人机交互系统目前以任务功能满足为导向,存在功能相对单一独立、智能性及兼容扩展性较差等特点,难以满足未来载人航天器需求。

本文结合未来载人航天器可能的在轨工作生活需求,提出一种基于物联网技术的面向载人航天器的智能化、网络化的宇航智能家居系统总体设计方案,并对设计方案可行性进行分析。

2 系统需求

航天员长期在轨驻留期间,在与地面环境完全不同的太空环境的冲击下,可能会出现适应不良甚至形成心理障碍,包括焦虑、抑郁或心理疲劳等,影响在轨工作绩效和身心健康,其中一个有效的改善措施就是为在轨航天提供宜居性设计［5］。本文提出基于物联网技术的宇航智能家居系统的目的正是为了为在轨航天员提供一种更加高效、便捷、舒适、智能的载人航天器人机交互系统,提供一种宜居的在轨工作生活环境支持。

2.1 系统功能性需求

1)个人环境调节功能：需要为在轨航天员提供智能化的个人环境调节功能,包括照明、温湿度等,如照度、色温、显色指数、照明情景模式的智能控制及调节功能。

2)个人娱乐支持功能：需要为在轨航天员提供智能化的个人娱乐支持功能,包括观影、音乐、游戏等智能显示播放功能。

3)个人通信支持功能：需要为在轨航天员提供智能化的个人通信支持功能,包括在轨航天员间、天地间通信,如音频通信、音视频通信、电子邮件通信,甚至是目前地面流行的即时通信手段等。

4)支持在轨物资管理功能：需要帮助航天员进行智能化的物资识别、盘点、查找、定位、物资信息管理等,提高物资管理的效率和准确性,减少航天员在物资管理方面耗费的精力。

5)支持在轨平台监控功能：需要支持航天器状态智能显示、异常状态智能报警提示等；支持在轨航天员在轨期间可随时随地获取航天器运行状态等,减轻航天员在常规平台监控方面的工作量。

6)支持在轨维修功能：航天器在轨维修维护工作对于航天员来说常常是一件难度高、易出错的工作,本系统需要提供智能化的手段支持在轨维修工作,如音视频同步辅助功能、虚拟现实支持功能等,降低在轨维修操作的难度和工作量。

7)其他支持功能：其他扩展功能。

2.2 系统安全性需求

宇航智能家居系统定位于支持航天员在轨工作生活中常规的人机交互功能,其支持的功能不能影响航天器平台安全,故宇航智能家居系统应尽量与航天器平台系统隔离。

2.3 系统扩展性需求

宇航智能家居系统需支持的功能种类多样,为增强系统的可用性及扩展性,需要采用网络化的系统架构,系统接口及协议需考虑标准化设计。同时,为增强用户体验,宇航智能家居系统的终端设备需要充分考虑商业化产品接入及兼容。

3 总体设计

基于智能家居物联化的理念,面向载人航天器的宇航智能家居系统的系统架构采用网络化拓扑结构［6］。宇航智能家居系统主要包括网络接入与传输功能模块、数据存储分析功能模块、智能交互功能模块三部分,系统架构如图1所示。

3.1 网络接入与交互功能模块

未来载人航天器长期在轨飞行期间航天员可能进行多次乘组轮换,为适应后续可能新增的智能交互需求,宇航智能家居系统需具备良好的兼容性和扩展性,其网络接入与交互功能模块的接口及协议采用标准化设计。鉴于宇航智能家居系统的定位,系统的接口协议跟踪地面民用标准,系统设计时重点规范智能终端的准入验证。

本文网络接入与交互功能模块采用有线及无线相结合的系统架构。有线架构对于实时性要求高的建议以时间触发以太网(Time Triggered Ethernet,TTE［7］)为基础,实时性要求低的有线架构建议以以太网(Ethernet)为基础；无线接入方式建议采用商业产品广泛采用的WIFI接入方式(如IEEE 802.11系列),同时在进行设计时注重协议和接口的标准化设计、仿真及验证,便于商业化产品接入及后续在轨扩展升级。

宇航智能家居系统需要与航天器平台系统间进行数据交互时,通过设置相应网关在平台网络与智能家居系统网络间进行数据的传输及隔离,这样既能保证宇航智能家居系统不影响航天器系统平台安全,又能够极大程度提高宇航智能家居系统的灵活性及扩展性。

3.2 数据存储分析模块

数据存储分析模块通过接入智能家居系统网络,获取网络传输数据,提供数据存储及分析服务功能,该模块通过配置特定的在轨数据存储服务器来实现。同时,可根据在轨航天员需求,在存储数据基础上进行数据分析或深度学习［8］,如智能化语音识别、图像识别、自主健康管理等,从而为实现未来真正的在轨智能人机交互奠定基础。

3.3 智能交互功能模块

智能交互功能模块可根据航天员需求灵活配置,在符合网络接入与传输功能模块对接口及传输协议的要求的前提下,可广泛采用商业化智能产品或系统来缩短开发周期、提升用户体验。

根据航天员在轨基本的照明、监视、监控、娱乐及工作需求,宇航智能家居系统需配置智能情景照明功能、智能显示报警功能、智能影音监控功能、智能平台控制功能、智能物质管理功能及各种类型的工作辅助功能。以智能情景照明功能、智能显示报警功能、智能物资管理功能为例,智能交互功能详细设计如下。

3.3.1 智能情景照明功能

航天器常规照明系统一般仅具备照明灯开关及亮度调节功能,并且常常通过手动旋钮或按钮实现,照明系统功能单一且体验交差。智能情景照明系统通过灵活配置照明灯的照度、色温及显色指数,为在轨航天员提供各种各样的情景照明模式,如工作模式、睡眠模式、就餐模式、娱乐模式等［9］。同时,航天员可使用无线终端接入对照明系统进行无线控制,实现航天器照明系统与在轨航天员间智能化数据交互。

智能情景照明功能及网络接入设计如图2所示。航天器不同区域(如不同舱段)设置不同的情景照明控制器,通过接收舱载固定操作终端或舱载移动智能终端的控制信息,对相应区域照明灯进行开关、照度调节、情景模式设置等操作。同时,网络存储服务器可对在轨航天员作息时间进行分析,自动对相应区域进行情景照明控制。移动终端和情景灯可考虑采用商业化产品。

3.3.2 智能显示报警功能

在轨航天员对航天器状态的监视监控是一项非常重要的工作,是航天器平台正常运行的重要保证。智能显示报警系统通过接入网络接入与传输功能模块获取航天器平台状态数据,并对平台状态数据进行分析处理,以智能化、便捷化的智能终端(如商业智能手机)为在轨航天员提供平台显示报警信息。通过采用智能显示报警系统,在轨航天员可随时随地获知航天器平台运行状态。

智能显示报警功能及网络接入设计如图3所示。宇航智能家居系统网络通过网关接收航天器系统平台网络发送的平台运行数据后,通过网络送舱载移动智能终端、各区域固定显示报警终端及网络存储服务器。网络存储服务器可对平台状态数据进行存储及再分析,如平台运行趋势、健康状态等。舱载移动智能终端及区域固定显示报警终端可考虑采用商业化产品。

3.3.3 智能物资管理功能

航天员在轨工作生活期间,根据任务工作安排、生活具体需要,需要开展大量的常规物资盘点查找、重要物资快速定位、废弃物处理等工作,在轨物资信息管理尤为重要。智能物资管理功能为在轨航天员提供智能化的物资识别、盘点、定位、物资信息管理等功能。智能物资管理功能及网络接入设计如图4所示。

航天员通过舱载智能移动终端(配置相应APP)可对在轨物资(含物资标签)进行识别、盘点等操作,生成的物资管理信息通过宇航智能家居系统网路存储至网络存储服务器进行数据存储及分析,如消耗品消耗趋势等。智能移动终端可随时随地为在轨航天员推送物资存储信息、物资消耗预警信息等［10］。同时,智能物资管理功能可配置重要物资定位装置,通过宇航智能家居系统网络、智能移动终端为航天员提供快速定位功能［11］ 。

4 系统协议架构及可行性分析

4.1 系统协议架构

宇航智能家居系统关键在于具有良好的协议架构,便于系统开发、接入及灵活扩展。结合物联网协议架构,本系统采用分层协议架构［12］,为网络接入与传输功能模块、数据存储分析功能模块、智能交互功能模块的开发提供标准化支持,实现系统的标准化设计。本系统协议架构如图5所示,分为感知层、网络层、应用层。

1)感知层：感知层在宇航智能家居网络中的作用是感知并采集外界信息,包括系统传感器及执行器等。本层协议应明确并规范智能家居系统交互方式及设备类型。感知层协议是智能交互功能模块硬件设计的标准。

2)网络层：明确并统一感知层设备接入协议和网络数据传输协议,本系统可支持无线和有线两种接入方式,实时性要求低的智能家居功能可采用地面成熟协议,如TCP/IP、UDP/IP协议栈,便于商业产品接入,实时性要求高的智能家居功能需另行设计。网络层协议是网络接入与交互功能模块软硬件开发的标准。

3)应用层：明确并统一智能家居功能应用软件开发环境要求。应用层协议是智能交互功能模块应用软件开发的标准。

4.2 系统可行性分析

宇航智能家居系统定位于为在轨航天员提供一种更加高效、便捷、舒适、智能的人机交互系统,以便于提供宜居的在轨工作生活环境支持。

1)系统架构实现及产品支持分析

宇航智能家居系统与航天器平台间隔离,采用“有线+无线”网络架构需相对独立构建与运行。考虑到系统互联性、可扩展性及兼容性,有线网络架构可采用以太网技术实现［13］,无线网络架构科采用Wifi技术实现。系统架构实现的关键在于是否有面向航天应用的产品支持,目前,面向空间应用的以太网交换机已经在载人航天器中应用并已经过飞行验证［14］。

2)系统协议实现与应用分析

宇航智能家居系统的网络协议难点在于网络层协议的实现与应用,鉴于以太网协议栈在地面广泛应用且具备优良的特性,国际上一些空间机构致力于将以太网协议栈进行改进后应用于航天器,为降低宇航智能家居系统网络协议设计难度,本系统可充分借鉴地面成熟协议标准［15］。需要注意的是,TCP/IP协议具有重传机制,载人航天器宇航智能家居系统与地面系统间数据传输时,如天地间音视频通话,由于天地间数据传输固有延时会触发重传导致无法正常数据通信,天地间网络协议设计时应避免引用TCP/IP协议。

3)商用智能终端准入验证机制分析

宇航智能家居系统的一个重要优势在于感知层允许商用智能终端接入,同时配合应用层数据处理,为航天员提供更加舒适智能的人机交互方式。由于商用智能终端类别多样、更新换代快,在进行感知层智能终端选用时,需对智能终端与宇航智能家居系统间准入验证情况进行测试验证。商用智能终端的准入验证机制是宇航智能家居系统后续设计过程中重点研究和验证的内容。

综上所述,宇航智能家居系统在系统架构实现、网络协议应用方面具有良好的可行性,在系统设计过程中需对智能终端的准入验证机制进一步进行研究与验证。

5 结束语

本文提出了基于物联网技术的载人航天器宇航智能家居系统的总体设计方案,该系统架构及协议架构具有智能化、网络化的特点,同时具有良好的可扩展性及对商用智能终端的兼容性。鉴于航天应用网络交换产品已经经过飞行验证及地面网络协议栈的成熟性,宇航智能家居系统的系统架构及协议架构具有良好的可行性。商用智能终端的准入验证机制在宇航智能家居系统后续设计、实现过程中需要进一步重点研究和验证。