智能家庭控制系統接口訪問機制研究

邵鵬飛,金鳳常

（浙江萬里學院 電子信息學院,浙江 寧波 315100）

隨著社會經濟和科學技術的發展，社會信息化程度越來越高，物聯網的推出是時代發展的需要，“三網合一”、“三屏合一”等新概念不斷提出，智能家居成為未來家居的發展方向[1]。智能家居在兩個方面具有重要作用：(1)家居智能化，繼而實現住戶舒適最大化，家庭安全最大化。智能家居通過其智能家庭控制系統幫助人們改進生活方式，重新安排每天的時間計劃表，并為高質量的生活環境提供安全保障[2]。(2)智能家居的另一個重要作用是降低能源消耗，操作成本最小化，幫助人們節約日常能源消耗開支[3]。

智能家居主要通過智能家庭控制系統實現，家庭控制網絡是實現智能家庭控制系統的關鍵。近幾年，各種家庭網絡推進組織相繼成立，并各自推出了相關建議和標準，但這些技術標準缺乏統一的通信接口，相互間不兼容,無法提供家庭控制網絡的完整解決方案。因此，智能家居研究者面臨的最大挑戰和機遇是家用電子領域缺乏統一的通信標準和互操作協議。

1 家庭控制網絡中的主要聯網技術與標準

在家庭控制網絡領域出現的眾多技術和標準中，最受研究者和設備制造商關注的是家庭現場總線技術（適用于家庭控制網絡的現場總線技術）和短距離低速率無線網絡技術[2]。其中，家庭現場總線技術根據通信介質不同可分為三個子類：

(1)PLC(Power Line Communication)技術:利用現有的電力線進行數據傳輸,主要是北美標準,包括X-10、INSTEON、HomePlugC&C、CEBus、LonWorks 和 PLC-BUS等，其中CEBus和LonWorks也可通過雙絞線、同軸電纜、無線等介質實現通信；

(2)HBS：日本家庭總線系統標準，采用雙絞線或同軸電纜作為傳輸介質；

(3)EIB：歐洲安裝總線標準，也可采用雙絞線、同軸電纜、無線等介質實現通信。

基于短距離低速率的無線通信技術主要包括：紅外、無線射頻、藍牙、802.15.4/ZigBee和Z-Wave等。

在家庭自動化中，各種技術和標準都有自己的優缺點，不同標準間的差異較大，缺乏統一的通信接口和協議標準，相互間并不兼容，沒有一種技術能夠為家庭控制網絡提供理想的解決方案[4-7]。

2 點對點接口訪問機制

核心控制單元是整個智能家居控制系統的心臟。核心控制單元將各種設備和應用集成在一個同步的環境中，監視設備狀態，發出控制命令，管理預設的生活場景，并與外部網絡通信。在一個通用的智能家居體系結構中，核心控制單元至少應包含下列接口：

(1)用戶接口:提供用戶訪問設備和應用服務的接口;

(2)設備操作接口：提供對各種設備功能和控制操作的接口;

(3)底層網絡通信接口：提供底層通信網絡接入的協議驅動和硬件接口;

(4)AI接口[8]：提供訪問人工智能模塊的接口;

(5)數據庫接口：提供訪問系統活動數據庫的接口,數據庫主要存儲用戶命令、設備命令、住戶動作記錄、場景定義等；

(6)應用服務接口：提供添加新軟件模塊的接口，從而在整個智能家居系統中實現動態的設備操作更改、用戶接口定制和設備互聯等；

(7)Net接口：用于與家庭寬帶網或外部高速網互聯通信。

這些接口按照功能可分為兩類：

(1)面向上層應用：用戶接口、設備操作接口、AI（人工智能接口）和應用服務接口等；

(2)面向底層硬件及數據訪問:底層通信網絡接口(如LonWorks、ZigBee、X-10 等)、數據庫接口和 Net接口等。

由于缺乏標準的通信接口，在實際應用中很難將各種硬件設備和用戶應用集成到一個系統當中。這個問題可以通過適配器和轉換器部分解決，但存在很多限制。實際中，多種聯網技術代替單一技術可能為家庭控制網絡提供一種更理想的解決方案，例如考慮節能、協議開放性、互操作性及成本效益，控制主干網可采用HomePlug C&C與 ZigBee結合的方案[9]。而在老房子中組建家庭控制網絡,可能采用X-10與ZigBee的結合更加合適[10]。這些情況下,就要求智能家居核心控制單元具有多種基礎硬件網絡的訪問接口，能同時處理多個現場網絡設備的數據并進行控制，如圖1所示。

圖1 點對點接口訪問機制

從圖1可以看出,在點對點的接口訪問機制下,每增加或變換一種底層外部網絡系統，核心控制單元需提供相應的協議接口，核心控制單元中高層接口與底層接口之間的訪問復雜度將線性增加，這將大大增加核心控制單元數據處理負擔。在實際應用中,有的智能家居系統方案甚至要求核心控制單元支持所有適用于家庭網絡控制的網絡技術。

在現有應用中，Net接口除了實現與家庭寬帶網絡或外部高速網絡互聯通信外,并沒有實現直接面向Internet的遠程智能監控,這跟當前核心控制單元復雜的接口訪問機制是密切相關的[11]。

另外，在一個定制的家庭控制網絡中，為了充分利用新的設備，基礎控制網絡和用戶接口都可能需要作較大的調整。即使協議和網絡都能夠滿足在系統運行中添加設備，仍需要解決動態用戶接口修改以適應基礎網絡架構的變化，這也需要一種更加靈活的核心控制單元接口訪問機制來簡化這種操作。

3 通用接口訪問機制

以一種中間件的形式,為上層應用接口和底層硬件/協議接口提供一個通用的接口訪問與協議適配層,將點對點接口訪問機制轉化為基于適配層的總線式接口訪問機制，如圖2所示。該適配層分離上層應用和底層通信協議，將上層應用接口從具體的硬件中抽象出來，同時將底層硬件接口從上層應用中剝離出去，從而簡化接口訪問和協議適配。

圖2 基于通用適配層的接口訪問機制

3.1 通用接口與協議適配層

根據數據流向，適配層主要完成兩個方向的通信工作：(1)下行：將從上層應用接口接收到的上層請求通過具體的硬件/協議驅動接口執行；(2)上行：將從底層硬件驅動接口接收到的狀態數據實時準確地傳送到具體的上層應用接口。由此可以看出，適配層設計中的關鍵是建立一種上層應用接口和底層硬件接口具體實例之間的綁定關系及內部接口層面之間的通信機制。其中，綁定關系可以通過上層應用接口實例的某種唯一標識與底層硬件接口實例的唯一協議地址建立綁定實現。內部接口層面之間的通信機制可采用消息機制實現，如圖3所示。消息機制能很好地體現智能家居關聯的活動場景是基于動作事件觸發的一系列行為和事件處理過程，而不是一些離散的操作命令列表。消息隊列服務是一種松耦合的分布式應用集成形式。發送者將消息發送到消息服務器，消息服務器將消息存放在若干隊列中，在適當的時候再將消息轉發給接收者。這種模式下，發送和接收是異步的，發送者無需等待，兩者的生命周期也未必相同。消息機制同時也支持一對多通信，即一個消息可以有多個接收者。消息隊列服務系統處理高并發服務是一技術難點，使用異步I/O機制，處理好進程與線程的關系是又一技術關鍵所在。實現中可采用多種同步機制同步異步操作模式，如超時、等待I/O操作完成、等待值變化、公共消息板等。

圖3 通用適配層工作機制

3.2 上層應用接口

基于適配層的上層應用接口經過進一步抽象后，將提供以原子數據(整形、浮點型等數據)為單位的訪問接口，操作類型也僅開放最通用的原語操作命令。如，“Get”和“Set”命令用來在應用層面獲取/設置原子數據的狀態和動作，“Send/Action”和“Request”命令用于執行硬件操作和獲取硬件狀態，“Alarm”和“Indicator”用于模式告警和狀態指示等。這種改變將原來由核心控制單元實現的用戶接口、設備操作接口和應用服務接口等接口模塊從核心控制單元中剝離出去，由具體對應的應用模塊去實現，核心控制單元不需要知道這些命令的意義，將大大降低核心控制單元的復雜度和數據處理負擔。圖4描述了燈光控制系統中的接口通信，這種方式下可以靈活滿足多種監控終端對同一硬件系統的統一操作。

圖4 燈光控制中的接口通信

3.3 統一的底層硬件封裝接口

基于適配層的底層硬件接口將為底層硬件提供統一的無縫集成機制，各種底層通信網絡可以通過這些接口無縫集成到整個系統中，如圖2所示。每一種集成到系統中的硬件設備或網絡都將形成一個獨立的驅動接口類型，這個驅動接口根據綁定的原子數據單元完成相關的硬件I/O操作。進一步地，其他接口（除上層應用訪問接口外，如AI接口、Net接口等）都可以被抽象為虛擬的底層硬件接口，這種技術類似于Linux中對外部設備的虛擬文件管理。其中Net接口可被抽象為適配層下的一個虛擬硬件接口，并完全封裝整個TCP/IP協議簇，建立基于Socket的端到端數據傳輸，提供S/S遠程訪問和監測機制，從而為直接面向Internet的遠程智能監控提供一種可行的應用級解決方案。

4 基于適配層的數據訪問和事件觸發

在智能家庭控制系統中，一個高效的事件管理機制是非常重要的。常規的事件觸發一般在高層應用完成，通過檢查或獲取傳感器的狀態數據進行智能分析判斷，然后直接或者根據場景定義觸發一系列的事件，由相應的控制器完成操作。基于通用的接口訪問機制，多個應用終端可以實現靈活的數據訪問，且這種操作不耗費系統資源和性能。另外，通過適配層上的事件管理接口，可直接實現多個相關的硬件系統之間的簡易事件觸發機制，減少核心控制單元的處理負擔，從而提高系統執行效率。

核心控制單元是智能家庭控制系統的控制心臟，各種應用和硬件系統最終通過各種接口連接到核心控制單元。由于缺乏標準的通信接口，目前核心控制單元只能在眾多上層應用接口和底層硬件接口之間建立點對點的接口訪問機制，實現復雜，性能差。以中間件形式提供通用接口和協議適配層，分離上層應用和底層硬件，將點對點的接口訪問方式轉化為基于適配層的總線式接口訪問機制。這種通用的接口訪問機制，將從根本上改變智能家庭控制系統的體系架構，提高設備和用戶接口的使用率和使用質量，降低整體成本。另外基于現有的通信協議標準和基礎網絡架構，這種機制可以應用在任何家庭控制系統上。

事實表明，當前可用于智能家居領域的各種技術已非常成熟，能為智能家用設備提供合適的基礎網絡及方便易用的用戶接口。雖然在核心控制機制、事件管理、統一標準等方面仍需不斷改進，但已具備各種成熟技術的智能家居體系將在未來10年內獲得巨大發展[12]。在下一階段的工作中，主要完成兩方面內容：將通用接口訪問機制運用到實際的智能控制環境及研究適配層對監控流數據的支持方法。

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