智慧家庭中基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的個(gè)性化搜索服務(wù)設(shè)計(jì)

文 學(xué) 張普釗 胡燕飛

（1.中國移動(dòng)通信集團(tuán)重慶有限公司，重慶 400062；2.中國電信股份有限公司重慶網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控維護(hù)中心，重慶 400062）

1 引言

智慧家庭市場(chǎng)是最具潛力的新興信息消費(fèi)市場(chǎng)。智慧家庭服務(wù)系統(tǒng)中涉及的業(yè)務(wù)領(lǐng)域廣泛、服務(wù)參與者和角色眾多、交互過程復(fù)雜、多方協(xié)作要求高，在使用方式、交互模式、系統(tǒng)架構(gòu)等方面均有其特殊性，因而對(duì)業(yè)務(wù)系統(tǒng)的流程分析、過程建模、系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)技術(shù)等方面提出了新的要求。

物聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn)為家庭網(wǎng)絡(luò)的新型個(gè)性化服務(wù)啟發(fā)了新的思路。物聯(lián)網(wǎng)是以感知客觀物理世界為目的，實(shí)現(xiàn)“物物互聯(lián)、感知世界”的綜合信息系統(tǒng)，它被稱為是繼計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)通信網(wǎng)之后信息技術(shù)革命的第三次浪潮，是信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展的又一重大里程碑。物聯(lián)網(wǎng)的本質(zhì)是通過可獲取物理實(shí)體狀態(tài)信息的嵌入式傳感器件進(jìn)行狀態(tài)信息的采集，通過可融合各種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的泛在網(wǎng)進(jìn)行信息的可靠傳輸，通過可處理海量數(shù)據(jù)的信息處理系統(tǒng)進(jìn)行信息智能加工及決策。研究表明，到2017年物聯(lián)網(wǎng)的machine-to-machine的市場(chǎng)需求將達(dá)到2900億美元，而物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與智慧家庭的有機(jī)融合，將家中的電視、計(jì)算機(jī)、移動(dòng)設(shè)備、電表、照明燈具、家電、電源插座和傳感器以及外部的服務(wù)“連接”在一起，必將會(huì)為中國的經(jīng)濟(jì)帶來新的增長點(diǎn)，并極大地便利用戶的日常生活。

目前，越來越多的具有聯(lián)網(wǎng)功能的智能硬件設(shè)備應(yīng)用到人們的家庭中。如基 于Web技術(shù)的業(yè)務(wù)pachube.com， Xively，及微軟的 SenseWeb，通過提供應(yīng)用程序接口的方式將如空調(diào)、熱水器的溫度、室內(nèi)空氣的濕度、植株生長狀態(tài)等結(jié)構(gòu)化的傳感器數(shù)據(jù)發(fā)布到了物聯(lián)網(wǎng)中。聯(lián)網(wǎng)智能設(shè)備的廣泛普及極大地推動(dòng)了家庭個(gè)性化搜索服務(wù)的發(fā)展，在未來的家庭生活中，用戶將可通過運(yùn)營商的移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，在戶外搜索查詢滿足需求的家庭網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部智能設(shè)備的狀態(tài)。

圖1 新型個(gè)性化家庭網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

然而，目前的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建為傳統(tǒng)的互聯(lián)網(wǎng)解決方案，其搜索對(duì)象僅為文本、圖片、視頻、音頻等靜態(tài)或緩變的非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，尚未出現(xiàn)針對(duì)家庭網(wǎng)絡(luò)個(gè)性化搜索服務(wù)的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建方案。因此，本文提出了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的新型家庭網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建方案，并設(shè)計(jì)了適用于家庭用戶個(gè)性化搜索服務(wù)的流程，為家庭網(wǎng)絡(luò)個(gè)性化搜索業(yè)務(wù)的發(fā)展提供了理論基礎(chǔ)。

2 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的新型家庭網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建方案

傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)搜索方式需要對(duì)網(wǎng)絡(luò)中所有對(duì)象依次進(jìn)行遍歷訪問，并將對(duì)象的反饋結(jié)果與用戶搜索的內(nèi)容進(jìn)行匹配。傳統(tǒng)的搜索方式與網(wǎng)絡(luò)形態(tài)的通信開銷將隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的增大呈現(xiàn)出幾何倍增長。因此，有必要結(jié)合家庭網(wǎng)絡(luò)的特征，設(shè)計(jì)適用于家庭用戶個(gè)性化搜索的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。

新型個(gè)性化家庭網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1所示。它由客戶端、上層網(wǎng)關(guān)、家庭網(wǎng)關(guān)、預(yù)測(cè)模型數(shù)據(jù)庫、家用傳感器群五部分構(gòu)成。用戶通過客戶端發(fā)出個(gè)性化搜索請(qǐng)求；上層網(wǎng)關(guān)為層次化結(jié)構(gòu)，負(fù)責(zé)搜索請(qǐng)求的下發(fā)及家用傳感器上報(bào)數(shù)據(jù)的收集；預(yù)測(cè)模型數(shù)據(jù)庫用于存儲(chǔ)傳感器上報(bào)的歷史數(shù)據(jù)與預(yù)測(cè)模型；家用傳感器嵌入在家用設(shè)備中，用于采集電視、冰箱等家電狀態(tài)或水表、電表等能源消耗數(shù)據(jù)。

上層網(wǎng)關(guān)分布在Internet中，每個(gè)上層網(wǎng)關(guān)負(fù)責(zé)一個(gè)或多個(gè)小區(qū)的家庭網(wǎng)絡(luò)。家庭網(wǎng)關(guān)負(fù)責(zé)管理家庭網(wǎng)絡(luò)中的智能硬件的組網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)服務(wù)發(fā)現(xiàn)功能。預(yù)測(cè)模型數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)傳感器發(fā)布的預(yù)測(cè)模型。家庭網(wǎng)關(guān)與預(yù)測(cè)模型數(shù)據(jù)庫關(guān)聯(lián)，并周期性地爬取傳感器發(fā)布的web頁面來獲取傳感器當(dāng)前的讀數(shù)或預(yù)測(cè)模型。

圖2 基于新型家庭網(wǎng)絡(luò)的智能設(shè)備搜索流程

圖3 不同搜索次數(shù)下的搜索流程通信開銷對(duì)比

圖4 不同運(yùn)行時(shí)間下的搜索流程通信開銷對(duì)比

用戶可通過客戶端在戶外查詢家庭網(wǎng)絡(luò)中冰箱、空調(diào)、窗簾等智能設(shè)備的狀態(tài)，并可下發(fā)指令至對(duì)應(yīng)的硬件平臺(tái)。客戶端通過GUI界面發(fā)起搜索請(qǐng)求，用戶請(qǐng)求首先由上層網(wǎng)關(guān)進(jìn)行處理，按照地理位置等具有區(qū)分度的信息進(jìn)行分類，并下發(fā)到家庭網(wǎng)關(guān)進(jìn)行搜索。

未來的智慧家庭中具有短距無線通信與組網(wǎng)能力的智能硬件將日益普及，與傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)中搜索對(duì)象為靜態(tài)或偽靜態(tài)數(shù)據(jù)不同，智慧家庭中的搜索對(duì)象為海量的狀態(tài)動(dòng)態(tài)變化的家用設(shè)備，為保證家庭用戶個(gè)性化搜索的時(shí)效性與可靠性，使得搜索過程快速收斂，區(qū)別與傳統(tǒng)的家庭網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建方式，本文為每個(gè)智能化的家用設(shè)備構(gòu)建了可反應(yīng)其狀態(tài)變化趨勢(shì)的預(yù)測(cè)模塊，從而估計(jì)家用智能設(shè)備匹配用戶搜索的概率，以提高搜索引擎的搜索效率。

3 個(gè)性化搜索服務(wù)流程設(shè)計(jì)

如前所述，由于面向海量智能家用設(shè)備，因此適用于搜索服務(wù)的家庭網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的設(shè)計(jì)有其特殊性。本部分將提出適用的智能設(shè)備搜索方案，以降低家庭網(wǎng)絡(luò)的能耗與通信開銷。設(shè)計(jì)流程如圖2所示。

步驟1：首先，家用設(shè)備需構(gòu)建可估計(jì)其狀態(tài)變化的預(yù)測(cè)模型，并在上報(bào)周期內(nèi)采用無線通信技術(shù)（如ZigBee、藍(lán)牙等）上傳至家庭網(wǎng)關(guān)。

步驟2：其次，家庭網(wǎng)關(guān)在周期性地收集傳感器上報(bào)的預(yù)測(cè)模型后，將之存入預(yù)測(cè)模型數(shù)據(jù)庫中，以備后續(xù)快速定位滿足用戶需求的家用設(shè)備。

步驟3：然后，用戶可在戶外通過客戶端經(jīng)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)起全局搜索請(qǐng)求，也可在家庭內(nèi)部通過直接與家庭網(wǎng)絡(luò)通信的方式進(jìn)行局部搜索。

步驟4：上層網(wǎng)關(guān)負(fù)責(zé)響應(yīng)用戶發(fā)起的搜索請(qǐng)求，并按照地理位置等具有區(qū)分度的信息將搜索請(qǐng)求下發(fā)到對(duì)應(yīng)的家庭網(wǎng)關(guān)進(jìn)行設(shè)備的進(jìn)一步搜索。

步驟5：家庭網(wǎng)關(guān)在接收到上層網(wǎng)關(guān)下發(fā)的搜索命令后，將訪問本地的預(yù)測(cè)模型數(shù)據(jù)庫，搜索滿足用戶搜索要求的家庭設(shè)備，并估計(jì)家庭設(shè)備匹配用戶搜索內(nèi)容的概率，進(jìn)而，將匹配設(shè)備按照概率降序上報(bào)至上層網(wǎng)關(guān)。

步驟6：上層網(wǎng)關(guān)將接收到的搜索結(jié)果進(jìn)行匯聚，并依據(jù)匹配概率再次進(jìn)行融合排序，按找順序向家庭網(wǎng)關(guān)發(fā)起驗(yàn)證命令，進(jìn)行智能設(shè)備的進(jìn)一步狀態(tài)驗(yàn)證。

步驟7：家庭網(wǎng)關(guān)按照上層網(wǎng)關(guān)的命令對(duì)選中的家庭設(shè)備進(jìn)行匹配驗(yàn)證，并將驗(yàn)證結(jié)果反饋給上層網(wǎng)關(guān)。

步驟8：最后，由上層網(wǎng)關(guān)將將驗(yàn)證后的搜索結(jié)果返回給用戶。

4 驗(yàn)證

本文采用Intel Berkeley實(shí)驗(yàn)室實(shí)測(cè)的54個(gè)傳感器，驗(yàn)證所提新型智慧家庭網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與搜索流程（Smart search）的有效性，并與典型方法（Random search）進(jìn)行了性能對(duì)比。性能指標(biāo)為家庭網(wǎng)絡(luò)搜索的通信開銷。計(jì)算機(jī)仿真軟件環(huán)境為Matlab R2014a，仿真結(jié)果均為運(yùn)行20次后的平均值。

如圖3所示，在不同搜索次數(shù)條件下，所提Smart search方法較隨機(jī)搜索Random search方法在通信開銷方面減少了約21%。圖4中，在不同運(yùn)行時(shí)間下，Smart search較Random search在通信開銷方面平均減少了19%，可大大降低智慧家庭網(wǎng)絡(luò)的功耗，延長家庭網(wǎng)絡(luò)硬件設(shè)備的工作壽命。這是由于Smart search方法建立了對(duì)智慧化的家用設(shè)備的狀態(tài)預(yù)測(cè)機(jī)制，可快速、準(zhǔn)確定位用戶所需家庭設(shè)備，并反饋設(shè)備的當(dāng)前狀態(tài)。因此，Smart search可大大降低家庭網(wǎng)絡(luò)的通信開銷。

結(jié)語

物聯(lián)網(wǎng)與智慧家庭的有機(jī)融合必將極大地改變目前人們的日常生活方式，促進(jìn)家庭生活向智慧化、個(gè)性化方向發(fā)展。本文提出適用于智慧家庭中智能硬件設(shè)備搜索的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，設(shè)計(jì)了可擴(kuò)展、低開銷的搜索方案。經(jīng)仿真驗(yàn)證表明，所提網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)與搜索流程可大幅降低家庭網(wǎng)絡(luò)的通信開銷。

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