隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，社會(huì)信息化程度越來(lái)越高，物聯(lián)網(wǎng)的推出是時(shí)代發(fā)展的需要，“三網(wǎng)合一”、“三屏合一”等新概念不斷提出，智能家居成為未來(lái)家居的發(fā)展方向[1]。智能家居在兩個(gè)方面具有重要作用：(1)家居智能化，繼而實(shí)現(xiàn)住戶舒適最大化，家庭安全最大化。智能家居通過(guò)其智能家庭控制系統(tǒng)幫助人們改進(jìn)生活方式，重新安排每天的時(shí)間計(jì)劃表，并為高質(zhì)量的生活環(huán)境提供安全保障[2]。(2)智能家居的另一個(gè)重要作用是降低能源消耗，操作成本最小化，幫助人們節(jié)約日常能源消耗開(kāi)支[3]。
    智能家居主要通過(guò)智能家庭控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，家庭控制網(wǎng)絡(luò)是實(shí)現(xiàn)智能家庭控制系統(tǒng)的關(guān)鍵。近幾年，各種家庭網(wǎng)絡(luò)推進(jìn)組織相繼成立，并各自推出了相關(guān)建議和標(biāo)準(zhǔn)，但這些技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)缺乏統(tǒng)一的通信接口，相互間不兼容,無(wú)法提供家庭控制網(wǎng)絡(luò)的完整解決方案。因此，智能家居研究者面臨的最大挑戰(zhàn)和機(jī)遇是家用電子領(lǐng)域缺乏統(tǒng)一的通信標(biāo)準(zhǔn)和互操作協(xié)議。
1 家庭控制網(wǎng)絡(luò)中的主要聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)
    在家庭控制網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域出現(xiàn)的眾多技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)中，最受研究者和設(shè)備制造商關(guān)注的是家庭現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)（適用于家庭控制網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)）和短距離低速率無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)[2]。其中，家庭現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)根據(jù)通信介質(zhì)不同可分為三個(gè)子類(lèi)：
    (1)PLC(Power Line Communication)技術(shù):利用現(xiàn)有的電力線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,主要是北美標(biāo)準(zhǔn),包括X-10、INSTEON、HomePlug C&C、CEBus、LonWorks和PLC-BUS等，其中CEBus 和LonWorks也可通過(guò)雙絞線、同軸電纜、無(wú)線等介質(zhì)實(shí)現(xiàn)通信；
    (2)HBS：日本家庭總線系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)，采用雙絞線或同軸電纜作為傳輸介質(zhì)；
    (3)EIB：歐洲安裝總線標(biāo)準(zhǔn)，也可采用雙絞線、同軸電纜、無(wú)線等介質(zhì)實(shí)現(xiàn)通信。
    基于短距離低速率的無(wú)線通信技術(shù)主要包括：紅外、無(wú)線射頻、藍(lán)牙、802.15.4/ZigBee和Z-Wave等。
    在家庭自動(dòng)化中，各種技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)都有自己的優(yōu)缺點(diǎn)，不同標(biāo)準(zhǔn)間的差異較大，缺乏統(tǒng)一的通信接口和協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，相互間并不兼容，沒(méi)有一種技術(shù)能夠?yàn)榧彝タ刂凭W(wǎng)絡(luò)提供理想的解決方案[4-7]。
2 點(diǎn)對(duì)點(diǎn)接口訪問(wèn)機(jī)制
    核心控制單元是整個(gè)智能家居控制系統(tǒng)的心臟。核心控制單元將各種設(shè)備和應(yīng)用集成在一個(gè)同步的環(huán)境中，監(jiān)視設(shè)備狀態(tài)，發(fā)出控制命令，管理預(yù)設(shè)的生活場(chǎng)景，并與外部網(wǎng)絡(luò)通信。在一個(gè)通用的智能家居體系結(jié)構(gòu)中，核心控制單元至少應(yīng)包含下列接口：
    (1)用戶接口:提供用戶訪問(wèn)設(shè)備和應(yīng)用服務(wù)的接口;
    (2)設(shè)備操作接口：提供對(duì)各種設(shè)備功能和控制操作的接口;
    (3)底層網(wǎng)絡(luò)通信接口：提供底層通信網(wǎng)絡(luò)接入的協(xié)議驅(qū)動(dòng)和硬件接口;
    (4)AI接口[8]：提供訪問(wèn)人工智能模塊的接口;
    (5)數(shù)據(jù)庫(kù)接口：提供訪問(wèn)系統(tǒng)活動(dòng)數(shù)據(jù)庫(kù)的接口,數(shù)據(jù)庫(kù)主要存儲(chǔ)用戶命令、設(shè)備命令、住戶動(dòng)作記錄、場(chǎng)景定義等；
    (6)應(yīng)用服務(wù)接口：提供添加新軟件模塊的接口，從而在整個(gè)智能家居系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)的設(shè)備操作更改、用戶接口定制和設(shè)備互聯(lián)等；
    (7)Net接口：用于與家庭寬帶網(wǎng)或外部高速網(wǎng)互聯(lián)通信。
　    這些接口按照功能可分為兩類(lèi)：
    (1)面向上層應(yīng)用：用戶接口、設(shè)備操作接口、AI（人工智能接口）和應(yīng)用服務(wù)接口等；
    (2)面向底層硬件及數(shù)據(jù)訪問(wèn):底層通信網(wǎng)絡(luò)接口(如LonWorks、ZigBee、X-10等)、數(shù)據(jù)庫(kù)接口和Net接口等。
    由于缺乏標(biāo)準(zhǔn)的通信接口，在實(shí)際應(yīng)用中很難將各種硬件設(shè)備和用戶應(yīng)用集成到一個(gè)系統(tǒng)當(dāng)中。這個(gè)問(wèn)題可以通過(guò)適配器和轉(zhuǎn)換器部分解決，但存在很多限制。實(shí)際中，多種聯(lián)網(wǎng)技術(shù)代替單一技術(shù)可能為家庭控制網(wǎng)絡(luò)提供一種更理想的解決方案，例如考慮節(jié)能、協(xié)議開(kāi)放性、互操作性及成本效益，控制主干網(wǎng)可采用HomePlug C&C 與ZigBee結(jié)合的方案[9]。而在老房子中組建家庭控制網(wǎng)絡(luò),可能采用X-10與ZigBee的結(jié)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(chǔ)硬件網(wǎng)絡(luò)的訪問(wèn)接口，能同時(shí)處理多個(gè)現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的數(shù)據(jù)并進(jìn)行控制，如圖1所示。

    從圖1可以看出,在點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的接口訪問(wèn)機(jī)制下,每增加或變換一種底層外部網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，核心控制單元需提供相應(yīng)的協(xié)議接口，核心控制單元中高層接口與底層接口之間的訪問(wèn)復(fù)雜度將線性增加，這將大大增加核心控制單元數(shù)據(jù)處理負(fù)擔(dān)。在實(shí)際應(yīng)用中,有的智能家居系統(tǒng)方案甚至要求核心控制單元支持所有適用于家庭網(wǎng)絡(luò)控制的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。
    在現(xiàn)有應(yīng)用中，Net接口除了實(shí)現(xiàn)與家庭寬帶網(wǎng)絡(luò)或外部高速網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)通信外,并沒(méi)有實(shí)現(xiàn)直接面向Internet的遠(yuǎn)程智能監(jiān)控,這跟當(dāng)前核心控制單元復(fù)雜的接口訪問(wèn)機(jī)制是密切相關(guān)的[11]。
    另外，在一個(gè)定制的家庭控制網(wǎng)絡(luò)中，為了充分利用新的設(shè)備，基礎(chǔ)控制網(wǎng)絡(luò)和用戶接口都可能需要作較大的調(diào)整。即使協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)都能夠滿足在系統(tǒng)運(yùn)行中添加設(shè)備，仍需要解決動(dòng)態(tài)用戶接口修改以適應(yīng)基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的變化，這也需要一種更加靈活的核心控制單元接口訪問(wèn)機(jī)制來(lái)簡(jiǎn)化這種操作。
3 通用接口訪問(wèn)機(jī)制
    以一種中間件的形式,為上層應(yīng)用接口和底層硬件/協(xié)議接口提供一個(gè)通用的接口訪問(wèn)與協(xié)議適配層,將點(diǎn)對(duì)點(diǎn)接口訪問(wèn)機(jī)制轉(zhuǎn)化為基于適配層的總線式接口訪問(wèn)機(jī)制，如圖2所示。該適配層分離上層應(yīng)用和底層通信協(xié)議，將上層應(yīng)用接口從具體的硬件中抽象出來(lái)，同時(shí)將底層硬件接口從上層應(yīng)用中剝離出去，從而簡(jiǎn)化接口訪問(wèn)和協(xié)議適配。

       
3.1 通用接口與協(xié)議適配層
    根據(jù)數(shù)據(jù)流向，適配層主要完成兩個(gè)方向的通信工作：(1)下行：將從上層應(yīng)用接口接收到的上層請(qǐng)求通過(guò)具體的硬件/協(xié)議驅(qū)動(dòng)接口執(zhí)行；(2)上行：將從底層硬件驅(qū)動(dòng)接口接收到的狀態(tài)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地傳送到具體的上層應(yīng)用接口。由此可以看出，適配層設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵是建立一種上層應(yīng)用接口和底層硬件接口具體實(shí)例之間的綁定關(guān)系及內(nèi)部接口層面之間的通信機(jī)制。其中，綁定關(guān)系可以通過(guò)上層應(yīng)用接口實(shí)例的某種唯一標(biāo)識(shí)與底層硬件接口實(shí)例的唯一協(xié)議地址建立綁定實(shí)現(xiàn)。內(nèi)部接口層面之間的通信機(jī)制可采用消息機(jī)制實(shí)現(xiàn)，如圖3所示。消息機(jī)制能很好地體現(xiàn)智能家居關(guān)聯(lián)的活動(dòng)場(chǎng)景是基于動(dòng)作事件觸發(fā)的一系列行為和事件處理過(guò)程，而不是一些離散的操作命令列表。消息隊(duì)列服務(wù)是一種松耦合的分布式應(yīng)用集成形式。發(fā)送者將消息發(fā)送到消息服務(wù)器，消息服務(wù)器將消息存放在若干隊(duì)列中，在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候再將消息轉(zhuǎn)發(fā)給接收者。這種模式下，發(fā)送和接收是異步的，發(fā)送者無(wú)需等待，兩者的生命周期也未必相同。消息機(jī)制同時(shí)也支持一對(duì)多通信，即一個(gè)消息可以有多個(gè)接收者。消息隊(duì)列服務(wù)系統(tǒng)處理高并發(fā)服務(wù)是一技術(shù)難點(diǎn)，使用異步I/O機(jī)制，處理好進(jìn)程與線程的關(guān)系是又一技術(shù)關(guān)鍵所在。實(shí)現(xiàn)中可采用多種同步機(jī)制同步異步操作模式，如超時(shí)、等待I/O操作完成、等待值變化、公共消息板等。

3.2上層應(yīng)用接口
    基于適配層的上層應(yīng)用接口經(jīng)過(guò)進(jìn)一步抽象后，將提供以原子數(shù)據(jù)(整形、浮點(diǎn)型等數(shù)據(jù))為單位的訪問(wèn)接口，操作類(lèi)型也僅開(kāi)放最通用的原語(yǔ)操作命令。如，“Get”和“Set”命令用來(lái)在應(yīng)用層面獲取/設(shè)置原子數(shù)據(jù)的狀態(tài)和動(dòng)作，“Send/Action”和“Request”命令用于執(zhí)行硬件操作和獲取硬件狀態(tài)，“Alarm”和“Indicator”用于模式告警和狀態(tài)指示等。這種改變將原來(lái)由核心控制單元實(shí)現(xiàn)的用戶接口、設(shè)備操作接口和應(yīng)用服務(wù)接口等接口模塊從核心控制單元中剝離出去，由具體對(duì)應(yīng)的應(yīng)用模塊去實(shí)現(xiàn)，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(fù)雜度和數(shù)據(jù)處理負(fù)擔(dān)。圖4描述了燈光控制系統(tǒng)中的接口通信，這種方式下可以靈活滿足多種監(jiān)控終端對(duì)同一硬件系統(tǒng)的統(tǒng)一操作。

3.3 統(tǒng)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(tǒng)一的無(wú)縫集成機(jī)制，各種底層通信網(wǎng)絡(luò)可以通過(guò)這些接口無(wú)縫集成到整個(gè)系統(tǒng)中，如圖2所示。每一種集成到系統(tǒng)中的硬件設(shè)備或網(wǎng)絡(luò)都將形成一個(gè)獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)接口類(lèi)型，這個(gè)驅(qū)動(dòng)接口根據(jù)綁定的原子數(shù)據(jù)單元完成相關(guān)的硬件I/O操作。進(jìn)一步地，其他接口（除上層應(yīng)用訪問(wèn)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(shù)類(lèi)似于Linux中對(duì)外部設(shè)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(gè)虛擬硬件接口，并完全封裝整個(gè)TCP/IP協(xié)議簇，建立基于Socket的端到端數(shù)據(jù)傳輸，提供S/S遠(yuǎn)程訪問(wèn)和監(jiān)測(cè)機(jī)制，從而為直接面向Internet的遠(yuǎn)程智能監(jiān)控提供一種可行的應(yīng)用級(jí)解決方案。
4 基于適配層的數(shù)據(jù)訪問(wèn)和事件觸發(fā)
    在智能家庭控制系統(tǒng)中，一個(gè)高效的事件管理機(jī)制是非常重要的。常規(guī)的事件觸發(fā)一般在高層應(yīng)用完成，通過(guò)檢查或獲取傳感器的狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行智能分析判斷，然后直接或者根據(jù)場(chǎng)景定義觸發(fā)一系列的事件，由相應(yīng)的控制器完成操作。基于通用的接口訪問(wèn)機(jī)制，多個(gè)應(yīng)用終端可以實(shí)現(xiàn)靈活的數(shù)據(jù)訪問(wèn)，且這種操作不耗費(fèi)系統(tǒng)資源和性能。另外，通過(guò)適配層上的事件管理接口，可直接實(shí)現(xiàn)多個(gè)相關(guān)的硬件系統(tǒng)之間的簡(jiǎn)易事件觸發(fā)機(jī)制，減少核心控制單元的處理負(fù)擔(dān)，從而提高系統(tǒng)執(zhí)行效率。
    核心控制單元是智能家庭控制系統(tǒng)的控制心臟，各種應(yīng)用和硬件系統(tǒng)最終通過(guò)各種接口連接到核心控制單元。由于缺乏標(biāo)準(zhǔn)的通信接口，目前核心控制單元只能在眾多上層應(yīng)用接口和底層硬件接口之間建立點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的接口訪問(wèn)機(jī)制，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜，性能差。以中間件形式提供通用接口和協(xié)議適配層，分離上層應(yīng)用和底層硬件，將點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的接口訪問(wèn)方式轉(zhuǎn)化為基于適配層的總線式接口訪問(wèn)機(jī)制。這種通用的接口訪問(wèn)機(jī)制，將從根本上改變智能家庭控制系統(tǒng)的體系架構(gòu)，提高設(shè)備和用戶接口的使用率和使用質(zhì)量，降低整體成本。另外基于現(xiàn)有的通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)和基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，這種機(jī)制可以應(yīng)用在任何家庭控制系統(tǒng)上。
    事實(shí)表明，當(dāng)前可用于智能家居領(lǐng)域的各種技術(shù)已非常成熟，能為智能家用設(shè)備提供合適的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)及方便易用的用戶接口。雖然在核心控制機(jī)制、事件管理、統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)等方面仍需不斷改進(jìn)，但已具備各種成熟技術(shù)的智能家居體系將在未來(lái)10年內(nèi)獲得巨大發(fā)展[12]。在下一階段的工作中，主要完成兩方面內(nèi)容：將通用接口訪問(wèn)機(jī)制運(yùn)用到實(shí)際的智能控制環(huán)境及研究適配層對(duì)監(jiān)控流數(shù)據(jù)的支持方法。
參考文獻(xiàn)
[1] RICQUEBOURG V, MENGA D, DURAND D, et al. The smart home concept: our immediate future. 1st IEEE International Conference on E-Learning in Industrial Electronics, Dec. 2006:23-28.
[2] CHENG Jin, KUNZ T.A survey on smart home networking. Carleton University, Systems and Computer Engineering,  Technical Report SCE-09-10, September 2009.
[3] WILLIAMS E D, MATTHEWS H S. Scoping the potential of monitoring and control technologies to reduce energy use in homes.Proceedings of the 2007 IEEE International Symposium on Electronics & the Environment, 2007(5):239-244.
[4] LIN Yu Ju, LATCHMAN H A, LEE M,et al. A power line communication network infrastructure for the smart home [J].IEEE Wireless Communications, 2002，9(6):104-111.
[5] CHUNDURU V, SUBRAMANIAN N.Effects of power lines on performance of home control system. International Conference on Power Electronics, Drives and Energy Systems, Dec. 2006:1-6.
[6] SURIE D, LAGUIONIE O, PEDERSON T. Wireless sensor  networking of everyday objects in a smart home environment. International Conference on Intelligent Sensors, Sensor Networks and Information Processing, Dec. 2008:189-194.
[7] FERRARI G, MEDAGLIANI P,PIAZZA S D, et al.Wireless sensor networks: performance analysis in indoor scenarios. EURASIP Journal on Wireless Communications and  Networking, Volume 2007, Article ID 81864:14.
[8] COOK D J. YOUNGBLOOD M. MavHome: an agent-based  smart home. Proceedings of the First IEEE International Conference on Digital Object Identifier，PerCom 2003: 521-524.[9] The ZigBee + HomePlug Smart Energy Marketing Requirements Document. Draft Revision 1.0, March 11, 2009.    http://www.homeplug.org/products/ZBHP_SE_MRD_090624.pdf.
[10] KAILA L，MIKKONEN J. The eHome-a practical smart  home implementation.Pervasive 2008.
[11] TSOU Yu Ping, HSIEH Jun Wei, LIN Cheng Ting, et al. Building a remote supervisory control network system for smart home applications.IEEE International Conference on Systems, Man and Cybernetics, Volume 3, Oct. 2006:1826-1830.
[12] BREGMAN D, KORMAN A. A universal implementation  model of the smart home[J].International Journal of Smart Home, 2009,3(3).