智能家居系统体系架构设计

侯洪凤，王立娟，何丹丹，王建鹏

（1.大连科技学院 辽宁 大连 116052；2.山东水泥厂有限公司 山东 济南 250116）

智能家居系统体系架构设计

侯洪凤1，王立娟1，何丹丹1，王建鹏2

（1.大连科技学院 辽宁 大连 116052；2.山东水泥厂有限公司 山东 济南 250116）

养老智能化就是通过智能家居系统的设施来实现用户和家居设备间的信息交互与通信，营造安全、舒适的居家环境。为提高老年居民生活的便利性、安全性，为用户提供更具个性化、人性化的服务，本文在采用web服务的SOA的理念和csp的AI技术构建的智能家居系统体系架构的基础上增加了用户推介功能，可为用户提供更具个性化、智能性服务满足老年人的多样化需求。

智能家居系统；体系架构；动态组合；用户推介

随着我国人口老龄化日益加剧，“养老”已经成为社会普遍关注的热点问题，目前主要有居家养老、社区养老和机构养老等模式。世界卫生组织调查显示，居家养老既符合我国的传统文化习俗，又可使得老人和周围环境融为一体心理更加健康，所以他们会更倾向于传统的居家养老。智能家居系统可为老年人提供生活照料、健康管理、安全监控等服务，为居家养老的实行提供必要的技术支持。

刘荣辉等基于智能家居控制的一种非特定人孤立词的语音识别系统。陈卯纯等基于当今物联网和相关技术的发展以及智能家居的现状，提出了一种新型人机交互的信息处理模型。文献［1］提出的基于web服务的SOA的理念和csp的AI技术的智能家居系统体系架构可针对具体的外部环境实现服务的动态组合。文中在文献［1］提出的架构基础上进行了改进，增加了用户推荐模块，以解决用户端信息过载问题，为用户端推送有效和需要的服务信息。

1　相关技术概述

1.1面向服务架构（SOA）

面向服务的体系结构（Service-oriented Architecture，SOA）是一种新型的软件体系架构，强调互操作性、重用、异步通信及服务的自由组合。Web服务是使用开放协议进行通信的、独立并可自我描述的应用程序组件，Web服务提供的基于标准访问的独立功能实体满足了SOA的松耦合的要求，并且提供文本消息传递为异构系统提供通讯机制。两者相互促进，Web服务是目前一种最好的实现SOA的技术。

1.2基于约束满足问题（CSP）的AI规划

AI规划是Web服务自动进行组合的方法，组合的过程不需要用户干预，能够自动组合成解决问题的Web服务组合序列。AI规划主要是基于Web服务的语义化描述，如OWLS服务本体描述。OWL－S将Web服务看成AI中的动作，通过服务的输入参数、输出参数、前提条件和服务效果等来描述Web服务。在使用AI规划生成服务组合时，需要将Web服务的上述描述映射为动作形式化表述，以构造Web服务组合为目标，通过形式化推理得出Web服务的组合序列，动态形成服务组合。

1.3情境感知技术

情境感知（context Aware）技术源于普适计算的研究，它通过传感器及其相关技术能使设备感知当前的情境。动态组合时需要随时感知情境的变化，更新约束；另外，通过感知当前情境信息，可以向用户推介可能需要的服务。智能家居系统会提供上百种服务，和老年人当前环境有关的服务可能只是很少一部分，因此通过用户推介模块可以向老年人推送满足他们需求的个性化服务。

2　智能家庭体系结构

为提高老年居民生活的便利性和安全性，文中在文献［1］提出的架构基础上进行了改进，增加了服务推介功能，可为用户提供更具个性化、人性化的服务。该体系结构由最低的设备互连的层次、较高的进行复杂的组合服务的中间层和为用户提供一系列的服务的应用层组成。为了使养老系统真正体现智能行为，该体系将采用人工智能领域的独立计划根据不断变化的环境，在已有的约束条件下，根据用户的服务请求在运行时自动生成服务组合操作家庭中的各种设备。

图1　智能家居系统体系结构Fig.1　Smart Home system architecture

2.1普遍层

普遍层由各种硬件设备组成，如传感器、家用电器、医疗设备等。由于物理设备使用不同的通讯协议 （如 UpnP、Bluetooth、Zigbee等），普遍层平台通过为每一种通信技术使用一个适当的代理来解决异构性问题。同时，该平台利用OSGi（开放服务网关协议）将硬件设施的功能包装成web服务，服务出现、消失或者是状态发生变化时，通过异步发布订阅机制通知更高层的客户端（如情景感知模块、存储库、用户层）。

2.2组合层

组合层是智能家居体系结构的核心，共包括6大功能。1）存储库。存储库存储服务类型及房子的布局，需要根据普遍层的通知及时根据更新。

2）情景感知。情景感知模块无缝的监视设备的状态和用户的位置，搜集信息，并通过发布订阅机制通知组合模块、规则处理模块和用户推介模块。

3）规则处理。规则处理使用来自于情景感知模块的环境变化信息，判定如果某些条件成立触发某一规则，直接调用组合模块。

4）用户推介。用户推介模块根据情境感知模块提供的根据用户所处的情境信息、用户特征库的客户类型、行为偏好等相应信息及推送规则库中的规则进行规则比对，然后向用户端推送相应的用户感兴趣的服务。用户推介除了具备推介的主动性、智能性外还应具备针对性，能针对不同用户的特定信息需求进行检索、加工和推介。比如，如果情境感知到用户在床上刚醒，根据用户的特征及历史行为规则（如每天早上习惯看书、到卧室窗呼吸新鲜空气等）及时向用户推介抬高床头、打开窗帘等服务。厨房的相关服务对用户来说则是无用的，无需显示在用户端界面上，避免出现信息过载问题。

5）指挥。指挥模块将来自于组合模块的规划解释成普遍层能够执行的指令。

6）组合。组合模块是组合层的核心，它必须通过不断与其他组件，如情境感知模块和存储库传递互动的异步消息，以便它无缝地调整规划领域的实例来反映环境的变化，并在运行时做出反应。组合模块接收来自于用户层或者规则处理模块的复杂目标，根据存储库提供的服务的输入参数、输出参数、前提条件和服务效果及实时的环境状态信息结合CSP表中的约束条件，使用AI规划动态生成服务组合的计划传递给指挥模块。由于组合的前提条件和服务效果需要满足一定的约束条件，如老年人请求的打开窗帘的服务，如果窗户是向内开的，则打开窗帘服务成功实现的前提条件是窗户的状态应该是关闭的。当家居环境发生变化，如窗户的开关状态发生变化，需要把新状态引发的约束加到CSP表中。因此进行AI规划时需要考虑约束满足问题，规划出的动态服务组合才能更具有效性，并且能成功的满足用户的期望和目标。

2.3用户层

用户层为普通用户和管理员提供和较低层提供交互的接口，采用面向用户的原则，采用抽象自适应接口（AAI）可以支持不同的用户接口，如智能手机、平板电脑、语音设备等。

3　结　论

传统的智能养老系统大多采用开关或红外传感器实现单一的服务或固定的服务预定序列，不能根据外界环境的实时信息动态产生复杂的服务组合。文中提出的架构在文献［1］的基础上进行了改进，增加了用户推介功能，既能实现在无需重启系统的前提下方便设备自由进入和离开网络，采用SOA来解决异构性问题，利用先进的基于CSP的AI技术根据上下文情境信息实时动态组合所需服务实现用户的高级目标，又能解决信息过载问题，为用户端提供主动性、智能性的个性化服务。

［1］Eirini Kaldili，Ehsan Ullan Warriach，Alexander Lazovik，and Marco Aiello，Coordinating the Web of Services for a Smart Home［J］.ACM Transactions on the Web，2013，7（2）：1-40.

［2］麻志毅，陈泓婕.一种面向服务的体系结构参考模型［J］.计算机学报，2006（7）：1011-1019.

［3］刘辉.一种支持SOA架构的企业服务总线的研究与设计［D］.赣州：江西理工大学，2009.

［4］EhsanUllahWarriach，EiriniKaldeli，JaapBresser，Alexander Lazovik，Marco Aiello，Heterogeneous Device Discovery Framework for the Smart Homes，2011 IEEE GCC Conference and Exhibition（GCC），2011：19-22.

［5］BellavistaP，CorradiA，MontanariR.，Toninelli，A.： Context-aware semantic discovery for next generation mobile systems［J］.IEEE Commun，2006，44（9）：62-71.

［6］田全才，徐斌.基于SOA的主动信息推送系统［J］.兵工自动化，2014（8）：56-59.

［7］刘荣辉，彭世国，刘国英.基于智能家居控制的嵌入式语音识别系统［J］.广东工业大学学报，2014（6）：1-5.

［8］陈卯纯，孙薇，赵小惠.物联网智能家居中的人机交互［J］.包装工程，2014（4）：64-67.

Design of smart home system architecture

HOU Hong-feng1，WANG Li-juan1，HE Dan-dan1，WANG Jian-peng2
（1.Dalian Institute of Science and Technology，Dalian 116052，China；2.Shandong Cement Works Co.，Ltd.，Jinan 250116，China）

The pension intelligent is to implement the information interaction and communication between the user and household equipment through the implementation of the smart home system，create a safe and comfortable home environment.In order to improve the convenience and security of elderly residents and provide users with more personalized and humanization services，thearchitectureproposedinthispaperaddsthefunctionofuserrecommendationonthebasisofsmarthome architecture which adopts the concept of SOA based on web services，uses AI technology based on CSP to support dynamic combination of services.Thearchitecturecanprovidepersonalized，intelligentservicestomeetthediverseneedsoftheelderly.

smart home system；architecture；dynamic combination；user recommendations

TN0

A

1674－6236（2016）03-0014-02

2015-03-19稿件编号：201503258

侯洪凤（1979—），女，山东莱州人，硕士研究生，副教授。研究方向：养老信息化、企业信息化研究。