隨著社會經(jīng)濟和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，社會信息化程度越來越高，物聯(lián)網(wǎng)的推出是時代發(fā)展的需要，“三網(wǎng)合一”、“三屏合一”等新概念不斷提出，智能家居成為未來家居的發(fā)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(xiàn)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(tǒng)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(zhì)量的生活環(huán)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(jié)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(tǒng)實現(xiàn)，家庭控制網(wǎng)絡(luò)是實現(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)推進組織相繼成立，并各自推出了相關(guān)建議和標準，但這些技術(shù)標準缺乏統(tǒng)一的通信接口，相互間不兼容,無法提供家庭控制網(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)和機遇是家用電子領(lǐng)域缺乏統(tǒng)一的通信標準和互操作協(xié)議。
1 家庭控制網(wǎng)絡(luò)中的主要聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與標準
    在家庭控制網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域出現(xiàn)的眾多技術(shù)和標準中，最受研究者和設(shè)備制造商關(guān)注的是家庭現(xiàn)場總線技術(shù)（適用于家庭控制網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)場總線技術(shù)）和短距離低速率無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)[2]。其中，家庭現(xiàn)場總線技術(shù)根據(jù)通信介質(zhì)不同可分為三個子類：
    (1)PLC(Power Line Communication)技術(shù):利用現(xiàn)有的電力線進行數(shù)據(jù)傳輸,主要是北美標準,包括X-10、INSTEON、HomePlug C&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(zhì)實現(xiàn)通信；
    (2)HBS：日本家庭總線系統(tǒng)標準，采用雙絞線或同軸電纜作為傳輸介質(zhì)；
    (3)EIB：歐洲安裝總線標準，也可采用雙絞線、同軸電纜、無線等介質(zhì)實現(xiàn)通信。
    基于短距離低速率的無線通信技術(shù)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(shù)和標準都有自己的優(yōu)缺點，不同標準間的差異較大，缺乏統(tǒng)一的通信接口和協(xié)議標準，相互間并不兼容，沒有一種技術(shù)能夠為家庭控制網(wǎng)絡(luò)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(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)的生活場景，并與外部網(wǎng)絡(luò)通信。在一個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:提供用戶訪問設(shè)備和應(yīng)用服務(wù)的接口;
    (2)設(shè)備操作接口：提供對各種設(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(shù)據(jù)庫接口：提供訪問系統(tǒng)活動數(shù)據(jù)庫的接口,數(shù)據(jù)庫主要存儲用戶命令、設(shè)備命令、住戶動作記錄、場景定義等；
    (6)應(yīng)用服務(wù)接口：提供添加新軟件模塊的接口，從而在整個智能家居系統(tǒng)中實現(xiàn)動態(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：
    (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:底層通信網(wǎng)絡(luò)接口(如LonWorks、ZigBee、X-10等)、數(shù)據(jù)庫接口和Net接口等。
    由于缺乏標準的通信接口，在實際應(yīng)用中很難將各種硬件設(shè)備和用戶應(yīng)用集成到一個系統(tǒng)當中。這個問題可以通過適配器和轉(zhuǎn)換器部分解決，但存在很多限制。實際中，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)的訪問接口，能同時處理多個現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的數(shù)據(jù)并進行控制，如圖1所示。

    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(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)處理負擔(dān)。在實際應(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,并沒有實現(xiàn)直接面向Internet的遠程智能監(jiān)控,這跟當前核心控制單元復(fù)雜的接口訪問機制是密切相關(guān)的[11]。
    另外，在一個定制的家庭控制網(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)運行中添加設(shè)備，仍需要解決動態(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(yīng)用接口和底層硬件/協(xié)議接口提供一個通用的接口訪問與協(xié)議適配層,將點對點接口訪問機制轉(zhuǎn)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(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，同時將底層硬件接口從上層應(yīng)用中剝離出去，從而簡化接口訪問和協(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求通過具體的硬件/協(xié)議驅(qū)動接口執(zhí)行；(2)上行：將從底層硬件驅(qū)動接口接收到的狀態(tài)數(shù)據(jù)實時準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例之間的綁定關(guān)系及內(nèi)部接口層面之間的通信機制。其中，綁定關(guān)系可以通過上層應(yīng)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(xié)議地址建立綁定實現(xiàn)。內(nèi)部接口層面之間的通信機制可采用消息機制實現(xiàn)，如圖3所示。消息機制能很好地體現(xiàn)智能家居關(guān)聯(lián)的活動場景是基于動作事件觸發(fā)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(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列中，在適當?shù)臅r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(wù)系統(tǒng)處理高并發(fā)服務(wù)是一技術(shù)難點，使用異步I/O機制，處理好進程與線程的關(guān)系是又一技術(shù)關(guān)鍵所在。實現(xiàn)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。

3.2上層應(yīng)用接口
    基于適配層的上層應(yīng)用接口經(jīng)過進一步抽象后，將提供以原子數(shù)據(jù)(整形、浮點型等數(shù)據(jù))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(yīng)用層面獲取/設(shè)置原子數(shù)據(jù)的狀態(tài)和動作，“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。這種改變將原來由核心控制單元實現(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，由具體對應(yīng)的應(yīng)用模塊去實現(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)一的無縫集成機制，各種底層通信網(wǎng)絡(luò)可以通過這些接口無縫集成到整個系統(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)都將形成一個獨立的驅(qū)動接口類型，這個驅(qū)動接口根據(jù)綁定的原子數(shù)據(jù)單元完成相關(guān)的硬件I/O操作。進一步地，其他接口（除上層應(yīng)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(shù)類似于Linux中對外部設(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虛擬硬件接口，并完全封裝整個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遠程訪問和監(jiān)測機制，從而為直接面向Internet的遠程智能監(jiān)控提供一種可行的應(yīng)用級解決方案。
4 基于適配層的數(shù)據(jù)訪問和事件觸發(fā)
    在智能家庭控制系統(tǒng)中，一個高效的事件管理機制是非常重要的。常規(guī)的事件觸發(fā)一般在高層應(yīng)用完成，通過檢查或獲取傳感器的狀態(tài)數(shù)據(jù)進行智能分析判斷，然后直接或者根據(jù)場景定義觸發(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機制，多個應(yīng)用終端可以實現(xiàn)靈活的數(shù)據(jù)訪問，且這種操作不耗費系統(tǒng)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(xiàn)多個相關(guān)的硬件系統(tǒng)之間的簡易事件觸發(fā)機制，減少核心控制單元的處理負擔(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(yīng)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(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，將點對點的接口訪問方式轉(zhuǎn)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(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)議標準和基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，這種機制可以應(yīng)用在任何家庭控制系統(tǒng)上。
    事實表明，當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。雖然在核心控制機制、事件管理、統(tǒng)一標準等方面仍需不斷改進，但已具備各種成熟技術(shù)的智能家居體系將在未來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：將通用接口訪問機制運用到實際的智能控制環(huán)境及研究適配層對監(jiān)控流數(shù)據(jù)的支持方法。
參考文獻
[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).