基于OSGI的智能家庭系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

摘要：為了解決普適環(huán)境下智能家庭各類設備組網(wǎng)困難的問題，本系統(tǒng)采用OSGi(Open Service Gateway Initiative)服務框架和LonWorks現(xiàn)場總線技術(shù)，利用低壓電力線載波手段來設計和實現(xiàn)智能家庭系統(tǒng)。利用上述方法可以極大地實現(xiàn)不同標準設備的組網(wǎng)，并且可以實現(xiàn)對智能家庭設備管理的靈活性和便捷性。
關(guān)鍵詞：普適計算；智能家庭；OSGi；LonWorks

    智能家庭是指那些采用信息技術(shù)來控制電器設備，并能夠與外界進行通信聯(lián)系的住宅，提供給住戶更好的家庭生活體驗，屏蔽復雜的實現(xiàn)技術(shù)和模糊的用戶接口，系統(tǒng)可靠且安全，同時保護用戶的隱私。
    在智能家庭系統(tǒng)中存在各類設備服務，這些設備服務使用的接口、網(wǎng)絡協(xié)議也各不統(tǒng)一。本文使用面向智能家庭系統(tǒng)的OSGI中間件技術(shù)，它對智能家庭系統(tǒng)中大量聯(lián)網(wǎng)的設備、服務提供發(fā)現(xiàn)、調(diào)度、管理，屏蔽各種設備服務的異構(gòu)性，同時也對用戶的情境上下文的推理計算提供支撐。采用OSGi作為基本框架，以智能服務網(wǎng)關(guān)作為構(gòu)建智能家庭系統(tǒng)的核心部件。該部件除了提供統(tǒng)一的Internet接口、協(xié)議轉(zhuǎn)化的功能外，還能對智能家庭系統(tǒng)的設備進行管理，同時具有上下文推理能力。

1 智能家庭系統(tǒng)架構(gòu)
    在家庭中，各種家電、多媒體系統(tǒng)、通信設備、保安設施等都通過計算機、網(wǎng)絡和傳感器連接在一起，它們可以通過家中的一個“通用遠程控制設備”實現(xiàn)統(tǒng)一、便捷的控制。但是，嵌入眾多智能設備，還不足以形成智能家庭，還需要將這些設備集成到一個統(tǒng)一的框架中，使其互聯(lián)互通并且可以對其進行方便的管理。于是，將設備、服務映射到語義空間對智能家庭系統(tǒng)的構(gòu)建將大有幫助。同時利用上下文感知技術(shù)是提高系統(tǒng)智能性的重要途徑，使得人們從繁重的工作中解放出來。智能家庭系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

    智能家庭服務網(wǎng)關(guān)的概念，對家庭網(wǎng)關(guān)和家庭內(nèi)部網(wǎng)絡的標準化，是智能家庭成功組建應用的關(guān)鍵。目前比較有影響的服務網(wǎng)關(guān)是開放服務網(wǎng)關(guān)標準組織OSGi，該規(guī)范兼容多種既有標準的特性為家庭網(wǎng)關(guān)的實現(xiàn)提供了保障，在此基礎(chǔ)上開發(fā)的家庭服務網(wǎng)關(guān)支持家庭內(nèi)部所有信息家電和設備的聯(lián)網(wǎng)；而其動態(tài)自適應的機制，能自主地將家庭內(nèi)部不同電氣設備、通信設備、計算機組合成一個動態(tài)單一的普適的家庭網(wǎng)絡系統(tǒng)。普適計算的研究體系自底向上主要包括普適計算設備、普適網(wǎng)絡、系統(tǒng)軟件和人機交互等多個層次，同時由于研究的側(cè)重點和目標不同，形成了感知上下文計算、智能空間、可穿戴計算等多個熱門研究領(lǐng)域。在智能家庭內(nèi)部，手持設備、PC或者家用電器通過有線或者無線的方式連接到網(wǎng)絡，從而形成了一個無縫、交互和普適計算的環(huán)境。
    同時使用上下文感知計算技術(shù)，來實現(xiàn)系統(tǒng)的智能化程度。上下文信息中包含著豐富的信息，有利于系統(tǒng)對用戶注意以外的任務進行智能化處理，對于系統(tǒng)而言，不僅要知道靜態(tài)的信息還要知道動態(tài)的信息。
    本系統(tǒng)包括三部分：
    1)普適計算子系統(tǒng)(Pervasivc computing subsystem)
    ①Context Server是上下文服務中心，負責系統(tǒng)中上下文信息的管理和發(fā)布／訂閱到匹配；
    ②Sensor是傳感器，負責面向用戶方各類數(shù)據(jù)的實時采集；
    ③PDA是手持電腦，可以通過以太網(wǎng)(Ethemet)對家庭內(nèi)部電器進行控制；
    2)現(xiàn)場總線控制子系統(tǒng)(Lonworks control subsystem)
    ①PLC是電力線載波模塊，它可以通過現(xiàn)有的電力線進行數(shù)據(jù)的傳輸和交換，負責信息的轉(zhuǎn)發(fā)；
    ②Adapter智能電力線載波適配器，負責將家用電器實時信息傳遞給現(xiàn)場總線，并且接收從上位機傳遞的控制信息；
    ③Lonworks gateway是現(xiàn)場總線網(wǎng)關(guān)，解決現(xiàn)場控制器之間的集成。
    ④scryice是將原始上下文進行組裝或者推理出新服務。
    3)OSGI服務網(wǎng)關(guān)(OSGI gataway)
    其主要的功能是完成相對高速的計算機網(wǎng)絡(Ethernet)和相對低速的現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(LonWorks)之間的互聯(lián)。

2 LonWorks網(wǎng)絡的設計與實現(xiàn)
    本系統(tǒng)通過控制適配器掛接到普通家庭中的220 V電力線上，將溫度、濕度、光強、壓力、紅外等各種傳感器以及各種家用電器接入OSGi服務網(wǎng)關(guān)，形成一個以LonWorks現(xiàn)場總線為平臺的控制和監(jiān)測網(wǎng)絡。而采用現(xiàn)場總線結(jié)構(gòu)組建監(jiān)控網(wǎng)絡可方便地去除和增加控制節(jié)點，而且對電器設備的控制分散到了各個智能控制節(jié)點中，實現(xiàn)了真正意義上的集中管理和分散控制。使用電力線網(wǎng)絡，不需要另外再鋪設通信線路，這不僅給系統(tǒng)通信網(wǎng)絡建設帶來了很大的方便，克服了無線通信的弊端，如成本高、電磁污染等。LonWorks網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)如圖2所示。

    LonWorks中心控制器通過電力線連接開關(guān)適配器、功率調(diào)節(jié)適配器、各種傳感器適配器等。開關(guān)適配器子系統(tǒng)通過電力線收到中心控制器的控制命令，控制連接家用電器的電源通斷。功率調(diào)節(jié)適配器子系統(tǒng)從電力線上接收來自中心控制器的控制命令，調(diào)節(jié)輸出的功率，進而控制連接的各種用電設備的運行狀態(tài)。中心控制器內(nèi)嵌電力線載波芯片使用現(xiàn)代DSP技術(shù)，可以完成在高干擾、高噪聲的惡劣電力線環(huán)境下提供可靠的數(shù)據(jù)傳輸。其兼容ANSI／EIA709．2和CENEIECEN50065-1：2001標準內(nèi)嵌的協(xié)議，與此同時也與ANSI／ELA709．1、LonTalk控制網(wǎng)絡協(xié)議兼容。

3 服務網(wǎng)關(guān)的實現(xiàn)
    OSGi服務框架利用Java的平臺獨立和動態(tài)代碼裝載特性，可以更容易地開發(fā)和動態(tài)配置小內(nèi)存設備的應用程序。它運行于Java虛擬機上，而各種各樣的應用服務則運行于具體的OSGi服務框架軟件之上。
    根據(jù)圖3的層次結(jié)構(gòu)，需要解決3方面問題：

    1)在JVM之上實現(xiàn)OSGi服務框架；
    2)對于每個具體的設備，提供將設備服務封裝成Bundle并發(fā)布的技術(shù)；
    3)設備的靈活接入。
3．1 OSGi服務框架——equinox
    利用eclipse的equinox實現(xiàn)的OSGi框架，它安裝在JVM之上，是與OSGi release 3兼容的OSGi服務框架的一個實現(xiàn)。它提供了各種服務的執(zhí)行環(huán)境，并提供一組核心服務集，負責所有服務的生命期管理，注冊等功能。
3．2 設備服務的封裝——Bundle的設計
    OSGi兼容的具體設備通過各種本地總線(如Ethenet，Bluetooth，Lonworks，無線等)接入家庭網(wǎng)關(guān)，具有不同的硬件特性，只有將設備相關(guān)的服務打包成Bundle后，由服務提供商發(fā)布，家庭網(wǎng)關(guān)從服務提供商下載、安裝并注冊后，才能使用設備相應的服務，從而滿足靈活接入的要求。
3．3 設備的靈活接入
    服務框架中的設備管理器模塊負責對接入的設備進行管理，接受服務的注冊、更改和注銷，這個過程對用戶是透明的：設備管理器檢測到某些設備服務被注冊到服務網(wǎng)關(guān)后，利用驅(qū)動定位器服務或驅(qū)動選擇器服務查找與這些服務最匹配的驅(qū)動服務，建立關(guān)聯(lián)關(guān)系。如果所需的驅(qū)動服務還不存在，設備管理器會自動查找、安裝并啟動驅(qū)動服務對應的Bundle。若找不到，則該設備服務就處于閑置(idle)狀態(tài)。
    在這里，設備服務反映了設備的某一方面特性，一般可以映射到某個硬件設備，也可以體現(xiàn)設備在不同的抽象層上的特性，提供某個功能。它要么從屬于某個特定的設備類別，要么就是通用型的。設備類別給出了這類服務必須實現(xiàn)的接口，即與設備服務通信的方法，以允許基于相同底層技術(shù)(如Lonworks，IEEE1394，Jini)的Bundle間進行互操作。驅(qū)動服務負責完成實際的底層通信，控制硬件設備。因此，對每個具體的設備，至少要有兩個Bundle：DeviceBundle和Driver Bundle，對于同一類的設備可以連接到相同的Driver Bundle上。

4 設備封裝——Bundle的具體實現(xiàn)
    在OSGI平臺上，服務是由一個iava Interface來定義的。Bundle可以實現(xiàn)這個接口并且把服務注冊到服務注冊表中去，并且OSGI框架管理Bundle的安裝和更新，同時管理Bundle和服務直接的關(guān)系。
    在這里，設備服務的Bundle設計流程如下：
    1)編寫服務接口及對應的Java類實現(xiàn)；
    2)實現(xiàn)相應的BundleAetivator和ServiceListener接口。這是兩個必須實現(xiàn)的特殊接口。其中BundleActivator接口包含start和stop兩個方法，start方法注冊服務和資源，而stop取消注冊，start類似于普通Java類中的public main函數(shù)；
    3)編寫一個manifest文件描述該JAR文件的內(nèi)容；
    4)將上述的所有接口、Java類、manifest文件以及其他資源文件打包成一個JAR文件；
    5)在需要時將該Bundle安裝到OSGi服務網(wǎng)關(guān)，完成注冊。如果要獲取由其他Bundle提供的某個服務，可以從該Bundle對應的Bundle Con-text對象調(diào)用getServieeReference方法來獲得特定服務的引用，然后就可以以該引用為參數(shù)調(diào)用getService方法得到服務對象。
    在此基礎(chǔ)上開發(fā)了多個場景應用程序，下面以室內(nèi)光強亮度環(huán)境調(diào)節(jié)應用和紅外無線自動報警為例，說明相應Bundle的開發(fā)方法。
4．1 室內(nèi)光強亮度環(huán)境調(diào)節(jié)
    該應用程序的功能是通過光強傳感器獲得環(huán)境信息，依此來調(diào)節(jié)室內(nèi)照明設備的運行狀態(tài)，以達到最佳環(huán)境。
    1)照度傳感器設備Bundle
    此包主要完成對照度傳感器各項屬性的定義，包括：
    ①所屬設備類型為Lonworks；
    ②設備名稱描述為Lonworks_Illumination_Sensor；
    ③設備ID號標識這個設備的唯一性，滿足關(guān)于設備的ID號的統(tǒng)一定義格式；
    ④設備的版本信息等；
    ⑤設備位置信息描述，具體描述此照度傳感器的位置，是廚房還是客廳。
    2)光強傳感器驅(qū)動Bundle 此包主要完成光強值的定時采集，并傳輸?shù)絆SGi服務網(wǎng)關(guān)。
    3)照明設備Bundle 此包主要完成對照明設備各項屬性的定義，包括：
    ①所屬設備類型為Lonworks；
    ②設備名稱描述為Lonworks_Ligbt；
    ③設備ID號標識這個設備的唯一性；
    ④設備的版本信息等；
    ⑤設備位置信息描述，具體描述此照明設備的位置。
    4)照明設備驅(qū)動Bundle 此包主要完成對照明設備的開關(guān)控制、亮度調(diào)節(jié)。
    5)推理Bundle 此包主要完成照度值到照明設備控制方式的轉(zhuǎn)換。比如，當照度值降低時，將亮度調(diào)高；當照度值繼續(xù)降低時，開啟更多的照明設備。
4．2 紅外無線自動報警
    該應用程序的功能是通過收集紅外光柵傳感器的數(shù)據(jù)，來確定是否有不明人員進入，并且進行報警。
    1)紅外光柵傳感器設備Bundle 此包主要完成對紅外光柵傳感傳感器各項屬性的定義，包括：
    ①所屬設備類型為Lonworks；
    ②設備名稱描述為Lonworks_Echelette grating_Sensor；
    ③設備ID號標識這個設備的唯一性，滿足關(guān)于設備的ID號的統(tǒng)一定義格式；
    ④設備的版本信息等；
    ⑤設備位置信息描述，具體描述此照度傳感器的位置，是圍墻、正門還是窗戶。
    2)紅外光柵傳感器驅(qū)動Bundle 此包主要完成紅外光柵傳感器數(shù)據(jù)的定時采集，并傳輸?shù)絆SGi服務網(wǎng)關(guān)。
    3)報警設備Bundle 此包主要完成對照明設備各項屬性的定義，包括：
    ①所屬設備類型為Lonworks；
    ②設備名稱描述為Lonworks_Eechelette grating Light；
    ③設備ID號標識這個設備的唯一性，滿足關(guān)于設備的ID號的統(tǒng)一定義格式；
    ④設備的版本信息等；
    ⑤設備位置信息描述，具體描述此報警設備的位置(如大門報警或者圍墻報警，也可設置為集中報警)。
    4)報警設備驅(qū)動Bundle 此包主要完成對報警單元的開關(guān)控制、聲音大小調(diào)節(jié)等。
    5)推理Bundle 此包主要完成紅外光柵傳感器數(shù)據(jù)到報警處理過程的轉(zhuǎn)換，如有可疑人員通過非法手段進入室內(nèi)時，打開報警燈、報警器提醒屋主或者恐嚇非法入侵者；若是誤報警，則迅速重啟，使各系統(tǒng)恢復到監(jiān)測狀態(tài)。

5 總結(jié)
    隨著家庭信息化水平的不斷提高，人們對智能家庭系統(tǒng)中接入電器設備控制需求趨于多樣性，這使得接入電器設備的個體獨立性和整體的一致性等問題日益突出。本文應用OSGi服務框架，提出了一種普適計算環(huán)境下的智能家庭系統(tǒng)解決方案，為用戶提供了一致的多樣化服務，屏蔽了多種接入技術(shù)的差異。