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一种基于资源名称服务的智能家居体系结构
摘要：智能家居包含集中控制的灯光，暖气，通风和空调（HVAC），家电，大门和门与其他的安全锁及其他智能设备，为用户提供方便，舒适，节能，安全的服务。虽然许多国家和组织已设计了各种智能家庭结构，但是这些现有的解决方案仍存在一些问题。其中一个问题是在家庭环境中的多个设备之间的互操作性。另一个上升的问题是标识，操作平台和智能家居系统可接受编程语言的差异。为保证任务的联合执行，异构服务和设备必须是可互操作。因此，家电和标识的异质性问题会导致智能家居系统兼容性差。本文提出了一种基于资源名称服务（RNS）的新型智能家居体系结构，它定义了智能家居的参与方和它们之间的关系，设计了智能家居服务的具体过程。这种架构可以实现不同厂商之间的互操作性，并在对现有的智能家居设备不做太多改变的前提下提高设备兼容性。
关键词：智能家居;物联网;识别码; RNS;互操作性; 兼容性
Ⅰ.介绍
智能家居的定义是一个能够获得并运用居住者和他们周边的数据，以适应和满足舒适性和效率的目标[1] 的智能环境。智能家居具有分布性，异构性，独立性和协作[2]的特点。自从世界上第一台智能建筑出现在美国在1984年，智能家居在美国，德国，新加坡，日本等国家[3] 拥有了广泛的应用。最近服务的扩展已逐步将智能家居转化成为特定区域配置的具有多个设备和应用的数据云。这种改变导致了一些问题。第一个问题是在家庭环境中的多个设备之间的互操作性。在典型的智能家居环境中，部署了不同的通信协议和标准。这些差异需要网关能被配置成支持在一个家庭环境中每个设备。网关通过映射多样化的数据节点[5]，在两种协议转换方面起着重要的作用。随着协议的多样化，网关要找到一种合理的方式映射数据节点需要相当大的努力。这导致系统开发人员的额外开支。此外，随着家用设备的增加，网关的存储容量会在协议转换的过程中减慢应用的性能。网关不能从根本上解决互联互通的问题。另一个上升的问题是标识，操作平台和智能家居系统可接受编程语言的差异。有大量出自不同厂商的新设备和电器需要特定程度的互操作性来执行他们的任务。为保证任务的联合执行，异构服务和设备必须是可互操作的。
在智能家居中，识别码是没有得到足够重视的一个很重要的资源[6]。在属性和传输介质方面所有的设备都不同。因此，实现设备的统一控制是很难的。所以我们使用物联网（IOT）标识符解决异质性问题。标识符的使用可以分离的产品和服务。我们可以使用标识符来管理设备，通过解析获得设备服务器的地址，然后得到的服务。本文提出了一种基于资源名称服务（RNS）[7]的新的智能家居体系结构，我们定义了智能家居的参与方和它们之间的关系，并基于此结构设计了智能家居服务的具体过程。设备间可以在不做太多改变的情况下实现互通。此外，智能家居的相容性和可扩展性得到了提高。
本文按如下组织。下一节，我们总结了智能家居体系结构的相关工作。在第三节中，提出一个新型的架构。第四节介绍了我们的智能家居架构的关键技术。在第五节，使用了实际的应用。最后，我们在第六节中对论文做出总结。
Ⅱ.相关工作
在本节中，我们简要回顾一下智能家居架构的一些研究。许多解决方案已被设计来用于特定环境。Jong-Wan等人提出了一种由一个主服务器和多个传感服务器使用不同的传感器网络连接的系统。但在他们的系统中，大多数任务都是由不同的网络传感服务器完成。这表明，该系统的相容性差并且硬件成本会太高。Hada Hisakazu等人 [9]和Jung Euihyun等人 [10]提出了一种均匀标识感测节点的方法。但实际上，智能家居有大量各种类型的传感节点，生产使用相同命名框架的设备也是不现实的。
一种解决不均匀的问题的最常见的解决方案是在智能家居环境中使用智能网关（由硬件和软件模块）。这些智能网关在智能家居环境中管理不同系统提供家庭网络之间的接口和转换机制。举个例子， Cemishkian等人在他们工作中强调的UPnP和LonWorks之间的接口。Wu Lin等人和Shang Guo Qiang等人提出了通过提供统一的对外接口连接不同的协议的智能物联网网关。通过这种方式，智能家居可与不同的通信协议，例如ZigBee的，蓝牙，和LAN兼容。但是这些解决方案缺乏伸缩性的，因为智能网关的数量相对于要连接的系统的数量显著增长。在这里，家庭网络也跟着梅特卡夫定律，其中n *（N-1）/ 2网关是必要的，以支持新的服务或设备在智能家居环境。如今已经有相当数量的使用中间件的智能家居系统方案被提出。中间件标准是主要用于通用互联网的应用程序并且它们要直接用于智能家居还存在一些问题。
智能家居的相关技术标准主要有以下几种：DLNA [16]，OSGi的[17]，闪联[18]和iTopHome [19]。 DLNA旨在实现有线和无线网络之间的互操作性，其中包括个人电脑，家电和移动设备。但是，DLNA无法实现家电之间的互操作性。 OSGi是一个开放标准为基础的软件框架，它代替了智能家居系统的网关。由Charles Gouin-Vallerland等人提出的工作专注于部署使用OSGi的智能家居应用。闪联是新一代网络信息设备的交换技术和接口规范。在通信及内容安全机制下，闪联可以支持各种3C设备间互联互通的智能，资源共享和协同服务。 iTopHome采用了完整的产业链建立起来的家庭网络系统平台的形式。 iTopHome使用通用规范要求，建立一个集中管理的家庭多媒体网络。
然而，特定制造商在一个家庭环境下的不同产品才是当今的主流。目前，难以形成在底层通信协议，识别符管理系统和应用层服务的统一标准。上面提到的问题的解决办法是仅仅实现使用相同标准的设备之间的互联。但不同的协议互用性和传输介质的问题还没有得到解决。
为了与支持各种协议，实现不同设备间的互通性兼容，本文提出了一种基于RNS的智能家居的架构。此架构可实现不同的协议和标识符的访问，查询和控制功能。它同时也提供了可扩展的模式，以提高家庭系统的可扩展性和灵活性。
Ⅲ.基于RNS的智能家居体系结构
为了解决上一节中提到的问题，本文提出了一种基于RNS一种新型的智能家居架构。智能家居的体系结构示于图1，其中包括下列组件。
图1.基于RNS的智能家居架构
- RNS平台
RNS平台是我们的体系结构的核心，其包括登记，管理和标识符的分辨率。在本文中，我们给每个设备的唯一标识符，包括标准标识符（SID）和资源标识符（RID）的。 SID是指每个命名方案设置唯一标识符，该方案通过基于所述分布式哈希表（DHT）的平面结构布置解决。 RID指对于每个家电的唯一标识符，它通过根据域名系统（DNS）的树形结构布置解决。标识符管理器通过RNS平台注册。该平台使用SID来标识的命名方案，然后完成解析服务的过程。通过两阶段标识符，智能家居可与各种设备相兼容。我们用一个解析器来处理来自客户和服务供应商的所有物联网解析请求。服务提供者和用户可以通过RNS平台彼此交互。 RNS平台由特定标识符服务供应商维护。
- 服务提供商
在我们的架构中，家电和其服务是分开的，这和传统的智能家居体系结构不同。服务提供商主要负责维护设备的信息，例如功能菜单，控制指令。控制指令存储在相应的制造商的服务器中。用户通过标识符解析获得服务提供商的控制指令和服务。该服务请求或控制指令被分为两部分来完成。首先，客户端调用解析器来完成解析服务，并获得相应的服务器的地址。然后客户端通过发送服务请求报文或控制指令字到服务器来获得服务。
- 用户
用户是智能家居服务的直接消费者，他们可以通过客户端添加和控制智能家电，得到相关服务。客户端可以通过与网关的交互完成设备的控制。相关的服务信息使用的标识符作为索引并存储在相应的服务器并注册RNS平台。用户可以通过解析获取信息服务器的地址，然后获得功能菜单和控制指令来控制家电。
对于智能家居系统，主要的挑战是提供的外部环境，并使用统一的标准或解决方案的家庭之间的互操作性。 XML和Web服务技术被视为管理家电产品提供互操作性的潜在答案。这些标准适合家居环境，由于其服务范围从多媒体家庭控制的多样化。 Web服务的基本实体发布，发现和调用。这些基本实体通过被称为简单对象访问协议（SOAP）的Web服务的标准，Web服务描述语言（WSDL）和统一描述，发现和集成（UDDI）中所定义。在这些标准，SOAP充当协议胶水，让用户和服务供应商谈互相交流的XML数据，以便在互联网上传播。 SOAP定义一个XML信封携带消息并调用在被操作系统，编程语言和地域独立的标准方式的系统之间的远程程序。使用SOAP技术，Web服务可以通过关闭一个服务调用转换成XML消息格式被调用。在本文中，我们将使用SOAP，以确保在智能家居系统的流畅的信息交换，以及有效地成为分布于环境中，支持家电控制和监测。
提议的架构涵盖了现有的各种智能家居场景。它可以直接访问家用电器，连接闪联和iTopHome设备，并提供应用程序界面。一些白色家电可以通过网关访问该架构。此外，一些组织也开发平台，其目的是以统一的方式控制和管理家电;我们的体系结构也可以是与这些管理平台兼容。在这个架构中，所涉及的参与者可以在不增加产品重新开发的成本的情况下直接访问该智能家居系统。
Ⅳ.智能家居体系结构的关键技术
在本节中，我们主要介绍我们架构包含的关键技术。
- 信息服务的过程
获取动态设备服务应该遵循统一的应用层通信协议。一方面，服务提供商需要提供无需反复发展的相应的API接口以提供服务;另一方面，各种客户端开发者简单地根据本协议的格式发送请求。
获取动态智能器具信息服务的过程示于图2。
图2.获取智能设备服务的过程
1）信息服务器注册标识符到RNS平台。
2）客户端向RNS平台发送解析标识符的请求。
3）RNS平台解析标识符和信息服务器的地址发送到客户端。
4）客户端发送获取信息的请求到信息服务器。
5）信息服务器发送所述响应信息给客户端。所述响应信息包括家电，控制指令等6）客户端向设备列表中增加服务信息。
家电网络控制是智能家居系统的核心部分。随时随地家电控制是智能家居应用的一个重要体现。为了实现网络控制，客户端启动基于标识符获得通过解决相应的服务智能网关的地址，然后发送控制指令到家庭网关来完成控制操作的控制要求。
网络控制操作的过程示于图3。
图3.网络控制操作的过程
·客户端发送解析标识符的请求到RNS平台。
·RNS平台解析标识符并发送网关的地址到客户端。
·客户端发送用于控制家用电器的请求到网关。
·网关执行控制指令来控制家电。
- 解析服务的过程
这种架构的最重要的功能就是解析服务。解析服务的过程示于图4。
图4.解析服务的过程
1）本地缓存：获取家电的标识符后，做的第一件事就是查找本地缓存。一些经常访问的SID记录可以暂时存储在本地客户端。
2）SID分辨率：如果本地缓存未命中，查询将首先提交给本地SID名称服务器，然后这个本地域名服务器将转发查询给相关SID名称服务器。
3）翻译：命名方案说明（NSD）是指每个命名方案的语义描述。在从SID记录提取的NSD的帮助下，一个SID可以被翻译成一个层次化的资源的名称。
4）RID分辨率：按照这个层次资源名称，服务器查询将从负责RID名称服务器访问RID记录被执行递归。
最后，如果包含在记录中的名称信息不是直接通信标识符，就像网页的URL，那么DNS解析将再次执行。
C)客户端服务过程
客户端可以能够在这个架构中动态地添加和删除智能家电。因此，也有以下几点开放客户端和传统的客户端之间的一些显著差异：
·开放的客户端应存储家电的功能菜单和相应的控制指令。
· 开放的客户端应能根据电器功能菜单动态调整布局。
客户服务的过程中，可分为三个步骤。首先，客户端通过SOAP协议获得智能家电的功能菜单。为了发起的网络控制操作时，客户端需要存储相应的控制指令。在实际应用中，有两种可选的方法来存储所述控制指令：控制指令字和控制指令生成逻辑。控制指令字适用于简单的功能操作;它可以根据功能需求快速发送适当的指令。但对于复杂的说明，超长指令字占用过多内存空间和指令字的参数可动态生成或根据实现形成的一系列指令。在这种情况下，我们选择来存储控制指令生成逻辑，并根据功能要求及时生成控制的指令字。
其次，开放客户端获取不同的类型和品牌各种电器的访问。函数接口布局差异，我们采用动态布局解决方案。客户端程序可以基于功能菜单动态地生成适当的控制。例如，一个电灯开关功能菜单对应的控制代码如下：
lt;ToggleButtonandroid: id = '@ id / tb'
android: layout_width = 'wrap_content'
android: layout_height = 'wrap_content'
android: textOn = 'ON'
android: textOff = 'Off'
android: checked = 'true' /gt;
最后，在该开放端结合解析器之后，基于标识符的服务请求或控制指令被分为两部分来完成。客户端调用解析器来完成解析服务，并获得相应的服务器或家庭网关的地址。然后根据实际需求发送服务请求或控制指令字。
Ⅴ.应用
在智能家庭网络中，控制器和设备之间的互操作性是必要的。如果无线
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