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短吻鳄科技型智能住宅：一种可程序化的普适空间
许多第一代普适计算系统缺乏随着新技术的出现或作为一个应用程序域的成熟而发展的能力。可程序化的普适空间像短吻鳄科技型智能住宅提供一个可扩展的、具有成本效益的方式来开发和部署可扩展的智能技术。
佛罗里达大学的威廉·希拉勒曼 Hicham El-Zabadani杰弗里·优素福王Kaddoura简森Erwin在学术界和产业界研究小组开发了原型系统演示普适计算在各应用领域的好处。这些项目通常集中在基本系统集成的传感器、致动器、电脑和其他设备的环境。
不幸的是许多第一代普适计算系统缺乏随着新技术的出现或作为一个应用程序域的成熟而发展的能力。集成大量异构元素大多是手动,特设的过程。插入一个新元素需要研究其特点和操作,确定如何配置和集成,通过乏味的反复测试以避免造成整个系统中冲突或不确定的行为。环境也是封闭的,限制开发或扩展原有的系统。
为了解决这个限制，佛罗里达大学的移动和普适计算实验室正在开发可编程智能空间存在的普适空间library.1运行环境和软件库。自动服务发现和网关协议自动集成系统组件使用通用的中间件,为每个传感器和维护服务和致动器的空间定义。程序员为第三方可以轻松实现或扩展的复合应用程序组装。
使用面向服务的可编程空间拓宽传统的编程模型。我们的方法使领域专家比如卫生专业人员如精神病学家或肠胃专家一起努力去发明一些开发和部署强大的新应用程序的用户。
与大学合作的大学公共卫生和卫生职业,和联邦资金从国家残疾与康复研究所研究，我们正在创建一个专门为老年人和残疾人可编程的空间。短吻鳄科技智能住宅在盖恩斯维尔,佛罗里达州,在普及和移动计算方面经过5年多的研究。项目的目标是创建辅助环境,如家庭,能感觉到自己和居民和制定物理世界之间的映射和远程监控和干预服务。
智能住宅技术
图1显示了大部分的“热点”,目前活跃的或正在开发的短吻鳄科技智能住宅。交互式三维模型可以在www.icta.ufl.edu/gt.htm提供了一个虚拟参观房子,具有最新的展现名字和位置的技术排版。
图1
智能邮箱。邮箱感知邮件的到来和通知主人。
智能前门。前门包括射频识别(RFID)标签无钥匙入住的居民和授权的人员。它还有一个麦克风、摄像头、文本LCD,自动开门机,电动锁,扬声器,使用者可以使用与和承认游客交流。
模拟驾驶。车库里有一个驾驶模拟器评估老年驾驶能力和为研究收集数据。
智能窗帘。所有窗户有自动窗帘,可以预设或通过远程设备控制环境光和保证隐私。
智能床。主卧室的床有专用设备监控居住者的睡眠质量。
智能衣柜。在未来，主卧室的衣柜可以基于户外天气情况建议服饰。
智能洗衣房。结合智能衣柜,基于未来技术rfid将通知居民什么时候洗衣服以及帮助解决它。
智能浴室。主浴室包括一个厕纸传感器,探测器,调节水温,防止烫伤的淋浴,和给皂器监控居住者的清洁度，当需要有替换物时通知服务中心。其他技术正在开发测量居住者生物识别技术,如体重和温度。
图1所示。短吻鳄科技智能住宅。项目功能众多现有(E),正在进行的(O),或未来(F)“热点”位于整个上述房屋。传感器平台的有效转换任何传感器或执行机构在物理层软件服务,可以通过编程或组合成其他服务。
智能显示器。显示设备位于整个房子,娱乐媒体和信息可以按照使用者从一个房间到另一个房间。
智能微波炉。厨房的微波炉能自动调整时间和功率根据任何冷冻食品包装和显示用户如何正确准备烹饪的食物。
智能冰箱和储藏室。未来冰箱将监测食品供应和消费,发现过期食品,创建购物清单,并能基于在冰箱和储藏室的存储物提供建议膳食准备。
跨距离共餐。使用者将能够使用身临其境的视频和音频技术安装在早餐桌旁与远房亲戚或朋友分享一顿饭。
智能相机。图像传感器能监控门廊和天井隐私和安全。
超声波位置跟踪。安装传感器,目前只在客厅里,检测使用者的运动、位置和方向。
智能地板。传感器在地板上,目前只在厨房和娱乐中心区域,识别和跟踪所有房屋居住者的位置。我们也在开发来检测当一个居住者摔倒能报告给紧急服务的技术。
智能手机。家用这种“魔杖”集成了传统电话功能与远程控制所有电器和媒体播放器在客厅里。当业主们不在时，它还可以传达重要信息和提醒。
智能插头。传感器通过客厅,厨房,主卧室的的电源插座来检测灯或电器的存在和链接到远程监控和干预应用程序。
智能恒温器。在未来，居住着能够根据日常任务和情况来个性化的调整空气状况和热度，比如可以试试在一个寒冷的温度洗澡。
智能检漏仪。在车库,厨房，感器可以检测洗衣机、洗碗机、热水器的漏水情况。
智能火炉。这个未来的设备将监视火炉的使用情况和如果火炉已经熄灭能通过智能床提醒主人。
智能投影仪。我们正在开发一个投影仪，它使用超声波定位跟踪的方位信息并通过投影客厅墙来提醒提示和主人目前的事件。
家庭安全监控。正在开发中的安全系统可以实时监控所有门窗并根据要求通知主人是否关闭。
紧急求救。未来的系统将跟踪潜在的紧急情况,如果怀疑一个问题能提醒主人,并在必要时发出请求外界的帮助。
认知助理。另一个开发中的系统通过各种任务和使用听觉和外观来提供关于药物信息，提醒约会等等情况。
中间件的体系结构
为了创建短吻鳄科技型智能住宅,我们开发了一个适用于任何普适计算空间的通用参考体系结构。如图2所示,中间件包含独立的物理,传感器平台,服务,知识,环境管理和应用程序层。尽管在知识层还有许多有待完成的工作，但我们已经实现了大部分的参考体系结构。
实用层
这一层由各种设备和电器使用者使用。这些能在一个典型的独栋房屋中找到,如灯,电视,机顶盒,收音机闹钟,门铃。还有一些新技术如智能微波炉和无钥匙进入系统来适应智能家居目标人群。传感器和执行器如烟雾探测器、空调和加热恒温器,和安全系统运动探测器是实物层的一部分。此外，这一层包含任何一个空间中的重要对象，如一把椅子和茶几等。
传感器平台层
并不是所有的对象在一个给定的空间可以或应该被感知。例如，它可能是一个不经意留在这里可能会引起火灾的烤面包机，而不是搅拌机。每个传感器平台定义的边界普适智能住宅内的空间,能够“捕获”这些对象。传感器平台可以与各种各样的通信设备、家用电器、传感器和执行机构,以统一的方式代表他们其余的中间件。
传感器平台能有效把任何传感器或者在实用层的执行机构转换成可以通过编程或组合成其他服务的软件服务。这样开发者就可以定义服务,而无需了解物理世界。解耦传感器和致动器的传感器平台确保开放和当他可得到时能够去开发新技术。
服务层
这一层包含开放服务网关倡议(OSGi)框架,维护租赁的激活服务。
基本服务代表物理世界通过存储服务包定义任何传感器或哦哦哦哦哦哦执行在OSG框架的执行机构的传感器平台。一旦启动,一个传感器平台通过发送它的OSGi服务包定义注册到服务层。
应用程序开发人员创建复合服务通过使用服务发现协议浏览现有服务和使用其他包服务来组成新的OSGi bundle。复合服务本质上是应用程序的可用空间。
一组可用的事实上的标准服务也可能在这一层来提高应用程序开发人员的工作效率。此类服务可能包括语音识别、语音转换,调度,和流媒体,以及其他许多功能。
知识层
这一层包含一个提供各种服务和链接到系统的电器设备的本体。这个可以推断服务，比如系统必须输出摄氏温度转换到华氏温度传感器之前需要将他转换到另外一个服务。
服务广告和发现协议使用服务定义和语义注册或发现服务。推理引擎决定某些组合服务是可用的。
环境管理层
这一层允许应用程序开发人员创建并注册感兴趣的环境。每个环境是一个实现一个将OSGi服务API连接各种传感器连接在一起的环境。
一个环境可以为各种应用程序定义或限制服务激活。他也可以指定某个国家不能进入此空间。
环境引擎负责检测,并可能恢复,这样的状态。我们的参考体系结构没有固定的环境敏感的编程模型。图3。传感器和执行机构的相互作用。致动器影响传感器、观察世界的状态,可以反过来导致系统或
用户激活致动器。
图2
观察larr;larr;larr;larr;larr;larr;
darr; uarr;
人类或软件 传感器
darr; uarr;
控制→致动器→影响
应用程序层
这一层包含一个应用程序管理器激活和停用服务和基于图形集成开发环境各种各样的工具来帮助创建智能空间。有了环境建造者的帮助开发人员可以直观地构造一个图,联系行为与环境;程序员也可以使用它来定义不允许的情下,恢复服务。此外,开发人员可以使用服务作曲家浏览和发现服务以及组成新的注册。包括一个调试器和其他工具模拟器。
环境感知
编程一个短吻鳄科技智能住宅的智能空间包括三个不同的活动:
bull;环境工程——解释感官数据和识别高层的兴趣,如“热”和“阳光”。
bull;软件工程——描述不同软件组件的行为——例如,打开加热器或生成一个可能菜单的成分。
bull;联系行为与环境——定义哪些软件可以执行在一个特定的环境和哪些系统应该调用环境的变化。
这个过程的关键是传感器和执行机构之间的观察控制的相互作用,如如图3所示。
提取感觉数据
智能房子通过各种传感器获得世界信息和可以使用此数据进行某些操作。典型的家庭同样依赖于传感器的影响变化的例子中,如果天气太冷,温控器将激活加热器。然而,区分像智能房子一样真正健壮的环境感知系统是抽象状态信息的能力和执行操作对应于这些高层的描述。
大多数传感器被设计用来探测特定的在一个域值。例如,一个温度传感器可能确定它是95度氏度,或光传感器创纪录的10000勒克斯的光穿过窗户。然而,传感器值为每个可能的组合形式直接硬编码的行为是很困难的实现、调试和扩展。
更容易联系行为与抽象,如“热”和“阳光”,它包含温度的范围和发光值。当它是热的,系统打开空调;如果外面阳光明媚和电视系统关闭,百叶窗,以减少眩光。这方法可以很容易地扩展到各种环境——例如,如果居民正在节食,系统可以防止SW系统做出一个油腻的披萨。
环境管理
除了传感器由物理致动设备组成的智能房子，人可以在其中进行交互。一个执行机构可以改变整个世界的状态。反过来,传感器,可以观察致动器的效果。例如,一个光传感器可能会决定该房屋或居民打开了一盏灯。根据观察到的状态的世界,房子或居民可能会激活一个执行机构。
每一个智能住宅的致动器有特定的有意影响域,一个传感器感觉这个域可以观察到。比如,打开加热器的内部效果是增加温度。假定一个致动器特定影响的清楚描述,可以确定可接受的行为对于一个给定的环境通过检查所有可能的行为在当前状态和识别有意的影响是相互排斥的。这种担保,例如,系统永远不会同时调用空调和加热器。
环境变化可能发生由于
bull;一个驱动器的故意效果的例子,打开加热器后,温度从“冷”变“温暖”；
bull;或自然或其他无法控制的力量事件的例子,夕阳引起改变从“白天”到“夜间”。
理想情况下,一个进入不允许环境的智能空间应该尽量摆脱它人类的监控。为此,我们探索方法,使聪明的房子学如何调用一组执行机构的基础在状态信息自动自我调整的问题。
假定一个执行机构的标准化描述在某一领域以及故意行为传感器值与一个特定的环境应该可以确定哪个驱动器调用逃离一个不允许的环境。如果逃跑是不可能的,该系统可以通知外部方援助是必需的。例如,如果储藏室不包含任何食品和没有日常用品递送服务可用,系统通知外部护理,是时候重新进货。
图3
传感器平台
集成可以变得易于使用的和复杂的各种类型的传感器、软件和硬件的接口。思考,例如,在一所房子里的气候控制。通常,你会硬线连接传感器每个房间,这些连接传感器计算机和程序端口计算机相关的传感器。此外,您必须指定哪个港口包含哪种类型的传感器,湿度或温度。系统集成的各种设备,电器、传感器和致动器和启用观察控制循环在图3中,我们创建了一个传感器平台,代表任何附加对象在一个简单Java程序——无处不在的空间更具体地说,服务作为一个OSGi包。
例如,为了控制家里的气候，需要在每个房间安装一个无线传感器节点平台,湿度传感器和温度传感器连接到每个节点,和每个节点的固定程序。除了固件,传感器节点将包含传感器驱动程序的平台用来解码温度和湿度数据。
仅仅为一个传感器节点的原因将司机无线传输到代理节点,比如家庭电脑,传感器会立即通过其他应用程序。个人电脑不需要配置或硬件接口。传感器驱动程序是软件——代理包含静态信息的Java字节码对传感器和它所提供的服务存储在一个电可擦可编程只读存储器(eepm)传感器节点。平台本身并不理解或过程的代码,而是过程固件和其他低级的C程序,发送和传感器之间的数据平台。
单个节点结构如是模块化和提供了替代和灵活的配置。我们使用一个易用的设计连接替代内存、处理器、力量和通信模块。
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