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盖特科技智能屋：可编程的普适空间
Sumi Helal WilliamMann HichamEl-Zabadani Jeffrey King Youssef Kaddoura
摘 要
随着新技术的出现或应用领域的成熟发展，许多第一代普适计算系统缺乏适应这种变化的能力。比如“盖特科技智能屋”可编程的广泛适用能力提供了一种可扩展的，具有成本效益的方式来开发和部署可扩展的智能技术。
关键词：科技、智能、可编程、计算机
引言
学术界和工业界的研究小组都开发 了原型系统，以证明普适计算在各 种应用领域中的优势。这些项目通常专注于基本系统集成，连环境中的传感器、执行器、计算机和环境中的其他设备。
不幸的是，随着新技术的出现或应用领域的成熟，许多第一代普适计算机系统缺乏进化的能力。集成众多异构元素主要是一个手动的、临时的过程。插入新元素需要研究其特性和操作，确定如何对其进行配置和集成，并进行繁琐且反复的测试，以避免在整个系统中引起冲突或不确定的行为。因为环境也是封闭的，从而限制了开发或扩展到原始实现者。
为了解决这个限制，佛罗里达大学移动与 普适计算实验室正在开发可编程普适空间， 在该空间中，智能空间既可以作为运行时环 境，又可以作为软件库而存在。服务发现和网关协议使用通用中间件自动集成系统组件，该中间件维护每个传感器和空间的执行器，程序员将服务组装到复合 应用程序中，可以轻松实现或扩展第三部分。
面向服务的可编程空间的使用扩展了传统的编程器模型。我们的方法使领域专家。例如，健康专业人士、精神病学家或胃肠学家，能够开发和部署强大的新应用程序给用户。
我们正在与大学的公共卫生与卫生专业学院合作，并获得了美国国家残疾人与康复研究所（NIDRR）的联邦资助，我们正在创建一个专门为老年人和残疾人设计的可编程空间。地址位于佛罗里达州盖恩斯维尔的盖特智能住宅是对普适性和移动计算进行五年多研究的高潮。该项目的目标是创建辅助环境，例如可以感知自己及其居民的房屋，并在物理世界与远程监视和干预服务之间建立映射。
智能房屋技术
图 1 显示了盖特智能屋中当前活跃或正在开发的大多数“热点”。可以www.icta.ufl.edu/gt.htm 上查阅的交互式交互式3D模型提供了一个虚拟的参观房屋，并按名称和位置对技术进行最新描述。
图1 盖特科技智能屋
智能邮箱
邮箱感知邮件到达并通知占用者。
智能前门
前门包括一个射频识别（RFID）标签，供居民和授权人员进行无钥匙进入。它还具有麦克风，摄像头，文本 LCD，自动 开门器，电锁和扬声器，乘客可用来与访客交流和接纳访客。
驾驶模拟器。
该车库有一个驾驶模拟器，用 于评估老年人的驾驶能力并收集数据以供研究之用。
智能百叶窗
所有窗户都有自动百叶窗，可以通过远程设备进行预设或调整，以控制环境光并提供隐私。
智能床
主卧室中的床配有特殊设备，可监控居住者的睡眠状况并且记录睡眠数据。
智能壁橱
将来，主卧室壁橱将根据室外天气情况提出衣服建议。
智能洗衣
结合智能壁橱，未来基于 RFID的技术将通知居民何时洗衣服并帮助分类。
智能镜子
主浴室镜子在需要时显示重要的 消息或提醒（例如，服用处方药）。这项技术可以扩展到其他房间。
智能浴室。
主浴室包括厕纸传感器，冲水 检测器，调节水温并防止烫伤的淋浴器和肥 皂分配器，该肥皂分配器监视乘员的清洁度并在需要重新注水时通知服务中心。其他正在开发的技术可测量乘客的生物特征，例如体重和体温。
智能显示器
利用整个房屋中的显示设备，娱乐媒体和信息可以在每个房间的房间中跟随着居住者。
智能微波炉
厨房的微波炉会自动调整 任何冷冻食品包装的时间和功率设置， 并向用户展示如何正确准备食物进行烹饪。
智能冰箱/餐具室
未来的制冷机将监 视食物的供应和消耗，检测过期的食物，创建购物清单，并根据冰箱和食品储藏 室中的食物提供有关备餐的建议。
远离社交的餐厅
乘员将能够使用早餐角落中安装的沉浸式视频和音频技术与远方的亲戚或朋友分享美食。
智能相机
图像传感器监控前门廊和露台的私密性和安全性。
超声波位置跟踪
当前仅安装在起居室中的 传感器可检测乘员的移动，位置和方向。
智能地板
目前仅在厨房和娱乐中心区域的地板上的传感器可以识别并跟踪所有房屋居民的位置。我们还在开发技术，以检测乘员何时跌倒并将其报告给紧急服务。手机，这款“家用魔术棒”将传统电话功能与客厅中 所有电器和媒体播放器的远程控制集成在一起。当他们不在，它还可以将提醒和重要信息传达给房主。
智能插头
客厅，厨房和主卧中选定电源插座后面的传感器检测到电器或灯的存在，并将其链接到远程监视和干预应用程序。
智能恒温器
将来，住户将能够根据日常任务或环境来个性化整个房屋的空调和热设置-例如，在寒冷的冬天晚上洗个澡时，他们可能会略微提高温度。
智能检漏仪
车库和厨房中的传感器可以检测到洗衣机，洗碗机或热水器的漏水现象。
智能炉灶
未来的设备将监控炉灶的使用情况，并通过智能床提醒乘员，如果炉灶已打开。
智能投影仪
我们正在开发一种投影仪，该投影仪使用由声音位置跟踪，并向居住者当前面对的客厅墙 壁显示提示，提醒和事件通知。
家庭安全监控器
正在开发的安全系统会持 续监视所有门窗，并根据要求通知居民是否打开或未打开。
紧急求助
未来的系统将跟踪潜在的紧急情况，询问居民是否怀疑有问题，并在必要时发出寻求外部帮助的电话。
认知助手
开发中的另一个系统引导居民完成各种任务，并使用听觉和视觉提示来提示有关用药，约会等方面的信息。
中间件架构
为了创建盖特科技智能房屋，我们开发了适用于任何普适计算空间的通用参考架构。如图 2 所示，中间件包含单独的物理—传感器平台，服务，知识，上下文管理和应用程序层。尽管在知识层仍有许多工作要做，我们已经实现了大多数参考体系结构。
图二 智能空间中间件
物理层
该层由乘员使用的各种设备和电器组成。其中许多都是在典型的单户住宅中发现的，例如灯，电视，机顶盒，时钟收音机和门铃。其他是新颖的技术，例如适用于智能家居目标人群的智能微波炉和无钥匙进入系统。
传感器和执行器（例如烟雾探测器，空调和加热恒温器以及安全系统运动探测器）也是物理层的一部分。另外，该层可以包括在空间中起重要作用的任何对象，例如椅子或茶几。
传感器平台层
并非或不能考虑给定空间中的所有对象。例如，可能希望捕获一个烤面包机，如果不小心留在烤箱上，可能会引起火灾，但不能搅拌。 每个传感器平台都定义了智能家居中普遍存在 的空间的边界，以“捕获”附着在智能家居上的 那些物体。传感器平台可以与各种设备，设备， 传感器和执行器进行通信，并以统一的方式将 它们表示给中间件的其余部分。 传感器平台可将物理层中的任何传感器或 执行器有效地转换为软件可以编程或组合成其他服务的服务。因此，开发人员可以定义服务而无需了解物理世界。将传感器和执行器与传感器平台分离，可以 确保开放性，并可以在可用时引入新技术。
服务层
该层包含开放服务网关倡议（OSGi）框架， 该框架维护已激活服务的租约。基本服务通过传感器平台代表物理世界，传感器平台存储 OSGi 框架中表示的任何传感器或执行器的服务包定义。上电后，传 器平台通过发送其 OSGi 服务包定义向服务层注册自己。
应用程序开发人员通过使用服务发现协议浏 览现有服务并使用其他捆绑软件服务来组合新 的 OSGi 捆绑软件来创建组合服务。组合服务 本质上是遍及整个空间的可用应用程序。在这一层中可能还提供了一组事实上的标准服务，以提高应用程序开发的生产率。这样的服务可能包括语音识别，文本到语音的转换，调度和媒体流等等。
知识层
该层包含所提供的各种服务以及与系统连 接的设备和装置的本体。这样就可以对服务 进行推理，例如，系统必须在将其输出到另一服务之前将摄氏温度传感器的输出转换为华氏温度。
服务公告和发现协议同时使用服务定义和语 义来注册或发现服务。推理引擎确定某些组合 服务是否可用。
上下文管理层
该层使应用程序开发人员可以创建和注册感 兴趣的上下文。每个上下文都是实现为 OSGi 服务线 API 的图形，将各种传感器链接在一起。 上下文可以定义或限制激活各种应用程序的服务；它还可以指定无法进入普遍空间的状态。
上下文引擎负责检测此类状态，并可能从中恢复。我们的参考体系结构没有固定的上下文感知编程模型。
应用层
该层由一个用于激活和停用服务的应用程序管理器以及一个基于图形的集成开发环境以及各种工具来帮助创建智能空间。使用上 下文构建器，开发人员可以直观地构建将行为与上下文相关联的图形。程序员也可以使 用它来定义不允许的上下文和恢复服务。此外，开发人员可以使用服务编写器来浏览和发现服务以及编写和注册新服务。其他工具包括调试器和模拟器
情境意识
对诸如盖特智能科技屋之类的智能空间进行编程涉及三个不同的活动：
1、上下文工程-解释感官数据并识别感兴趣 的高级状态，例如“热”和“晴天”。
2、软件工程-描述各种软件组件的行为-例如， 打开加热器或从一组要素中生成可能的菜单。
3、将行为与上下文相关联-定义哪些软件可以在特定的上下文中执行，哪些系统应在上下文更改时调用。
这个过程的关键是传感器和执行器之间的观察控制交互，如图 3 所示。
图 3 传感器和执行器的相互作用
抽象感官数据
智能房屋通过各种传感器获取有关世界的信息，并可以使用这些数据采取某些行动。 典型的家庭同样依靠传感器来实现变化-例如，如果温度过低，恒温器将启动加热器。但是，真正健壮的上下文感知系统（如智能房屋）与众不同的是，它具有抽象状态信息并执行与这些高级描述相对应的操作的能力。2,3
大多数传感器旨在检测一个域中的特定值。例如，温度传感器可能确定房屋中的华氏温度为 95 华氏度，或者光传感器可能会记录通过窗户的10,000勒克斯的光。但是，直接传感器值的每种可能组合的硬编码行为很难实现，调试和扩展。
将动作与诸如“热”和“晴天”之类的抽象关联起来要容易得多，这些抽象包括一系列温度和发光值。天气炎热时，系统会打开空调。 如果外面阳光明媚并且电视开着，系统会关闭百叶窗以减少眩光。这种方法可以轻松地扩展到各种上下文中，例如，如果居民正在节食，该系统可以防止智能微波炉烹饪油腻的比萨饼。
上下文管理
除传感器外，智能家居还包括执行器，即人们可以与之交互的物理设备。执行器可以改变世界的状态。传感器可以依次观察致动效果。例如，光传感器可以确定房屋或居民打开了灯。根据观察到的世界状况，房屋或居民可能会激活执行器。
智能房屋中的每个执行器都会对某个域产生一定的故意影响，感应该特定域的传感器可以观察到该影响。例如，打开加热器的故意作用是提高温度。 在清楚地描述了执行器的作用效果后，有可能通过检查当前状态下所有可能的行为并确定哪些故意影响是互斥的来确定给定上下文的可接受行为。例如，这保证了系统将不会同时启动空调和加热器。
上下文变化可能是由于：
1、执行器的有意作用，例如，打开加热器后，房屋的温度从“冷”变为“热”；
2、自然或无法控制的力量或事件-例如，落日导致从“白天”变为“夜间”。
理想情况下，进入不允许的环境的智能空间应该尝试在没有人工监视的情况下摆脱它
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