摘要：為了解決普適環(huán)境下智能家庭各類設備組網困難的問題，本系統(tǒng)采用OSGi(Open Service Gateway Initiative)服務框架和LonWorks現(xiàn)場總線技術，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，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，它對智能家庭系統(tǒng)中大量聯(lián)網的設備、服務提供發(fā)現(xiàn)、調度、管理，屏蔽各種設備服務的異構性，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，以智能服務網關作為構建智能家庭系統(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
    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)的構建將大有幫助。同時利用上下文感知技術是提高系統(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)架構如圖1所示。

    智能家庭服務網關的概念，對家庭網關和家庭內部網絡的標準化，是智能家庭成功組建應用的關鍵。目前比較有影響的服務網關是開放服務網關標準組織OSGi，該規(guī)范兼容多種既有標準的特性為家庭網關的實現(xiàn)提供了保障，在此基礎上開發(fā)的家庭服務網關支持家庭內部所有信息家電和設備的聯(lián)網；而其動態(tài)自適應的機制，能自主地將家庭內部不同電氣設備、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、普適網絡、系統(tǒng)軟件和人機交互等多個層次，同時由于研究的側重點和目標不同，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域。在智能家庭內部，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絡，從而形成了一個無縫、交互和普適計算的環(huán)境。[!--empirenews.page--]
    同時使用上下文感知計算技術，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據的實時采集；
    ③PDA是手持電腦，可以通過以太網(Ethemet)對家庭內部電器進行控制；
    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)有的電力線進行數據的傳輸和交換，負責信息的轉發(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)場總線網關，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服務網關(OSGI gataway)
    其主要的功能是完成相對高速的計算機網絡(Ethernet)和相對低速的現(xiàn)場總線網絡(LonWorks)之間的互聯(lián)。

2 LonWorks網絡的設計與實現(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服務網關，形成一個以LonWorks現(xiàn)場總線為平臺的控制和監(jiān)測網絡。而采用現(xiàn)場總線結構組建監(jiān)控網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。使用電力線網絡，不需要另外再鋪設通信線路，這不僅給系統(tǒng)通信網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網絡體系結構如圖2所示。

    LonWorks中心控制器通過電力線連接開關適配器、功率調節(jié)適配器、各種傳感器適配器等。開關適配器子系統(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)。中心控制器內嵌電力線載波芯片使用現(xiàn)代DSP技術，可以完成在高干擾、高噪聲的惡劣電力線環(huán)境下提供可靠的數據傳輸。其兼容ANSI／EIA709．2和CENEIECEN50065-1：2001標準內嵌的協(xié)議，與此同時也與ANSI／ELA709．1、LonTalk控制網絡協(xié)議兼容。[!--empirenews.page--]

3 服務網關的實現(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。
    根據圖3的層次結構，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；
    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)接入家庭網關，具有不同的硬件特性，只有將設備相關的服務打包成Bundle后，由服務提供商發(fā)布，家庭網關從服務提供商下載、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關后，利用驅動定位器服務或驅動選擇器服務查找與這些服務最匹配的驅動服務，建立關聯(lián)關系。如果所需的驅動服務還不存在，設備管理器會自動查找、安裝并啟動驅動服務對應的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(如Lonworks，IEEE1394，Jini)的Bundle間進行互操作。驅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；
    3)編寫一個manifest文件描述該JAR文件的內容；
    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服務網關，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調用getService方法得到服務對象。
    在此基礎上開發(fā)了多個場景應用程序，下面以室內光強亮度環(huán)境調節(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。[!--empirenews.page--]
4．1 室內光強亮度環(huán)境調節(jié)
    該應用程序的功能是通過光強傳感器獲得環(huán)境信息，依此來調節(jié)室內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)光強傳感器驅動Bundle 此包主要完成光強值的定時采集，并傳輸到OSGi服務網關。
    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)照明設備驅動Bundle 此包主要完成對照明設備的開關控制、亮度調節(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換。比如，當照度值降低時，將亮度調高；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據，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)紅外光柵傳感器驅動Bundle 此包主要完成紅外光柵傳感器數據的定時采集，并傳輸到OSGi服務網關。
    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)報警設備驅動Bundle 此包主要完成對報警單元的開關控制、聲音大小調節(jié)等。
    5)推理Bundle 此包主要完成紅外光柵傳感器數據到報警處理過程的轉換，如有可疑人員通過非法手段進入室內時，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
    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的差異。