【中心議題】

• 介紹了中間件技術的基本概念和目前在實現家庭網絡平台中較有影響的主流中間件技術
• 提出了一種基於中間件的智能家居係統原型的設計與實現

【解決(jue) 方案】

• 家庭網關安裝在每個家庭中,負責收集家用設備的狀態信息、控製家用設備的狀態
• 通訊網關和係統服務平台都是通過JDBC API訪問數據庫

1引言

隨著計算機網絡通信越來越改變人們(men) 的生活方式和工作方式。智能家居技術業(ye) 務一例外的受到新技術的影響而具有新的軟硬件結構和功能,其中影響最大的就是網絡技術的興(xing) 起和應用。

基於(yu) 網絡的智能家居係統除了具有一般智能家居係統的基本功能以外,還可以發揮每一個(ge) 家庭和整個(ge) 社區聯網的優(you) 勢成為(wei) 整個(ge) 小區的一個(ge) 智能終端。但是目前各廠商或機構提出的網絡化智能家居的解決(jue) 方案科研精力放在智能家居內(nei) 部電器的通信和組網上,忽略了家庭設備與(yu) 外界的互聯互通,設備的遠程監控。有的提出家用設備與(yu) 外界的互聯也多為(wei) 家庭網關(guan) 中嵌入WEB服務模塊,是一種單一家庭的智能家居係統解決(jue) 方案,沒有和智能小區有效結合起來,存在很多的信息孤島;這樣的智能家居係統擴展性也很差。

2智能家居係統中間件技術

2.1中間件技術簡介

中間件技術是伴隨網絡而發展起來的一種麵向對象的技術。它的主要作用是用來屏蔽網絡硬件平台的差異性和操作係統與(yu) 網絡協議的異構性,使應用軟件能夠比較平滑地運行於(yu) 不同平台上。同時中間件在負載平衡、連接管理和調度方麵起了很大的作用,使企業(ye) 級應用的性能得到大幅提升,滿足了關(guan) 鍵業(ye) 務的需求。

程序員通過調用中間件(middleware)提供的大量API,實現異構環境的通訊,從(cong) 而屏蔽異構係統中複雜的操作係統和網絡協議。

中間件(middleware)提供客戶機與(yu) 服務器之間的連接服務,這些服務具有標準的程序接口和協議。針對不同的操作係統和硬件平台,它們(men) 可以有符合接口和協議規範的多種實現。

我們(men) 智能家居係統就是在家庭設備終端和控製設備終端之間加入一層通信中間件層,這個(ge) 通信中間件提供服務接口,隔離底層設備通信與(yu) 應用層,兼具業(ye) 務軟件的管理功能,可以根據控製設備終端的的指令,控製家庭設備加載、配置、運行。

2.2智能家居係統中的中間件技術

現在有一些構建好的基於(yu) 中間件的智能小區/家居係統,這些係統基本都是將中間件建立在家庭網關(guan) 的部分,然後用戶利用一些控製終端控製通過家庭網關(guan) 訪問家庭設備,這樣也能做到對家庭設備的控製和監控。

為(wei) 了提高不同係統之間的互操作能力,湧現出很多家庭網絡中間件規範,其中包括OSGi、UPnP、HAVi、jini、OpenCable等。在這些中間件的規範中,根據設計目的、覆蓋範圍和出發點不同,可以大致分為(wei) 兩(liang) 類,一類是以家庭網關(guan) 為(wei) 中心形成的集中式控製的家庭網絡中間件規範,如OSGi、OpenCable等;另一類式分布式控製的家庭網絡中間件規範,如UPnP、HAVi、Jini等,它們(men) 致力於(yu) 設備與(yu) 設備之間的自動識別與(yu) 相互通信,設備之間構成的是對等連接。

在上述的兩(liang) 類智能家居解決(jue) 方案中,都是關(guan) 注家庭內(nei) 部家庭設備的的連接,第一類是家庭設備與(yu) 家庭網關(guan) 相連,利用家庭網關(guan) 通信,第二類則是家庭設備能夠互聯互通,然後在家庭網關(guan) 上集成了對外的通信模塊,將家庭網關(guan) 作為(wei) 對外的唯一接口,這樣所有的家庭設備數據信息將集中在家庭網關(guan) 上進行處理、轉發,家庭網關(guan) 成為(wei) 係統的最關(guan) 鍵部件,我們(men) 在此將這種係統稱為(wei) 嵌入式智能家居係統。這兩(liang) 類智能家居係統為(wei) 了用戶能夠訪問、控製設備,設計者一般在家庭網關(guan) 上嵌入web服務或者無線模塊,通過web頁麵或者無線遙控設備控製家庭設備。

通過上麵的分析,我們(men) 可以發現這種嵌入式智能家居係統多為(wei) 單一家庭提出的解決(jue) 方案,沒有和智能小區連接起來,存在的很多的信息孤島,不利於(yu) 信息的管理和分析。

而且,嵌入式智能家居係統也不是很利於(yu) 係統的擴展,由於(yu) 所有的功能控製全部集中在家庭網關(guan) 部分,每當要為(wei) 係統增加新的功能時,我們(men) 需要修改每個(ge) 家庭網關(guan) 的設置,有些時候,還需要徹底更換一台新的家庭網關(guan) 設備。

基於(yu) 上麵對嵌入式智能家居係統中間件放在家庭網關(guan) 的考慮,我們(men) 沒有把數據的處理全部放在家庭網關(guan) ,然後利用家庭網關(guan) 把數據直接傳(chuan) 遞給用戶,而是利用家庭網關(guan) 把數據傳(chuan) 到一台服務器,用戶通過訪問服務器上的用戶門戶,間接訪問家庭設備。在服務器端,我們(men) 設計了另外一個(ge) 數據通訊的通信中間件———通信網關(guan) ,通信網關(guan) 主要的功能是完成不同通信協議之間的轉換,並把家庭設備的信息發送給用戶,接收用戶對家庭設備的控製/查詢命令,轉發到家庭網關(guan) 。

3基於(yu) 消息中間件智能家居係統的設計

3.1整體(ti) 思想

在前麵的分析中,我們(men) 提到目前大多實現的智能家居係統實際是為(wei) 單一家庭設計的嵌入式智能家居係統解決(jue) 方案,沒有和智能小區有效結合起來,存在很多的信息孤島,為(wei) 了解決(jue) 這個(ge) 問題,我們(men) 整個(ge) 智能家居係統由遠程控製端、帶有大型數據庫的高性能服務器、家庭網絡控製監控設備三部分組成。該係統的層次說明如下:

(1)客戶的查詢控製終端主要通過瀏覽器實現,應該也可以是手機、PDA等終端設備,控製命令通過有線\無線網絡和後台服務器通信,後台的服務器驗證用戶的身份和任務,轉化為(wei) 數據庫中的查詢控製記錄和參數。

(2)數據庫中記載了用戶和屬於(yu) 該用戶的詳細信息,並且兩(liang) 個(ge) 用戶之間的電器設備可以互不幹擾,動態添加。當用戶的任務到達數據庫中的時候,該任務就通過通信接口向下傳(chuan) 遞。這樣做的好處是,服務器的通信程序可以隻寫(xie) 一次而提供用戶和用戶家庭內(nei) 部控製端兩(liang) 部分使用,簡化了係統通信結構。

(3)家庭內(nei) 部網絡係統由於(yu) 需要控製硬件,所以需要係統駐留程序來不斷完成控製離散設備的開關(guan) 、狀態等信號的任務。

通過以上分析,我們(men) 可以得出係統的結構模型,圖1是係統架構設計圖。

3.2各模塊的設計思路及功能介紹

(1)端設備—家庭網關(guan) (Home Gatway)是網絡化智能家居的節點。在家庭中,通過485總線連接各中家庭設備,然後通過一個(ge) 串口服務器設備(Serial to IP)完成RS-232/RS485格式和以太網傳(chuan) 輸的IP包之間的數據雙向轉換,從(cong) 而給傳(chuan) 統的串行設備增加聯網功能。

家庭網關(guan) 安裝在每個(ge) 家庭中,負責收集家用設備的狀態信息、控製家用設備的狀態。家庭網關(guan) 負責完成以下事情:解析通訊網關(guan) 發過來的TCP報文並向家用設備發送控製命令;接受家用設備發過來的狀態信息,向通訊網關(guan) 發送家用設備的狀態(包括家用設備的狀態改變即時發送和家用設備狀態的定期發送)的TCP報文。

(2)通訊網關(guan) (Communication Gateway)是係統核心部分。它獲取來自家庭網關(guan) 經由通信網絡傳(chuan) 送過來的數據,將數據解析後,保存到數據庫中,並把數據轉換後通過消息發布/訂閱引擎發布給用戶/小區保安。它主要的功能是完成不同通信協議之間的轉換;並把家庭設備的信息發送給用戶;接收用戶對家庭設備的控製/查詢命令,轉發到家庭網關(guan) 。

(3)係統數據庫(System Database)是通過對整個(ge) 軟件功能的考慮來搭建的community數據源,在數據源中建立表格、視圖、字段來存儲(chu) 用戶信息、模塊信息、費用信息、安防報警信息等。

JDBC(Java數據庫連接,Java Database Connectivity)是一種基於(yu) X/Open的SQL命令級接口,它有一組用JAVA語言編寫(xie) 的類和接口組成,使得程序開發人員可以建立一個(ge) 與(yu) 數據庫無關(guan) 、與(yu) 平台無關(guan) 的編程接口建立數據庫應用程序。通訊網關(guan) 和係統服務平台都是通過JDBC API訪問數據庫。

(4)係統管理平台(System Manage portal)基於(yu) J2EE三層B/S架構,實現管理通訊模塊通訊格式、家庭通訊設備、使用通訊設備的用戶,這是一個(ge) 係統運行的支撐平台,它提供、管理係統運行需要的信息和資源。

(5)控製終端(Control Terminal)主要用於(yu) 用戶實現對家庭設備的查詢和控製以及接收家庭設備信息。用戶可以通過WEB\WAP\SMS的方式連接上後台的服務程序後,實現對家庭設備的查詢和控製,同時可以使用預先定製的設備信息通知通道(SMS\MMS\eMail)接收家庭設備的狀態信息。

4結束語

在基於(yu) 消息中間件的智能家居係統中,為(wei) 了避免大多嵌入式智能家居係統中出現的信息孤島孤島和擴展性差的問題,我們(men) 設計了一個(ge) 麵向消息的中間件(message-Oriented middleware),完成異構隔離、消息傳(chuan) 遞、數據交換和模塊管理等功能,為(wei) 係統的可擴展性提供了良好的支持。