面向智能家居消息中間件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

付蔚　楊鑫宇　李威　劉威　蔡信露

摘 要：針對采用各種不同協(xié)議的智能家居設(shè)備無法互聯(lián)互通的問題，文章依據(jù)中國智能家居產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟（CSHIA）標(biāo)準(zhǔn)，采用JMS設(shè)計(jì)規(guī)范和UPnP協(xié)議設(shè)計(jì)了一款面向智能家居的消息中間件。分塊設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)設(shè)備管理、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、WEB管理、消息處理和客戶端接口五大功能模塊。測試結(jié)果表明，軟件設(shè)計(jì)可滿足CSHIA標(biāo)準(zhǔn)的智能家居設(shè)備與應(yīng)用程序的數(shù)據(jù)交互。

關(guān)鍵詞：消息中間件；JMS；UPnP協(xié)議；互聯(lián)互通

中圖分類號：TP29 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）17-0039-02

Abstract： In view of the problem that smart home devices with different protocols can not interconnect with each other， this paper designs a message-oriented middleware for smart home based on JMS design specification and UPnP protocol according to China Smart Home Industry Alliance （CSHIA） standard， designing and implementing five function modules of equipment management， data conversion， WEB management， message processing and client interface. The test results show that the software design can meet the CSHIA standard of smart home devices and application data interaction.

Keywords： message-oriented middleware（MOM）； JMS； UPnP； interconnection

引言

面向智能家居消息中間件的設(shè)計(jì)是將CSHIA中間件標(biāo)準(zhǔn)與消息中間件技術(shù)相結(jié)合，提出和劃分了中間件的五大功能，即設(shè)備管理、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、WEB管理、消息處理和客戶端接口，使得應(yīng)用程序通過消息中間件擴(kuò)展至不同的操作系統(tǒng)和不同的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，達(dá)成系統(tǒng)應(yīng)用與智能家居之間的互通有無。

1 總體設(shè)計(jì)介紹

1.1 CSHIA中間件標(biāo)準(zhǔn)

CSHIA中間件標(biāo)準(zhǔn)是由中國智能家居產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟（China Smart Home Industry Alliance）于2014年7月發(fā)布的智能家居互聯(lián)互通標(biāo)準(zhǔn)。CSHIA規(guī)范各設(shè)備生產(chǎn)廠商的子網(wǎng)關(guān)與主網(wǎng)關(guān)之間的數(shù)據(jù)交互模型。

1.2 總體架構(gòu)

根據(jù)智能家居消息中間件的需求分析，設(shè)計(jì)的框架結(jié)構(gòu)包含設(shè)備管理模塊、WEB管理模塊、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊、消息處理模塊和客戶端接口模塊五種。

設(shè)備管理模塊的中的UPnP協(xié)議通過設(shè)備尋址、設(shè)備發(fā)現(xiàn)、設(shè)備描述、事件觸發(fā)等功能，將采集的信息轉(zhuǎn)化為設(shè)備描述文檔和服務(wù)描述文檔，傳遞至數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊[2]。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊將兩類XML描述文件生成對應(yīng)的DOM樹，存入對應(yīng)的兩張數(shù)據(jù)表中，方便WEB管理模塊從表中獲取數(shù)據(jù)。而WEB管理模塊分為前端后臺兩個(gè)方面，通過前臺提供管理交互功能，對后臺數(shù)據(jù)庫進(jìn)行修改與調(diào)用。消息處理模塊則是將數(shù)據(jù)從數(shù)據(jù)庫中取出，封裝成規(guī)定的報(bào)文格式，將待處理的報(bào)文以消息隊(duì)列的方式通過第三方程序接口進(jìn)行發(fā)送與接收。

2 智能家居消息中間件模塊設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)備管理模塊

2.1.1 設(shè)備發(fā)現(xiàn)

設(shè)備發(fā)現(xiàn)采用SSDP協(xié)議定義的M-SEARCH方法進(jìn)行搜索請求，在底層網(wǎng)絡(luò)不斷進(jìn)行搜索。一旦發(fā)現(xiàn)符合CSHIA標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備加入家庭網(wǎng)絡(luò)，就會自動向DHCP申請規(guī)定的IP地址和端口號廣播它的設(shè)備和服務(wù)，并獲取該設(shè)備的描述信息。

2.1.2 設(shè)備描述

設(shè)備描述文檔是一個(gè)XML格式的文檔，由根節(jié)點(diǎn)及其子節(jié)點(diǎn)設(shè)備組成[3]。<基本屬性>標(biāo)簽包含有設(shè)備類型deviceType、唯一識別號UDN和設(shè)備URL地址；標(biāo)簽表示結(jié)點(diǎn)采用的控制方式；表示設(shè)備提供的服務(wù)列表；表示下屬節(jié)點(diǎn)的子設(shè)備列表，包含有多個(gè)的子設(shè)備標(biāo)簽。當(dāng)獲取XML文件成功后，依據(jù)XML中的標(biāo)簽建立元素對象模型（Document Object Model，簡稱DOM）樹[4]。

2.1.3 設(shè)備控制

設(shè)備控制采用SOAP協(xié)議，SOAP控制/反饋信息分為UPnP控制請求、UPnP控制響應(yīng)和UPnP控制錯(cuò)誤響應(yīng)三種。SOAP通過HTTP協(xié)議傳輸，XML標(biāo)記語言來編碼來進(jìn)行遠(yuǎn)程發(fā)送指令。

2.1.4 設(shè)備事件

設(shè)備管理模塊通過GENA協(xié)議監(jiān)聽所有在線設(shè)備事件通知，同時(shí)使用NOTIFY方法發(fā)送事件通知[5]。

2.2 WEB管理模塊

WEB管理模塊為用戶提供可視化管理界面，包括設(shè)備控制，設(shè)備刪除，設(shè)備添加和設(shè)備狀態(tài)四個(gè)功能。同時(shí)包含服務(wù)端和WEB端兩個(gè)設(shè)計(jì)方面。

2.2.1 服務(wù)端設(shè)計(jì)

服務(wù)端負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給前端頁面，同時(shí)也要接收前端頁面發(fā)過來的控制指令。通過WebSocket協(xié)議使用URI連接對前端的資源定位，使用onOpen（）方法建立連接，在建立連接后調(diào)用onMessage（）方法獲取數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)和接收前端頁面的控制指令。在頁面關(guān)閉后，會觸發(fā)onClose（）方法關(guān)閉前端與服務(wù)之間的連接[6]。

2.2.2 WEB端設(shè)計(jì)

WEB端設(shè)計(jì)采用HTML+CSS+JS搭建，通過WebSocket協(xié)議與服務(wù)端進(jìn)行雙向通信。前端設(shè)計(jì)與服務(wù)端的方法保持相應(yīng)的映射關(guān)系，使用JS語言綁定四個(gè)事件，即onError事件、onOpen事件、onMessage事件和onClose事件。

2.3 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊

數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊負(fù)責(zé)將采集回來的底層數(shù)據(jù)的DOM樹轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)表的形式，然后傳遞給消息處理管理模塊生成消息。

2.4 消息處理模塊

消息處理模塊負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)封裝成固定的報(bào)文格式，放入消息隊(duì)列和消息主題中。模塊大致分為三個(gè)功能，即消息生成、消息隊(duì)列管理和消息訂閱[8]。

3 測試與驗(yàn)證

根據(jù)智能家居中間件的功能設(shè)計(jì)，分別測試設(shè)備的發(fā)現(xiàn)、控制，消息的接收和發(fā)送功能，驗(yàn)證是否可以滿足不同的設(shè)備連接，并可以在WEB界面進(jìn)行觀測。

設(shè)備發(fā)現(xiàn)功能測試：

在搭建好系統(tǒng)之后，嵌入智能家居消息中間件，系統(tǒng)可以自動發(fā)現(xiàn)家庭網(wǎng)絡(luò)中的子網(wǎng)關(guān)1和其從屬設(shè)備。

將設(shè)備全部入網(wǎng)，搭建好的WEB服務(wù)器通過智能家居中間件接收來自訂閱主題的消息，消息訂閱機(jī)制分為點(diǎn)對點(diǎn)通信模式和發(fā)布/訂閱通信模式兩種。

4 結(jié)束語

將智能家居消息中間件引入基于B/S架構(gòu)的智能家居遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，通過智能家居消息中間件使得兩個(gè)不同的網(wǎng)關(guān)在WEB平臺上實(shí)現(xiàn)相互通信，驗(yàn)證了對符合CSHIA中間件標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備的接入與控制。目前存在的問題在于智能家居消息中間件只針對符合CSHIA標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品，難以真正解決市面上應(yīng)用各種不同協(xié)議和不同標(biāo)準(zhǔn)的智能家居產(chǎn)品互聯(lián)互通的局面。對于其他標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品，只有在后續(xù)工作中增加相應(yīng)接口程序進(jìn)行處理。

參考文獻(xiàn)：

[1]李強(qiáng).基于S3C6410智能家居網(wǎng)關(guān)的技術(shù)研究與設(shè)計(jì)[D].西安：西安科技大學(xué)，2014.

[2]馬曉飛.VOD系統(tǒng)的UPnP控制點(diǎn)軟件設(shè)[D].浙江：浙江大學(xué)，2007.

[3]靳新，謝進(jìn)軍.XML基礎(chǔ)教程[M].北京：清華大學(xué)出版社，2016.

[4]崔尚森，張白一.Web應(yīng)用開發(fā)技術(shù)：JSP[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2007.

[5]劉路.基于TIDavinci平臺的高清網(wǎng)絡(luò)數(shù)字?jǐn)z像機(jī)軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].武漢：華中科技大學(xué)，2015.

[6]彭燦華.J2EE項(xiàng)目開發(fā)與設(shè)計(jì)（第二版）[M].北京：中國鐵道出版社，2016.

[7]陳穎，陳碩.基于UPnP與ZigBee的智能辦公室研究[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2014（10）：26-29.

[8]徐文聰，徐慧，羊帥，等.基于消息中間件的遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)護(hù)技術(shù)[J].指揮信息系統(tǒng)與技術(shù)，2014（1）：52-57.

[9]侯剛.消息中間件TongLINK/Q的應(yīng)用[J].電腦知識與技術(shù)，2014（14）：3280-3282.