一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的宇航智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)

高延超，王九龍，王 悅

(中國(guó)空間技術(shù)研究院載人航天總體部,北京100094)

1 引言

隨著NASA宣布美國(guó)航天員將重返月球,地月空間載人航天器將會(huì)在不久的將來(lái)成為各國(guó)研究的熱點(diǎn)。未來(lái)該類(lèi)型載人航天器將具有在軌時(shí)間越來(lái)越長(zhǎng)、在軌任務(wù)越來(lái)越多、空間越來(lái)越大等特點(diǎn),系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)航天員在軌工作生活體驗(yàn)也越來(lái)越重視,所以更加高效、便捷、舒適、智能的人機(jī)交互系統(tǒng)將會(huì)變得尤為重要［1］。

智能家居系統(tǒng)是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的一種具體實(shí)現(xiàn)［2］,目標(biāo)是讓家居環(huán)境更舒適、更安全、更環(huán)保、更便捷,系統(tǒng)功能可涵蓋家居功能各個(gè)方面。同時(shí),由于網(wǎng)絡(luò)化架構(gòu)系統(tǒng)兼容性好,智能家居系統(tǒng)功能可根據(jù)家庭需求進(jìn)行功能的靈活擴(kuò)展或裁減［3］。目前,國(guó)際空間站基于這種理念已嘗試應(yīng)用智能終端支持在軌任務(wù),如HoloLens頭盔,但由于其信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)局限性,僅能支持特定智能功能且擴(kuò)展性差［4］。同時(shí),國(guó)內(nèi)載人航天器人機(jī)交互系統(tǒng)目前以任務(wù)功能滿(mǎn)足為導(dǎo)向,存在功能相對(duì)單一獨(dú)立、智能性及兼容擴(kuò)展性較差等特點(diǎn),難以滿(mǎn)足未來(lái)載人航天器需求。

本文結(jié)合未來(lái)載人航天器可能的在軌工作生活需求,提出一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的面向載人航天器的智能化、網(wǎng)絡(luò)化的宇航智能家居系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案,并對(duì)設(shè)計(jì)方案可行性進(jìn)行分析。

2 系統(tǒng)需求

航天員長(zhǎng)期在軌駐留期間,在與地面環(huán)境完全不同的太空環(huán)境的沖擊下,可能會(huì)出現(xiàn)適應(yīng)不良甚至形成心理障礙,包括焦慮、抑郁或心理疲勞等,影響在軌工作績(jī)效和身心健康,其中一個(gè)有效的改善措施就是為在軌航天提供宜居性設(shè)計(jì)［5］。本文提出基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的宇航智能家居系統(tǒng)的目的正是為了為在軌航天員提供一種更加高效、便捷、舒適、智能的載人航天器人機(jī)交互系統(tǒng),提供一種宜居的在軌工作生活環(huán)境支持。

2.1 系統(tǒng)功能性需求

1)個(gè)人環(huán)境調(diào)節(jié)功能：需要為在軌航天員提供智能化的個(gè)人環(huán)境調(diào)節(jié)功能,包括照明、溫濕度等,如照度、色溫、顯色指數(shù)、照明情景模式的智能控制及調(diào)節(jié)功能。

2)個(gè)人娛樂(lè)支持功能：需要為在軌航天員提供智能化的個(gè)人娛樂(lè)支持功能,包括觀影、音樂(lè)、游戲等智能顯示播放功能。

3)個(gè)人通信支持功能：需要為在軌航天員提供智能化的個(gè)人通信支持功能,包括在軌航天員間、天地間通信,如音頻通信、音視頻通信、電子郵件通信,甚至是目前地面流行的即時(shí)通信手段等。

4)支持在軌物資管理功能：需要幫助航天員進(jìn)行智能化的物資識(shí)別、盤(pán)點(diǎn)、查找、定位、物資信息管理等,提高物資管理的效率和準(zhǔn)確性,減少航天員在物資管理方面耗費(fèi)的精力。

5)支持在軌平臺(tái)監(jiān)控功能：需要支持航天器狀態(tài)智能顯示、異常狀態(tài)智能報(bào)警提示等；支持在軌航天員在軌期間可隨時(shí)隨地獲取航天器運(yùn)行狀態(tài)等,減輕航天員在常規(guī)平臺(tái)監(jiān)控方面的工作量。

6)支持在軌維修功能：航天器在軌維修維護(hù)工作對(duì)于航天員來(lái)說(shuō)常常是一件難度高、易出錯(cuò)的工作,本系統(tǒng)需要提供智能化的手段支持在軌維修工作,如音視頻同步輔助功能、虛擬現(xiàn)實(shí)支持功能等,降低在軌維修操作的難度和工作量。

7)其他支持功能：其他擴(kuò)展功能。

2.2 系統(tǒng)安全性需求

宇航智能家居系統(tǒng)定位于支持航天員在軌工作生活中常規(guī)的人機(jī)交互功能,其支持的功能不能影響航天器平臺(tái)安全,故宇航智能家居系統(tǒng)應(yīng)盡量與航天器平臺(tái)系統(tǒng)隔離。

2.3 系統(tǒng)擴(kuò)展性需求

宇航智能家居系統(tǒng)需支持的功能種類(lèi)多樣,為增強(qiáng)系統(tǒng)的可用性及擴(kuò)展性,需要采用網(wǎng)絡(luò)化的系統(tǒng)架構(gòu),系統(tǒng)接口及協(xié)議需考慮標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)。同時(shí),為增強(qiáng)用戶(hù)體驗(yàn),宇航智能家居系統(tǒng)的終端設(shè)備需要充分考慮商業(yè)化產(chǎn)品接入及兼容。

3 總體設(shè)計(jì)

基于智能家居物聯(lián)化的理念,面向載人航天器的宇航智能家居系統(tǒng)的系統(tǒng)架構(gòu)采用網(wǎng)絡(luò)化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)［6］。宇航智能家居系統(tǒng)主要包括網(wǎng)絡(luò)接入與傳輸功能模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)分析功能模塊、智能交互功能模塊三部分,系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

3.1 網(wǎng)絡(luò)接入與交互功能模塊

未來(lái)載人航天器長(zhǎng)期在軌飛行期間航天員可能進(jìn)行多次乘組輪換,為適應(yīng)后續(xù)可能新增的智能交互需求,宇航智能家居系統(tǒng)需具備良好的兼容性和擴(kuò)展性,其網(wǎng)絡(luò)接入與交互功能模塊的接口及協(xié)議采用標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)。鑒于宇航智能家居系統(tǒng)的定位,系統(tǒng)的接口協(xié)議跟蹤地面民用標(biāo)準(zhǔn),系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)重點(diǎn)規(guī)范智能終端的準(zhǔn)入驗(yàn)證。

本文網(wǎng)絡(luò)接入與交互功能模塊采用有線及無(wú)線相結(jié)合的系統(tǒng)架構(gòu)。有線架構(gòu)對(duì)于實(shí)時(shí)性要求高的建議以時(shí)間觸發(fā)以太網(wǎng)(Time Triggered Ethernet,TTE［7］)為基礎(chǔ),實(shí)時(shí)性要求低的有線架構(gòu)建議以以太網(wǎng)(Ethernet)為基礎(chǔ)；無(wú)線接入方式建議采用商業(yè)產(chǎn)品廣泛采用的WIFI接入方式(如IEEE 802.11系列),同時(shí)在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)注重協(xié)議和接口的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)、仿真及驗(yàn)證,便于商業(yè)化產(chǎn)品接入及后續(xù)在軌擴(kuò)展升級(jí)。

宇航智能家居系統(tǒng)需要與航天器平臺(tái)系統(tǒng)間進(jìn)行數(shù)據(jù)交互時(shí),通過(guò)設(shè)置相應(yīng)網(wǎng)關(guān)在平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)與智能家居系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)間進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸及隔離,這樣既能保證宇航智能家居系統(tǒng)不影響航天器系統(tǒng)平臺(tái)安全,又能夠極大程度提高宇航智能家居系統(tǒng)的靈活性及擴(kuò)展性。

3.2 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)分析模塊

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)分析模塊通過(guò)接入智能家居系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò),獲取網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù),提供數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及分析服務(wù)功能,該模塊通過(guò)配置特定的在軌數(shù)據(jù)存儲(chǔ)服務(wù)器來(lái)實(shí)現(xiàn)。同時(shí),可根據(jù)在軌航天員需求,在存儲(chǔ)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上進(jìn)行數(shù)據(jù)分析或深度學(xué)習(xí)［8］,如智能化語(yǔ)音識(shí)別、圖像識(shí)別、自主健康管理等,從而為實(shí)現(xiàn)未來(lái)真正的在軌智能人機(jī)交互奠定基礎(chǔ)。

3.3 智能交互功能模塊

智能交互功能模塊可根據(jù)航天員需求靈活配置,在符合網(wǎng)絡(luò)接入與傳輸功能模塊對(duì)接口及傳輸協(xié)議的要求的前提下,可廣泛采用商業(yè)化智能產(chǎn)品或系統(tǒng)來(lái)縮短開(kāi)發(fā)周期、提升用戶(hù)體驗(yàn)。

根據(jù)航天員在軌基本的照明、監(jiān)視、監(jiān)控、娛樂(lè)及工作需求,宇航智能家居系統(tǒng)需配置智能情景照明功能、智能顯示報(bào)警功能、智能影音監(jiān)控功能、智能平臺(tái)控制功能、智能物質(zhì)管理功能及各種類(lèi)型的工作輔助功能。以智能情景照明功能、智能顯示報(bào)警功能、智能物資管理功能為例,智能交互功能詳細(xì)設(shè)計(jì)如下。

3.3.1 智能情景照明功能

航天器常規(guī)照明系統(tǒng)一般僅具備照明燈開(kāi)關(guān)及亮度調(diào)節(jié)功能,并且常常通過(guò)手動(dòng)旋鈕或按鈕實(shí)現(xiàn),照明系統(tǒng)功能單一且體驗(yàn)交差。智能情景照明系統(tǒng)通過(guò)靈活配置照明燈的照度、色溫及顯色指數(shù),為在軌航天員提供各種各樣的情景照明模式,如工作模式、睡眠模式、就餐模式、娛樂(lè)模式等［9］。同時(shí),航天員可使用無(wú)線終端接入對(duì)照明系統(tǒng)進(jìn)行無(wú)線控制,實(shí)現(xiàn)航天器照明系統(tǒng)與在軌航天員間智能化數(shù)據(jù)交互。

智能情景照明功能及網(wǎng)絡(luò)接入設(shè)計(jì)如圖2所示。航天器不同區(qū)域(如不同艙段)設(shè)置不同的情景照明控制器,通過(guò)接收艙載固定操作終端或艙載移動(dòng)智能終端的控制信息,對(duì)相應(yīng)區(qū)域照明燈進(jìn)行開(kāi)關(guān)、照度調(diào)節(jié)、情景模式設(shè)置等操作。同時(shí),網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)服務(wù)器可對(duì)在軌航天員作息時(shí)間進(jìn)行分析,自動(dòng)對(duì)相應(yīng)區(qū)域進(jìn)行情景照明控制。移動(dòng)終端和情景燈可考慮采用商業(yè)化產(chǎn)品。

3.3.2 智能顯示報(bào)警功能

在軌航天員對(duì)航天器狀態(tài)的監(jiān)視監(jiān)控是一項(xiàng)非常重要的工作,是航天器平臺(tái)正常運(yùn)行的重要保證。智能顯示報(bào)警系統(tǒng)通過(guò)接入網(wǎng)絡(luò)接入與傳輸功能模塊獲取航天器平臺(tái)狀態(tài)數(shù)據(jù),并對(duì)平臺(tái)狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理,以智能化、便捷化的智能終端(如商業(yè)智能手機(jī))為在軌航天員提供平臺(tái)顯示報(bào)警信息。通過(guò)采用智能顯示報(bào)警系統(tǒng),在軌航天員可隨時(shí)隨地獲知航天器平臺(tái)運(yùn)行狀態(tài)。

智能顯示報(bào)警功能及網(wǎng)絡(luò)接入設(shè)計(jì)如圖3所示。宇航智能家居系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通過(guò)網(wǎng)關(guān)接收航天器系統(tǒng)平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送的平臺(tái)運(yùn)行數(shù)據(jù)后,通過(guò)網(wǎng)絡(luò)送艙載移動(dòng)智能終端、各區(qū)域固定顯示報(bào)警終端及網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)服務(wù)器。網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)服務(wù)器可對(duì)平臺(tái)狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)及再分析,如平臺(tái)運(yùn)行趨勢(shì)、健康狀態(tài)等。艙載移動(dòng)智能終端及區(qū)域固定顯示報(bào)警終端可考慮采用商業(yè)化產(chǎn)品。

3.3.3 智能物資管理功能

航天員在軌工作生活期間,根據(jù)任務(wù)工作安排、生活具體需要,需要開(kāi)展大量的常規(guī)物資盤(pán)點(diǎn)查找、重要物資快速定位、廢棄物處理等工作,在軌物資信息管理尤為重要。智能物資管理功能為在軌航天員提供智能化的物資識(shí)別、盤(pán)點(diǎn)、定位、物資信息管理等功能。智能物資管理功能及網(wǎng)絡(luò)接入設(shè)計(jì)如圖4所示。

航天員通過(guò)艙載智能移動(dòng)終端(配置相應(yīng)APP)可對(duì)在軌物資(含物資標(biāo)簽)進(jìn)行識(shí)別、盤(pán)點(diǎn)等操作,生成的物資管理信息通過(guò)宇航智能家居系統(tǒng)網(wǎng)路存儲(chǔ)至網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及分析,如消耗品消耗趨勢(shì)等。智能移動(dòng)終端可隨時(shí)隨地為在軌航天員推送物資存儲(chǔ)信息、物資消耗預(yù)警信息等［10］。同時(shí),智能物資管理功能可配置重要物資定位裝置,通過(guò)宇航智能家居系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)、智能移動(dòng)終端為航天員提供快速定位功能［11］ 。

4 系統(tǒng)協(xié)議架構(gòu)及可行性分析

4.1 系統(tǒng)協(xié)議架構(gòu)

宇航智能家居系統(tǒng)關(guān)鍵在于具有良好的協(xié)議架構(gòu),便于系統(tǒng)開(kāi)發(fā)、接入及靈活擴(kuò)展。結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議架構(gòu),本系統(tǒng)采用分層協(xié)議架構(gòu)［12］,為網(wǎng)絡(luò)接入與傳輸功能模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)分析功能模塊、智能交互功能模塊的開(kāi)發(fā)提供標(biāo)準(zhǔn)化支持,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)協(xié)議架構(gòu)如圖5所示,分為感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層。

1)感知層：感知層在宇航智能家居網(wǎng)絡(luò)中的作用是感知并采集外界信息,包括系統(tǒng)傳感器及執(zhí)行器等。本層協(xié)議應(yīng)明確并規(guī)范智能家居系統(tǒng)交互方式及設(shè)備類(lèi)型。感知層協(xié)議是智能交互功能模塊硬件設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)。

2)網(wǎng)絡(luò)層：明確并統(tǒng)一感知層設(shè)備接入?yún)f(xié)議和網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議,本系統(tǒng)可支持無(wú)線和有線兩種接入方式,實(shí)時(shí)性要求低的智能家居功能可采用地面成熟協(xié)議,如TCP/IP、UDP/IP協(xié)議棧,便于商業(yè)產(chǎn)品接入,實(shí)時(shí)性要求高的智能家居功能需另行設(shè)計(jì)。網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議是網(wǎng)絡(luò)接入與交互功能模塊軟硬件開(kāi)發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)。

3)應(yīng)用層：明確并統(tǒng)一智能家居功能應(yīng)用軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境要求。應(yīng)用層協(xié)議是智能交互功能模塊應(yīng)用軟件開(kāi)發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)。

4.2 系統(tǒng)可行性分析

宇航智能家居系統(tǒng)定位于為在軌航天員提供一種更加高效、便捷、舒適、智能的人機(jī)交互系統(tǒng),以便于提供宜居的在軌工作生活環(huán)境支持。

1)系統(tǒng)架構(gòu)實(shí)現(xiàn)及產(chǎn)品支持分析

宇航智能家居系統(tǒng)與航天器平臺(tái)間隔離,采用“有線+無(wú)線”網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)需相對(duì)獨(dú)立構(gòu)建與運(yùn)行?？紤]到系統(tǒng)互聯(lián)性、可擴(kuò)展性及兼容性,有線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)可采用以太網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)［13］,無(wú)線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)科采用Wifi技術(shù)實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)架構(gòu)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵在于是否有面向航天應(yīng)用的產(chǎn)品支持,目前,面向空間應(yīng)用的以太網(wǎng)交換機(jī)已經(jīng)在載人航天器中應(yīng)用并已經(jīng)過(guò)飛行驗(yàn)證［14］。

2)系統(tǒng)協(xié)議實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用分析

宇航智能家居系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議難點(diǎn)在于網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議的實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用,鑒于以太網(wǎng)協(xié)議棧在地面廣泛應(yīng)用且具備優(yōu)良的特性,國(guó)際上一些空間機(jī)構(gòu)致力于將以太網(wǎng)協(xié)議棧進(jìn)行改進(jìn)后應(yīng)用于航天器,為降低宇航智能家居系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議設(shè)計(jì)難度,本系統(tǒng)可充分借鑒地面成熟協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)［15］。需要注意的是,TCP/IP協(xié)議具有重傳機(jī)制,載人航天器宇航智能家居系統(tǒng)與地面系統(tǒng)間數(shù)據(jù)傳輸時(shí),如天地間音視頻通話(huà),由于天地間數(shù)據(jù)傳輸固有延時(shí)會(huì)觸發(fā)重傳導(dǎo)致無(wú)法正常數(shù)據(jù)通信,天地間網(wǎng)絡(luò)協(xié)議設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)避免引用TCP/IP協(xié)議。

3)商用智能終端準(zhǔn)入驗(yàn)證機(jī)制分析

宇航智能家居系統(tǒng)的一個(gè)重要優(yōu)勢(shì)在于感知層允許商用智能終端接入,同時(shí)配合應(yīng)用層數(shù)據(jù)處理,為航天員提供更加舒適智能的人機(jī)交互方式。由于商用智能終端類(lèi)別多樣、更新?lián)Q代快,在進(jìn)行感知層智能終端選用時(shí),需對(duì)智能終端與宇航智能家居系統(tǒng)間準(zhǔn)入驗(yàn)證情況進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證。商用智能終端的準(zhǔn)入驗(yàn)證機(jī)制是宇航智能家居系統(tǒng)后續(xù)設(shè)計(jì)過(guò)程中重點(diǎn)研究和驗(yàn)證的內(nèi)容。

綜上所述,宇航智能家居系統(tǒng)在系統(tǒng)架構(gòu)實(shí)現(xiàn)、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議應(yīng)用方面具有良好的可行性,在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中需對(duì)智能終端的準(zhǔn)入驗(yàn)證機(jī)制進(jìn)一步進(jìn)行研究與驗(yàn)證。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的載人航天器宇航智能家居系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案,該系統(tǒng)架構(gòu)及協(xié)議架構(gòu)具有智能化、網(wǎng)絡(luò)化的特點(diǎn),同時(shí)具有良好的可擴(kuò)展性及對(duì)商用智能終端的兼容性。鑒于航天應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)交換產(chǎn)品已經(jīng)經(jīng)過(guò)飛行驗(yàn)證及地面網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧的成熟性,宇航智能家居系統(tǒng)的系統(tǒng)架構(gòu)及協(xié)議架構(gòu)具有良好的可行性。商用智能終端的準(zhǔn)入驗(yàn)證機(jī)制在宇航智能家居系統(tǒng)后續(xù)設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)過(guò)程中需要進(jìn)一步重點(diǎn)研究和驗(yàn)證。