智能家居關(guān)鍵技術(shù)研究

?，? 朱慶華

摘要：近些年來，智能家居受到了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注，在物聯(lián)網(wǎng)、計算機、通信、自動控制等技術(shù)發(fā)展的推動下，智能家居產(chǎn)品也變得更加成熟，使家庭智能化邁上了新的臺階。在智能家居系統(tǒng)中，規(guī)則系統(tǒng)的引入使用戶操作變得更為靈活簡單，管理員可以通過添加，刪除或者修改規(guī)則來實現(xiàn)對智能家居系統(tǒng)的控制。本文對智能家居系統(tǒng)涉及的背景、現(xiàn)狀和關(guān)鍵技術(shù)進行了分析，包括本體語言和OWL等。

關(guān)鍵詞：智能家居;本體;OWL語言

中圖分類號：G642 文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）29-0206-02

1 緒論

1.1研究背景

近些年來，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)（Internet Of Things）作為一個新興領(lǐng)域，取得了顯著的發(fā)展成果。從物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的底部傳感層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層和智能決策層的特點來看，其強大的無線傳感網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)采集能力以及數(shù)據(jù)處理能力使得萬物互聯(lián)互通成為可能。我國智能化正處在一個飛速發(fā)展時期，各行業(yè)智能化突飛猛進，比如智能家居（home automation或者smafl home）、智慧城市、物流運輸、監(jiān)測管理、可穿戴設(shè)備等領(lǐng)域目前都取得了突破性的研究成果，一個更加快捷智能的新一代網(wǎng)絡(luò)正在形成。

隨著經(jīng)濟水平以及科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，家居場景中所涉及的新設(shè)備越來越多，這就要求智能家居的出現(xiàn)來提升生活效率。智能家居系統(tǒng)以無線傳感技術(shù)、軟件技術(shù)、控制技術(shù)、通信技術(shù)等先進技術(shù)為基礎(chǔ)，將各種各樣的家庭設(shè)備連接在了一起，再通過智能化控制去提高人們對家居的管控效率，極大地增強了家居系統(tǒng)的協(xié)調(diào)便利性，合理的調(diào)度也會將能源最大化利用，避免浪費，受到人們廣泛歡迎。

在智能家居系統(tǒng)中，用戶通過制定和執(zhí)行場景來享受它所帶來的便捷和快速的服務(wù)，即用戶可以在應(yīng)用層面設(shè)定規(guī)則也即控制指令，然后系統(tǒng)會通過規(guī)則去執(zhí)行相應(yīng)的動作。顯然，隨著新設(shè)備的增多，會面臨規(guī)則庫中的規(guī)則數(shù)量大為增加以及規(guī)則本身不斷復(fù)雜的問題，在執(zhí)行規(guī)則的過程中，則可能會發(fā)生多條規(guī)則沖突或者完成功能相似。比如不同場景類型的規(guī)則之間的沖突，或者是不同用戶對同一設(shè)備進行控制的規(guī)則之間的沖突，這種沖突往往會對智能家居系統(tǒng)的穩(wěn)定性產(chǎn)生非常大影響[1]。顯然規(guī)則的添加以及順利執(zhí)行對于智能家居系統(tǒng)發(fā)展是極其重要的，當(dāng)前對在智能家居場景下的沖突檢測方法研究并不是很成熟，為了能應(yīng)對當(dāng)前智能家居系統(tǒng)規(guī)模的擴大所帶來的問題，需要沖突檢測機制來保證系統(tǒng)的穩(wěn)定。一旦不同規(guī)則之間發(fā)生沖突，會使相應(yīng)的操作無法及時正常執(zhí)行，更具危害的是可能會引發(fā)一些事故。因此，規(guī)則沖突檢測機制在智能家居的有效性、穩(wěn)定性、安全性等方面具有重大意義。

1.2研究現(xiàn)狀

智能家居是伴隨著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展才發(fā)展起來的，其實智能家居這個概念很早之前就被提出來了，但是由于各種關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展水平的限制一直很難實現(xiàn)。直到20世紀(jì)80年代，美國的美國聯(lián)合科技公司參與建設(shè)了首座“智能建筑”，這也是智能家居最開始被大眾所知曉，自此智能家居的發(fā)展從概念階段轉(zhuǎn)移到了實現(xiàn)階段。在智能家居發(fā)展的過程中，在開始階段，許多公司都是集中在產(chǎn)品級的智能化層面，比如在常用的家電設(shè)備上單獨的增加更多的智能操作，這更相當(dāng)于一種半智能家居，因為這種方式并未形成真正意義的智能家居系統(tǒng)，沒有一個統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和系統(tǒng)去實現(xiàn)整個家居場景的智能化。現(xiàn)在國內(nèi)外智能家居系統(tǒng)都有了長足發(fā)展，市場驅(qū)動下有眾多公司投入智能家居的研究，也出現(xiàn)了許多產(chǎn)品。

1.2.1 國外研究現(xiàn)狀

智能家居系統(tǒng)需要一系列的技術(shù)基礎(chǔ)，其是依賴計算機技術(shù)，通信技術(shù)，電子技術(shù)，自動控制技術(shù)和工業(yè)制造技術(shù)的融合發(fā)展而發(fā)展的，所以國外的智能家居系統(tǒng)發(fā)展較國內(nèi)要早一些，當(dāng)然也更成熟。當(dāng)前，比如亞馬遜公司的“Amazon Alexa”系統(tǒng)，它可以發(fā)現(xiàn)并添加在同一網(wǎng)絡(luò)下的設(shè)備，并且通過下達命令去控制這些設(shè)備。蘋果公司的“Apple HomeKit”系統(tǒng)，這是一款融人iOS的軟件框架，通過HomeKit將設(shè)備集中在一起進行控制管理。還有諸如Google公司的“Google Assistant”系統(tǒng)以及“Works with Nest”系統(tǒng)（該系統(tǒng)是由被谷歌收購的Nest公司開發(fā)）。當(dāng)然韓國科技巨頭三星公司也開發(fā)了“SmartThings”智能平臺，在2017年，三星發(fā)布Samsung Connect Home，并推出Connect Home應(yīng)用程序去幫助管理所有設(shè)備，并且能夠很方便的去設(shè)置新設(shè)備。SmartThings Hub為Zigbee和Z-Wave提供了無線電，并創(chuàng)建了一個無線網(wǎng)絡(luò)來連接所有的智能家居設(shè)備。

1.2.2國內(nèi)研究現(xiàn)狀

國內(nèi)智能家居的發(fā)展也是緊追步伐，雖然已經(jīng)走過了概念階段，但因為起步較晚，受限于發(fā)展水平，目前智能家居仍尚未普及。國內(nèi)的家電巨頭如海爾、美的、格力等公司，以及互聯(lián)網(wǎng)科技公司如小米、百度、阿里巴巴、華為等，也都有相應(yīng)的產(chǎn)品推出。比如家電巨頭海爾公司推出的“U-home”智慧家居系統(tǒng)，美的公司推出的“M-smart”開放平臺?？梢娔壳霸诳萍及l(fā)展和市場的驅(qū)動之下，國內(nèi)外企業(yè)都在積極開發(fā)部署智能家居系統(tǒng)，但同時也有大量問題需要逐漸解決。

2 智能家居關(guān)鍵技術(shù)

2.1 智能家居概述

“智能家居”這一術(shù)語常用來定義一個電器、照明、取暖、空調(diào)、電視、電腦、娛樂音頻、視頻系統(tǒng)、安全系統(tǒng)和相機系統(tǒng)能夠彼此之間交流通信的住所，可以從家里任何房間，以及從世界上任何位置通過連接網(wǎng)絡(luò)的終端進行控制。在計算機，人工智能，新型網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，自動化控制技術(shù)，物聯(lián)網(wǎng)等發(fā)展的推動下，智能家居系統(tǒng)對現(xiàn)有的家庭自動化技術(shù)進行整合，將各種家居設(shè)備連接成一個互聯(lián)互通的整體，通過軟件系統(tǒng)進行綜合管理，讓家庭生活變得更高效、安全、簡單和經(jīng)濟。通過對智能家居場景中的設(shè)備的功能進行分析，可以總結(jié)出主要存在以下幾種功能[2]：家電控制功能、安全防護功能、智能娛樂功能。一個成熟的智能系統(tǒng)往往包含了上述各項功能，目前隨著大數(shù)據(jù)和人工智能發(fā)展，可以為智能家居系統(tǒng)引入智能化推理模型，通過對用戶日常的樣本進行收集訓(xùn)練，智能家居系統(tǒng)將更加準(zhǔn)確的為用戶做出決策，進一步提升家庭自動化水平。

2.2 智能家居系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

智能家居系統(tǒng)包含了傳感子系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)通信子系統(tǒng)、智能控制子系統(tǒng)、娛樂安全子系統(tǒng)等，能夠高效快捷的管理各種家電設(shè)備，處理各種家庭事務(wù)，這提高了智能家居的安全性、高效性、易用性。并且由于對設(shè)備進行智能控制管理，在很大程度上也實現(xiàn)了一個綠色的，節(jié)約能源的居住環(huán)境。按照目前主流的家居系統(tǒng)架構(gòu)，從系統(tǒng)層面可以將其劃分為三個層次，由上到下依次是應(yīng)用層、業(yè)務(wù)層、基礎(chǔ)服務(wù)層[3]。

基礎(chǔ)服務(wù)層作為智能家居的最底層，需要提供包括各種家居設(shè)備的接人，傳感器和控制器的部署。傳感器和控制器與網(wǎng)關(guān)設(shè)備的通信是靠Zigbee協(xié)議來進行的，各節(jié)點將收集到的數(shù)據(jù)信息向上層網(wǎng)關(guān)匯聚，然后經(jīng)過網(wǎng)關(guān)便可實現(xiàn)智能家居設(shè)備之間的互聯(lián)互通。Zigbee有著能夠多點中繼，短距離傳輸、復(fù)雜度低、功耗低、成本低等優(yōu)勢而同時又滿足時延短、容量大、可靠性高的特點。對于智能家居系統(tǒng)，組網(wǎng)技術(shù)正好需要滿足短時延、短距離、小數(shù)據(jù)量、安全可靠、傳輸靈活等特點，因此Zigbee技術(shù)非常合適應(yīng)用于智能家居底層的組網(wǎng)之中，能使得網(wǎng)絡(luò)中的各設(shè)備可以獨立工作而又可以統(tǒng)一分配管理，高效地協(xié)同工作。

在基礎(chǔ)服務(wù)層，實現(xiàn)各節(jié)點之間通信的協(xié)議主要分為有線協(xié)議和無線協(xié)議兩種。無線技術(shù)的優(yōu)勢點在于它的靈活性和可擴展性，而且無線技術(shù)部署成本較低，而有線技術(shù)在安全與穩(wěn)定性方面又具有非常牢固的優(yōu)勢，綜合來看，顯然無線技術(shù)將會是未來智能家居組網(wǎng)的一個趨勢。

業(yè)務(wù)層是整個智能家居控制系統(tǒng)中至關(guān)重要的一部分。它實現(xiàn)了將復(fù)雜的程序與規(guī)則相分離，使得上層用戶只需要制定規(guī)則庫，然后業(yè)務(wù)層將利用規(guī)則引擎去對事件庫和規(guī)則庫進行匹配，由底層收集的環(huán)境參數(shù)和設(shè)備狀態(tài)信息作為事件，如果達到了相應(yīng)規(guī)則的觸發(fā)條件，規(guī)則執(zhí)行模塊將會去執(zhí)行相應(yīng)的動作，下發(fā)指令控制各設(shè)備的狀態(tài)。

應(yīng)用層作為最頂層，是智能家居系統(tǒng)面向用戶開放的界面。屏蔽掉了復(fù)雜的控制系統(tǒng)，知識通過開發(fā)應(yīng)用App或者網(wǎng)頁的形式向用戶提供智能家居系統(tǒng)的控制界面，用戶無須掌握專業(yè)知識，便可以按照需求去制定規(guī)則，添加后即可交給下層業(yè)務(wù)層去進行處理，達到對智能家居設(shè)備的管控。

采用這種分層架構(gòu)的優(yōu)勢在于，在上層，可以實現(xiàn)將控制邏輯和程序代碼分離開，符合使用系統(tǒng)的封裝性特征以及易用性。將基礎(chǔ)服務(wù)層與業(yè)務(wù)層相分離，可以實現(xiàn)設(shè)備的動態(tài)接人，增加系統(tǒng)的可擴展性和靈活性。同時這種通過節(jié)點層級匯聚的架構(gòu)也增強了智能家居網(wǎng)絡(luò)的整體化。

2.3 本體

本文是從本體的角度出發(fā)去研究智能家居下的規(guī)則沖突的，將本體與智能家居場景相結(jié)合，基于本體展開后續(xù)研究。本體這個概念最早起源于哲學(xué)領(lǐng)域，被用于研究思維與存在的哲學(xué)問題。根據(jù)哲學(xué)領(lǐng)域的相關(guān)研究，本體是對客觀存在的一個事物的解釋或說明，焦點在客觀實在的抽象本質(zhì)。后來對著計算機科學(xué)的發(fā)展，在計算機和人工智能領(lǐng)域，關(guān)于本體又有了新的理解和定義。

2.3.1 本體概念

1993年，Grube提出了一條比較被大眾認可的本體定義，即“本體是概念模型的明確的規(guī)范說明”。接著，Borst又給出了“本體是共享概念模型的形式化規(guī)范說明”的定義[4]。再后來Studer等人在1998年提出了一種更為業(yè)內(nèi)人士接受的定義，即“本體是共享概念模型的明確的形式化規(guī)范說明”口]。所謂共享，可以理解為得到公認的知識，概念模型是對一組現(xiàn)實存在的現(xiàn)象經(jīng)過觀察和思考后的抽象表示，而且這些概念是明確的，不應(yīng)該出現(xiàn)不一致性而產(chǎn)生誤解。

對于常見的本體而言，無論采用哪種語言來表示本體，它們在結(jié)構(gòu)上都具有許多的共同之處。本體的構(gòu)成要素一般包括：class（類）、individual（個體）、property（屬性）、axiom（公理）、arrangement（層次）、rules（規(guī)則）等?；谏鲜鰳?gòu)成要素，本體還可以去描述各要素之間的關(guān)系。

2.3.2 本體語言與OWL

本體描述語言是用來形式化表示本體的語言，它具有規(guī)范的語法標(biāo)準(zhǔn)以及明確的語義，可以方便計算機能夠去識別本體。常見的本體語言有RDF（Resource Description Framework）、RDF-S、CycL、KIF、OIL、OWL、DAML等[6]。由于本文生成的本體文件是OWL文件，因此對OWL語言進行了專門的研究。

RDF使用Web標(biāo)識符來標(biāo)記資源，使用屬性和屬性值來描述資源，從而刻畫一個能讓機器理解的數(shù)據(jù)模型。機器要去理解語義是基于特定的詞匯表進行的，而RDFS就是一個詞匯集。

OWL網(wǎng)絡(luò)本體語言并不是完全獨立產(chǎn)生的，其受到了早期語言的影響，OWL與RDF有很多相似之處，但相對于RDF，OWL語言更加強大，機器也可以更好更準(zhǔn)確的理解owl語言。OWL可以映射到謂詞邏輯和描述邏輯，從而具有形式語義，可以實現(xiàn)自動推理。為了保證對前面語言的兼容，還要能保證描述邏輯可判定性推理，以及提供更強的語義表達能力，OWL提供了三種子語言，分別是OWL Lite、OWL DL、OWL Full。

3 結(jié)論

隨著智能家居設(shè)備的不斷增加，系統(tǒng)中的規(guī)則數(shù)量也越來越多，而且規(guī)則也更加復(fù)雜，這樣不同規(guī)則之間就可能會產(chǎn)生冗余或者發(fā)生沖突，影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。為解決上述問題，作者會對智能家居規(guī)則沖突問題進行深入研究，并提出一種避免規(guī)則沖突的機制，以及檢測規(guī)則沖突的辦法。

參考文獻：

[1]王栩凱，智能家居系統(tǒng)規(guī)則沖突檢測機制的研究與實現(xiàn)[Dl.北京郵電大學(xué)，2015.

[2]肖碧怡.面向智能家居的不確定性規(guī)則推理機制的研究與實現(xiàn)[D].電子科技大學(xué)，2016.

[3]李海光.基于規(guī)則引擎的智能家居系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[D].北京郵電大學(xué)，2015.

[4]任小青，周捷，申莉華，等.一種基于本體和SWRL規(guī)則的策略沖突檢測方法[J].計算機與現(xiàn)代化，2013，2013（9）：18-22.

[5] Studer R，Benjamins V R，F(xiàn)ensel D.Knowledge engmeerlng：Principles and methods[J]. Data&Knowledge Engineering，1998， 25（1-2）：161-197.

[6]劉昀岢，面向智能空間的情境感知體系結(jié)構(gòu)研究[D].湖南師范大學(xué)，2012.

【通聯(lián)編輯：王力】

作者簡介：?，摚?972-），女，北京人，講師，碩士，主要研究方向為軟件工程、移動終端技術(shù)等;朱慶華（1972-），男，北京人，講師，學(xué)士，主要研究方向為電子技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等。