（计算机应用技术专业论文）基于处境感知技术的智能家居研究.pdf

摘要 摘要 随着无线通讯技术的迅速发展，特别是基于8 0 2 1 1 和蓝牙技术应用的普及，在无 线网络环境下基于处境感知技术为用户提供无处不在的服务成为无线网络技术发展的 趋势。随着人们生活水平的日益提高，智能家居的概念出现在人们面前，在智能家居无 线网络环境下，通过用户设定以及系统自动推理为用户提供无处不在的自动化服务成为 目前国内外研究的热点。本文将就智能家居实现中的关键问题结合处境感知技术、中间 件技术、规则定义语言技术以及o s g i 家庭网关技术，研究并实现w l a n 中的智能家居系 统。 为了实现智能家居系统的易用性和提高系统的可扩展性，本文设计一个应用于智能 家居系统的中间件系统模型。该中间件使用了面向服务的方法和基于多代理的技术，使 之具有良好的可扩展性。其功能包括信息发现，捕获、解释、推理、访问各类处境信息 以及和其它处境感知系统的交互。 为了方便系统解析和用户的理解，本文定义了一种本体感知的规则定义语言一r b o a ( r u l eb a s e do n t o l o g ya w a r e ) 架构，r b o a 按照事件条件行为的模式采用基 于规则的方法。用户将通过使用易用的r b o a 进行规则定义来设置时间和地点触发服务。 本系统应用o w l 语言和j e n a 推理机实现r b o a 规则的定义、解析和推理。通过实验定量 分析，得出对基于规则的处境模型设计和处境推理机制有益的实验结论。 为了在智能家居环境下为用户提供安全的、可靠的自动化服务，本文提出了基于 o s g i 的家庭网关安全架构的设计方案，考虑到智能家居网络环境本质是动态变化的，本 身在安全性方面存在的缺陷与不足，本文在基于o s g i 服务框架基础上添加了安全管理 器的模块，可以实现s p k i 证书链以及代理应用合法性的认证。同时还给出了相关的软 件设计、系统实现以及实验分析。 无线智能卡作为信息存储和身份识别的重要工具被应用到各种实践中，本文讨论了 如何将非接触智能卡结合多生物特性应用到未来智能家居中，并进一步讨论智能家居安 全控制的实现。本文应用t s r g ( t w os t a g er a n d o mg e n e r a t o r ) 加密解密技术实现智能 卡存储和通讯过程中的加密解密。 论文最后实现了一个基于处境感知技术的智能家居系统模型，在这个系统中，实现 了服务器程序( p c ) 和客户端程序( m o b i l e ) 的开发，系统能够自动监测室内用户的存 在并按照用户的设置作出相应服务的响应。在客户端可通过w e b 端实现服务的定制并通 过读写o w l 文件和服务器进行信息交互。 关键字：智能家居，规则定义语言，中间件，o s g i ，智能卡 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fm o b i l ec o m m u n i c a t i o nt e c h n i q u e s e s p e c i a l l y i e e e 8 0 2 1 1a n db l u e t o o t hb a s e dw l a nt e c h n i q u e s ，h o wt op r o v i d et h eu b i q u i t o u ss e r v i c e sf o r u s e r sb a s e do nc o n t e x ti nw l a ni st h et r e n da n dc o r eo fw i r e l e s sn e t w o r kd e v e l o p m e n t f o l l o w i n g t h ei m p r o v e m e n to ft h es t a n d a r do fl i v i n g , t h ec o n c e p to fi n t e l l i g e n th o m ea p p e a r s i nw l a n ，i n t e l l i g e n th o m es y s t e mc a np r o v i d et h ea u t o m a t i cs e r v i c e sb yu s e r s s e t t i n ga n d s y s t e ma u t o m a t i cr e a s o n i n g , w h i c hi st h ef o c u sb o t hi ni n t e r n a la n de x t e r n a lc o u n t r y t h i s p a p e rp r o v i d e sa ni n t e l l i g e n th o m es y s t e mb a s e do nc o n t e x ta w a r et e c h n o l o g yw h i c ha p p l y t h em i d d l e w a r e ，r u l eb a s e dl a n g u a g ea n do s g if a m i l yg a t e w a yt e c h n o l o g y t h i sp a p e rd e s i g n sam i d d l e w a r ef o ri n t e l l i g e n th o m es y s t e mi no r d e rt or e a l i z et h e u s a b i l i t ya n de x p a n s i b i l i t y , a n dp r o p o s e sam u l t i - a g e n tt e c h n o l o g yb a s e da n ds e r v i c eo r i e n t e d a p p r o a c ht o b u i l dt h em i d d l e w a r ew h i c hs u p p o r t st a s k si n c l u d i n ga c q u i r i n g , d i s c o v e r i n g , i n t e r p r e t i n g , r e a s o n i n g , a c c e s s i n gv a r i o u sc o n t e x t sa n di n t e r o p e r a b i l i t yb e t w e e nd i f f e r e n t c o n t e x t a w a r es y s t e m s t h ep a p e rp r o p o s e sar u l eb a s e do n t o l o g ya w a r e ( r b o a ) a p p r o a c hb a s e do nt h e e v e n t - c o n d i t i o n - a c t i o np a t t e r ni no r d e rt ob ec o n v e n i e n tt oa n a l y z es y s t e ma n du s e r s u n d e r s t a n d i n g w i t ht h er b o a , u s e rc a nd e f i n ew h e na n dw h e r es h o u l db en o t i f i e da n db e t r i g g e r e dt h es e r v i c e s t h ei m p l e m e n t a t i o no fr u l er e a s o n i n go fr b o a w i t ho w li sf u r t h e r d i s c u s s e d t h r o u g ht h ee x p e r i m e n td a t aa n a l y s i s ，s o m eg o o dv i e w si n t h ec o t e x tm o d u l e d e s i g n i n gb a s e do nr u l ea n dc o n t e x tr e a s o n i n gm e c h a n i s ma r eg a i n e d t h er e s e a r c hp r o p o s e st h eo s g if a m i l yg a t e w a yi n f r a s t r u c t u r ei no r d e rt op r o v i d et h e s e c u r ea n dc r e d i b l ea u t o m a t i cs e r v i c ei n i n t e l l i g e n th o m ee n v i r o n m e n t c o n s i d e r i n gt h e d y n a m i co fi n t e l l i g e n th o m en e t w o r ka n ds h o r t a g ei ns e c u r i t y , t h ep a p e ra d d st h es e c u r i t y m a n a g e m e n tm o d u l e b a s e do no s g is e r v i c ei n f r a s t r u c t u r e ，w h i c hr e a l i z e st h es p k i c e r t i f i c a t el i n ka n da g e n tv a l i d i t ya u t h e n t i c a t i o n a n dt h e nt h er e l e v a n ts o f t w a r ed e s i g n s y s t e mr e a l i z a t i o na n de x p e r i m e n ta n a l y s i sa r eg i v e n c o n t a c t l e s ss m a r tc a r d ( c s c ) i sa ni m p o r tt o o la si n f o r m a t i o ns t o r i n ga n di d e n t i t y d i s t i n g u i s h i n g t h ep a p e rd i s c u s s e sh o w t oa p p l yc s ct ot h ef u t u r ei n t e l l i g e n th o m ea n dt h e r e a l i z a t i o no fh o m es e c u r i t yc o n t r 0 1 t s r gi su s e dt or e a l i z et h ee n c r y p t i o no fc s cb o t hi n s t o r i n ga n dc o m m u n i c a t i o n a tt h ee n do ft h i sp a p e r , a ni n t e l l i g e n th o m es y s t e mm o d e li sr e a l i z e d i nt h i ss y s t e m ， t h ed e v e l o p m e n to fs e r v e rp r o g r a m ( p c ) a n dc l i e n tp r o g r a m ( m o b i l e ) a r ef i n i s h e d ，w h i c hc a n d e t e c tt h ep r e s e n c eo ft h eu s e ra n dr e s p o n s et ou s e ra c c o r d i n gt ot h es e t t i n gw h i c hu s e r i n t e r a c t sw i t ht h es e r v e r c l i e n ts i t ec a ns e tt h es e r v i c ew i t ht h ew e bb r o w s e ra n d c o m m u n i c a t ew i t hs e r v e ru s i n go w lf i l e k e yw o r d s ：i n t e l l i g e n th o m e ，r u l eb a s e dl a n g u a g e ，m i d d l e w a r e ，0 s g i ，s m a r tc a r d 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取 得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 墨盗堡兰盘鲎 或 其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研 究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 墨5 迅 签字日期：害年f月，字日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 墨盗墨兰盘堂有关保留、使用学位论文 的规定。特授权墨盗堡兰太堂 可以将学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编， 以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复本和电子 文件。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 哇a 函 导师签名： 签字日期：8 年1 月i8日 签字日期：刎年 1 月l 占日 第一章绪论 1 1 课题研究的意义 第一章绪论 随着信息时代的到来和无线通讯技术的迅速发展，无线智能家居网络将逐渐深入每 一个家庭，成为未来网络技术发展的一个趋势。所谓智能家居网络是通过有线或无线网 络将家中的各种电器设备和电器子系统连接起来，采用统一的通讯协议，实现室内资源 共享并通过家庭网关实现和外部互联网的信息交换。由于家居环境的固有特点和家用设 备安装的随机性，有线家居网络逐渐表现出其局限性，而无线家居网络的方便易用等特 点使其成为智能家居网络研究的焦点。c o n t e x t a w a r e 处境感知，早在1 9 9 4 年由国外 s h i l i tn 1 等人提出并给出定义，随后d e y 陆1 等人又从不同角度给出了定义。c o n t e x t a w a r e 被定义为根据用户位置确定相应服务的系统，收集附近的人、主机、相关设备的信息以 及它们的变化并采取相应处理的技术。“处境感知 技术符合当今世界对于无线网络的 智能化以及对信息保密的要求，一个处境感知的系统可以按照用户的个性或环境内容来 调整行为，其具有方便的信息交互处理、存储、传送及备忘功能，使其极具研究和开发 价值，成为网络未来发展的主要方向之一，因此各国纷纷展开研究。 随着处境感知技术的应用，基于处境感知技术的各种无线技术的应用也不断涌现。 其中的智能家居，由于它的实用性和良好的市场前景，成为各国学者研究的热点问题。 中间件技术是协调各种组件，屏蔽底层设备，使系统具有可扩展性和易开发性。在 处境感知系统智能家居的研究中，充分利用中间件技术，可借鉴已有的系统的优点并在 此基础上提高系统的易操作性、可复用性以便提高开发效率。规则定义语言可实现按照 一定的规则定义完成系统和系统之间以及用户和系统之间的通讯和交互。可从规则定义 语言的解析效率上、可扩展性上以及易理解性上做进一步的研究和提高。智能家居系统 中，用户信息数据、系统数据和处境信息数据的存储安全和通讯安全也是研究中不可忽 略的问题。 智能家居改变了人们传统的生活方式。通过随时随地、无处不在的信息互动，压缩 了时间和空间的概念，随时享受智能化带来的人性化生活。把人和家庭与社会网络融为 一体，使人、物、环境都成为网络中的一环，实现了无边界沟通，改变了网络只与人互 动的单向状态。开创了一个新的行业技术领域，将引导一些全新的技术手段纷纷涌现。 本文研究的目标是能够在前人研究理论的基础上提出一套较完善的，支持可扩展的处境 感知中间件模型，选择一种较好通讯协议作为家庭室内使用，提出一套规则定义语言来 满足用户对室内各种电器的设置要求。基于无线网络处境感知技术能够较好的应用于智 能家居，对处境感知技术的应用发展起到了积极的推动作用，为未来家居的美好生活将 产生巨大的影响。另外，网上医疗、网上社区、网上购物、网上娱乐等一些全新的行业 也将得到很好的带动发展作用，让生活更加便利。 第一章绪论 1 2 国内外研究现状及分析 1 2 1 处境感知的研究现状 1 9 9 1 年，m a r kw e i s e r 圆提出了普适计算( p e r v a s i v e u b i q u i t o u sc o m p u t i n g ) 这一 新的计算模式。近年来，有越来越多的关于普适计算的研究，其中包括无缝移动 ( s e a m l e s sm o b i l i t y ) 、处境感知计算( c o n t e x ta w a r ec o m p u t i n g ) 等。无缝移动是 指用户或用户的任务在移动过程中，与该任务相关的历史状态、属性及情境处境 ( c o n t e x t ) 信息也同时随着移动，并且能够自适应新场景下可用的计算环境和软件资源。 无缝移动的功能需求主要体现在连续性、自适应性上。连续性指无缝移动应用可以暂停， 也可以继续，但不能丢失程序的状态信息和历史信息。自适应性指无缝移动应用不应该 受设备和c o n t e x t 的制约，与环境主动适应。二者可简称为“无缝主动性 。处境感知 计算是普适计算中的一个重要的研究领域，它的研究已经进行了很多年，其中最著名的 最有代表的两项工程是p a r c t a b 嘲a n da c t i v eb a d g e h l 。关于处境的定义，曾经有过好 多的版本，但最被广泛接受的一个定义是由d e y 等人提出的，处境：能够用来刻画一个 实体的情形( s i t u a t i o n ) 的任何信息都是该实体的处境信息，所谓实体指的是任何与用 户和应用之间交互相关的人、位置或对象，包括用户和应用本身。处境感知就是感应和 使用处境，那么任何使用处境的系统就是处境感知系统。d e y 等人在文献 5 中从使用 级别的角度将处境信息分为两个层次：第一个层次称为原始层，包含位置、身份、活动 和时间四个基本维度，第二个层次称为辅助层，指的是所有其它的处境信息，这些信息 可以由原始层信息生成。n o r b e r t 和r u d i g e r 等人从认知的角度把处境信息分为两类 旧：一类是物理的处境信息，称为c o n t e x t 信息，指的是直接来源于传感器的信息，普 通人难以理解；另一类是逻辑的处境信息，称为s i t u a t i o n 信息，指的是对物理处境信 息进行分析与表达以后生成的符合人们认知习惯的环境信息或状态信息。 支持处境敏感的体系结构一直是本领域的一个重点问题，在早期的研究工作中研究 人员分别在各自的项目中提出了自己的支持处境敏感的体系结构，但这些结构只能在概 念上进行复用，其他人建造自己的系统时很难利用已有的成果。后来，d e y 等人提出一 个以w i d g e t s 为核心元素的体系结构，并开发了相应的工具c o n t e x t t o o l k i t 口3 ，这种结 构可以屏蔽传感器的变化对应用的影响，具有良好的复用性，软件人员可以使用这个工 具方便的创建处境敏感应用，但这种结构中的核心元素w i d g e t s 需要进行集中控制才能 被应用所发现，而没有独立于过程实现，为此j a s o ni h o n g 等人又提出一个更加灵活 的客户服务体系结构1 ，将更多的对处境信息的获取与处理作为服务加入到基础设施 中，而这些服务可以被任何设备和应用使用，从而使传感器、服务、应用的增加与修改 不影响其他部件，t e r r yw i n o g r a d 提出了基于黑板的体系结构呻3 ，采纳以数据而不是过 程为中心的观点，信息请求并不是直接发送给提供数据的软件组件，而是通过一个共享 的消息黑板来完成。在项目s e n t i e n tc o m p u t i n gp r o j e c t u 叫中提出了对象模型的概念， 一个感应对象是一个可移动的、智能的软件组件能够通过传感器感应周围的环境并且通 过加载器作用于被感应的信息。 事实上，处境信息的获取至少要包含两个过程：首先根据应用需求分析周围环境中 2 第一章绪论 哪些信息作为处境信息，然后根据分析结果部署传感器获取相应的环境信息。其中对环 境进行分析还可作为应用的协同模型的基础。k a r e nh e n r i c k s e n 等人提出了一个与处 境相关的环境分析模型n u ，这个模型以实体一关系为基础描述应用中将会用到的处境信 息之间及处境信息与实体之间的关系，从而方便应用系统的分析与设计在通过传感器获 取环境信息方面，早期的处境敏感系统中传感器采集的信息直接交付应用使用，后来， 在实践中发现传感器得到的原始数据通常是不精确的，上层应用使用这些数据无法完成 预期的目标。因此，近几年这方面的研究重点主要集中于如何对传感器得到的原始信息 进行处理使其满足应用的数据需求，文献 1 2 中提出三种可行的方法：l 、交给应用；2 、 多个传感器数据融合；3 、提供用户接口使用户可以手动调整。文献 1 3 3 讨论了在w i d g e t s 框架中如何支持用户对不精确信息的处理。文献 1 6 3 论述了将多个完成相同功能的传感 器所获取的原始数据进行综合处理得到比较精确的处境信息的一种方法。 一个具体应用中往往会涉及不同种类的处境信息，这些信息来自不同的传感器，而 各个传感器之间是松散的，并没有客观存在的相互关系，但是对于应用而言处境信息之 间可能是有联系的，为了能更好的使用这些原本松散的信息需要有良好的结构将它们组 织起来，这就是所谓的处境信息的表示。恰如前面所述，处境敏感计算面向普适的计算 环境，而且处境信息要共享才能更好的发挥作用，在这样的条件下建造系统要考虑两种 可能的情况：一方面系统中使用的资源( 比如设备) 是经常变化的，另一方面同一个设 备可能会被多个应用所使用。这些问题的实质可以归结为一个：语义的协调。事实上， 语义一直是处境敏感领域的一个难点问题。一些研究人员将处境信息的表示和语义统一 进行考虑，文献 1 5 中采用应用本体( a p p l i c a t i o no n t o l o g y ) 来定义处境信息的结构， 文献 1 6 对这一问题做了更加详细的探讨：提出c o c a 模型，将环境中的设备资源变换 成概念表示，使得高层应用能够操作和处理这些设备所获取的信息。将信息表示和系统 语义相结合的优点在于使得经过表达的信息具有语义，并可以采用相应的推理工具根据 事先设定的规则进行推理。所谓的推理实际上指的是从底层的处境信息中得到相对复杂 的含有更多语义的能描述当前情形的s i t u a t i o n 信息，当然得到的结果信息也应符合统 一的表示模型。推理是以现存的数据特别是历史数据作为基础的，因此处境信息的存储 和管理是一个重要的问题，而处境相关应用环境的分布性和动态性给处境信息的存储带 来了挑战。在u b i d e v 中采用p r o l o g 谓词来存储处境信息，采用联邦式的方法对资源 和服务进行管理，并实现基于规则的推理u 刀。在d e y 等人开发的c o n t e x tt o o l k i t 中 w i d g e t s 与传感器一一对应，每个传感器获取的数据都被存储在相应的w i d g e t s 中。在 h o n g 等人的c o n f a b 项目中提出了一个抽象信息空间来存储环境中每个实体的处境信 息。但这些研究中只考虑了信息的分布特性而没有提到历史数据的保存和更新的方法和 策略。处境信息最终要提供给应用进行使用，目前的研究项目中主要由应用来统一管理 这些信息，使得处境信息管理与应用密切相关，过于僵死而不能重用。一个好的办法是 把应用本身和信息管理及表示模型分开，在应用和信息管理之间提供一个逻辑层面的查 询语言作为接口，当然这种查询语言是与处境信息的表示模型是密切相关的。文献n 町 利用处境属性表达处境信息，探讨了如何使用处境信息进行服务的查找。文献引中提出 液化方法( l i q u i d ) ，它承袭了基于客户r j & 务的支持处境敏感的体系结构，支持分布的、 3 第一章绪论 连续的处境信息的查询处理。另外，在分布的、动态的环境中使用处境信息时既要提供 共享的手段又要考虑某些个人隐私的保密，文献 2 0 对这个问题进行了探讨。前面在介 绍处境信息获取时已经提到对环境进行分析，找出相关实体及其之间关系，如果将其进 一步细化，形成在概念层面对计算环境的描述就是应用的协同模型，这种描述包括处境 敏感的实体、实体之间关系、软件层面的交互管理等，目的在于将底层资源形成面向应 用的概念层视图。文献 2 1 提出一个协同模型x c m 和它的一个实例u c m ，它可以描述依 赖于处境的行为规则，当满足规则时会触发一系列的行为 1 2 2 智能家居研究现状 随着信息社会的发展，计算机和信息家电已越来越多地出现在人们的生活之中，而 这一切的发展最终的目的都是为了方便人们的生活，为人类提供一个舒适、便捷、高效 的生活环境。近年来，在各大公司和i t 媒体的强大概念宣传攻势下，诸如：智能家庭 局域网、家庭网关、信息家电等等，这些和智能家居密切相关的名词已经几乎是家喻户 晓了。 自从世界上第一幢智能建筑1 9 8 4 年在美国出现后，美国、加拿大、欧洲、澳大利亚 和东南亚等经济比较发达的国家先后提出了各种智能家居的方案。智能家居在美国、德 国、新加坡、日本等国都有广泛应用。1 9 9 8 年5 月新加坡举办的“9 8 亚洲家庭电器与 电子消费品国际展览会 上，通过在场内模拟“未来之家 ，推出了新加坡模式的家庭 智能化系统。它的系统功能包括三表抄送功能、安防报警功能、可视对讲功能、监控中 心功能、家电控制功能、有线电视接入、电话接入、住户信息留言功能、家庭智能控制 面板、智能布线箱、宽带网接入和系统软件配置等。几年前，欧、美和东南亚等经济比 较发达的国家先后提出了“智能住宅的概念。实现了”将家庭中各种与信息相关的通 讯设备、家用电器和家庭保安装置通过家庭总线技术( h b s ) 连接到一个家庭智能化系 统上进行监视、控制和家庭事务性管理，并保持这些家庭设施与住宅环境的和谐”的目 标。目前已有的智能家庭网络主要是家庭内部的控制网络，与局域网是基本相同的， 它们都是由自主处理器组成的分布式系统，各处理器之间可通过通信设备互相交换数 据。系统主要由控制网络、计算机网络配置子系统、电话远程监控子系统、遥控器、 网关等部分组成。 国外各经济发达的国家对智能家居涉足比较早，对智能家居的研究已经有了一些成 果，甚至其中一部分成果已经转化为产品，但从现有产品和已发表的研究成果来看，无 论从体系结构的完善性和健全性，还是从安全性、稳定性、扩展性都有待进一步提高和 完善，但由于智能家居有很大的潜在市场前景，各国有实力的公司，高等院校都在进行 相应的研究。尽管国外市场真正全面启动也尚需时日，但并未能阻止企业去争食智能家 居市场。i b m 公司的迈克尔凯罗斯克说：“这是个不容i b m 公司忽视的市场机会。目前， 国内对智能家居的研究起步比较晚，大概是从2 0 0 0 开始兴起，国内各高等院校和公司 科研部门也都纷纷开始投入研究，现在国内有了一些研究成果和产品出现，但大多是智 能子系统，例如：自动抄表、安防报警功能、可视对讲功能等。如何建立一个高效率、 低成本的智能家居系统已成为当前社会一个热点问题。在这样一个大趋势下，国家信息 4 第一章绪论 产业部领导、各大信息家电生产厂商不失时机地开展了中国智能家庭网络的标准化制定 工作，为中国智能家居的发展提供了一个开放的标准化平台，指明了智能家居研究领域 正确的发展方向。国内近期，也有企业推出具有较完善功能体系的产品，虽然技术还很 不成熟，相信随着研究力度的加大，国内的智能家居产业会有良好的发展前景。 1 3 存在的主要问题 尽管目前已经提出很多基于c o n t e x t - a w a r e 系统的智能家居方案，但究其实用性、 可扩展性和健全性还有许多的不足之处而且无线网络技术本身缺乏统一的标准，其中对 无线局域网的研究还有很多可深入的地方。目前国内外研究中存在的主要问题也是本系 统建立和实现中的难点： 1 目前已知c o n t e x t - a w a r e 应用中的处境元素数据格式多种多样，需要解决如何定 义一种可应用于不同的应用系统的处境元素数据格式。即，定义标准的数据格式及协议。 2 目前智能家居研究中，室内无线通讯有多种标准，8 0 2 1 1 、b l u e t o o t h 、i n f r a r e d 、 h o m e r f 等，缺乏定义统一的通讯标准完善室内无线通讯。 3 无线智能家居应用涉及的技术很多，包括体系结构、中间件技术、室内定位、身 份认证、防通讯干扰、防窃听、冲突检测和解决，远程控制，服务定制等，能将以上各 方面较好的融合起来的系统仍在探索和研究阶段。 4 目前无线网络中的安全问题，特别是处境感知系统中智能家居的应用和数据的安 全也是迫切需要研究和解决的关键问题。 1 4 本文的内容和主要工作 本文主要是针对目前研究中所存在的问题，在c o n t e x ta w a r e 研究基础上提出一套 较完善的智能家居的方案。文章的主要内容包括：基于多代理的中间件技术、基于规则 定义的语言、非接触智能卡在智能家居中的应用、实现智能家居方案的实验结果。 本文其余部分的内容组织如下： 第二章，提出一个基于多代理机制的c o n t e x t a w a r e 系统架构，并考虑到应用中间 件技术将硬件和软件资源较好的结合，使系统实现易实施性和易扩展性。 第三章，提出一套基于本体的规则定义语言架构，实现系统和系统之间，系统和人 之间的交互。 第四章，提出基于o s g i 的家居网关安全架构，在基于o s g i 服务框架基础上添加了 安全管理器的模块，实现s p k i 证书链以及代理应用合法性的认证。 第五章，开发基于c s 和b s 结构的智能家居系统，并将前几章的部分研究成果实 施到系统中。 第六章，最后做出全文的总结，并对未来研究方向做出展望。 5 第二章基于多代理机制的c o n t e x t a w a 3 f e 中间件技术 第二章基于多代理机制的c o n t e x t - a w a r e 中间件模型 在第一章中对处境感知技术和智能家居的发展及研究现状做了初步的分析，并对后面 各章做了简单的介绍。本章从全局的系统体系角度提出了面向普适计算的自适应中间件模 型，并将引入多代理机制来设计基于处境感知系统的自适应中间件模型，最后提出了面向 服务的管理模型。 2 1 中间件技术概述 自从进入上世纪9 0 年代以来，计算机技术迅猛发展。从硬件技术看，c p u 速度越来越 高，处理能力越来越强；从软件技术看，应用程序的规模不断扩大，特别是i n t e r n e t 及 姗的出现，使计算机的应用范围更为广阔，为了适应越来越大规模、越来越复杂的应用 服务要求，原来流行的二、三层软件架构已经逐渐演变为四层，甚至n 层架构，并且，大 型的应用程序通常都运行在异构平台上运行，这一切都对新一代的软件开发提出了新的需 求。 在这种分布异构环境中，通常存在多种硬件系统平台( 如p c ，工作站，小型机等) ，在 这些硬件平台上又存在各种各样的系统软件( 如不同的操作系统、数据库、语言编译器等) ， 以及多种风格各异的用户界面，这些硬件系统平台还可能采用不同的网络协议和网络体系 结构连接，如何把这些系统集成起来并开发新的应用是一个非常现实而烦杂的问题。 g a r t n e rg r o u p 根据调查统计，企业在开发应用的过程中，3 0 一4 0 的费用都浪费在开 发和维护与企业业务逻辑无关的各种接口上。随着企业或企业间应用数量上的增加，应用 间的通信接口日益增多，不同的平台、不同的语言与技术所带来的难度成倍的增长。1 9 9 6 年，g a r t n e rg r o u p 就预测：消息中间件由于降低了企业机构内部应用的复杂交互，将变 得和数据库管理系统、数据仓库一样重要。 中国中间件产业的发展起步于2 0 世纪9 0 年代，随着世界范围内信息技术的不断进步， 中国金融、电信、政府、教育等各主要行业相继在信息化基础设施和应用系统的建设上加 大了投入力度。在这个过程中，某些应用系统之间出于信息共享的需要而产生的多种操作 系统、异构数据库的共存以及网络环境复杂性的增加等诸多问题，加大了对于中间件产品 的需求，促进了中间件软件市场的发展。 目前中间件被广泛应用于简化项目设计，编程和管理应用等以便提供持续的，完整的 编程环境。我认为一个完整的、易理解的方案原自一种简单的理论：方法是把普适计算的 特点分布于多代理的每个代理中，只需考虑对它们之间的协调和管理。使中间件设计更加 清晰和整洁。 6 第二章基于多代理机制的c o n t e x t - a w a r e 中间件技术 2 2 基于多代理机制的处境模型 2 2 1 多代理的概述 多代理的研究历史最早可以追溯到8 0 年代中期，与分布式人工智能( d a i ：d i s t r i b u t e d a r t i f i e i a li n t e l l i g e n c e ) 技术是密不可分的。早期的d a i 的研究方法论是面向问题，进 行分布式问题求解。针对待求解的问题，研究如何建立分布式系统，利用多个求解器的能 力来求解，如s l n i t h 和d a v i s 提出的合同网方法，它是着重于如何进行有效的问题分解 和分布，其中的问题并非自然分布在系统的各结点中，需要由结点将问题分解为子问题， 再根据系统中其他结点的求解能力将子问题分配给其他结点求解。 因而，多代理是一个松散藕合的a g e n t 网络，这些a g e n t 通过交互解决超出单个a g e n t 能力或知识的问题，其中的a g e n t 是自主的，它们可以是不同的个人，采用不同的设计方 法和计算机语言开发而成，可能是完全异质的。当今，人们为了解决更加复杂的现实问题， 就对问题进行抽象，将其分成多个模块进行处理。多代理提供了这种模块性，如果一个问 题域特别复杂庞大，不可预测，解决这样问题的唯一合理方式就是开发出一些功能专一的 模块组件，每个组件专长于解决问题的一个特定方面。这种分解使每个a g e n t 使用最适当 的模式来解决特定问题。出现相互依赖的问题时，系统中的一个a g e n t 必须与系统中的其 他a g e n t 协同，以确保可以解决相互依赖的问题。 处境感知多代理系统主要包括三个部分，它们分别是处境收集代理( c c a ) ，处境推理 代理( c r a ) 和处境管理代理( c m a ) 。在多代理系统中，它们每一个都是自治的，并且它 们的知识，需求，目的和行为都是不同。控制好它们之间的协调和合作能够很好的提高整 个系统的性能。根据不同的应用环境，可将该系统分别实施在一台机器上，或两台或三台 机器上。下面是给出的多代理实施图： 图2 - ip h s 多代理实施示例 7 c m 口 姒n u 池 第二章基于多代理机制的c o n t e x t a w a r e 中间件技术 2 2 2 处境收集代理 这类代理的目的是从各种传感器、访问点和智能设备中获得相关的原始数据信息，然 后将这些原始数据分成几个大类，例如：信号强度、数据信息和设备类型等，最后将它们 和当前代理信息一起封装成包的形式。下图简要说明了该包的形式。 图2 - 2 包形式 处境收集代理不仅负责从周围环境收集数据，包装数据并将该包发送到上级代理，而 且还将维护一个动态的表，该表记录了周围动态的信息并动态更新及时发送到上级代理以 便汇报当前固定设备的工作状态。c c a 需要知道如何和智能设备以及应用设备进行通讯。 c c a 另一个重要的任务就是发送命令启动智能设备和应用设备以便为人们提供服务。 2 2 3 处境推理代理 c r a 从c c a 收到包后，c r a 将根据数据的种类在不同模块对其进行分析和处理。c r a 按 照功能划分为三个模块，分为分析模块，推理模块和聚合模块。分析模块负责对来自c c a 的数据进行分析并提取出有用的信息，例如：用户位置信息，房间温度信息，房间湿度信 息，设备状态等。推理模块主要负责为用户提供智能服务。它将根据当前的条件和历史信 息推算出用户当前的需求。现在考虑一个情景，k e v i n 在下午六点左右回家。他总是喜欢 下班后在客厅看电视并当室内的温度超过2 2c 。时打开空调。智能推理模块将通过对 k e v i n 每天日常活动的记录，利用处境推理算法为b o b 提供智能服务，例如当感知他的位 置在客厅时间在6 ：0 0 左右将为他自动打开电视，如果当前室内温度超过2 2c 。将为k e v i n 自动打开空调。聚合模块负责综合各类相关的处境信息并将其转换成有用的信息。例如： 系统可以整和室内温度，室内湿度和氧气浓度等信息为当前室内空气质量信息。 2 2 4 处境管理代理 处境管理代理c m a 的任务之一就是为应用开发者提供友好的、便利的a p i 。a p i 由三 部分组成，分别是c e ( c o m m a n de n g i n e ) ，s e ( s e r v i c ee n g i n e ) 和r e ( r u l ee n g i n e ) 。其中 c e 负责提供向设备发送命令的操作，s e 负责读取服务描述文件( x m l ) 来获取可以利用的 服务。r e 由用户定义，负责检查当前的操作是否能完成。下面给个简单的例子： s e r v i c e p r o f il e ju p d a t e0 ：r e a dt h es e r v i c ep r o f il et os e ew h e t h e rt oh a v en e w s e r v ic e s 。： i f ( d e v i c e i n f o ( “t v ) i s a v a i l a b l e ( ) ) i ft vi sa v a i l a b l e c o m m a n d e x e e x e c u t e ( d e v i c e i n f o g e t c o m m a n d ( “t v ”) ， u s e r i n f o g e t c u r r e n t u s e r ( ) ) ：e x e c u t et h eo p e r a t i o n c m a 主要包括三个模块，分别是规则控制模块，目录管理模块和时间触发模块。通过 8 第二章基于多代理机制的c o n t e x t a w a r e 中间件技术 规则定义语言( 类似) ( m l ) 的分析，规则控制器协调和控制每一个动作和行为，用户可以 通过规则定义语言( r b o a ) 对这些内容进行设定，r b o a 将在下一章详细描述。应用规则定 义语言描述规则时，它们能被编译成规则对象以便系统很容易对其进行处理。目录管理器 负责分布和管理中间件系统中的资源。它通过目录对资源进行划分以便对资源的查找和使 用。在普适计算环境中，一些服务或行为通常要根据当前处境信息自动的启动或运行。那 些行为通常应该在没有用户的干预下被触发。在当前的环境下，如果预定义的处境信息被 检测到了，那么事件触发模块将会发送给应用程序或用户一个通知。例如：当在危险的情 形或重要的任务或系统应用资源短缺的情况下事件触发模块将会发送给用户一个分级别 的通知。 在本篇文章中，将考虑应用第三方网络服务提供商( i s p ) ，他负责和本地的服务器进 行通讯更新服务文件信息并交换室内设备信息。c m a 的另一个任务就是和i s p 进行通讯。 c m a 将动态的将本地的设备信息发送给i s p ，i s p 将根据用户发来的设备信息和用户提交的 描述信息以x m l 描述文件形式发送给本地服务器。应用这种方法，不但可以简化中间件的 设计，而且使服务融合更加容易。c m a 和i s p 的通讯流程请见下面： c m a 获得所有本地设备和智能器件信息形成一个文件，c m a 将该文件发送给i s p 。 1 i s p 收到文件后，它将根据用户预先提交的设定和收到的文件信息构建一个x m l 文件，然后i s p 将x m l 文件发给c m a 。 2 c m a 分析收到的x m l 文件并产生服务描述文件以便提供各种服务。 3 c m a 更新设备和智能器件信息在一个固定的时间间隔。如果c m a 发现新的设备 信息，它将更新文件并再次发送给i s p 。 4 i s p 将做和第二步同样的工作。 2 3 面向服务的管理模型 图2 3c m a 和i s p 通讯过程 这部分主要从服务提供的角度，提出对中间件模型的一个整体描述。本文处境感知中 间件服务模型的目的是实现为未来智能家居环境随时随地提供智能的、人性的服务。 2 3 1 处境感知智能框架 处境感知智能框架将显示整个系统是如何工作的以及前面讨论的各代理是如何一起协 调工作的。 9 第二章基于多代理机制的c o n t e x t a w a r e 中间件技术 图2 - 4 处境感