基于海爾uohos的智能家居互聯(lián)互通關鍵技術研究

基于海爾uohos的智能家居互聯(lián)互通關鍵技術研究

1u3000研究內容目前，世界正處于連接一切的智能生活時代。智能家庭行業(yè)擁有巨大的潛在市場，許多科技巨頭正在開發(fā)智能家庭操作系統(tǒng)。在眾多的智慧家庭操作系統(tǒng)的環(huán)境下,亟需解決跨品牌和跨品類的智能家電互聯(lián)互通問題鑒于智能設備互聯(lián)互通割裂化問題,本文基于海爾UHomeOS操作系統(tǒng),對智慧家庭操作系統(tǒng)實現(xiàn)互聯(lián)互通的關鍵技術進行深入研究,旨在提供解決方案,以支持智慧家庭產(chǎn)業(yè)健康有序的發(fā)展。2u3000結論海爾的UHomeOS是物聯(lián)網(wǎng)時代專為智慧家庭而定制的操作系統(tǒng),可劃分為操作系統(tǒng)內核、擴展功能組件、智慧家庭管理組件、安全管理體系。該操作系統(tǒng)是基于硬件模塊,融合互聯(lián)互通、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術的成果,集結智能家居行業(yè)生態(tài)服務資源,提供跨場景、全兼容、多資源、高安全的基礎操作環(huán)境。針對智慧家庭中不同處理能力的智能設備,UHomeOS具有統(tǒng)一的內核,并支持可擴展可裁剪,分為Full/Compact/Lite3個版本;能夠支持國際主流的互聯(lián)互通協(xié)議,如OCF,MQTT等;同時集成了語音識別、圖像識別、自然語言處理等能力。為了實現(xiàn)跨品牌的智能家電互聯(lián)互通,在智慧家庭操作系統(tǒng)中需要加入互聯(lián)互通協(xié)議棧,從而實現(xiàn)智慧家庭中的智能設備之間、智能設備與APP、智能設備和云平臺之間的互聯(lián)互通。智慧家庭互聯(lián)互通協(xié)議棧如圖2所示。協(xié)議適配層用來適配目前主流的通信協(xié)議,來保證運行不同協(xié)議的智慧家庭設備能夠互相聯(lián)通。協(xié)議適配層為上層提供了統(tǒng)一的交流語言,能夠使運行不同協(xié)議的設備間相互發(fā)現(xiàn)。協(xié)議適配層還允許運行智慧家庭操作系統(tǒng)的設備作為小型網(wǎng)關使用,進而為設備間的信息分享和分布計算及聯(lián)合決策提供支撐。同時協(xié)議適配層也用來進行上層協(xié)議的轉換和轉發(fā)。設備相互發(fā)現(xiàn)用來發(fā)現(xiàn)在網(wǎng)內的設備,該層一直處于監(jiān)聽狀態(tài),以監(jiān)聽來自于協(xié)議適配層的信息。為使設備相互發(fā)現(xiàn),該物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)對設備進行抽象化,抽象化的意義是使得種類繁多、功能差異化比較大的設備有統(tǒng)一的標識。設備間相互發(fā)現(xiàn)后,需要相互分享各個設備的能力及目前的狀態(tài),以及周圍設備的變動信息。分布運算和聯(lián)合決策是指在設備間信息分享后,各個設備根據(jù)自身狀態(tài)及周圍設備的狀態(tài)變動信息進行分布式計算和聯(lián)合決策。在信息傳遞機制上,該模塊主動為上層傳遞信息。因此,智慧家庭操作系統(tǒng)互聯(lián)互通的關鍵技術如下。(1)設備配網(wǎng)技術Wifi設備需要連接上路由器(即Wifi熱點,又稱作AP)才能上網(wǎng),實現(xiàn)數(shù)據(jù)上報和遠程控制,將Wifi設備獲取Wifi熱點的名字和密碼的過程稱做配網(wǎng),現(xiàn)有的配網(wǎng)技術經(jīng)常發(fā)生設備配網(wǎng)不成功的問題。(2)設備建模技術為接入智慧家庭的設備提供統(tǒng)一功能描述,業(yè)內通常用hardcode的方式,或者用二進制文件的方式描述設備,其可移植性和通用性不佳。(3)智能控制失敗為設備的智能化控制技術,現(xiàn)有設備模型中,設備的各項屬性、操作之間是完全并列的,不體現(xiàn)任何邏輯關系,造成智能控制失敗。下面基于海爾UHomeOS智慧家庭操作系統(tǒng),分別闡述實現(xiàn)互聯(lián)互通的3種關鍵技術,及各自具體的解決方案。3a、b設備配網(wǎng)目前很多智能設備都具有Wifi的聯(lián)網(wǎng)功能,卻沒有人機交互的界面,這類設備(A)接入網(wǎng)絡時,需要借助其他它設備(B)(如手機、掌上電腦、電腦等)來幫助其接入網(wǎng)絡。接入網(wǎng)絡時,A設備處于嗅探模式,抓取空間中所有MAC幀,B設備將網(wǎng)絡配置信息編碼在MAC幀長中,A設備在不知道密碼的情況下即可獲取到網(wǎng)絡配置信息在海爾UHomeOS中,我們采用“組播MAC技術+softap技術”來發(fā)送、接收網(wǎng)絡配置信息。首先使用組播MAC技術進行設備配網(wǎng),在組播技術配網(wǎng)失敗后,采用softap方式進行設備配網(wǎng)。如圖3所示,A設備包括接收模塊、信息判斷模塊和提取模塊。接收模塊用于連續(xù)接收至少一個MAC幀,其中每一個MAC幀的幀頭中的目的地址與所述地址列表中的組播地址一一對應。信息判斷模塊用于判斷接收到的至少一個MAC幀中是否對應于一個組播地址。當信息判斷模塊判斷出接收到的至少一個MAC幀的幀頭中的目的地址對應于一個組播地址,提取模塊從組播地址中提取用于接入網(wǎng)絡的網(wǎng)絡配置信息。組合模塊將提取到的多個網(wǎng)絡配置信息中的最小有效信息集合組合得到新的網(wǎng)絡配置信息,特別適用于網(wǎng)絡配置信息包含的內容較多,無法通過一個MAC幀傳完畢的情況。如圖4所示,基于組播技術發(fā)送網(wǎng)絡配置信息的B設備包括地址模塊和發(fā)送模塊。地址模塊用于根據(jù)網(wǎng)絡配置信息生成含有至少一個組播地址的地址列表。發(fā)送模塊用于連續(xù)發(fā)送至少一個MAC幀;每一個MAC幀的幀頭中的目的地址與地址列表中的組播地址一一對應。在實際流程中,B設備通過生成包含網(wǎng)絡配置信息的至少一個組播地址,使得作為接收方的A設備不僅能通過組播地址這一特征確認該組播地址中包含的網(wǎng)絡配置信息,還能從該組播地址中獲取部分或者全部的網(wǎng)絡配置信息,并且作為發(fā)送方的B設備不需要斷開網(wǎng)絡,加速了作為接收方的A終端接入網(wǎng)絡的速度。基于以上技術即可實現(xiàn)快速設備配網(wǎng),該流程采用通用TCP/IP協(xié)議棧和802.11協(xié)議,不需要對現(xiàn)有協(xié)議棧進行修改,同時,使用目前通用的操作系統(tǒng)所提供的API即可實現(xiàn),適配性強。4設備模型的描述在實際環(huán)境中,同一廠家不同型號的設備,以及不同廠家的設備,不僅功能描述方式不同,內部的設備編碼規(guī)則也不同,為了保證智慧家庭系統(tǒng)中不同場景下不同設備的統(tǒng)一控制,以及設備之間的信息智能交互,需要為接入智慧家庭平臺的智能設備提供統(tǒng)一功能描述,即設備建模在海爾UHomeOS中,針對不同廠商設備建立設備模型的依據(jù)有所區(qū)別。對于海爾自有家電,依據(jù)設備通用網(wǎng)絡協(xié)議(包含網(wǎng)絡協(xié)議控制幀、狀態(tài)幀、報警狀態(tài)匯報幀里的指令、狀態(tài)和報警信息)來設計建立模型描述;對于第三方家電,則主要依據(jù)第三方公開通信協(xié)議、規(guī)格說明書等來建立通用的設備模型描述。我們建立的設備模型主要描述設備的功能特征,包括基本信息、操作、屬性、告警、無效信息等,可用于圖5所示的多種應用。(1)基本信息:用于描述設備最基本的信息,包括設備類型、編號、型號、制造商等。(2)屬性:用于描述設備可供用戶訪問的各類屬性,包括表征設備自身工作狀態(tài)的屬性,以及設備傳感器數(shù)據(jù)等。(3)操作:用于描述設備可供用戶調用的各類操作。根據(jù)輸入?yún)?shù)的個數(shù),可分為普通操作和高級操作。當輸入?yún)?shù)的個數(shù)大于1時,應定義為高級操作。注:單個屬性值的獲取和設置,不定義為操作。(4)告警:用于描述設備產(chǎn)生的各類故障/告警信息。(5)無效信息:用于描述設備針對用戶無效操作上報的反饋信息。對于每一項基本信息、屬性、操作、告警、無效信息,其名稱字段的命名規(guī)則如下:(1)由英文字母、數(shù)字和“_”符號組成。其中,“_”符號僅在第三方標識中使用。第三方標識用于標識第三方設備的個性化特征,在名稱字段中以前綴方式出現(xiàn),并以“_”符號作為結尾,例如××公司設備的個性化“濕度”屬性名稱為××_Humidity。(2)首字符若為字母,應小寫;若名稱中包含多個單詞,從第2個單詞開始,首字母大寫,其余字母小寫。例如,“合計用水量”屬性名稱為totalWaterUsed。(3)操作具有明確的操作對象時,名稱字段可采用“動作”+“操作對象”的格式。例如,“清除歷史數(shù)據(jù)”操作名稱為clearHistoricalData。(4)高級操作的名稱字段可采用“gr”作為前綴。例如,“設置時間日期”操作名稱為grSetDateTime。通過以上操作設置建立統(tǒng)一的設備模型,可以為硬件開發(fā)提供標準化支撐,簡化設備開發(fā)工作,簡化海爾自有設備的控制流程以實現(xiàn)統(tǒng)一控制,以及簡化與第三方設備/平臺的互聯(lián)互通。5空調控制場景在智慧家庭環(huán)境中,智能家電設備的某些功能或參數(shù)之間存在建立一定的邏輯關系,如兩個功能不能同時被用戶調用,或者某功能是其他功能實施的前提,因此,想要滿足智能場景的體驗,需要在家電設備模型中體現(xiàn)出各種邏輯關系,否則云平臺控制家電設備時,可能出現(xiàn)某些功能由于邏輯關系錯誤或未得到滿足而無法調用的情況,導致用戶無法獲得預期服務,影響用戶體驗在海爾UHomeOS中,我們在設備模型中對涉及邏輯關系的操作設立了約束,通過約束列表來描述某項屬性在實際操作中,在云平臺預先定義約束列表ConstraintList;當屬性以具體空調控制場景為例(見圖7),在空調控制實例中,我們設置的約束條件為:空調的“工作模式”為“通風”時,不允許設置目標溫度;“工作模式”為“制冷”或“制熱”時,允許設置目標溫度。在實際流程中,云平臺根據(jù)空調上報的狀態(tài)數(shù)據(jù)查詢約束列表,更新空調設備對象的屬性狀態(tài),當空調上報的工作模式為“通風”時,云平臺將目標溫度屬性的writable置為False,向APP發(fā)送設備狀態(tài)數(shù)據(jù);APP更新用戶控制界面,禁用設置目標溫度功能。云平臺根據(jù)預先設置的業(yè)務邏輯或用戶需求,判定當前需要將室溫降低到24°;云平臺查詢空調設備對象,發(fā)現(xiàn)當前TargetTemp屬性的writable為False,無法設置目標溫度;云平臺查詢約束列表,發(fā)現(xiàn)限制TargetTemp不可寫的約束條件是“工作模式”為“通風”;云平臺自動向空調下發(fā)控制指令,將工作模式從“通風”切換為“制冷”。在海爾UHomeOS中,我們通過在設備模型中建立約束列表的方式,使云平臺可以根據(jù)約束列表自動更新設備狀態(tài),屏蔽不可調用的功能、不可設置的參數(shù)取值等;另一方面,當云平臺需要控制家電設備執(zhí)行某項功能但發(fā)現(xiàn)該功能無法調用時,可以通過查詢約束列表,找到限制該功能無法調用的業(yè)務邏輯,然后自動控制家電