基于SOAP的智能家居互操作系统框架

方案中，OSGI中间件融合了通用即插即用技术（UPnP），并将其整合在家用网关中从而实现家庭智能化服务。虽然OSGI中间件采用竞争机制来管理异构系统，并于各设备间实现了运行的联动性和信息交换的互操作性，但他们只能在装有Java虚拟机的家居或设备中使用。

通用即插即用（UPnP）协议，是由微软公司提出的一种分布式、开放性的网络架构。UPnP是独立的媒介，其可以在各种智能设备中实现对等网络连接（P2P）结构。在家庭网络环境中，通用即插即用协议允许智能家具、无线设备以及个人电脑以极简的方式无缝接入家庭网络中。通用即插即用协议不仅能够使本地设备响应发送来的命令并及时自动执行，还能够访问并控制远程设备。当然，由于即插即用协议是基于TCP/IP、HTTP和XML协议来制定的，所以那些不支持TCP/IP协议的设备就无法采用UPnP。

上述研究的重点在于对带有独立功能的设备之间在特定通信环境下数据交换形式的统一，仅仅是对异构系统的一个整合。当前，用以确保几个智能家居子系统间的互操作性和异构数据的集成性的方法与技术正在不断完善。这些方法和技术较好地解决了互操作性和数据整合的问题，但是这些技术还存在很大的缺陷。例如，其不具有多元化的功能，这就使得很多用户要想修改安装后的智能家居系统将变得很困难，特别是当用户需要添加新的应用服务或设备时，他们要投入相当大的资金。

2.1 智能家居互操作系统框架

接下来，本文将详细介绍基于SOAP协议的智能家居互操作系统框架。

为了设计并实现智能家居系统中设备的一体化管理，我们提出了一种利用SOAP协议来提供网络服务的智能互操作系统框架。一个完整的系统框架能够提供多种服务与功能，可以分为三大类：（1）精确获取异构数据源的数据；（2）管理所有数据源的服务；（3）在异构系统间建立通信链路。该框架主要组成部分包括应用程序接口、服务存根和数据库模块。此框架是利用家庭环境中的以太网来部署的。以太网是家庭环境中的默认连接，其在定义结构化布线和宽带服务时重点考虑了连接的实时性。该系统框架通过SOAP消息协议来实现信息的交换。SOAP协议因其良好的互操作性而被广泛采用，其定义了信息交换的标准机制，该机制中使用XML来定义信息载体。采用SOAP协议的一个主要优势在于，它为端到端的通信提供了一个开放的标准，这种开放的标准使数据的通信具有高度的灵活性，并且可以集成于不同的系统中。SOAP协议作为网络服务技术，可以在不考虑操作平台的前提下，使两个异构设备间进行信息交换。互操作系统框架的组成包括应用程序接口、服务存根和数据库模块，下面将对其进行详细阐述。

2.2 应用接口层

互操作系统框架的中心组成部分为应用接口层。应用接口层可以为整个系统提供一个服务软件，该软件可以准确地定位到智能家居系统中每一个异构设备的数据收发端口及其数据融合器。应用接口层也负责那些具有不同协议的家庭设备、电器及装有高级家居智能软件的中心系统之间的数据通信。其中的驱动配置工具可以方便用户配置各个设备的驱动程序和数据收发端口，其中包含了修改驱动程序和数据端口的功能函数。这在动态的装载数据端口和配置驱动时将会非常有用。标准网络服务通信驱动已经被用来作为实现应用接口层各功能的默认驱动，同时根据设备驱动程序接口规范，其他各种通信协议可以在此基础框架上进行扩充。

2.3 服务存根层

在智能家居服务已部署的前提下，向现有系统中添加新的设备或电器将非常困难。新加入的设备将会使主系统调整智能家居系统中的基本交互平台，用以满足新设备的需求。可以想象，如果添加的设备过多，会给整个系统的再运行带来很大的麻烦。为了解决这些问题，我们设计了一个称为服务存根的模块，用以将新添加设备的已满足依赖性需求直接加入到整个系统框架中。服务存根包含了对应于整个系统框架内置的结构化查询语言（SQL），应用程序开发人员可以根据服务存根中提供的应用程序接口（API）来配置他们开发的应用程序和子系统。服务存根中会生成系统所需的结构化查询语言（SQL），该语言允许系统中的设备动态地获取或处理数据库中的数据。应用程序开发人员只需要调用首选项服务中的应用程序接口选项即可，而无需知道服务的详细结构。这就意味着他们可以随时获得子系统的各种信息并调整自己的定制规则，从而积极有效地管理每个设备。

2.4 数据库模块

数据库模块是整个互操作系统框架中的重要一环，它用来处理家庭环境中各个设备和装置的SOAP消息请求。数据库模块主要由关系数据库组成，这些关系数据库中包括了存储、检索数据和管理程序的各类方法。数据库模块主要实现了家庭服务功能、逻辑操作功能以及本地或远程访问数据库功能。智能家居系统中的核心数据库通常由不同服务运营商提供的远程数据库组成。

数据库模块包含了两个不同的组件，分别被称为内部数据组件和数据支持组件。开发人员可以使用软件指令或现场数据读写器对数据直接进行操作。一般情况下，开发人员会使用DataAdapter类作为远程数据库和内部数据组件之间的通信路径。在数据库模块中，所有涉及数据交换的通信以及数据交换限制的处理，都可以使用XML作为承载数据的格式。XML是基于文本的，并且数据的解析较为容易，因此适合于带有可移动数据的独立平台。此外，采用XML作为HTTP网络协议的首选数据格式可以减少有关防火墙的失效。采用XML格式的设备，可以使用户无需知晓设备服务指令就可以直接向设备发送序列化数据。用户所需的只是XML解析器，该解析器位于应用接口层中，可以直接使用。家庭设备的数据会被序列化入XML中，并作为SOAP消息的文本格式。采用这种数据传输格式能够为互操作系统中的每个任务合理分配带宽，从而大大提高带宽利用率。智能家居互操作系统框架结构如图2所示。

图2 智能家居互操作系统框架结构

2.5 系统部署设计

本文所提出的互操作性框架中，使用SOAP技术来进行信息交换，使家庭环境中的各异构设备与电器具有互操作性。互操作系统设备部署连接图如图3所示。

互操作系统使用小型系统的家庭服务器作为其平台。对于每个独立设备，当有事件发生时都会生成一个包含了所需事件的SOAP信包。一旦SOAP信包到达家庭服务器，SOAP信包中以XML格式定义的内容将会在XML解析器中进行解析。在XML内容被解析之后，该信包会被送入服务存根中。这里，服务存根将会调用应用程序编程接口（API），用来作为存储着各个设备运作机制表的数据库之间的通信桥梁。运作机制表序列反映了智能家居系统的互操作规则，换句话说，各设备的运作机制是以表格的数据形式存储在数据库中的。服务存根将遵循合适的序列从数据库中正确的表格里读取相应的数据。在数据库中，需要生成SOAP信包来通知其它已发生互操作的设备。在整个体系框架计算结果的基础上，通知信号代码会通过SOAP发生器产生的SOAP信包生成。

图3 互操作系统设备部署连接图

3 仿真实验及结果分析

3.1 实验设置

实验是在模拟环境中进行的，我们用互操作系统中的三个子系统组成新的智能家居系统，整个系统一共有16组I/O接口。新的智能家居系统的三个子系统分别为告警系统、声音控制系统和闭路电视系统。这些子系统通过局域网（以太网）进行配置和测试。系统的性能测试需要注意两个关键点，异构子系统内部事件的产生和以太网的正确连接使用，这主要是因为局域网通信的不确定性和非实时性。系统性能测试的需求也会因为测试过程中每个子系统在查询智能家居环境中的数据库时所采取的互操作而改变。

3.2 性能评估

智能家居互操作系统框架中网络负载能力的评估是非常重要的，因为这关系到在整个系统中各异构系统之间发生并发请求的互操作时，系统能否承受一定的负荷强度。测试将在每个负载条件下对系统做100次应答请求，并采用计算反应时间的方法评估系统在每个负载需求下的性能。将得到的数据计算出标准差序列，用以评估整个系统框架的性能。测试的负载条件分为3档：0 kb/s、6 080 kb/s、13 120 kb/s。系统负载为0 kb/s、6 080 kb/s和13 120 kb/s时的测试结果分别如图4、图5和图6所示。

测试结果将所有的反应时间都进行了取整，在允许的误差范围内方便进一步计算。通过对测试结果进行分析，系统在无负载情况下的平均应答时间为1.3 ms，标准差为0.717 7；在6 080 k/ps时的平均应答时间为1.39 ms，标准差为0.737 1；在13 120 k/ps时的平均应答时间为1.44 ms，标准差为0.770 9。从最终结果可以推断出，本文提出的互操作系统可以使整个智能家居系统的负载下降10%～15%。上述实验结果证明了基于SOAP的互操作系统框架在智能家居系统中有着优良的性能。

图4 测试结果（0 kb/s）

图5 测试结果（6 080 kb/s）

4 结 语

本文中提出的基于SOAP的互操作系统框架虽然可以解决智能家居系统中各系统间存在异构性和非同步性的问题，但只局限于局域网环境下。未来的研究方向将是解决广域网中智能家居设备间互操作的问题。

图6 测试结果（13 120 kb/s）

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