文 學 張普釗 胡燕飛

（1.中國移動通信集團重慶有限公司，重慶 400062；2.中國電信股份有限公司重慶網(wǎng)絡監(jiān)控維護中心，重慶 400062）

1 引言

智慧家庭市場是最具潛力的新興信息消費市場。智慧家庭服務系統(tǒng)中涉及的業(yè)務領域廣泛、服務參與者和角色眾多、交互過程復雜、多方協(xié)作要求高，在使用方式、交互模式、系統(tǒng)架構等方面均有其特殊性，因而對業(yè)務系統(tǒng)的流程分析、過程建模、系統(tǒng)設計和實現(xiàn)技術等方面提出了新的要求。

物聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn)為家庭網(wǎng)絡的新型個性化服務啟發(fā)了新的思路。物聯(lián)網(wǎng)是以感知客觀物理世界為目的，實現(xiàn)“物物互聯(lián)、感知世界”的綜合信息系統(tǒng)，它被稱為是繼計算機、互聯(lián)網(wǎng)、移動通信網(wǎng)之后信息技術革命的第三次浪潮，是信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展的又一重大里程碑。物聯(lián)網(wǎng)的本質是通過可獲取物理實體狀態(tài)信息的嵌入式傳感器件進行狀態(tài)信息的采集，通過可融合各種異構網(wǎng)絡的泛在網(wǎng)進行信息的可靠傳輸，通過可處理海量數(shù)據(jù)的信息處理系統(tǒng)進行信息智能加工及決策。研究表明，到2017年物聯(lián)網(wǎng)的machine-to-machine的市場需求將達到2900億美元，而物聯(lián)網(wǎng)技術與智慧家庭的有機融合，將家中的電視、計算機、移動設備、電表、照明燈具、家電、電源插座和傳感器以及外部的服務“連接”在一起，必將會為中國的經(jīng)濟帶來新的增長點，并極大地便利用戶的日常生活。

目前，越來越多的具有聯(lián)網(wǎng)功能的智能硬件設備應用到人們的家庭中。如基 于Web技術的業(yè)務pachube.com， Xively，及微軟的 SenseWeb，通過提供應用程序接口的方式將如空調、熱水器的溫度、室內空氣的濕度、植株生長狀態(tài)等結構化的傳感器數(shù)據(jù)發(fā)布到了物聯(lián)網(wǎng)中。聯(lián)網(wǎng)智能設備的廣泛普及極大地推動了家庭個性化搜索服務的發(fā)展，在未來的家庭生活中，用戶將可通過運營商的移動通信網(wǎng)絡，在戶外搜索查詢滿足需求的家庭網(wǎng)絡內部智能設備的狀態(tài)。

圖1 新型個性化家庭網(wǎng)絡架構

然而，目前的網(wǎng)絡構建為傳統(tǒng)的互聯(lián)網(wǎng)解決方案，其搜索對象僅為文本、圖片、視頻、音頻等靜態(tài)或緩變的非結構化數(shù)據(jù)，尚未出現(xiàn)針對家庭網(wǎng)絡個性化搜索服務的網(wǎng)絡構建方案。因此，本文提出了基于物聯(lián)網(wǎng)技術的新型家庭網(wǎng)絡的構建方案，并設計了適用于家庭用戶個性化搜索服務的流程，為家庭網(wǎng)絡個性化搜索業(yè)務的發(fā)展提供了理論基礎。

2 基于物聯(lián)網(wǎng)技術的新型家庭網(wǎng)絡構建方案

傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)搜索方式需要對網(wǎng)絡中所有對象依次進行遍歷訪問，并將對象的反饋結果與用戶搜索的內容進行匹配。傳統(tǒng)的搜索方式與網(wǎng)絡形態(tài)的通信開銷將隨著網(wǎng)絡規(guī)模的增大呈現(xiàn)出幾何倍增長。因此，有必要結合家庭網(wǎng)絡的特征，設計適用于家庭用戶個性化搜索的網(wǎng)絡架構。

新型個性化家庭網(wǎng)絡架構如圖1所示。它由客戶端、上層網(wǎng)關、家庭網(wǎng)關、預測模型數(shù)據(jù)庫、家用傳感器群五部分構成。用戶通過客戶端發(fā)出個性化搜索請求；上層網(wǎng)關為層次化結構，負責搜索請求的下發(fā)及家用傳感器上報數(shù)據(jù)的收集；預測模型數(shù)據(jù)庫用于存儲傳感器上報的歷史數(shù)據(jù)與預測模型；家用傳感器嵌入在家用設備中，用于采集電視、冰箱等家電狀態(tài)或水表、電表等能源消耗數(shù)據(jù)。

上層網(wǎng)關分布在Internet中，每個上層網(wǎng)關負責一個或多個小區(qū)的家庭網(wǎng)絡。家庭網(wǎng)關負責管理家庭網(wǎng)絡中的智能硬件的組網(wǎng)，實現(xiàn)服務發(fā)現(xiàn)功能。預測模型數(shù)據(jù)庫存儲傳感器發(fā)布的預測模型。家庭網(wǎng)關與預測模型數(shù)據(jù)庫關聯(lián)，并周期性地爬取傳感器發(fā)布的web頁面來獲取傳感器當前的讀數(shù)或預測模型。

圖2 基于新型家庭網(wǎng)絡的智能設備搜索流程

圖3 不同搜索次數(shù)下的搜索流程通信開銷對比

圖4 不同運行時間下的搜索流程通信開銷對比

用戶可通過客戶端在戶外查詢家庭網(wǎng)絡中冰箱、空調、窗簾等智能設備的狀態(tài)，并可下發(fā)指令至對應的硬件平臺?？蛻舳送ㄟ^GUI界面發(fā)起搜索請求，用戶請求首先由上層網(wǎng)關進行處理，按照地理位置等具有區(qū)分度的信息進行分類，并下發(fā)到家庭網(wǎng)關進行搜索。

未來的智慧家庭中具有短距無線通信與組網(wǎng)能力的智能硬件將日益普及，與傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)中搜索對象為靜態(tài)或偽靜態(tài)數(shù)據(jù)不同，智慧家庭中的搜索對象為海量的狀態(tài)動態(tài)變化的家用設備，為保證家庭用戶個性化搜索的時效性與可靠性，使得搜索過程快速收斂，區(qū)別與傳統(tǒng)的家庭網(wǎng)絡構建方式，本文為每個智能化的家用設備構建了可反應其狀態(tài)變化趨勢的預測模塊，從而估計家用智能設備匹配用戶搜索的概率，以提高搜索引擎的搜索效率。

3 個性化搜索服務流程設計

如前所述，由于面向海量智能家用設備，因此適用于搜索服務的家庭網(wǎng)絡架構的設計有其特殊性。本部分將提出適用的智能設備搜索方案，以降低家庭網(wǎng)絡的能耗與通信開銷。設計流程如圖2所示。

步驟1：首先，家用設備需構建可估計其狀態(tài)變化的預測模型，并在上報周期內采用無線通信技術（如ZigBee、藍牙等）上傳至家庭網(wǎng)關。

步驟2：其次，家庭網(wǎng)關在周期性地收集傳感器上報的預測模型后，將之存入預測模型數(shù)據(jù)庫中，以備后續(xù)快速定位滿足用戶需求的家用設備。

步驟3：然后，用戶可在戶外通過客戶端經(jīng)移動通信網(wǎng)絡發(fā)起全局搜索請求，也可在家庭內部通過直接與家庭網(wǎng)絡通信的方式進行局部搜索。

步驟4：上層網(wǎng)關負責響應用戶發(fā)起的搜索請求，并按照地理位置等具有區(qū)分度的信息將搜索請求下發(fā)到對應的家庭網(wǎng)關進行設備的進一步搜索。

步驟5：家庭網(wǎng)關在接收到上層網(wǎng)關下發(fā)的搜索命令后，將訪問本地的預測模型數(shù)據(jù)庫，搜索滿足用戶搜索要求的家庭設備，并估計家庭設備匹配用戶搜索內容的概率，進而，將匹配設備按照概率降序上報至上層網(wǎng)關。

步驟6：上層網(wǎng)關將接收到的搜索結果進行匯聚，并依據(jù)匹配概率再次進行融合排序，按找順序向家庭網(wǎng)關發(fā)起驗證命令，進行智能設備的進一步狀態(tài)驗證。

步驟7：家庭網(wǎng)關按照上層網(wǎng)關的命令對選中的家庭設備進行匹配驗證，并將驗證結果反饋給上層網(wǎng)關。

步驟8：最后，由上層網(wǎng)關將將驗證后的搜索結果返回給用戶。

4 驗證

本文采用Intel Berkeley實驗室實測的54個傳感器，驗證所提新型智慧家庭網(wǎng)絡結構與搜索流程（Smart search）的有效性，并與典型方法（Random search）進行了性能對比。性能指標為家庭網(wǎng)絡搜索的通信開銷。計算機仿真軟件環(huán)境為Matlab R2014a，仿真結果均為運行20次后的平均值。

如圖3所示，在不同搜索次數(shù)條件下，所提Smart search方法較隨機搜索Random search方法在通信開銷方面減少了約21%。圖4中，在不同運行時間下，Smart search較Random search在通信開銷方面平均減少了19%，可大大降低智慧家庭網(wǎng)絡的功耗，延長家庭網(wǎng)絡硬件設備的工作壽命。這是由于Smart search方法建立了對智慧化的家用設備的狀態(tài)預測機制，可快速、準確定位用戶所需家庭設備，并反饋設備的當前狀態(tài)。因此，Smart search可大大降低家庭網(wǎng)絡的通信開銷。

結語

物聯(lián)網(wǎng)與智慧家庭的有機融合必將極大地改變目前人們的日常生活方式，促進家庭生活向智慧化、個性化方向發(fā)展。本文提出適用于智慧家庭中智能硬件設備搜索的網(wǎng)絡架構，設計了可擴展、低開銷的搜索方案。經(jīng)仿真驗證表明，所提網(wǎng)絡架構與搜索流程可大幅降低家庭網(wǎng)絡的通信開銷。

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