智能家居关键技术研究
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作者:常莹 朱庆华
摘要：近些年来，智能家居受到了学术界和工业界的广泛关注，在物联网、计算机、通信、自动控制等技术发展的推动下，智能家居产品也变得更加成熟，使家庭智能化迈上了新的台阶。在智能家居系统中，规则系统的引入使用户操作变得更为灵活简单，管理员可以通过添加，删除或者修改规则来实现对智能家居系统的控制。本文对智能家居系统涉及的背景、现状和关键技术进行了分析，包括本体语言和OWL等。
关键词：智能家居;本体;OWL语言
中图分类号：G642 文献标识码：A
文章编号：1009-3044（2020）29-0206-02
1 绪论
1.1研究背景
近些年来，物联网技术（Internet Of Things）作为一个新兴领域，取得了显著的发展成果。从物联网架构的底部传感层、网络传输层和智能决策层的特点来看，其强大的无线传感网络、数据采集能力以及数据处理能力使得万物互联互通成为可能。我国智能化正处在一个飞速发展时期，各行业智能化突飞猛进，比如智能家居（home automation或者smafl home）、智慧城市、物流运输、监测管理、可穿戴设备等领域目前都取得了突破性的研究成果，一个更加快捷智能的新一代网络正在形成。
随着经济水平以及科学技术的不断发展，家居场景中所涉及的新设备越来越多，这就要求智能家居的出现来提升生活效率。智能家居系统以无线传感技术、软件技术、控制技术、通信技术等先进技术为基础，将各种各样的家庭设备连接在了一起，再通过智能化控制去提高人们对家居的管控效率，极大地增强了家居系统的协调便利性，合理的调度也会将能源最大化利用，避免浪费，受到人们广泛欢迎。
在智能家居系统中，用户通过制定和执行场景来享受它所带来的便捷和快速的服务，即用户可以在应用层面设定规则也即控制指令，然后系统会通过规则去执行相应的动作。显然，随着新设备的增多，会面临规则库中的规则数量大为增加以及规则本身不断复杂的问题，在执行规则的过程中，则可能会发生多条规则冲突或者完成功能相似。比如不同场景类型的规则之间的冲突，或者是不同用户对同一设备进行控制的规则之间的冲突，这种冲突往往会对智能家居系统的稳定性产生非常大影响[1]。显然规则的添加以及顺利执行对于智能家居系统发展是极其重要的，当前对在智能家居场景下的冲突检测方法研究并不是很成熟，为了能应对当前智能家居系统规模的扩大所带来的问题，需要冲突检测机制来保证系统的稳定。一旦不同规则之间发生冲突，会使相应的操作无法及时正常执行，更具危害的是可能会引发一些事故。因此，规则冲突检测机制在智能家居的有效性、稳定性、安全性等方面具有重大意义。
1.2研究现状
智能家居是伴随着物联网的发展才发展起来的，其实智能家居这个概念很早之前就被提出来了，但是由于各种关键技术发展水平的限制一直很难实现。直到20世纪80年代，美国的美国联合科技公司参与建设了首座“智能建筑”，这也是智能家居最开始被大众所知晓，自此智能家居的发展从概念阶段转移到了实现阶段。在智能家居发展的过程中，在开始阶段，许多公司都是集中在产品级的智能化层面，比如在常用的家电设备上单独的增加更多的智能操作，这更相当于一种半智能家居，因为这种方式并未形成真正意义的智能家居系统，没有一个统一的标准和系统去实现整个家居场景的智能化。现在国内外智能家居系统都有了长足发展，市场驱动下有众多公司投入智能家居的研究，也出现了许多产品。
1.2.1 国外研究现状
智能家居系统需要一系列的技术基础，其是依赖计算机技术，通信技术，电子技术，自动控制技术和工业制造技术的融合发展而发展的，所以国外的智能家居系统发展较国内要早一些，当然也更成熟。当前，比如亚马逊公司的“Amazon Alexa”系统，它可以发现并添加在同一网络下的设备，并且通过下达命令去控制这些设备。苹果公司的“Apple HomeKit”系统，这是一款融人iOS的软件框架，通过HomeKit将设备集中在一起进行控制管理。还有诸如Google公司的“Google Assistant”系统以及“Works with Nest”系统（该系统是由被谷歌收购的Nest公司开发）。当然韩国科技巨头三星公司也开发了“SmartThings”智能平台，在2017年，三星发布Samsung Connect Home，并推出Connect Home应用程序去帮助管理所有设备，并且能够很方便的去设置新设备。SmartThings Hub为Zigbee和Z-Wave提供了无线电，并创建了一个无线网络来连接所有的智能家居设备。
1.2.2国内研究现状
国内智能家居的发展也是紧追步伐，虽然已经走过了概念阶段，但因为起步较晚，受限于发展水平，目前智能家居仍尚未普及。国内的家电巨头如海尔、美的、格力等公司，以及互联网科技公司如小米、百度、阿里巴巴、华为等，也都有相应的产品推出。比如家电巨头海尔公司推出的“U-home”智慧家居系统，美的公司推出的“M-smart”开放平台。可见目前在科技发展和市场的驱动之下，国内外企业都在积极开发部署智能家居系统，但同时也有大量问题需要逐渐解决。
2 智能家居关键技术
2.1 智能家居概述
“智能家居”这一术语常用來定义一个电器、照明、取暖、空调、电视、电脑、娱乐音频、视频系统、安全系统和相机系统能够彼此之间交流通信的住所，可以从家里任何房间，以及从世界上任何位置通过连接网络的终端进行控制。在计算机，人工智能，新型网络技术，自动化控制技术，物联网等发展的推动下，智能家居系统对现有的家庭自动化技术进行整合，将各种家居设备连接成一个互联互通的整体，通过软件系统进行综合管理，让家庭生活变得更高效、安全、简单和经济。通过对智能家居场景中的设备的功能进行分析，可以总结出主要存在以下几种功能[2]：家电控制功能、安全防护功能、智能娱乐功能。一个成熟的智能系统往往包含了上述各项功能，目前随着大数据和人工智能发展，可以为智能家居系统引入智能化推理模型，通过对用户日常的样本进行收集训练，智能家居系统将更加准确的为用户做出决策，进一步提升家庭自动化水平。 2.2 智能家居系统结构
智能家居系统包含了传感子系统、网络通信子系统、智能控制子系统、娱乐安全子系统等，能够高效快捷的管理各种家电设备，处理各种家庭事务，这提高了智能家居的安全性、高效性、易用性。并且由于对设备进行智能控制管理，在很大程度上也实现了一个绿色的，节约能源的居住环境。按照目前主流的家居系统架构，从系统层面可以将其划分为三个层次，由上到下依次是应用层、业务层、基础服务层[3]。
基础服务层作为智能家居的最底层，需要提供包括各种家居设备的接人，传感器和控制器的部署。传感器和控制器与网关设备的通信是靠Zigbee协议来进行的，各节点将收集到的数据信息向上层网关汇聚，然后经过网关便可实现智能家居设备之间的互联互通。Zigbee有着能够多点中继，短距离传输、复杂度低、功耗低、成本低等优势而同时又满足时延短、容量大、可靠性高的特点。对于智能家居系统，组网技术正好需要满足短时延、短距离、小数据量、安全可靠、传输灵活等特点，因此Zigbee技术非常合适应用于智能家居底层的组网之中，能使得网络中的各设备可以独立工作而又可以统一分配管理，高效地协同工作。
在基础服务层，实现各节点之间通信的协议主要分为有线协议和无线协议两种。无线技术的优势点在于它的灵活性和可扩展性，而且无线技术部署成本较低，而有线技术在安全与稳定性方面又具有非常牢固的优势，综合来看，显然无线技术将会是未来智能家居组网的一个趋势。
业务层是整个智能家居控制系统中至关重要的一部分。它实现了将复杂的程序与规则相分离，使得上层用户只需要制定规则库，然后业务层将利用规则引擎去对事件库和规则库进行匹配，由底层收集的环境参数和设备状态信息作为事件，如果达到了相应规则的触发条件，规则执行模块将会去执行相应的动作，下发指令控制各设备的状态。
应用层作为最顶层，是智能家居系统面向用户开放的界面。屏蔽掉了复杂的控制系统，知识通过开发应用App或者网页的形式向用户提供智能家居系统的控制界面，用户无须掌握专业知识，便可以按照需求去制定规则，添加后即可交给下层业务层去进行处理，达到对智能家居设备的管控。
采用这种分层架构的优势在于，在上层，可以实现将控制逻辑和程序代码分离开，符合使用系统的封装性特征以及易用性。将基础服务层与业务层相分离，可以实现设备的动态接人，增加系统的可扩展性和灵活性。同时这种通过节点层级汇聚的架构也增强了智能家居网络的整体化。
2.3 本体
本文是从本体的角度出发去研究智能家居下的规则冲突的，将本体与智能家居场景相结合，基于本体展开后续研究。本体这个概念最早起源于哲学领域，被用于研究思维与存在的哲学问题。根据哲学领域的相关研究，本体是对客观存在的一个事物的解释或说明，焦点在客观实在的抽象本质。后来对着计算机科学的发展，在计算机和人工智能领域，关于本体又有了新的理解和定义。
2.3.1 本體概念
1993年，Grube提出了一条比较被大众认可的本体定义，即“本体是概念模型的明确的规范说明”。接着，Borst又给出了“本体是共享概念模型的形式化规范说明”的定义[4]。再后来Studer等人在1998年提出了一种更为业内人士接受的定义，即“本体是共享概念模型的明确的形式化规范说明”口]。所谓共享，可以理解为得到公认的知识，概念模型是对一组现实存在的现象经过观察和思考后的抽象表示，而且这些概念是明确的，不应该出现不一致性而产生误解。
对于常见的本体而言，无论采用哪种语言来表示本体，它们在结构上都具有许多的共同之处。本体的构成要素一般包括：class（类）、individual（个体）、property（属性）、axiom（公理）、arrangement（层次）、rules（规则）等。基于上述构成要素，本体还可以去描述各要素之间的关系。
2.3.2 本体语言与OWL
本体描述语言是用来形式化表示本体的语言，它具有规范的语法标准以及明确的语义，可以方便计算机能够去识别本体。常见的本体语言有RDF（Resource Description Framework）、RDF-S、CycL、KIF、OIL、OWL、DAML等[6]。由于本文生成的本体文件是OWL文件，因此对OWL语言进行了专门的研究。
RDF使用Web标识符来标记资源，使用属性和属性值来描述资源，从而刻画一个能让机器理解的数据模型。机器要去理解语义是基于特定的词汇表进行的，而RDFS就是一个词汇集。
OWL网络本体语言并不是完全独立产生的，其受到了早期语言的影响，OWL与RDF有很多相似之处，但相对于RDF，OWL语言更加强大，机器也可以更好更准确的理解owl语言。OWL可以映射到谓词逻辑和描述逻辑，从而具有形式语义，可以实现自动推理。为了保证对前面语言的兼容，还要能保证描述逻辑可判定性推理，以及提供更强的语义表达能力，OWL提供了三种子语言，分别是OWL Lite、OWL DL、OWL Full。
3 结论
随着智能家居设备的不断增加，系统中的规则数量也越来越多，而且规则也更加复杂，这样不同规则之间就可能会产生冗余或者发生冲突，影响系统的稳定性。为解决上述问题，作者会对智能家居规则冲突问题进行深入研究，并提出一种避免规则冲突的机制，以及检测规则冲突的办法。
参考文献：
[1]王栩凯，智能家居系统规则冲突检测机制的研究与实现[Dl.北京邮电大学，2015.
[2]肖碧怡.面向智能家居的不确定性规则推理机制的研究与实现[D].电子科技大学，2016.
[3]李海光.基于规则引擎的智能家居系统的设计与实现[D].北京邮电大学，2015.
[4]任小青，周捷，申莉华，等.一种基于本体和SWRL规则的策略冲突检测方法[J].计算机与现代化，2013，2013（9）：18-22.
[5] Studer R，Benjamins V R，Fensel D.Knowledge engmeerlng：Principles and methods[J]. Data&Knowledge Engineering，1998， 25（1-2）：161-197.
[6]刘昀岢，面向智能空间的情境感知体系结构研究[D].湖南师范大学，2012.
【通联编辑：王力】
作者简介：常莹（1972-），女，北京人，讲师，硕士，主要研究方向为软件工程、移动终端技术等;朱庆华（1972-），男，北京人，讲师，学士，主要研究方向为电子技术、物联网技术等。
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