尹德帥　居文軍　馬成東　錢學(xué)文

摘 要：智慧家庭操作系統(tǒng)是智慧家庭的核心支撐。文中對物聯(lián)網(wǎng)/智慧家庭操作系統(tǒng)的行業(yè)發(fā)展進(jìn)行了總結(jié)，介紹了智慧家庭操作系統(tǒng)對于智慧家庭生態(tài)發(fā)展帶來的價值。通過智慧家庭的業(yè)務(wù)架構(gòu)，提出了智慧家庭操作系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)能夠針對不同智能設(shè)備支持統(tǒng)一的內(nèi)核和功能的可裁剪性，并給出了智慧家庭操作系統(tǒng)的技術(shù)架構(gòu)，對智慧家庭操作系統(tǒng)的內(nèi)核、互聯(lián)互通、場景管理、設(shè)備管理等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)分析，以期為智慧家庭操作系統(tǒng)的設(shè)計與研發(fā)提供參考。

關(guān)鍵詞：智慧家庭;物聯(lián)網(wǎng);操作系統(tǒng);智能家電;設(shè)備管理;大數(shù)據(jù)

中圖分類號：TP393文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：2095-1302（2020）04-00-05

0 引 言

物聯(lián)網(wǎng)是新一輪產(chǎn)業(yè)革命的重要方向和推動力量，是新一代信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的高度集成和綜合運(yùn)用。據(jù)Gartner預(yù)測，到2020年全球聯(lián)網(wǎng)設(shè)備數(shù)量將達(dá)到250億個，物聯(lián)網(wǎng)市場規(guī)模達(dá)到1.9萬億美元[1]。作為物聯(lián)網(wǎng)一個重要的垂直應(yīng)用領(lǐng)域，智慧家庭以家庭為基礎(chǔ)，融合物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)等新一代信息技術(shù)，為消費者提供健康、智能、舒適、安全和充滿關(guān)愛的家庭生活方式。同時隨著互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)在消費者市場的繁榮發(fā)展以及在整個社會消費升級的趨勢下，智能化成為了家電行業(yè)互聯(lián)網(wǎng)轉(zhuǎn)型的重要目標(biāo)。智能家電的迅速發(fā)展也極大地推動著智慧家庭產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和升級。

智慧家庭中存在各種類型的智能設(shè)備，包括智能家電、家居設(shè)備、安全設(shè)備、智能硬件、傳感器等，不同類型的智能設(shè)備具有不同的處理能力、通信方式和應(yīng)用場景，這種多元化的軟硬件組合使得智慧家庭的設(shè)計開發(fā)和管理變得非常復(fù)雜，“碎片化”已經(jīng)嚴(yán)重影響了智慧家庭的市場化落地和生態(tài)體系建設(shè)?？v觀PC和智能手機(jī)的發(fā)展，可以看出操作系統(tǒng)如Windows，Android，iOS等能夠屏蔽底層的硬件差異，為上層應(yīng)用提供統(tǒng)一的開發(fā)環(huán)境和用戶交互體驗，是互聯(lián)網(wǎng)和移動互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的核心驅(qū)動力。在智慧家庭中，操作系統(tǒng)能夠解決智能設(shè)備“碎片化”問題，提供統(tǒng)一、標(biāo)準(zhǔn)化平臺，形成互聯(lián)互通、設(shè)備管理、信息安全、人機(jī)交互、用戶體驗、開發(fā)環(huán)境等集成融合的解決方案，從而滿足智慧家庭面臨的共性需求，有效促進(jìn)智慧家庭生態(tài)系統(tǒng)的良性發(fā)展，推進(jìn)智慧家庭的應(yīng)用和普及。

本文針對物聯(lián)網(wǎng)及智慧家庭操作系統(tǒng)發(fā)展的現(xiàn)狀進(jìn)行了調(diào)研和分析，總結(jié)出智慧家庭操作系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，如內(nèi)核技術(shù)、互聯(lián)互通、設(shè)備管理、場景管理、信息安全等，并對這些關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了深入分析。

1 物聯(lián)網(wǎng)/智慧家庭操作系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀

物聯(lián)網(wǎng)感知層的設(shè)備更小、功耗更低，需要安全可靠的組網(wǎng)能力;通信層需要支持各種通信協(xié)議和協(xié)議之間的轉(zhuǎn)換;應(yīng)用層需具備云計算能力。因此，物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)具有管理物的能力、可裁減和可擴(kuò)展的架構(gòu)、泛在互聯(lián)能力、安全等技術(shù)特征[2]。物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)的發(fā)展呈現(xiàn)兩種技術(shù)路徑：

（1）由智能手機(jī)操作系統(tǒng)剪裁而來，具備較強(qiáng)的應(yīng)用能力，同時獲得智能手機(jī)生態(tài)的強(qiáng)大支持;

（2）針對嵌入式操作系統(tǒng)進(jìn)行功能優(yōu)化，針對底層硬件平臺開發(fā)，擁有更高的可靠性和更強(qiáng)的性能表現(xiàn)[3]。

目前行業(yè)已經(jīng)出現(xiàn)了多種為物聯(lián)網(wǎng)定制的操作系統(tǒng)，如ARM的mbed、谷歌的Android Things、華為的Lite OS等。另外，還有專門為智慧家庭定制的操作系統(tǒng)，如海爾的UHomeOS等。

1.1 物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)

本文調(diào)研了三種主流的物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)，分別為ARM mbed OS，Android Things和華為Lite OS。

1.1.1 ARM mbed OS

mbed OS是ARM發(fā)布的物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)，是專為物聯(lián)網(wǎng)中的“物體”設(shè)計的開源嵌入式操作系統(tǒng)[4]。mbed OS基于ARM Cortex-M微控制器，能夠支持連接產(chǎn)品所必需的全部功能，可應(yīng)用于智能城市、智能家庭和穿戴式設(shè)備等領(lǐng)域。mbed OS可以提供內(nèi)核、安全保障、基于標(biāo)準(zhǔn)的通信功能以及針對傳感器、I/O設(shè)備和連接性開發(fā)的驅(qū)動程序，能夠加快部署產(chǎn)品周期。mbed OS具有模塊化軟件堆棧，有助于開發(fā)者對開發(fā)設(shè)備進(jìn)行自定義，以及通過可配置的軟件組件來降低設(shè)備對于內(nèi)存的需求。mbed OS在微控制器上運(yùn)行，是mbed IoT設(shè)備平臺的客戶端部分，與mbed設(shè)備連接器、mbed設(shè)備服務(wù)器和mbed客戶端配合使用。mbed OS圍繞物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的安全性、連接性、可管理性、效率和生產(chǎn)率這五個核心原則進(jìn)行設(shè)計，基于事件驅(qū)動的單線程架構(gòu)，確保mbed OS可以應(yīng)用到尺寸最小、成本最低且功耗最低的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備中。

1.1.2 Android Things

Android Things是谷歌于2016年發(fā)布的面向智能設(shè)備的操作系統(tǒng)，其前身是2015年谷歌發(fā)布的物聯(lián)網(wǎng)平臺Brillo，在Brillo的基礎(chǔ)上，Android Things加入了Android SDK，Android Studio，Google Play服務(wù)以及Google云平臺等Android開發(fā)工具和服務(wù)。熟悉Android的開發(fā)者可以輕松進(jìn)行Android Things應(yīng)用的開發(fā)。Android Things支持谷歌的物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議Weave，可以讓智能設(shè)備連接到云端，目前Nest，Hue，SmartThings，LiFX等已經(jīng)宣布支持Weave，Android Things。Android Things對core Android Framework進(jìn)行了擴(kuò)展，通過Things Support Library提供附加的API，使得開發(fā)者可以集成各種智能硬件設(shè)備，包括不帶屏幕的智能設(shè)備。Android Things提供了主流的I/O驅(qū)動外設(shè)接口，可與傳感器和執(zhí)行器通信交互，同時能夠支持藍(lán)牙、低功耗無線個域網(wǎng)（Low-Power Wireless Personal Area Networks，LoWPAN）等技術(shù)[5]?？紤]到Android Things需要使用谷歌的云端服務(wù)，因此目前在國內(nèi)無法順利使用。

1.1.3 華為Lite OS

華為LiteOS是華為于2015年發(fā)布的面向IoT領(lǐng)域構(gòu)建的輕量級物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)，遵循BSD-3開源許可協(xié)議，可廣泛應(yīng)用于智能家居、個人穿戴、車聯(lián)網(wǎng)、城市公共服務(wù)、制造業(yè)等領(lǐng)域，大幅降低設(shè)備布置及維護(hù)成本，有效降低開發(fā)門檻、縮短開發(fā)周期[6]。LiteOS目前支持ARM Cortex-M0，Cortex-M3，Cortex-M4，Cortex-M7等芯片，同時華為聯(lián)合業(yè)界主流MCU廠家，通過開發(fā)者活動，目前已經(jīng)適配了數(shù)十套通用MCU開發(fā)套件，5套NB-IoT集成開發(fā)套件。LiteOS Kernel是華為Lite OS操作系統(tǒng)的基礎(chǔ)內(nèi)核，包括任務(wù)管理、內(nèi)存管理、時間管理、通信機(jī)制、中斷管理、隊列管理、事件管理、定時器等操作系統(tǒng)基礎(chǔ)組件，可以單獨運(yùn)行，具有高實時性、高穩(wěn)定性、超小內(nèi)核、基礎(chǔ)內(nèi)核體積可以裁剪、低功耗、支持功能靜態(tài)裁剪等特點。華為LiteOS是華為物聯(lián)網(wǎng)解決方案的重要組成部分，是支持物聯(lián)網(wǎng)終端產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展、使能終端設(shè)備智能化的軟件開發(fā)平臺。

1.2 智慧家庭操作系統(tǒng)UHomeOS

UHomeOS是海爾U+專為智慧家庭定制的場景生態(tài)安全操作系統(tǒng)。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(shù)成果，集結(jié)智能家居行業(yè)生態(tài)服務(wù)資源，提供跨場景、全兼容、多資源、高安全的基礎(chǔ)操作環(huán)境，以家庭用戶為中心，串聯(lián)起人、家電、服務(wù)，賦能家電，讓家電理解用戶需求，主動為用戶提供個性化生態(tài)場景服務(wù)，提升用戶體驗。針對智慧家庭中不同處理能力的智能設(shè)備，UHomeOS具有統(tǒng)一的內(nèi)核，支持?jǐn)U展與裁剪，分為Full/Compact/Lite三個版本;能夠支持國際主流的互聯(lián)互通協(xié)議，如OCF，MQTT等;同時也集成了語音識別、圖像識別、自然語言處理等能力。UHomeOS為智慧家庭的設(shè)備提供了集成化的解決方案，涵蓋終端用戶、家電等，能夠為行業(yè)用戶提供完善的服務(wù)[7]。目前，UHomeOS已經(jīng)在海爾的部分產(chǎn)品上實施，如冰箱、烤箱、洗衣機(jī)等。

2 智慧家庭操作系統(tǒng)架構(gòu)及關(guān)鍵技術(shù)

2.1 智慧家庭操作系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)

智慧家庭是物聯(lián)網(wǎng)的垂直應(yīng)用領(lǐng)域，其技術(shù)架構(gòu)與物聯(lián)網(wǎng)的架構(gòu)體系基本一致，但在終端設(shè)備側(cè)，即感知層相比物聯(lián)網(wǎng)所定義的感知層范圍更加廣泛。物聯(lián)網(wǎng)最初的定義是通過RFID技術(shù)來感知數(shù)據(jù)并將設(shè)備與互聯(lián)網(wǎng)連接。感知數(shù)據(jù)的主要設(shè)備是各種傳感器，比如環(huán)境感知類傳感器，包括溫濕度、氣壓、空氣質(zhì)量傳感器等;情景感知類傳感器包括壓力、距離等傳感器;意境感知類傳感器包括速度傳感器等。這些傳感器被大量應(yīng)用在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通、醫(yī)療等領(lǐng)域，可以說傳感器是人們感知物理世界的一種方式。在智慧家庭中，擴(kuò)大了物聯(lián)網(wǎng)感知層的范圍，加入了圖像感知、語音感知、文字感知等。自2014年后，智能硬件、智能家電相繼爆發(fā)，這些智能設(shè)備能夠向云平臺上報數(shù)據(jù)并接受控制，所以從廣義的角度看，家庭中所有能夠收集數(shù)據(jù)并上報數(shù)據(jù)的智能設(shè)備都屬于感知層范疇，這些數(shù)據(jù)包括物理世界的傳感器數(shù)據(jù)、設(shè)備本身的數(shù)據(jù)、用戶產(chǎn)生的數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)等。

同時，家庭中各種智能設(shè)備的處理能力、應(yīng)用場景也各不相同，如傳感器設(shè)備、家居類設(shè)備、家用電器等，因此對于運(yùn)行在智能設(shè)備上的操作系統(tǒng)與傳統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備也有一定差別，需要統(tǒng)一的操作系統(tǒng)平臺，并根據(jù)設(shè)備的能力和應(yīng)用場景的不同，支持功能的可定制和可剪裁性。

此外，智慧家庭要為消費者提供豐富的場景體驗，比如智慧空氣的場景體驗，一旦感知到室外的空氣情況后，家庭中的空氣類設(shè)備如空調(diào)、凈化器、加濕器就能夠聯(lián)動，為消費者提供健康舒適的智慧體驗。因此，在智能設(shè)備上運(yùn)行的操作系統(tǒng)要具有智慧家庭場景管理能力。

對于智慧家庭操作系統(tǒng)來說，在繼承物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)所需的實時性、可靠性、安全性、低功耗等功能特點外，還要結(jié)合智慧家庭的設(shè)備特點和應(yīng)用場景，具有系統(tǒng)的可剪裁可定制、場景管理、互聯(lián)互通、端到端信息安全、設(shè)備控制及管理等功能。

智慧家庭操作系統(tǒng)針對不同智能設(shè)備的能力分為全生態(tài)版、緊湊版和輕量版，可應(yīng)用到不同的智能設(shè)備中。比如具有屏幕的智能冰箱上可以運(yùn)行全生態(tài)版系統(tǒng)，支持智能冰箱和用戶進(jìn)行高頻交互;在智能烤箱上，可以運(yùn)行緊湊版智慧家庭操作系統(tǒng)，能夠支持設(shè)備的管理控制以及相應(yīng)的場景聯(lián)動等功能;能力受限的智能設(shè)備，如照明設(shè)備，可以應(yīng)用輕量版智慧家庭操作系統(tǒng)，實現(xiàn)基本控制、數(shù)據(jù)采集以及場景聯(lián)動等功能。

智慧家庭操作系統(tǒng)分為硬件層、內(nèi)核層和應(yīng)用層。在全生態(tài)版本中還增加了Java生態(tài)層，用于支持開發(fā)者基于智慧家庭操作系統(tǒng)開發(fā)各類智慧應(yīng)用，包括用戶圖形交互框架、智能語音的自然語言處理框架、體感交互框架等，也包括智慧家庭場景的管理引擎、家庭模型、場景安全等功能。智慧家庭操作系統(tǒng)基于微內(nèi)核技術(shù)，包含線程管理、地址空間管理、線程間通信、中斷處理等基本功能的精簡微內(nèi)核。在微內(nèi)核之上，構(gòu)建了智慧家庭應(yīng)用場景的操作系統(tǒng)內(nèi)核，其中包括智慧家庭所需的互聯(lián)互通協(xié)議棧，用于智能設(shè)備的在線升級（Over the Air，OTA）功能等。

本文針對智慧家庭操作系統(tǒng)的內(nèi)核、互聯(lián)互通、設(shè)備控制及管理等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行深入的分析。

2.2 智慧家庭操作系統(tǒng)內(nèi)核技術(shù)

微內(nèi)核操作系統(tǒng)[8-9]作為近年操作系統(tǒng)內(nèi)核技術(shù)的熱點話題，其可靠性、可擴(kuò)展性、實時性和安全性為解決目前物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)的碎片化問題提供了較好的思路，物聯(lián)網(wǎng)/智慧家庭操作系統(tǒng)有實時性和非實時性要求，也有需要圖形界面與無需圖形界面的系統(tǒng)，同時還面臨著多硬件架構(gòu)問題，而微內(nèi)核可以很好地解決這些技術(shù)難題。

微內(nèi)核是一種最小化的操作系統(tǒng)內(nèi)核，其設(shè)計思想是內(nèi)核本身不提供操作系統(tǒng)的相關(guān)服務(wù)，而是提供實現(xiàn)這些服務(wù)的機(jī)制，諸如底層的地址空間管理，線程調(diào)度以及進(jìn)程間通信，即只提供了很小一部分的硬件抽象，大部分功能由一種特殊的用戶態(tài)程序—服務(wù)來完成。這些系統(tǒng)服務(wù)主要包括設(shè)備驅(qū)動、文件系統(tǒng)和用戶界面等。微內(nèi)核的設(shè)計思路符合嵌入式平臺對操作系統(tǒng)的需求，并且非常適用于構(gòu)建虛擬機(jī)運(yùn)行環(huán)境。微內(nèi)核具有高可靠性和實時性特性。

微內(nèi)核操作系統(tǒng)的可靠性來源于其秉持的最小權(quán)限準(zhǔn)則。對于單內(nèi)核操作系統(tǒng)而言，內(nèi)核實現(xiàn)了所有操作系統(tǒng)服務(wù)，其中包括大量第三方開發(fā)的驅(qū)動程序模塊。若任意一個系統(tǒng)服務(wù)存在漏洞，在執(zhí)行過程中發(fā)生錯誤，將導(dǎo)致整個系統(tǒng)崩潰。反觀微內(nèi)核操作系統(tǒng)，其設(shè)計的初衷就是盡可能地壓縮內(nèi)核職能，只保留實現(xiàn)操作系統(tǒng)的基本功能，把包括驅(qū)動程序在內(nèi)的大多數(shù)服務(wù)在用戶態(tài)中實現(xiàn)，以此降低內(nèi)核崩潰的幾率。

實時性主要是指操作系統(tǒng)在操作硬件設(shè)備和執(zhí)行程序過程中對時間的嚴(yán)格控制，要求在規(guī)定時間內(nèi)完成所有操作。微內(nèi)核作為系統(tǒng)內(nèi)核意味著其本身的運(yùn)行很容易做到實時化。而且大多數(shù)微內(nèi)核操作系統(tǒng)都實現(xiàn)了實時調(diào)度機(jī)制以確保服務(wù)程序的響應(yīng)速度。

因此，微內(nèi)核的這些特性非常適合物聯(lián)網(wǎng)/智慧家庭的應(yīng)用場景。物聯(lián)網(wǎng)/智慧家庭設(shè)備對操作系統(tǒng)既有實時性要求也有非實時性要求，更有實時程序與非實時應(yīng)用程序并行運(yùn)行的要求。實時組件可以是磁盤驅(qū)動服務(wù)或網(wǎng)絡(luò)服務(wù)[10]，其他組件構(gòu)建在這些服務(wù)之上，例如文件系統(tǒng)或視頻播放器?；谖?nèi)核，為了滿足智慧家庭場景實時性的需求，需要在微內(nèi)核上構(gòu)建智慧家庭操作系統(tǒng)內(nèi)核，如圖1所示。

智慧家庭操作系統(tǒng)內(nèi)核在微內(nèi)核上運(yùn)行，主要包括任務(wù)、線程、進(jìn)程間通信以及內(nèi)存管理等。所有服務(wù)（包括設(shè)備驅(qū)動）在用戶模式下運(yùn)行，處理這些服務(wù)同處理其他任務(wù)的程序一樣。因為每個服務(wù)只是在自己的地址空間運(yùn)行，所以這些服務(wù)之間彼此都受到保護(hù)[11]。智慧家庭操作系統(tǒng)內(nèi)核與其他應(yīng)用程序均使用底層系統(tǒng)服務(wù)。此外，智慧家庭操作系統(tǒng)內(nèi)核可以使用更高層的系統(tǒng)服務(wù)，例如網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器驅(qū)動系統(tǒng)的網(wǎng)卡等。具有實時能力的微內(nèi)核服務(wù)通常還可以向非實時應(yīng)用提供服務(wù)，并根據(jù)可用資源來調(diào)度其客戶。智慧家庭操作系統(tǒng)內(nèi)核API設(shè)計遵循最小化原則，可為用戶應(yīng)用程序提供簡單的功能。使用底層微內(nèi)核API來處理大的應(yīng)用程序較為繁瑣，為提高應(yīng)用程序開發(fā)效率，需要支持庫、系統(tǒng)服務(wù)和工具。工具集包括C庫、內(nèi)存管理、線程管理、程序加載、事件處理、接口定義語言以及封裝接口等。

2.3 智慧家庭操作系統(tǒng)互聯(lián)互通協(xié)議棧

物聯(lián)網(wǎng)/智慧家庭中，需要所有的智能設(shè)備實現(xiàn)互聯(lián)互通。智能設(shè)備之間的互聯(lián)協(xié)同是物聯(lián)網(wǎng)和智慧家庭場景功能實現(xiàn)的基礎(chǔ)。智慧家庭目前面臨的最嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)是缺乏統(tǒng)一的互聯(lián)互通協(xié)議，無法實現(xiàn)跨品牌的智能家電互聯(lián)互通，這個痛點伴隨著智慧家庭的整個發(fā)展過程，如何實現(xiàn)跨品牌的智能家電互聯(lián)互通是智能家電能否被消費者接受并買單的重要因素。因此，需要在智慧家庭操作系統(tǒng)設(shè)計中加入互聯(lián)互通協(xié)議棧，以實現(xiàn)智慧家庭中智能設(shè)備間、智能設(shè)備與APP、智能設(shè)備和云平臺間的互聯(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，以保證運(yùn)行不同協(xié)議的智慧家庭設(shè)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(yùn)行不同協(xié)議的設(shè)備間相互發(fā)現(xiàn)。協(xié)議適配層還允許將運(yùn)行智慧家庭操作系統(tǒng)的設(shè)備當(dāng)作小型網(wǎng)關(guān)使用，進(jìn)而為設(shè)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)議適配層也可用來進(jìn)行上層協(xié)議的轉(zhuǎn)換和轉(zhuǎn)發(fā)。

設(shè)備相互發(fā)現(xiàn)的用處在于發(fā)現(xiàn)網(wǎng)內(nèi)設(shè)備，該層一直處于監(jiān)聽狀態(tài)，時刻監(jiān)聽來自協(xié)議適配層的信息。為達(dá)到設(shè)備相互發(fā)現(xiàn)的目的，設(shè)備標(biāo)識也是關(guān)鍵，因此該物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)對設(shè)備進(jìn)行了抽象化處理，使得種類繁多、功能差異較大的設(shè)備有了統(tǒng)一標(biāo)識。

設(shè)備間相互發(fā)現(xiàn)后，需要相互分享各設(shè)備的能力及目前的狀態(tài)，還包括周圍設(shè)備的變動信息。

分布計算和聯(lián)合決策是在設(shè)備間信息分享后，各設(shè)備根據(jù)自身狀態(tài)及周圍設(shè)備的狀態(tài)變動信息進(jìn)行分布式計算和聯(lián)合決策。在信息傳遞機(jī)制上，該模塊主動為上層傳遞信息。

2.4 智慧家庭操作系統(tǒng)家庭場景管理模型

智慧家庭場景是以家庭為中心的應(yīng)用場景，消費者需要便捷地控制家庭中的各種智能設(shè)備，使家庭中的智能設(shè)備能夠無縫連接、共享信息，主動為用戶完成特定的任務(wù)，如智能燈光、智能溫度控制、智能能源管理、智能環(huán)境監(jiān)測、智能清掃、智能娛樂等。家庭設(shè)備與外界交互、反饋，即通過家電設(shè)備自動發(fā)出購物、安全管理、健康娛樂需求等指令，與智能社區(qū)交互，從而極大得提升家庭生活的舒適性、便利性和安全性[12]。

模型是對現(xiàn)實的抽象，由于現(xiàn)實中智慧生活的復(fù)雜性，因此對智慧家庭的場景建模有助于更好地理解系統(tǒng)的復(fù)雜性，為智慧家庭操作系統(tǒng)的設(shè)計提供指導(dǎo)。在消費者家庭中主要涉及家庭成員和智能設(shè)備，在對家庭的場景模型抽象化過程中，智慧家庭操作系統(tǒng)主要提供家庭及設(shè)備的管理服務(wù)。家庭模型是對社會中家庭及各種關(guān)系的抽象，包括家庭成員、成員角色、智能設(shè)備、家庭成員權(quán)限等對象和關(guān)系，建立虛擬的數(shù)據(jù)和服務(wù)模型;通過對設(shè)備和家庭成員以及各種權(quán)限關(guān)系的抽象，構(gòu)建智慧家庭的三維立體模型[13]。家庭模型是場景引擎服務(wù)的基礎(chǔ)，通過建立智慧家庭的三維立體模型，結(jié)合智能設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和家庭成員的實時信息，場景引擎學(xué)習(xí)用戶的行為，感知用戶的意圖，幫助用戶決策。

建立如圖3所示的兩層抽象模型，包括家庭模型和上層家庭模型服務(wù)，為上層業(yè)務(wù)邏輯應(yīng)用和場景引擎提供家庭模型服務(wù)。

家庭模型層、設(shè)備模型是對家電設(shè)備的虛擬抽象，包括設(shè)備的功能屬性和設(shè)備的擴(kuò)展屬性（空間、權(quán)限）等，為業(yè)務(wù)邏輯提供數(shù)據(jù)管理服務(wù)。人員模型是對家庭成員的抽象，除了人員本身的屬性外，還需要定義個人與設(shè)備的從屬關(guān)系?？臻g信息是對智能設(shè)備物理位置的抽象和人員活動場所信息的抽象。角色和權(quán)限模型為家庭場景提供安全保障，為個人隱私提供保護(hù)。

在智慧家庭模型服務(wù)層，基于建立的虛擬家庭模型提供設(shè)備管理服務(wù)和家庭管理服務(wù)。通過家庭模型為用戶提供的功能包括家庭管理員機(jī)制、家庭成員管理、家庭成員關(guān)系維護(hù)等。家庭管理員可以創(chuàng)建家庭、修改家庭名稱、查詢家庭信息、創(chuàng)建家庭信息列表、刪除家庭、修改家庭成員名稱等。家庭成員可以加入家庭、查詢家庭信息、修改名稱、主動退出家庭等。設(shè)備管理服務(wù)為家庭成員提供家電設(shè)備的管理功能，包括設(shè)備綁定、設(shè)備解綁、獲取設(shè)備別名、獲取設(shè)備位置信息、獲取設(shè)備詳細(xì)信息、更新位置信息、更新設(shè)備別名、獲取設(shè)備列表、查詢設(shè)備是否在線等。

2.5 智慧家庭操作系統(tǒng)設(shè)備管理

設(shè)備管理服務(wù)是智慧家庭操作系統(tǒng)的核心組件，其主要功能是管理局域網(wǎng)內(nèi)發(fā)現(xiàn)的智能設(shè)備，并根據(jù)智能設(shè)備的狀態(tài)做出響應(yīng)。設(shè)備管理服務(wù)需要對接入網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備自發(fā)現(xiàn)、自組網(wǎng)、自學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)[14]。設(shè)備管理服務(wù)與家庭模型相結(jié)合為智慧家庭操作系統(tǒng)的場景引擎提供輸入信息，從而為用戶提供場景服務(wù)，如圖4所示。

設(shè)備檔案管理：設(shè)備檔案管理是存儲設(shè)備自身信息和網(wǎng)絡(luò)內(nèi)其他設(shè)備信息的小型數(shù)據(jù)庫，其內(nèi)容信息會隨著設(shè)備自身狀態(tài)的變化以及網(wǎng)絡(luò)內(nèi)其他設(shè)備狀態(tài)的變化而更改。

設(shè)備加載：在啟動時加載設(shè)備的初始信息，同時用戶對設(shè)備的配置、功能信息進(jìn)行更改后，對這些信息進(jìn)行存儲以便設(shè)備在下次啟動或者設(shè)備斷電重啟后能應(yīng)用用戶新配置的數(shù)據(jù)。

綁定與解綁：設(shè)備自身有兩種狀態(tài)，綁定狀態(tài)與非綁定狀態(tài)。綁定狀態(tài)是指設(shè)備已經(jīng)同用戶的賬號相聯(lián)系，只有與用戶綁定的設(shè)備才能被用戶控制，同時只有同用戶綁定的設(shè)備才能參與場景規(guī)則的調(diào)度，同其他綁定的設(shè)備一起提供場景服務(wù)。非綁定狀態(tài)是指該設(shè)備是孤立的，同任何用戶賬號都無關(guān)聯(lián)關(guān)系。設(shè)備的綁定狀態(tài)和非綁定狀態(tài)不影響該設(shè)備的基本功能，例如冰箱不會因為處于非綁定狀態(tài)而影響制冷。

訪問控制：用以控制對該設(shè)備的訪問，防范非法訪問和越權(quán)訪問。同時處于對設(shè)備的安全使用考慮，訪問控制還可以保證設(shè)備在某些極端條件下屏蔽設(shè)備的某些功能甚至禁止設(shè)備啟動，例如在發(fā)現(xiàn)用戶試圖啟動微波爐但發(fā)現(xiàn)其內(nèi)部沒有食物時，微波爐會禁止啟動并且發(fā)出警告信號。

變更管理：對設(shè)備自身狀態(tài)變化和網(wǎng)絡(luò)內(nèi)其他設(shè)備的狀態(tài)變化進(jìn)行管理，更新設(shè)備檔案管理數(shù)據(jù)庫。

狀態(tài)查詢：提供設(shè)備狀態(tài)信息給上層軟件組件，例如場景引擎等。

統(tǒng)計查詢：對設(shè)備使用情況進(jìn)行統(tǒng)計。統(tǒng)計的信息包括設(shè)備自身狀態(tài)變化的頻率、變化的內(nèi)容等。統(tǒng)計信息還包括用戶如何使用該設(shè)備、用戶的使用習(xí)慣、用戶對該設(shè)備的使用偏好等。同時統(tǒng)計查詢功能可以提供針對不同用戶的統(tǒng)計查詢支持。

組網(wǎng)管理：組網(wǎng)管理是設(shè)備管理模塊的核心組件。該組件接收互聯(lián)互通模塊的上報信息，根據(jù)上報信息進(jìn)行組網(wǎng)管理。

3 結(jié) 語

智慧家庭行業(yè)正處于飛速發(fā)展時期，各種智能化技術(shù)如物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等在智慧家庭中的應(yīng)用，不僅推動著傳統(tǒng)制造業(yè)的智能化轉(zhuǎn)型升級，也為消費者帶來了更加智慧和美好的生活場景。而智慧家庭操作系統(tǒng)將這些智能化技術(shù)進(jìn)行集中整合后，可以形成一個完整的智能化解決方案，不僅能夠為用戶提供一致的智能化體驗，也大大降低了智慧家庭研發(fā)企業(yè)的研發(fā)成本，同時還能夠為第三方服務(wù)提供商和開發(fā)者提供統(tǒng)一的開發(fā)環(huán)境，從而支撐智慧家庭的生態(tài)構(gòu)建。智慧家庭操作系統(tǒng)的研究開發(fā)還處于初始階段，各企業(yè)和研究院所都在不斷探索和實踐。本文根據(jù)智慧家庭應(yīng)用的特點，提出了智慧家庭操作系統(tǒng)的技術(shù)架構(gòu)，并針對智慧家庭內(nèi)核、互聯(lián)互通、場景管理、設(shè)備管理等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)分析，為智慧家庭操作系統(tǒng)的設(shè)計與研發(fā)提供參考。

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作者簡介：尹德帥，高級工程師，主要研究方向為軟件系統(tǒng)架構(gòu)與大數(shù)據(jù)

居文軍，高級工程師，主要研究方向為計算機(jī)軟件、物聯(lián)網(wǎng)智能家居。

馬成東，高級工程師，主要研究方向為物聯(lián)網(wǎng)。

錢學(xué)文，碩士，主要研究方向為操作系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)。