基于对等P2P技术的家庭智能网关架构研究与设计

论文摘要

家庭智能空间中,具备计算能力、感知能力、执行能力的各类智能设备被安装在家居空间内的多个位置,使普通的家庭物理空间变成一个可以应用知识表达和规则推理的智能空间,该空间能为家居环境中的各类实体(家庭用户或机器)提供必要的环境信息和技术支持。与Smart Classroom等以往研究的智能空间设备环境相比,家庭空间包含的设备种类更多、设备间组成的网络结构更为复杂,并且家庭空间内使用的多数设备不具备计算能力,只能简单的接收控制信号并执行相应操作。家庭智能网关技术的应用,能实现家庭智能空间彼此间的互联与对家庭智能空间内部环境智能控制。在实现家庭智能空间互联方面,本文提出了基于对等网络P2P技术的网络互联模型。该模型以“小世界”模型和“幂规律”为理论基础,对应用于Internet骨干网上的Gnutella网络模型进行层次化,提出了一种基于家庭智能网关的多层结构P2P对等网络协议模型SGP2P (Smart home gateway based on P2P technology),并从模型的建立、维护、退出和路由策略几个方面,对SGP2P模型进行了研究,为家庭智能空间的服务共享提供了实现基础。在实现家庭智能空间内部的控制方面,本文提出了采用PC和ARM系统相结合的家庭智能网关硬件组成结构——PC负责网络融合、编程、输出串口控制信号,ARM负责对家庭智能空间设备的控制。在软件结构方面,本文提出将整个软件架构分为硬件控制模块、信息服务模块、服务共享模块以及CPU监听模块四个部分。硬件控制模块,完成对家庭空间内的各种网络的融合和家庭设备的识别、注册和执行操作。信息服务模块实现用户与家庭空间网络的接口。服务共享模块通过接口将虚拟化的设备、数据以服务的形式提供给其他用户。CPU监听模块通过监视CPU的利用率,实现在保证家庭网关在提供共享服务的同时,不影响本地用户家庭智能空间的正常运行的功能。最后,本文通过计算机组成的局域网,对网络模型SGP2P进行了验证。首先构建了事件驱动的仿真网络,将网页信息用Lucene引擎包随机分布在初始生成的多个节点上,采用ISM路由检索算法对SGP2P模型检索效果进行了验证,证明基于SGP2P网络模型的家庭智能网关有更好的信息查询搜索效率。然后,通过串口识别、控制基于红外协议的空调设备和通过串口远程控制基于X10协议的照明设备两个实验仿真,证明了家庭智能网关对基于不同协议设备的控制能力。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1. 绪论
• 1.1. 课题研究背景
• 1.2. 智能空间主要研究
• 1.2.1. 智能空间国外发展现状
• 1.2.2. 智能空间国内发展现状
• 1.3. 家庭智能空间的研究
• 1.4. 课题研究内容及意义
• 2. 关键技术研究
• 2.1. P2P技术综述
• 2.2. 家庭网络相关协议研究与分析
• 2.2.1. X-10协议分析
• 2.2.2. IrDA红外数据通讯标准分析
• 2.2.3. CEBus总线协议分析
• 2.2.4. LonWorks现场总线技术分析
• 2.2.5. BlueTooth协议分析
• 2.2.6. HomeRF协议分析
• 3. 家庭智能网关的需求分析
• 4. 家庭智能网关网络结构SGP2P模型的研究与设计
• 4.1. 家庭智能网络外部环境分析
• 4.2. P2P网络拓扑结构的选择
• 4.3. SGP2P模型的设计
• 4.3.1. SGP2P模型定义
• 4.3.2. SGP2P模型的建立
• 4.3.3. SGP2P模型的维护
• 4.3.4. SGP2P模型节点的退出
• 4.3.5. SGP2P模型的路由策略
• 5. 家庭智能网关研究与设计
• 5.1. 家庭空间内部网络环境分析
• 5.2. 基于家庭智能网关控制的家电网络体系结构
• 5.3. 家庭智能网关硬件体系结构
• 5.4. 家庭智能网关软件体系结构
• 6. 家庭智能网关性能验证
• 6.1. 家庭智能网关网络拓扑SGP2P模型的仿真
• 6.2. 家庭智能网关基于红外协议对家电网络的控制模拟
• 6.2.1. 家庭智能网关对红外设备的识别
• 6.2.2. 家庭智能网关对新设备的添加
• 6.2.3. 网络空调仿真系统设计与仿真
• 6.2.4. 家庭智能网关的人机接口
• 6.3. 家庭智能网关基于X-10协议对照明设备的控制模拟
• 6.3.1. 设备的硬件连接
• 6.3.2. 设备的软件控制
• 7. 总结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历、在学期间发表的学术论文