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科技智能住宅：
一个运用普适计算的空间
SumiHelal,William,Mann,Hicham,El-Zabadani,JeffreyKing,Youssef,Kaddoura ,Erwin Jansen-佛罗里达大学
随着新技术的出现或应用领域的发展，许多第一代普适计算系统缺乏进化的能力。可编程的普适空间，如技术可编程提供了一种可扩展的、成本效益高的开发和部署智能技术的方法.
学术界和工业界的研究小组已经开发了原型再加工技术，以证明在各种应用领域中，每种技术计算的好处。这些项目通常专注于基本的系统集成-传感器、计算机和环境中的其他设备.
不幸的是，许多第一代普适计算系统缺乏随着新技术的出现或作为应用领域而进化的能力。集成大量的异构设备主要是一个手动的、临时的过程。插入一个新的元素需要研究它的特性和操作，确定如何配置和集成它，并进行重复的测试，以避免在整个系统中引起冲突或行为。环境也是封闭的，将开发或扩展限制在原来的范围内。
为了解决这一限制，佛罗里达大学的移动和普适计算正在开发可编程的普及空间，其中智能空间既存在于运行时，也存在于软件服务发现和网关协议中，使用通用中间件自动集成辅助组件，为空间中的每个传感器和执行器维护服务定义。程序员将服务集成到复合应用程序中，第三个标准可以很容易地实现或扩展这些应用程序。
面向服务的可编程空间的使用正在拓宽传统的程序员模型.我们的方法使领域专家-为考试，卫生专业人员，例如GAS-开发和部署功能强大的新应用程序给用户。
我们与大学公共卫生与健康学院合作，在国家残疾和康复研究所的资助下，正在创建一个专门为老年人和残疾人设计的可规划空间。弗罗里达州的科技智能住宅是每台和移动计算领域五年多来研究成果的巅峰。该项目的目标是创造类似家庭这样的可感知自身及其居民的环境，并在物理世界与远程监控和干预服务之间建立映射。
图1所示。盖特科技智能家居。该项目的特点是在整个场地内有许多现有的(E)、正在进行的(O)或未来的(F)“热点”。
智能家居技术
图1显示了目前正在活跃或正在开发的大多数“热点”技术智能家居。交互式3D模型可在/提供对房屋的虚拟参观，其中包括按名称和位置排列的最新技术描述。
智能邮箱。邮箱感知邮件到达并通知使用者。
智能前门。前门包括射频识别(RFID)标签，供居民和授权人员无钥匙进入。它还配备了麦克风、照相机、文本LCD、自动门、电子设备和扬声器，可用于与访客进行交流和接待。
驾驶模拟器。车库有一个驾驶模拟器，用于评估老年人的驾驶能力，并收集数据以供研究之用。
智能窗帘。所有的窗口都是自动化的，可以通过远程设备进行调节或调整，以控制周围的光线并提供隐私。
智能床。主卧室的床上有专门的设备来监视不稳定的睡眠，并跟踪不愉快的夜晚。
智能壁橱。未来，主卧室壁橱将根据室外天气情况提出服装建议。
智能洗衣。与智能衣柜相结合，未来基于RFID的技术将在洗衣服和帮助分类时通知住客。
智能镜。主浴室的镜子可以在需要的时候播放重要的信息或提醒，例如，服用规定的药物。这项技术可以推广到其他房间。
智能浴室。主浴室包括一个厕纸传感器、一个冲水检测器、一个调节水温并防止烫伤的淋浴器，以及一个肥皂分配器，它可以监控使用者的洁净度，并在需要重新加水时通知服务中心。其他正在开发的技术可以测量住客的体重和体温。
智能显示器。整个房间都有显示设备，娱乐媒体和信息可以从一个房间传到另一个房间。
智能微波炉。厨房的微波炉自动调整任何冷冻食品包装的时间和功率设置，并向用户展示如何正确地为烹饪准备食物。
未来的冰箱将监控食物的可用性和消耗量，检测过期食品，创建购物清单，并根据储存在冰箱和食品储藏室中的食品提供备餐建议。
社交远距离用餐。可以使用安装在早餐中的更高级的视频和音频，与远亲或朋友共享一顿饭。
智能摄像头。图像传感器监控前廊和露台的隐私和安全。
超声波位置跟踪。传感器，目前只安装在客厅，检测居住者的运动，位置和方向
智能地板。目前只在厨房和娱乐中心区域安装的地面传感器可以识别和跟踪所有住户的位置。我们还在开发技术，以检测居住者何时跌倒，并向紧急服务部门报告。
智能手机。这款“家庭魔杖”将传统的电话功能与客厅中所有电器和媒体播放器的遥控器结合在一起。它还可以在房主外出时向他们传达提醒和重要信息。
智能插头。在客厅、厨房和主卧室中选定的出风口后面的传感器检测电器或灯的存在，并将其连接到远程监控和干预应用程序。
智能恒温器。在未来，居住者将能够根据日常任务或环境对整个房间的空调和供暖设备进行个性化设置——例如，他们可以在寒冷的冬夜淋浴时略微提高温度。
智能检漏仪。车库和厨房的传感器可以检测洗衣机、洗碗机或热水器的漏水情况。
智能炉子。这个未来的设备将监控炉子的使用情况，并通过智能床提醒使用者炉子是否还开着。
智能投影仪。我们正在开发一个新技术，它使用超高级位置跟踪所提供的定位信息，并向客厅的墙壁显示新的目标、事件通知和事件通知，这些都是住户将面临的问题。
家庭安全监控。一个正在开发的安全系统，它会持续监控所有的门窗，并根据用户的要求告知他们是否有门窗是开着的或没有锁着的。
紧急呼救。未来的系统将跟踪潜在的紧急情况，如果发现问题就向居民查询，并在必要时发出求助电话。
认知助理。开发中的另一个系统指导居民完成各种任务，并拥有听觉和视觉提示提供有关药物、预约等方面的提醒。
图2。智能空间中间件。这种通用参考体系结构适用于任何普适计算环境。
中间件的体系结构
为了创建科技智能家居，我们设计了一个适用于任何普适计算空间的通用参考架构。如图2所示，中间件包含独立的物理层、传感器平台、服务、知识、上下文管理层和应用层。我们已经实现了大部分的参考架构，尽管在知识层还有很多工作要做。
物理层
这一层由居住者使用的各种设备和用具组成。在典型的单户住宅中可以找到许多这样的设备，如灯具、电视、机顶盒、时钟收音机和门铃。其他一些是新技术，如智能手机和无钥匙进入系统，适用于智能家居的目标人群。
传感器和执行器，如烟雾探测器，空调和加热恒温器，以及安全系统运动探测器也是物理层的一部分。此外，这一层可以包括在空间中扮演重要角色的任何对象，如椅子或茶几。
传感器平台层
不是给定空间中的所有对象都可以被解释或应该被解释。这可能是可取的捕获一个新的，这可能会引起火灾。如果-更接近-留在，但不是一个更好的。每个传感器平台都定义了智能住宅内普适空间的边界，“捕捉”与其相连的对象。传感器平台可以与各种各样的设备、传感器和其他设备进行通信，并以统一的方式将它们表示给中间件的其余部分。传感器平台可以有效地将物理层中的任何传感器或驱动器转换为可编程或组合成其他服务的软件服务。因此，开发人员无需了解物理世界就可以定义服务。将传感器和驱动器与传感器平台形式解耦可以确保开放性，并使新技术在可用时能够引入。
服务层
这一层包含开放服务网关协议OSGi)框架，它维护激活服务的租约。
基本服务通过传感器平台表示物理世界，这些平台存储在OSGi框架中提交的任何传感器或执行器的服务包定义。一旦启动，传感器平台通过发送其OSGi服务包定义向服务层注册自己。
应用程序开发人员通过使用服务发现协议来浏览现有服务，并使用其他捆绑服务来组成新的OSGi捆绑包，从而创建组合服务。复合服务本质上是每个规避空间中可用的应用程序。在这一层中还可以使用一组事实上的标准服务来提高应用程序开发人员的生产力。这些服务可能包括语音识别、文本到语音转换、调度和媒体流等。
知识层
这一层包含所提供的各种服务的本体以及连接到系统的设备和设备。这使得对服务进行推理成为可能——例如，系统必须将输出从摄氏温度传感器转换为华氏温度，然后才能将其提供给另一个服务。
服务广告和发现协议使用服务定义和语义来注册或发现服务。推理引擎确定某些组合服务是否可用。
上下文管理层
这一层允许应用程序开发人员创建和注册感兴趣的上下文。每个上下文都是一个作为OSGi服务连接API实现的图，将各种传感器连接在一起。上下文可以定义或限制各种应用程序的服务激活;它还可以指定普及空间无法进入的状态。
上下文引擎负责检测并可能从这些状态中恢复。我们的参考体系结构没有固定的上下文感知编程模型。
应用层
这一层包括一个应用程序管理器，用于激活和停用服务，以及一个基于图形的集成开发环境，其中包含各种工具，以帮助创建智能空间。使用上下文构建器，开发人员可以可视化地构建一个将行为与上下文关联起来的图;程序员还可以使用它来定义不允许的上下文和恢复服务。此外，开发人员可以使用服务编写器来浏览和发现服务，以及编写和回收新服务。其他工具包括调试器和模拟器。
图3。传感器和驱动器的相互作用。执行器影响传感器，传感器观察世界的状态，进而导致系统或用户激活执行器。
语境意识
设计一个智能空间，如盖特科技智能住宅涉及三个不同的活动:
bull;环境工程——解释感觉数据并识别感兴趣的高级状态，如“热”和“晴”。
bull;软件工程—描述各种软件组件的行为—例如，打开加热器或从一组成分生成一个可能的菜单。
将行为与上下文定义软件的哪些部分可以在特定的上下文中执行以及系统在上下文更改时应该调用哪些部分相关联。这个过程的关键是传感器和执行器之间的观察-控制交互，如图3所示。
数据抽象的感觉
智能房屋通过各种传感器获取关于世界的信息，并可以使用这些数据来采取某些行动。典型的家庭同样依赖传感器来影响变化——例如，如果天气太冷，恒温器就会启动加热器。然而，区分一个真正强大的上下文感知系统(如智能房屋)的是抽象状态信息和执行与这些高级描述相对应的操作的能力
大多数传感器设计用于检测一个域中的特定值。例如，温度传感器可能会确定房子里的温度是95华氏度，或者光传感器可能会记录从窗户进来的10,000勒克斯光线。然而，直接传感器值的每个可能组合的硬编码行为很难实现、调试和扩展。
将动作与抽象联系起来要容易得多，比如“热”和“阳光”，它们包含一系列的温度和发光值。天气热时，系统打开空调;如果外面阳光充足，电视开着，系统会关闭百叶窗以减少强光。这种方法可以很容易地扩展到各种环境中——例如，如果居民正在节食，系统可以防止微波炉烹饪油腻的披萨。
上下文管理
除了传感器，智能家居还包括执行器——人们可以与之互动的物理设备。一个驱动器可以改变世界的状态。传感器可以依次观察驱动器的作用。例如，一个光传感器可能会探测到房子或居民打开的灯。根据观察到的世界状态，房子或居民可能会激活一个驱动器。
智能家居中的每一个执行器对一个域都有一定的有意影响，感知该域的传感器可以对该域进行观察。例如，打开加热器的目的是提高温度。
如果对执行器的意图效应有一个清晰的描述，就有可能通过检查当前状态下所有可能的行为，并确定哪些意图效应是相互排斥的，来确定给定环境下可接受的行为。例如，这保证了系统永远不会同时调用空调和加热器。
可能由于以下原因而发生上下文更改
bull;执行机构的有意效果——例如，打开加热器后，室内温度从“冷”变为“暖”
一种自然的或不可控的力量或事件——例如，落日使“白天”变为“夜间”。“理想情况下，进入不允许进入的环境的智能空间应该尝试在没有人工监控的情况下离开。”为此，我们正在探索各种方法，使智能家居能够学习如何调用一组基于状态信息的执行器来自动地自校正问题。
给定执行器在特定域中的意图行为以及传感器值如何与特定上下文关联的标准化描述，应该能够确定调用哪个执行器以从不允许的上下文中逃脱。如果无法逃脱，系统可以通知外部方需要援助。例如，如果食品室不提供任何食物，也没有提供食品递送服务，系统可以通知外部护理人员是时候补充食物了。
图4。传感器平台体系结构。模块化设计提供了替代和灵活的配置。
传感器平台
由于涉及各种类型的传感器、软件和硬件接口，集成可能变得非常复杂。例如，考虑房屋中的联动控制。通常情况下，你必须将传感器硬连接到每个房间，将这些传感器连接到一台计算机，将这些传感器连接到计算机上，并编程将传感器连接到计算机上的哪个端口。此外，您必须指定哪个端口包含哪种类型的传感器——例如，湿度或温度。
为了系统地集成各种设备、设备、传感器和执行器，并启用图3中的观察控制循环，我们创建了一个传感器平台，它将普及空间中的任何附加对象简单地表示为Java程序—更具体地说，表示为OSGi服务包。
例如，要控制家庭中的气候，您需要在每个房间中安装无线传感器平台节点，将湿度传感器和温度传感器连接到每个节点，并为每个节点编程。除了传感器之外，SEN-SOR平台节点还将包含传感器驱动程序，该驱动程序将对温度和湿度数据进行跟踪。只需给传感器节点供电，它就可以将驱动程序无线传输到代理节点，比如家庭PC，在那里传感器可以通过其他应用程序直接访问。PC不需
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