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智能家居中的多屏互动技术研究

发布时间:2017-12-07 09:34:00 文章来源:未来智讯    
    关键词关键词:多屏互动;智能家居;UPnP
    DOIDOI:10.11907/rjdk.171422
    中图分类号:TP319
    文献标识码:A文章编号文章编号:16727800(2017)005011003
    0引言
    智能家居是互联网物联化的体现,它以住宅为平台,将智能家居网关作为家居控制核心,通过网络化综合智能控制和管理,将家居生活设施集成,构建高效的住宅设施与家庭日程事务管理系统[12]。多屏互动技术则通过WiFi网络连接,在不同多媒体终端上进行多媒体内容的传输、解析、展示、控制等一系列操作,在不同平台设备上同时共享展示内容[34]。
    本文通过对UPnP技术的扩展和应用,将多屏互动技术应用到智能家居系统中,设计了一款集流媒体和应用软件即时推送与多屏点控软件。该软件不仅实现用户手机与智能家居网关中心间音频、视频、图片多屏互动娱乐功能,而且实现家居控制软件的共享与即时点控,取代了以往单一、集中式的智能家居控制方式,让用户在接入WiFi的状态下,手持移动终端便能“随处”对智能家居进行控制,从而达到“多屏互动”控制智能家居的目的。
    1多屏互动智能家居系统架构
    1.1系统功能结构
    系统模块功能如下:控制播放模块负责对家居控制软件和媒体共享推送和多屏控制;虚拟目录模块负责共享家居网关中心的媒体文件,分类建立索引,供用户使用;管理和建立连接模块负责网络下的设备发现、建立连接、监听以及设备撤销等管理操作;媒体传输模块负责共享后的媒体文件传输。
    系统控制架构工作流程分为6个阶段:基于DHCP协议的设备寻址、基于SSDP协议的设备发现、基于Mini Web Server模块的设备描述、基于SOAP(简单对象访问协议)的设备控制、基于GENA(通用事件提醒框架)事件处理和基于Http协议消息处理的播放展示。通过该流程的协同,可以实现控制器与服务器端间的有效多屏互动[67]。
    1.2设备互联设计
    系统设备互联设计包括设备文件描述设计、服务描述设计和事件控制设计。
    一个设备的UPnP描述包含所有嵌入式设备定义、多个特定厂商信息和设备展示URL以及所有服务列表,包括事件触发URL和控制URL[5,8]。本系统XML设计中,设备的最外层为root标签定义,由device、specVersion、iconList三部分组成。表1描述了系统设备文件描述集合。
    本系统的服务描述主要由Date类型、State变量和Action变量组成范围和事件特征。表2为系统服务描述集合。
    系统控制时序流程描述如下: UPnP设备加入网络,然后搜索邻居设备和可订阅服务,完成后作为服务控制点进行远程控制;同时监听时间状态变量值,当事件状态变化后立即更新,防止混乱的操作行为。
    2多屏互动系统关键技术实现
    2.1设备地址处理
    设备和网关加入系统网络后,地址的获取和确认是保证通信的第一步。如图1所示,设备首先发出一条DhcpDiscover消息请求IP地址,然后该设备一直处于监听状态,一旦收到DhcpOffer消息便会分配动态地址;如果请求超时,则会自动配置静态IP地址。
    为确定DHCP服务器的存在,必须对自动配置了IP地址的设备进行定时检查。每5分钟发送一次DHCPDISCOVER消息来进行检查,该检查频度可达到有效维护连接性和节省网络带宽的平衡。收到DHCP信息后,设备立即进行动态地址分配。该动作完成后,设备即可释放自动配置的地址,或者暂时保留该地址以维持连接性。如果要进行IP地址转换操作,设备则必须取消有关原地址的公开宣告并进行刷新操作。
    2.2控制点与设备的交互处理
    当UPnP设备搜索到邻居节点,并查询到此邻居节点提供的服务,便能维护该设备的服务状态。而服务控制设备则在XML描述文档中解析出相关的设备事件,并提醒其进行响应服务。所有操作都基于TCP的HTTP协议进行,并关联到预定义的相关事件URL,这些URL均提前注册在描述文档XML中。
    控制点与设备交互处理流程如图2所示。当UPnP设备加入网络之后,首先进行寻址,将SSDP报文(包括设备、服务等)以广播的形式发送出去,用以查询邻居设备是否存在。一旦收到单播回应消息,便建立其设备间的邻居关系;如果一直没有收到回应消息,则会继续定时发送SSDP广播报文持续检测。设备邻居关系建立后,本地设备之间会相互查询邻居设备订阅的服务,如果合法则允许传输相关的媒体和家居控制信息。
    2.3媒体和控制软件的轨迹和响应处理
    每个UPnP动作均被封装成为一个独立的函数,该函数原型为:intupnp_action(INDocument*in,OUTDocument**out,OUTchar**errorString)。它首先�魅胍桓鲋付ǘ�作参数的XML文档,并要求创建相应的响应文档,如果出错则返回适当的标识字符串。当某个控制点产生订阅请求时,SDK将调用回调函数并将EventType变量值设为UPNP_EVENT_SUBSCRIPTION_REQUEST。设备通过UpnpAcceptSubscriptionExt()或者UpnpAcceptSubscription()来接受请求,然后将当前状态表发送给控制点。当控制点对某变量进行当前状态的查询请求时,SDK也通过调用注册的回调函数并将变量EventType设为UPNP_CONTROL_GET_VAR_REQUEST来实现。
         2.4网络延迟控制和优化
    如图3所示,设备加入网络后发送的各种组播报文(主要由设备的搜索报文、订阅、通告报文和生存报文等组成)是UPnP网络中最主要的网络延迟因素,而这些组播报文的传送是UPnP网络中各设备建立通信、维持通信的必要操作。因此,采用以下两条技术策略,能对降低网络延迟起到明显的改进作用。
    (1)设备离线时,主动发出自身离线的报文通知邻居设备。
    如前所述,组播报文会占用系统较大的网络带宽。如果设备离线或者撤销服务后不主动通知邻居节点,会导致邻居设备一直处于监听状态或者本地设备不断发送组播请求,大量不必要的组播报文占用有限的UPnP网络带宽。因此需要建立起主动离线通知等有效处理机制,提高系统带宽的有效利用率。
    (2)对IP数据包的TTL值进行设置(900s左右)。
    UPnP设备具有不同时段状态变化大、可订阅服务变化快等特点,而且在设备邻居节点关系建立之后,会有一段时间的设备静默期,此时组播报文少、网络流量小、通信频率低。因此可以对最小流量和最大设备状态进行折衷,通过设定其存活时间来控制网络拥塞报文。经测试,通过将TTL值设置为900s左右,可以明显降低网络延迟时间。
    3系统测试
    3.1测试环境
    测试系统硬件平台是Cotex-A8的ARM控制器,搭载Android 4.0系统,集成了 ZigBee协调器的网关平台。网络环境为TP-LINK TL-WR845N,理论传输速率为300Mbps。
    3.2功能测试
    (1)测试目的:检验无线WiFi连接环境下,在装有多屏互动系统的安卓设备和智能家居网关之间,能否有效进行多屏点播操作。
    测试方法步骤:①在各种安卓设备上,对联网设备上的媒体文件进行搜索和多屏点播等操作;②持续对图片进行切换等操作;③持续对视频和音频文件进行快进后退、切换以及暂停等操作。
    测试表明系统音频、视频和图片的多屏点播功能运行正常,没有业务冲突情况,如图4所示。
    (2)测试目的:检验无线WiFi连接环境下,装有多屏互动系统的安卓设备能否有效进行多屏点控操作。
    测试方法步骤:①在各种安卓设备上获取智能家居控制软件,检查解析网关家居控制软件;②持续对各种家居设备进行多屏点控操作,检查其能否正确点控各种智能家居设备。
    测试表明系统多屏点控功能运行正常,没有业务冲突,如图5所示。
    3.3性能测试
    视频、音频和图片的工作时间和传输延迟时间的影响关系如图6所示,测试时间为一��小时。纵轴以毫秒(ms)为单位,表示传输延迟时间;横轴以分钟(Minute)为单位,表示设备加入网络后的持续工作时间。由图6可见,视频、音频和图片的平均传输延迟时间分别为550ms、300ms和200ms左右。而随着设备持续工作时间的增加,其传输延迟时间只有小幅度增长,在测试时间段内平均延迟时间最大增量为50ms左右,说明系统满足工作性能要求,具有良好的实用性。
    4结语
    本文设计并实现了智能家居系统的多屏互动,深入探讨和扩展了UPnP技术以及Android应用程序开发,不仅实现了流媒体多屏互动娱乐功能,而且实现了家居控制软件的共享与即时点控,达到“随处”、“多屏”控制智能家居的目的。
    参考文献参考文献:
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    责任编辑(责任编辑:杜能钢)
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