發(fā)布時間：2018-01-30 16:32

  本文關(guān)鍵詞： 物聯(lián)網(wǎng) 智慧家庭 面向服務(wù)架構(gòu) IEEE802.15.4 6LowPAN OSGi　出處：《武漢大學(xué)》2014年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：物聯(lián)網(wǎng)是繼互聯(lián)網(wǎng)之后下一代網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展方向,其核心概念是將人們周圍的事物通過各種通信媒介連入到網(wǎng)絡(luò)中以達(dá)到感知它們以及控制它們的目的。作為物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的一個子研究方向,智慧家庭使用通信網(wǎng)絡(luò)將家中的各種電子設(shè)備以及服務(wù)連入網(wǎng)絡(luò),以達(dá)到用戶能夠遠(yuǎn)程感知以及控制甚至是系統(tǒng)自動控制家庭的目的,從而為用戶提供一個更加舒適、健康以及安全生活環(huán)境。目前智慧家庭的研究仍然處于起步階段,還存在許多需要研究提高的地方,例如在網(wǎng)絡(luò)層中還沒有一個穩(wěn)定、健壯的家庭網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建方式以接入家庭感知節(jié)點(diǎn)以及控制節(jié)點(diǎn)；網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部需要一個統(tǒng)一的通信通信協(xié)議以更好的實(shí)現(xiàn)家庭感知控制；面對海量的用戶,服務(wù)層中的智慧家庭系統(tǒng)架構(gòu)如何為用戶提供更加高效穩(wěn)定的服務(wù)等。本文通過分析和歸納當(dāng)前的有線和無線網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建方式、相關(guān)的通信協(xié)議以及大型網(wǎng)絡(luò)軟件系統(tǒng)架構(gòu)技術(shù),對家庭網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建、通信協(xié)議制定以及系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計等方面進(jìn)行了深入的研究。本文的研究主要包括以下幾個方面： (1)家庭網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建研究。通過分析與比較各種有線和無線組網(wǎng)方式,本文基于IEEE802.15.4協(xié)議為住宅樓中的家庭網(wǎng)絡(luò)設(shè)計了一個靈活穩(wěn)定的共享網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。該架構(gòu)采用同一住宅樓中所有家庭網(wǎng)絡(luò)共享一個IEEE802.15.4網(wǎng)絡(luò)整體地址的方式解決相鄰網(wǎng)絡(luò)之間可能出現(xiàn)的混淆問題,使用基于家庭詳細(xì)物理地址的home-id編碼以達(dá)到區(qū)分同一住宅樓中的不同家庭網(wǎng)絡(luò)的目的,home-id還能夠提高急救、安防等意外救援效率。半滿足的試探性地址分配機(jī)制大大的提高了本網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的地址分配算法的靈活性以及家庭網(wǎng)絡(luò)的地址利用率。本網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計了相關(guān)的增強(qiáng)措施以處理網(wǎng)絡(luò)中可能出現(xiàn)的地址空間不足、節(jié)點(diǎn)的突然退出等不可測事件,從而達(dá)到提高家庭網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性以及健壯性的目的。為了驗證本架構(gòu)的性能,本文基于NS-3網(wǎng)絡(luò)模擬平臺開發(fā)了一個性能測試程序,測試結(jié)果表明該網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)不僅能夠達(dá)到80%地址利用率,同時能夠在子網(wǎng)遭受不可測事件時正確恢復(fù)子網(wǎng)。 (2)家庭網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議研究。在IEEE802.15.4家庭網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上,本文完成了家庭網(wǎng)絡(luò)上層通信協(xié)議的制定�；谙到y(tǒng)代碼占用空間小、報文數(shù)據(jù)長度小以及運(yùn)行RAM需求小等優(yōu)點(diǎn),6LOWPAN協(xié)議被選擇作為本通信協(xié)議的基礎(chǔ)協(xié)議。在詳細(xì)分析了6LOWPAN協(xié)議中LoWPAN CHl報頭壓縮格式的基礎(chǔ)上,本文制定了LOWPAN SH報頭壓縮格式。LoWPAN SH報頭格式去掉了LOWPAN CHl報頭中的地址類型標(biāo)簽、流量標(biāo)簽以及下一個首部壓縮類型標(biāo)簽等標(biāo)簽,并詳細(xì)定義了智慧家庭中家庭控制、異常報警、狀態(tài)查詢以及節(jié)點(diǎn)設(shè)置等四種數(shù)據(jù)包的報頭格式以及inline參數(shù)。最后本文對該通信協(xié)議進(jìn)行了詳細(xì)的分析,分析結(jié)果表明該協(xié)議達(dá)到了標(biāo)準(zhǔn)化、可擴(kuò)展化、輕量化以及無狀態(tài)化等優(yōu)點(diǎn)。 (3)系統(tǒng)架構(gòu)研究。在詳細(xì)分析對比OSGi架構(gòu)、分布式OSGi架構(gòu)以及分布式對象等架構(gòu)的基礎(chǔ)上,本文基于OSGi平臺為智慧家庭系統(tǒng)設(shè)計分布式面向服務(wù)系統(tǒng)架構(gòu)。該架構(gòu)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)服務(wù)bundles的遠(yuǎn)程更新功能以及服務(wù)的遠(yuǎn)程調(diào)用功能；基于P2P技術(shù)幫助系統(tǒng)的各個終端建立直接的通信通道以達(dá)到減小網(wǎng)絡(luò)的傳輸負(fù)載以及服務(wù)器的運(yùn)算負(fù)載的目的；基于HTTP協(xié)議、XML協(xié)議以及SOAP協(xié)議制定系統(tǒng)終端之間的通信協(xié)議以及通信架構(gòu)。關(guān)于該架構(gòu)的性能分析結(jié)果表明在3/4的請求直接被發(fā)送到相關(guān)家庭網(wǎng)關(guān)的情況下,該架構(gòu)能夠節(jié)省37.5%的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載。本文基于Equinox開源框架設(shè)計開發(fā)了測試程序以測試該框架的性能,測試結(jié)果表明當(dāng)系統(tǒng)客戶端發(fā)送請求的速率與服務(wù)器處理的效率較為接近時,該框架比服務(wù)集中式系統(tǒng)框架在響應(yīng)時間上達(dá)到了65%的提高。 (4)本文在上述研究工作的基礎(chǔ)上,設(shè)計并實(shí)現(xiàn)了一個智慧家庭示范系統(tǒng)。該智慧家庭示范系統(tǒng)包括了系統(tǒng)客戶端、家庭網(wǎng)絡(luò)以及系統(tǒng)服務(wù)器三個部分。本文對該系統(tǒng)三個部分的概要設(shè)計以及詳細(xì)設(shè)計工作進(jìn)行了詳細(xì)的描述,包括系統(tǒng)功能模塊設(shè)計、客戶端使用界面設(shè)計、家庭網(wǎng)絡(luò)通信流程設(shè)計以及系統(tǒng)服務(wù)器架構(gòu)設(shè)計。論文最后展示了實(shí)現(xiàn)后的智慧家庭示范系統(tǒng),包括客戶端界面、系統(tǒng)硬件設(shè)備等,同時對系統(tǒng)中的關(guān)鍵實(shí)現(xiàn)代碼進(jìn)行了詳細(xì)的解釋。該示范系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)能夠讓人們更加直觀的了解智慧家庭,同時可以基于該系統(tǒng)構(gòu)建真實(shí)智慧家庭環(huán)境,從而通過對該環(huán)境的數(shù)據(jù)收集為后續(xù)的數(shù)據(jù)挖掘和智能算法等研究提供堅實(shí)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。
[Abstract]:The Internet is the next generation network development direction after the Internet, its core concept is to bring people around things through various communication media into the network in order to perceive them and control them. As a sub research direction in the field of networking, smart family communication network using various electronic devices in the home and services connected to the network, to achieve the user can remote sensing and control and automatic control of the family system, so as to provide users with a more comfortable, healthy and safe living environment. The current research of smart home is still in its infancy, there are many places need to improve research, for example in the network layer is not a stable, strong family way to build a network to access family perception node and control node; the internal network needs a unified communication channel Protocol in order to achieve better control of the family awareness; the face of massive users, smart home system architecture in the service layer to provide a more stable and efficient services for users. The paper analyzed and summed up the current wired and wireless network construction, the relevant communication protocol and large network software system architecture technology, construction of the home network. Studied the communication protocol and system architecture design. This paper mainly includes the following aspects:
(1) on the construction of the home network. Through the analysis and comparison of a variety of wired and wireless network, this paper designs a flexible and stable shared network architecture based on IEEE802.15.4 protocol for residential buildings in the home network. The architecture uses the same residential building in all home network share a IEEE802.15.4 network address way to solve the problem of confusion overall may occur between adjacent networks, using home-id encoding with family based on the physical address to distinguish the same residential building in different family network, home-id also can improve the emergency rescue efficiency, security and other accidents. The tentative address allocation mechanism to meet the half greatly improve the utilization rate of the flexibility of the network address assignment algorithm the framework and the home network address. The network architecture is designed to enhance measures related to treatment may appear in the network address space Insufficient, node sudden withdrawal and other unpredictable events, so as to improve the family network stability and robustness. In order to verify the performance of this architecture, this paper developed a performance testing program based on NS-3 network simulation platform, the test results show that the network structure can not only achieve the utilization rate of 80%. At the same time, can the correct recovery subnet in the sub network suffered unpredictable events.
(2) the study of home network communication protocol. Based on IEEE802.15.4 home network, this paper completes the home network communication protocol. The upper system based on code small space, message short data length and the RAM running needs. Therefore, the 6LOWPAN protocol is chosen as the basic communication protocol. This protocol is analyzed in detail based LoWPAN CHl header compression format in 6LOWPAN protocol, this paper developed a LOWPAN SH header compression format.LoWPAN SH header format removes the address type LOWPAN tag in the CHl header, flow label and a header compression type tag tag, and detailed definition of smart home control, home alarm, state query and node setting four packet header format and inline parameters. Finally this paper gives a detailed analysis of the communication protocol, analysis results show that the co It has achieved the advantages of standardization, extensibility, lightweight and stateless.
(3) the research framework system. In the detailed analysis and comparison of OSGi architecture based distributed OSGi architecture and distributed object architecture, this paper designs the distributed smart home system oriented service system architecture based on OSGi platform. The architecture of bundles system to realize remote service more new functions and services of the remote call function; each terminal P2P help the establishment of the system of direct communication channel to achieve transmission to reduce the network load and server computing based on load; based on the HTTP protocol, the communication protocol between the terminal system XML protocol and SOAP protocol and communication architecture. The performance analysis results of the architecture in 3/4 showed that the request is sent directly to the relevant situation of the family gateway next, the architecture can save 37.5% of the network load. Based on the design of Equinox open source framework for the development of test procedures to test The performance of the framework is tested. The test results show that when the rate of sending requests is close to the server processing efficiency, the framework achieves a 65% increase in response time than the service centralized system framework.
(4) on the basis of the above research, the design and implementation of a smart home demonstration system. The smart home demonstration system includes client, server and home network system of three parts. The outline design of the three parts of the system and the detailed design are described in detail, including the system the client uses the function module design, interface design, process design and system of home network communication server architecture. At the end of this paper shows the smart home demonstration system, including client interface, system hardware equipment, the key system in the realization of the code are explained in detail. The design and implementation of the demonstration system can let people more intuitive understanding of the wisdom of the family, and real smart home environment to construct the system based on the environment through data collection The set provides solid basic data for subsequent research on data mining and intelligent algorithms.

【學(xué)位授予單位】：武漢大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號】：TP391.44;TN929.5

【共引文獻(xiàn)】

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本文編號：1476700