论文研究-一种基于M2M的智能照明服务平台的设计 .pdf

发布时间：2022-05-29 发布人：admin 分类：说明书资料大小：0.63M 资料格式：pdf 举报版权申诉

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中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 一种基于 M2M 的智能照明服务平台的设计高靓靓* （北京邮电大学网络与交换技术国家重点实验室，北京 100876） 5 摘要：为了实现智能照明领域各类照明设备的兼容和统一管理，以及实现智能照明和其他物联网应用领域的互联互通，本文设计了一个开放的、可扩展的基于 M2M 的智能照明服务平台。该平台通过可扩展的资源模型设计，将设备以及设备的能力抽象为资源统一管理，实现照明设备的兼容，并具有面向其他物联网领域的可扩展性。该平台通过开放的智能照明服务的设计，支持互联网应用从宏观角度控制照明环境以及微观角度控制照明设备，这种服务接口的开放方式可实现智能照明与其他领域跨平台的协作。关键词：物联网；智能照明；M2M；资源管理；服务开放中图分类号：TP393 10 15 The Design of M2M-based Smart Lighting Platform GAO Liangliang (State Key Laboratory of Networking and Switching Technology, Beijing University of Posts and Telecommunications, Beijing 100876) 20 25 Abstract: In order to realize the compatibility and unified management of all kinds of smart lighting devices, and to achieve the interconnection of smart lighting and other applications in the field of Internet of Things , an open and extensible M2M-based platform for smart lighting is designed. The platform abstracts device and the ability of device into resource to realize unified management and compatibility by the design of extensible resource model which is suitable for a variety of applications in the field of Internet of Things. The platform supports Internet applications to sense and control the lighting environment in macroscopic perspective as well as the lighting device in microscopic perspective by the design of open service for smart lighting. The opening of service interfaces help realize the cross-platform collaboration of smart lighting and other fields. Key words: Internet of Things; smart lighting; M2M; resource management; open service 30 0 引言近年来，物联网技术已应用于多个领域，智慧生活时代悄然来临。智能照明系统是智慧生活的重要组成部分。目前智能照明服务领域存在两大需求：一是节能，通过智能照明系统的监控，优化对照明设备的使用；二是照明场景的设置，通过远程及智能控制照明效果， 35 在房间、楼宇以及街道营造个性化的氛围[1]。目前，国内外企业已研发并生产出多个智能家居平台及相应的智能照明设备，通过设备对平台的接入，共同实现智能照明服务。但智能照明服务仍存在两个问题：一是至今没有清晰的行业标准和研究成果，各公司研发的智能家居平台具有封闭性，智能照明设备及应用均需根据平台进行定制；二是大多数智能照明服务解决方案是垂直的，与其他智慧生活服务 40 分开建设、难以融合。针对上述问题，本文参考国际标准组织 oneM2M 提出的 M2M 平台的标准，基于欧洲电信标准化协会提出的 ETSI-M2M 高层架构，设计了一种基于 M2M 的智能照明服务平台。相较于现有的智能照明平台，本平台主要具备两个特性：一是开放性，各厂商可根据平台的作者简介：高靓靓(1990-)，女，北京邮电大学在读硕士，主要研究方向：物联网. E-mail: gaoliangliang@bupt.edu.cn - 1 -

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 标准开发智能照明设备并接入平台，平台对设备以及设备的能力进行管理，将设备及设备能 45 力抽象成 WEB 服务，以 REST 风格的接口对外开放，互联网应用的开发者在获得权限后，无需感知海量设备，直接对平台开放的服务进行使用[2]；二是可扩展性，该平台的设计支持各类智能设备的接入，对于智能照明设备与其他智能设备的联动创造条件，充分发挥智能照明的作用并丰富智慧生活的场景，同时平台可根据实际应用领域的需要进行伸缩，最大化地节约资源。 50 1 国内外智能照明领域研究现状目前，国内外的智能照明解决方案主要有两种模式：一种是搭建开放平台，吸引照明厂家和开发者共同服务用户，打造智慧生活生态环境；另一种是对照明功能的产品做到极致，单点突破进入家庭。两种模式均在市场上得到了认可，以下对两种模式中具有代表性的产品设计进行分析。 55 国外的智能照明领域中，广泛应用智能家居平台与智能照明设备相组合的方式，其中以苹果公司研发的智能家居平台 HomeKit 为典型代表。其以 iOS 终端作为控制中枢，与智能照明设备互动协作，Philips、LG 等厂商研发的智能灯泡已与 HomeKit 实现兼容。在通信层面，HomeKit 规范了智能灯泡与 iOS 终端的连接和通信，除了支持蓝牙通讯外，还可以通过自主研发的 HomeKit Accessory Protocl（HAP）协议对不支持蓝牙或远距离通讯时实现对 60 灯泡的控制。在数据层面，苹果公司在 iOS 上建立了一个可供第三方 APP 查询和编辑的智能家居数据库。硬件设备在其中被定义成一个提供服务的单元，而这些服务能够被第三方应用发现和调用。例如 Philips 的 Hue LED 灯就是提供照明服务的设备，其中开关控制、颜色和亮度的控制都属于这个服务的具体功能。在控制方面，HomeKit 的控制体系使用了操作、触发两个概念，用户可以通过简单的“IF X THEN Y”公式和现成的数据接口实现多元化的 65 自动提醒和操作功能，例如：“当水房灯被打开时把窗帘拉上”等。HomeKit 通过开放的模式吸引照明单品的硬件商家与其对接，除了提供完善的协议、通用的数据库和庞大的 iOS 用户群，还引入了第三方开发者给不同场景的应用提供软件支持。这种解决方案的局限性在于控制中枢为 iOS 终端，虽然开放了硬件开发接口以及应用开发接口，但对终端的限制不能真正意义上实现智能设备的互联互通。 70 在国内，很多优秀企业采用“硬件＋App＋云服务”的模式提供智能照明服务，将硬件和软件产品功能及体验做到极致。幻腾智能照明作为当前国内智能照明领域的典范，以智能灯泡作为切入点，开发出可调色温、亮度的 LED 灯泡以及可随意贴放的无线开关，将网关、智能灯泡、无线开关三个设备组网，第三方应用开发者开发的 APP 可通过网关对智能灯泡进行控制，无线开关也可直接对智能灯泡进行控制。网关和开关对灯泡的控制采用了幻腾自 75 主研发的 2.4G 通信协议，在保证安全性的前提下，辐射强度为 WiFi 信号的二十分之一，同时更加节能、扩展性更强。幻腾智能照明通过自主研发硬件与通信协议将智能照明的功能和用户体验做到极致，但这种模式存在封闭性，对于接入其他设备继而开发出更多的智能照明使用场景有所限制，不是智慧生活的最终目的。综合上述研究现状可知，目前智能照明领域的平台都或多或少的存在封闭性问题，对 80 于智能照明设备之间以及智能照明与其他领域的互联互通存在局限性。本文在智能照明的研究中引入 M2M（Machine-to-Machine/Man）技术，其涵盖了所有实现在人、机器、系统之间建立通信连接的技术和手段[3]。由此，本文设计了一个可扩展的、开放的基于 M2M 的智能照明服务平台，该平台借鉴了 HomeKit 的设计思路，将设备以及设备的能力抽象成资源， - 2 -

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 在平台中统一管理，继而将其作为服务对外开放，为互联网应用的开发者提供调用接口；同 85 时，该平台设计了能力控制功能，将其作为 M2M 服务平台的控制中枢，克服了类似 iOS 终端作为控制中枢的局限性。 2 基于 M2M 的智能照明服务平台需求分析本文参考欧洲电信标准化协会提出的 ETSI-M2M 高层架构[4]（如图 1 所示），设计应用于智能照明领域的 M2M 服务平台，。M2M 服务平台位于核心网与 M2M 应用之间，向下 90 需要通过隐藏网络和终端的差异性以使用核心网的功能，向上需要提供统一接口以简化并优化 M2M 应用的开发和部署。图 1 ETSI-M2M 高层体系架构 Fig. 1 Architecture of ETSI-M2M 95 图 2 智慧社区智能照明服务环境参与实体 Fig. 2 Participating entities of smart lighting in Smart Community - 3 - M2M应用M2M网关M2M设备M2M核心M2M服务平台核心网接入网传输网络M2M区域网M2M设备应用域网络域设备域M2M服务平台· 照明控制· 数据上报· 查找家庭/社区照明设备· 控制家庭/社区照明环境/设备· 上报照明设备故障· 查看家庭/社区照明电量社区物业管理人员社区居民网关· 智能照明服务发现· 智能照明网关及设备搜索· 照明服务签约及鉴权· 社区/家庭环境的控制类服务· 社区/家庭照明设备/网关的数据类服务、控制类服务、告警类服务、寻址类服务· 照明控制· 数据上报家庭网关社区网关智能照明应用智能照明运营服务平台用户及照明账单管理智能照明能力开放应用接入及订购管理智能灯泡/智能开关社区公共场所灯光系统· 添加及配置家庭照明设备· 添加及配置社区照明设备· 控制家庭照明设备/环境· 监测家庭照明设备告警· 查看家庭照明电量· 控制社区照明设备/环境· 监测社区照明设备告警· 统计电量、账单

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 在智慧社区中，智能照明主要应用于社区物业管理部门对社区公共照明的控制和管理、社区住户对家庭照明的控制和管理[5]，主要参与实体包括：终端用户、智能照明应用、智能 100 照明运营服务平台、基于 M2M 的智能照明服务平台、智能网关、智能照明设备，其交互关系如图 2 所示。在智慧社区中，终端用户主要包括物业管理人员、社区居民两类群体，通过智能照明应用与下层的智能照明运营服务平台进行交互，继而向下通过基于 M2M 的智能照明服务平台，最终实现与智能照明设备的交互。终端用户的需求主要包括对智能照明设备和环境的控制、 105 照明设备的监测、照明电量的统计等三方面，由此分析用户对智能照明服务的需求如表 1 所示。服务名称社区或家庭照明设备消耗电量数据上传表 1 智能照明服务的用户需求 Tab. 1 User requirements of smart lighting service 服务描述 1、用户可通过应用向智能照明运营服务平台获取照明设备实时的耗电量。 2、用户可通过应用在智能照明运营服务平台中设置照明设备定时上报耗电量的数据的周期。社区或家庭照明环境控制 1、用户可通过应用对签约的照明设备进行控制，如控制灯光开关、灯光亮度、灯光颜色。 2、用户可通过应用对环境进行宏观的照明控制，通过运营服务平台和 M2M 智能照明服务平台将环境控制指令转发至指定的社区网关或家庭网关，如指示整个房子的灯熄灭。 3、可以设置个性化的场景，比如根据假期、黑夜或者特殊的日子的需求对灯光的效果进行配置。照明设备故障告警用户可设置照明设备的故障告警条件，比如当设备耗电量异常、失控时，向用户推送消息。智能照明运营服务平台位于终端用户和 M2M 服务平台之间，主要提供以下三种服务能 110 力：一是社区居民及其账单管理，在平台生成智能照明服务的使用账单并进行计费管理；二是应用接入及订购管理，平台对智能照明应用的开发者审核收费并分发权限，应用可根据平台的能力提供服务，平台还对用户购买应用进行管理计费；三是智能照明服务能力的开放，开放的智能照明服务能力是通过对终端用户的需求分析得到。 M2M 服务平台与设备的通信需要通过智能网关，家庭网关和社区网关分别用于家庭设 115 备和社区设备的注册、配置以及通信。硬件开发商可设计自己的设备及智能网关，通过智能网关接入 M2M 服务平台，平台将控制指令发至网关，网关与设备可通过 WiFi、蓝牙、Zigbee 或者硬件开发商自主研发的协议通信。通过上述分析可知，M2M 智能照明服务平台应具备如下功能： 1.设备配置。平台允许各硬件开发商所开发的网关接入平台，并支持用户对照明设备进 120 行配置。配置设备名称、设备语义标签、设备的开放权限、设备照明能力名称、能力语义标签、能力的开放权限。 2.签约与鉴权。平台对上层应用提供签约鉴权功能，上层应用需要平台的服务进行签约，当使用服务时，需要鉴权通过才可获得使用权限。 3.开放照明服务。平台将照明设备以及设备的能力抽象成服务，向上提供服务接口。根 - 4 -

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 125 据服务的功能不同，可将服务归为四类，如表 2 所示。表 2 智能照明服务平台的服务开放功能需求服务类型 Tab. 2 Functional requirements of open services of smart lighting platform 服务描述数据类服务设备数据定时上传以及实时上传服务，用于照明设备耗电量的查看和统计。控制类服务设备控制或环境的控制服务，用于控制某个照明设备的灯光、控制某个场所的照明以及设置特定的照明场景。告警类服务设备的告警服务，用于照明设备异常时的报警。寻址类服务设备的寻址服务，用于其他接入平台的设备与照明设备的直接通信。 3 基于 M2M 的及智能照明服务平台设计 3.1 平台整体架构 130 为了满足上述智能照明服务的需求，基于 M2M 标准，本文设计的基于 M2M 的智能照明服务平台，包含四个系统：服务管理系统、设备及资源管理系统、能力控制系统、接入控制系统，四个系统协同作用实现智能照明服务。平台架构如图 3 所示。 135 Fig. 3 Architecture of M2M-based smart lighting platform 图 3 基于 M2M 的智能照明服务平台架构 - 5 - 智能网关mId访问管理智能照明应用mIa照明设备寻址服务照明控制服务电量数据服务照明告警服务事务管理数据处理lrDdRaEa资源管理设备资源管理能力资源管理设备与资源的能力映射管理设备管理Rd分布式数据库Da服务管理系统签约与鉴权照明服务开放EdIe设备与资源管理系统能力控制系统接入控制系统连接管理协议适配智能照明运营支撑平台

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 接入控制系统处于平台的最底端，为智能网关和智能设备提供接入服务。围绕接入服务该系统主要提供两方面功能：一是接入适配。该系统用于屏蔽网络的差异性，对接入网络进行协议适配、网络适配，并将报文转换成平台内部消息发送给其他系统处理；二是连接管理。该系统能够维护连接，尤其是长连接的有效性和稳定性。平台采用 TCP/IP 作为底层接入协 140 议以确保数据传输的可靠性。在应用层协议上，由于智能灯泡的计算能力低、当前的家庭、社区网络环境不够可靠成熟，网络传输稳定性较低，因此采用 MQTT 协议作为基础协议，能够在低带宽、不稳定的网络环境下为计算能力有限的终端提供可靠的网络服务，符合智能照明环境的特点。设备与资源管理系统完成照明设备的寻址，并将照明设备及其照明能力的管理抽象成设 145 备资源、能力资源，通过资源管理模型进行管理，该模型在其他应用领域具有通用性，是平台实现可扩展性的关键。能力控制系统利用接入控制系统和设备与资源管理系统提供的基础功能，提供事务管理和数据处理的功能。该系统采用 Pub／Sub 模式的事务控制模型，接受来自其他系统的主题订阅。事务管理维护请求的上下文，控制着系统的正常运转。数据处理功能是对终端的数据 150 进行清洗、存储、索引以支持应用对数据的获取。该系统为平台的控制中枢，解决了以设备为控制中枢的局限性。服务管理系统将平台管理的照明能力资源和照明设备资源抽象成照明服务[6]，以 REST 接口的形式向上层应用及运营支撑平台开放服务接口，共开放四个服务：照明设备寻址服务、照明控制服务、照明设备告警服务、电量数据服务。开放的服务设计屏蔽了设备的差异性， 155 对于物联网对互联网的接入提供好的参考，是平台实现开放性的关键。本文创新地提出了可扩展、开放的照明服务平台，平台的可扩展性依赖于资源管理模型的设计，开放性依赖于开放的服务接口的设计。下文将重点介绍资源管理模型及开放的照明服务的设计。 3.2 可扩展的资源管理模型设计 160 可扩展的资源管理模型的提出主要有两个目的：一是为实现平台的可扩展性，提出了屏蔽终端差异、可应用于各物联网领域的通用设计；二是将设备和设备的能力抽象成两种单独的资源：设备资源和能力资源，实现从宏观和微观两个角度来感知和控制底层设备，为开放服务的设计奠定基础。该模型的设计如图 4 所示。设备资源以底层设备为管理单位，使得上层应用以及平台内 165 部的其它模块能够从微观角度来感知或控制各个设备。能力集则是以上层应用所需的服务为出发点而设计的，各个不同的 M2M 应用领域所需的能力集各不相同，每个能力集都包含了多种能力，一种能力可映射到多个设备。 - 6 -

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 170 图 4 资源管理模型 Fig. 4 Resource management model 该模型中，资源通过平台定义的通用资源结构进行存储和表示。资源结构需具备扩展性，以支持物联网底层设备的复杂性与多样性。本文采用树状结构以支持扩展，当获取资源时，通过遍历树来使用资源之间的链接。父资源的表示包含了对子资源的引用，子资源的生存周期与父资源有关。 175 资源管理的对象是设备资源和能力资源，因此平台内部存在两类资源管理树，形成了两种资源结构的表示方式。一种是设备资源树，即将设备资源作为根节点，从设备资源开始引用和访问，实现从微观角度感知和控制设备，设备资源树支持设备服务对上层应用的开放；另一种是能力资源树，即将能力集作为根节点，每个能力集都包含多种能力，能力下接入设备资源子树，子树为具备该能力的设备资源，能力资源树支持能力服务对上层应用的开放， 180 上层应用无需知道某个能力所对应的具体设备，只需对能力进行操作并对其范围进行限定，即可通过能力资源树映射为到具体设备的操作，该方法实现了向应用屏蔽具体设备，从宏观角度实现对环境的感知和控制。智能照明领域的设备资源为智能灯泡，能力资源为照明能力集。图 5 描述了智能照明的设备资源树，并将能力资源树以子树的形式加入，表现了设备与能力的映射关系。 185 为该灯泡的标识；为该灯泡所归属的智能网关的标识；代表能力集，智能灯泡具备的能力集取值为 Lighting，以能力集为根节点，展开了 Lighting 能力集的能力资源树；Lighting 能力集下，该灯泡具备 3 个能力，代表具体能力，Brightness 代表亮度，Lamp_consumption 代表耗电量，Switch 代表开关；在能力资源下面，存在代表该能力可被感知，存在代表该能力可被控制；可感知的能 190 力下面，代表感知的数据取值，取值具备三个属性代表取值的数据类型、代表取值的数据单位、代表取值的数据范围；可控制的能力下面，代表控制类型，有三种取值，switch 表示设备的控制类型为开关型，即操作只 - 7 - 设备资源能力资源能力集应用Device_2Device_1Device_3Ability_3Ability_1Ability_5AbilitySet_2AbilitySet_1语义属性元数据参数Ability_2Ability_4AbilitySet_3原始数据能力数据语义化能力集Application_2Application_1Application_2

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 能为 ON 或者 OFF，level 表示设备的控制类型为档位型（分级型），即离散型的控制， continuous 表示设备的控制类型为连续型；代表控制数据可取值的范围。 195 图 5 智能照明设备资源树 Fig. 5 Device resource tree of smart lighting 3.3 开放的智能照明服务设计 3.3.1 服务流程设计 200 M2M 平台开放四个照明服务：一是电量数据服务，用于灯泡耗电量的查看和统计；二是照明控制服务，用于控制某个灯泡或者某个区域的照明开关、亮度；三是设备告警服务，用于灯泡异常时的报警；四是设备寻址服务，用于其他设备对灯泡的寻址。平台通过内部各系统的配合实现上述四个服务，图 6 所示为照明控制服务流程，服务管理系统将控制请求解析为平台内部的消息格式发送给能力控制系统，能力控制系统解析请求并想设备与资源管理 205 系统查询设备 id，判断控制类型，如为实时控制，接入控制系统发起控制，如为周期控制，能力控制系统订阅周期控制事件，并周期性向接入控制系统发起控制请求。 - 8 - 灯泡标识照明网关标识灯泡位置Lighting(照明)BrightnessSwitchLamp_consumption亮度可感知亮度可控制level/continuous亮度控制范围耗电量采集频率亮度取值亮度取值数据类型亮度取值数据单位亮度取值数据范围耗电量可感知耗电量耗电量取值数据类型耗电量取值数据单位耗电量取值数据范围开关状态可感知开关状态可控制Switch开关动作取值开关状态取值开关状态数据类型开关状态数据单位

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