王耀彬　鄭風(fēng)

摘要摘要：傳統(tǒng)的智能家居都依賴于單一的家庭網(wǎng)關(guān)中心，而多屏互動(dòng)則大多應(yīng)用于流媒體的即時(shí)推送與點(diǎn)播。通過(guò)對(duì)UPnP技術(shù)的擴(kuò)展和應(yīng)用，將多屏互動(dòng)技術(shù)應(yīng)用到智能家居控制系統(tǒng)中，成功設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)了多屏互動(dòng)系統(tǒng)，改變了集中式智能家居控制方式，滿足了智能終端間媒體資源和智能家居控制軟件的即時(shí)推送和點(diǎn)播控制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，媒體平均傳輸延遲控制最大增量為50ms/h，流量傳輸時(shí)間得到了有效控制。

關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞：多屏互動(dòng)；智能家居；UPnP

DOIDOI：10.11907/rjdk.171422

中圖分類號(hào)：TP319

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)文章編號(hào)：16727800（2017）005011003

0引言

智能家居是互聯(lián)網(wǎng)物聯(lián)化的體現(xiàn)，它以住宅為平臺(tái)，將智能家居網(wǎng)關(guān)作為家居控制核心，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)化綜合智能控制和管理，將家居生活設(shè)施集成，構(gòu)建高效的住宅設(shè)施與家庭日程事務(wù)管理系統(tǒng)[12]。多屏互動(dòng)技術(shù)則通過(guò)WiFi網(wǎng)絡(luò)連接，在不同多媒體終端上進(jìn)行多媒體內(nèi)容的傳輸、解析、展示、控制等一系列操作，在不同平臺(tái)設(shè)備上同時(shí)共享展示內(nèi)容[34]。

本文通過(guò)對(duì)UPnP技術(shù)的擴(kuò)展和應(yīng)用，將多屏互動(dòng)技術(shù)應(yīng)用到智能家居系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)了一款集流媒體和應(yīng)用軟件即時(shí)推送與多屏點(diǎn)控軟件。該軟件不僅實(shí)現(xiàn)用戶手機(jī)與智能家居網(wǎng)關(guān)中心間音頻、視頻、圖片多屏互動(dòng)娛樂(lè)功能，而且實(shí)現(xiàn)家居控制軟件的共享與即時(shí)點(diǎn)控，取代了以往單一、集中式的智能家居控制方式，讓用戶在接入WiFi的狀態(tài)下，手持移動(dòng)終端便能“隨處”對(duì)智能家居進(jìn)行控制，從而達(dá)到“多屏互動(dòng)”控制智能家居的目的。

1多屏互動(dòng)智能家居系統(tǒng)架構(gòu)

1.1系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)模塊功能如下：控制播放模塊負(fù)責(zé)對(duì)家居控制軟件和媒體共享推送和多屏控制；虛擬目錄模塊負(fù)責(zé)共享家居網(wǎng)關(guān)中心的媒體文件，分類建立索引，供用戶使用；管理和建立連接模塊負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)下的設(shè)備發(fā)現(xiàn)、建立連接、監(jiān)聽(tīng)以及設(shè)備撤銷等管理操作；媒體傳輸模塊負(fù)責(zé)共享后的媒體文件傳輸。

系統(tǒng)控制架構(gòu)工作流程分為6個(gè)階段：基于DHCP協(xié)議的設(shè)備尋址、基于SSDP協(xié)議的設(shè)備發(fā)現(xiàn)、基于Mini Web Server模塊的設(shè)備描述、基于SOAP（簡(jiǎn)單對(duì)象訪問(wèn)協(xié)議）的設(shè)備控制、基于GENA（通用事件提醒框架）事件處理和基于Http協(xié)議消息處理的播放展示。通過(guò)該流程的協(xié)同，可以實(shí)現(xiàn)控制器與服務(wù)器端間的有效多屏互動(dòng)[67]。

1.2設(shè)備互聯(lián)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)設(shè)備互聯(lián)設(shè)計(jì)包括設(shè)備文件描述設(shè)計(jì)、服務(wù)描述設(shè)計(jì)和事件控制設(shè)計(jì)。

一個(gè)設(shè)備的UPnP描述包含所有嵌入式設(shè)備定義、多個(gè)特定廠商信息和設(shè)備展示URL以及所有服務(wù)列表，包括事件觸發(fā)URL和控制URL[5，8]。本系統(tǒng)XML設(shè)計(jì)中，設(shè)備的最外層為root標(biāo)簽定義，由device、specVersion、iconList三部分組成。表1描述了系統(tǒng)設(shè)備文件描述集合。

本系統(tǒng)的服務(wù)描述主要由Date類型、State變量和Action變量組成范圍和事件特征。表2為系統(tǒng)服務(wù)描述集合。

系統(tǒng)控制時(shí)序流程描述如下： UPnP設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)，然后搜索鄰居設(shè)備和可訂閱服務(wù)，完成后作為服務(wù)控制點(diǎn)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制；同時(shí)監(jiān)聽(tīng)時(shí)間狀態(tài)變量值，當(dāng)事件狀態(tài)變化后立即更新，防止混亂的操作行為。

2多屏互動(dòng)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現(xiàn)

2.1設(shè)備地址處理

設(shè)備和網(wǎng)關(guān)加入系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)后，地址的獲取和確認(rèn)是保證通信的第一步。如圖1所示，設(shè)備首先發(fā)出一條DhcpDiscover消息請(qǐng)求IP地址，然后該設(shè)備一直處于監(jiān)聽(tīng)狀態(tài)，一旦收到DhcpOffer消息便會(huì)分配動(dòng)態(tài)地址；如果請(qǐng)求超時(shí)，則會(huì)自動(dòng)配置靜態(tài)IP地址。

為確定DHCP服務(wù)器的存在，必須對(duì)自動(dòng)配置了IP地址的設(shè)備進(jìn)行定時(shí)檢查。每5分鐘發(fā)送一次DHCPDISCOVER消息來(lái)進(jìn)行檢查，該檢查頻度可達(dá)到有效維護(hù)連接性和節(jié)省網(wǎng)絡(luò)帶寬的平衡。收到DHCP信息后，設(shè)備立即進(jìn)行動(dòng)態(tài)地址分配。該動(dòng)作完成后，設(shè)備即可釋放自動(dòng)配置的地址，或者暫時(shí)保留該地址以維持連接性。如果要進(jìn)行IP地址轉(zhuǎn)換操作，設(shè)備則必須取消有關(guān)原地址的公開(kāi)宣告并進(jìn)行刷新操作。

2.2控制點(diǎn)與設(shè)備的交互處理

當(dāng)UPnP設(shè)備搜索到鄰居節(jié)點(diǎn)，并查詢到此鄰居節(jié)點(diǎn)提供的服務(wù)，便能維護(hù)該設(shè)備的服務(wù)狀態(tài)。而服務(wù)控制設(shè)備則在XML描述文檔中解析出相關(guān)的設(shè)備事件，并提醒其進(jìn)行響應(yīng)服務(wù)。所有操作都基于TCP的HTTP協(xié)議進(jìn)行，并關(guān)聯(lián)到預(yù)定義的相關(guān)事件URL，這些URL均提前注冊(cè)在描述文檔XML中。

控制點(diǎn)與設(shè)備交互處理流程如圖2所示。當(dāng)UPnP設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)之后，首先進(jìn)行尋址，將SSDP報(bào)文（包括設(shè)備、服務(wù)等）以廣播的形式發(fā)送出去，用以查詢鄰居設(shè)備是否存在。一旦收到單播回應(yīng)消息，便建立其設(shè)備間的鄰居關(guān)系；如果一直沒(méi)有收到回應(yīng)消息，則會(huì)繼續(xù)定時(shí)發(fā)送SSDP廣播報(bào)文持續(xù)檢測(cè)。設(shè)備鄰居關(guān)系建立后，本地設(shè)備之間會(huì)相互查詢鄰居設(shè)備訂閱的服務(wù)，如果合法則允許傳輸相關(guān)的媒體和家居控制信息。

2.3媒體和控制軟件的軌跡和響應(yīng)處理

每個(gè)UPnP動(dòng)作均被封裝成為一個(gè)獨(dú)立的函數(shù)，該函數(shù)原型為：intupnp_action（INDocument*in，OUTDocument**out，OUTchar**errorString）。它首先傳入一個(gè)指定動(dòng)作參數(shù)的XML文檔，并要求創(chuàng)建相應(yīng)的響應(yīng)文檔，如果出錯(cuò)則返回適當(dāng)?shù)臉?biāo)識(shí)字符串。當(dāng)某個(gè)控制點(diǎn)產(chǎn)生訂閱請(qǐng)求時(shí)，SDK將調(diào)用回調(diào)函數(shù)并將EventType變量值設(shè)為UPNP_EVENT_SUBSCRIPTION_REQUEST。設(shè)備通過(guò)UpnpAcceptSubscriptionExt（）或者UpnpAcceptSubscription（）來(lái)接受請(qǐng)求，然后將當(dāng)前狀態(tài)表發(fā)送給控制點(diǎn)。當(dāng)控制點(diǎn)對(duì)某變量進(jìn)行當(dāng)前狀態(tài)的查詢請(qǐng)求時(shí)，SDK也通過(guò)調(diào)用注冊(cè)的回調(diào)函數(shù)并將變量EventType設(shè)為UPNP_CONTROL_GET_VAR_REQUEST來(lái)實(shí)現(xiàn)。

2.4網(wǎng)絡(luò)延遲控制和優(yōu)化

如圖3所示，設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)后發(fā)送的各種組播報(bào)文（主要由設(shè)備的搜索報(bào)文、訂閱、通告報(bào)文和生存報(bào)文等組成）是UPnP網(wǎng)絡(luò)中最主要的網(wǎng)絡(luò)延遲因素，而這些組播報(bào)文的傳送是UPnP網(wǎng)絡(luò)中各設(shè)備建立通信、維持通信的必要操作。因此，采用以下兩條技術(shù)策略，能對(duì)降低網(wǎng)絡(luò)延遲起到明顯的改進(jìn)作用。

（1）設(shè)備離線時(shí)，主動(dòng)發(fā)出自身離線的報(bào)文通知鄰居設(shè)備。

如前所述，組播報(bào)文會(huì)占用系統(tǒng)較大的網(wǎng)絡(luò)帶寬。如果設(shè)備離線或者撤銷服務(wù)后不主動(dòng)通知鄰居節(jié)點(diǎn)，會(huì)導(dǎo)致鄰居設(shè)備一直處于監(jiān)聽(tīng)狀態(tài)或者本地設(shè)備不斷發(fā)送組播請(qǐng)求，大量不必要的組播報(bào)文占用有限的UPnP網(wǎng)絡(luò)帶寬。因此需要建立起主動(dòng)離線通知等有效處理機(jī)制，提高系統(tǒng)帶寬的有效利用率。

（2）對(duì)IP數(shù)據(jù)包的TTL值進(jìn)行設(shè)置（900s左右）。

UPnP設(shè)備具有不同時(shí)段狀態(tài)變化大、可訂閱服務(wù)變化快等特點(diǎn)，而且在設(shè)備鄰居節(jié)點(diǎn)關(guān)系建立之后，會(huì)有一段時(shí)間的設(shè)備靜默期，此時(shí)組播報(bào)文少、網(wǎng)絡(luò)流量小、通信頻率低。因此可以對(duì)最小流量和最大設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行折衷，通過(guò)設(shè)定其存活時(shí)間來(lái)控制網(wǎng)絡(luò)擁塞報(bào)文。經(jīng)測(cè)試，通過(guò)將TTL值設(shè)置為900s左右，可以明顯降低網(wǎng)絡(luò)延遲時(shí)間。

3系統(tǒng)測(cè)試

3.1測(cè)試環(huán)境

測(cè)試系統(tǒng)硬件平臺(tái)是Cotex-A8的ARM控制器，搭載Android 4.0系統(tǒng)，集成了 ZigBee協(xié)調(diào)器的網(wǎng)關(guān)平臺(tái)。網(wǎng)絡(luò)環(huán)境為TP-LINK TL-WR845N，理論傳輸速率為300Mbps。

3.2功能測(cè)試

（1）測(cè)試目的：檢驗(yàn)無(wú)線WiFi連接環(huán)境下，在裝有多屏互動(dòng)系統(tǒng)的安卓設(shè)備和智能家居網(wǎng)關(guān)之間，能否有效進(jìn)行多屏點(diǎn)播操作。

測(cè)試方法步驟：①在各種安卓設(shè)備上，對(duì)聯(lián)網(wǎng)設(shè)備上的媒體文件進(jìn)行搜索和多屏點(diǎn)播等操作；②持續(xù)對(duì)圖片進(jìn)行切換等操作；③持續(xù)對(duì)視頻和音頻文件進(jìn)行快進(jìn)后退、切換以及暫停等操作。

測(cè)試表明系統(tǒng)音頻、視頻和圖片的多屏點(diǎn)播功能運(yùn)行正常，沒(méi)有業(yè)務(wù)沖突情況，如圖4所示。

（2）測(cè)試目的：檢驗(yàn)無(wú)線WiFi連接環(huán)境下，裝有多屏互動(dòng)系統(tǒng)的安卓設(shè)備能否有效進(jìn)行多屏點(diǎn)控操作。

測(cè)試方法步驟：①在各種安卓設(shè)備上獲取智能家居控制軟件，檢查解析網(wǎng)關(guān)家居控制軟件；②持續(xù)對(duì)各種家居設(shè)備進(jìn)行多屏點(diǎn)控操作，檢查其能否正確點(diǎn)控各種智能家居設(shè)備。

測(cè)試表明系統(tǒng)多屏點(diǎn)控功能運(yùn)行正常，沒(méi)有業(yè)務(wù)沖突，如圖5所示。

3.3性能測(cè)試

視頻、音頻和圖片的工作時(shí)間和傳輸延遲時(shí)間的影響關(guān)系如圖6所示，測(cè)試時(shí)間為一個(gè)小時(shí)?？v軸以毫秒（ms）為單位，表示傳輸延遲時(shí)間；橫軸以分鐘（Minute）為單位，表示設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)后的持續(xù)工作時(shí)間。由圖6可見(jiàn)，視頻、音頻和圖片的平均傳輸延遲時(shí)間分別為550ms、300ms和200ms左右。而隨著設(shè)備持續(xù)工作時(shí)間的增加，其傳輸延遲時(shí)間只有小幅度增長(zhǎng)，在測(cè)試時(shí)間段內(nèi)平均延遲時(shí)間最大增量為50ms左右，說(shuō)明系統(tǒng)滿足工作性能要求，具有良好的實(shí)用性。

4結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了智能家居系統(tǒng)的多屏互動(dòng)，深入探討和擴(kuò)展了UPnP技術(shù)以及Android應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)，不僅實(shí)現(xiàn)了流媒體多屏互動(dòng)娛樂(lè)功能，而且實(shí)現(xiàn)了家居控制軟件的共享與即時(shí)點(diǎn)控，達(dá)到“隨處”、“多屏”控制智能家居的目的。

參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn)：

[1]童曉渝，房秉毅，張?jiān)朴? 物聯(lián)網(wǎng)智能家居發(fā)展分析[J]. 移動(dòng)通信，2010（9）：1620.

[2]黃也平，杜懌平. 三網(wǎng)融合與無(wú)線網(wǎng)絡(luò)新競(jìng)爭(zhēng)格局探討多屏、多終端互動(dòng)的營(yíng)銷應(yīng)用[J]. 東南傳播， 2013（1） ：111114.

[3]THOMPSON T. The Android mobile phone platform[J]. The World of Software Development，2008，33（9）：40 47.

[4]羅旋. 中興通訊IPTV平臺(tái)的多屏互動(dòng)設(shè)計(jì)研究[D].長(zhǎng)沙：湖南大學(xué)， 2012.

[5]曹甜甜. 基于Android系統(tǒng)的UPNP媒體播放器的研究與實(shí)現(xiàn)[D].南京：南京郵電大學(xué)， 2013.

[6]YONGHONG WU， JIANCHAO LUO， LEI LUO. Porting mobile web application engine to the Android platform [C]. 10th IEEE International Conference on Computer and Information Technology，2010.

[7]徐垚，周海濤，周小龍. 社交電視手機(jī)客戶端與IPTV播控平臺(tái)雙屏互動(dòng)設(shè)計(jì)[J]. 廣播與電視技術(shù)，2013（1）：1534.

[8]張喆. 基于UPnP協(xié)議的智能家庭網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的研究與實(shí)現(xiàn)[D].南京：南京郵電大學(xué)， 2013.

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