CN112217697A - 一种物联网设备智能控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于物联网技术领域，具体为一种物联网设备智能控制系统。本发明系统包括设备管理模块、中间件模块、用户交互模块以及模式控制模块、语音控制模块、自动控制模块。自动控制模块将输入的数据转化为对应的情景模型对象，调用相应设备的控制服务完成物联网系统的智能设备自动控制；语音控制模块对用户输入的语音进行识别、转化，得到对应的物联网设备控制指令，调用相关服务完成语音控制设备；模式控制模块通过组合多种物联网设备的控制操作以提供基于模式的智能控制方式；用户交互模块提供用户界面来输入控制指令。本发明系统可以大大提高物联网设备面向不同应用环境的自动情景感知能力，增强个性化服务的能力，实现智能化控制。

Description

一种物联网设备智能控制系统

技术领域

本发明属于物联网技术领域，具体涉及一种提供物联网设备自动控制系统。

背景技术

物联网的核心是互联网，互联网增强了信息和数据获取、处理的效率。随着各互联网资源的服务化，各信息系统以微服务的形式向外提供服务。然而，物联网领域中，随着智能硬件的发展，设备和数据仍需要人工操作和处理，极大限制了生产服务效率的提升。

为了提高物联网设备面向不同应用环境进行自动情景感知、智能化控制、个性化服务的能力，需要提供一套高扩展性和可用性的物联网设备智能控制系统。

发明内容

本发明的目的是为物联网企业提供一种高扩展性和可用性的物联网设备智能控制系统，以提高物联网设备面向不同应用环境进行自动情景感知、智能化控制、个性化服务的能力。

本发明提供的物联网设备智能控制系统，其结构如图1所示，主要包括：设备管理模块、中间件模块、用户交互模块、服务调用模块以及智能控制模块；所述智能控制模块包括三个控制模块，分别是模式控制模块、语音控制模块、自动控制模块；其中，设备管理模块用于管理、维护维护各网关的在线状态；中间件模块用于存储多种常用物联网设备的通讯协议，并将协议解析的数据进行格式转换；用户交互模块用于提供用户界面来输入控制指令；智能控制模块产生控制策略，通过服务调用模块来完成设备最终操作。

系统主要分为两种控制方式，分别为用户主动控制以及系统自动控制。

自动控制，由设备管理模块维护各网关的在线状态，对于离线超过一定时间的网关，系统将不再为其保留资源；这些异构设备感知的原始数据通过设备管理模块传输至中间件模块，中间件模块解析来自异构设备感知的原始数据(即各传感器通过网关发送的数据)，并处理为情景对象所需的属性数据(包将传感器数据与系统缓存中各对象属性数据对比，若各项数据都无变化，则本流程终止，否则将变化后的数据映射到对象中，即更改缓存中对象属性，并作为新事实fact)，传输到自动控制模块；自动控制模块根据中间件模块传输的数据创建相应情景对象并作为规则推理引擎的输入，推理引擎将输入的事实与规则库匹配，若无匹配项，则不触发任何操作；若有匹配项，从条件满足的规则集合中按优先级选择执行，将规则执行的结果转化为对应的服务调用，最后相应的智能设备根据指令执行操作。

主动控制，就是用户通过APP端鉴权登陆，可以查看各传感器感知的指标数据以及各可控设备状态，用户可直接点击界面按钮即发送控制指令完成设备控制；用户亦可利用麦克风接口输入语音；对于语音输入，APP端调用服务端的语音控制模块将语音转化为控制指令(包括完成文本转化操作，并通过将文本与词库对比提取指令所需关键字，生成操作指令)，从而调用对应服务完成设备控制。

系统涉及的模块进一步介绍如下：

1.语音控制模块，主要用于根据用户输入的语音生成对应的控制指令，完成物联网家居设备控制；具体包括：进行文本转化，并将文本分词与词库对比，提取指令所需关键字，生成操作指令，最后调用相应服务完成设备控制。如图2所示。其中：

所述文本转换，通过调用百度NLP或科大讯飞等第三方语音识别服务接口实现。导入百度或科大讯飞的NLP包，将语音文件作为输入，得到文本字符串作为输出。

所述文本分词与词库对比，是通过调用结巴第三方包，将文本字符串与结巴分词训练得到的词库进行对比，得到相应的词汇，再将结巴分词得到词汇结果与本系统自建的词典进行对比，如设备名空调、空间名卧室、操作名打开，得到对具体设备的操作指令。而利用科大讯飞的声纹识别包，可以根据用户的语音判断出用户的身份。因此指令转换模块就可以聚合上述两部分信息得到完整的控制指令：某人对某设备进行某操作。然后通过服务调用模块完成设备的控制。

2.自动控制模块,包括数据转换器、情景模型库、规则库、用户偏好库、规则推理引擎、结果解析器；如图3所示，其中：

数据转换器用于将中间件模块传来的数据进行转换，转换成情景模型对象，并作为事实驱动规则推理引擎。

情景模型库用于存储情景模型对象，其来源于对物联网交互场景所涉及实体的抽象。

规则库用于存储规则，规则主要由条件端和结果端组成，将当前情景映射至对应物联网设备的服务调用标识符。

用户偏好库用于存储用户偏好，通过在规则条件端读取用户偏好以实现个性化控制服务。

规则推理引擎用于读取规则库中的规则，判断当前情景条件是否满足相关规则，若满足，则调用相应设备的控制服务完成系统的自动控制。基于RETE算法的规则引擎，通过读取规则的条件端，将其分解为原子级模式，构成条件网络，根据传入的情景事实数据，即可得到满足条件的规则，并按照优先级排序。

结果解析器用于将规则引擎得到的规则执行结果转化为对服务调用模块的调用，从而完成设备的控制。

自动控制模块根据感知的情景数据判断是否需要采取相应行为，以达到无需人为参与自动控制的目的。其根据中间件传输的数据构建相应情景模型对象，并作为事实驱动规则推理引擎，规则推理引擎根据当前事实判断满足条件的规则，最后结果解析器根据规则引擎的结果调用服务调用模块完成物联网设备的自动控制。

所述情景模型，即情景建模的结果；通过对所研究交互任务进行分析抽象，采用面向对象方法对情景感知、交互场景的关键要素抽象得到各类概念实体以及对应的属性，从而根据当前情景对象即可表达所处的环境特征。如图4所示，智能家居控制场景中的家居空间类、房间类、家居用户类、感知设备、可控设备共五大实体类。使用图数据库的关系图模型来描述实体类对象节点之间关系的定义，基于对象方法得到的五类实体的基础上，在家居场景下使用图数据库的关系模型定义实体间的关联关系，如图5所示。

所述规则，主要包含规则名、优先级、条件端和结果端，条件端包括对情景模型的类别以及属性进行判断，结果端包括各设备服务的标识符以及相应的参数。从而根据规则即可得到情景到服务的映射。

规则推理引擎，其主要部件为基于RETE算法的推理机，通过读取规则的条件端，将其分解为原子级模式，构成条件网络，根据传入的情景事实数据，即可得到满足条件的规则，并根据优先级依次执行。

用户偏好，包括用户对家居的某种偏好，如温度、光照敏感度、设备开关时间参数设置等。

3.模式控制模块，包括指令解析模块和模式库；其中：

指令解析模块用于解析交互模块传输的控制指令，得到需执行的模式标识符以及执行时间。

模式库用于存储已配置的模式信息。

该模块根据交互模块传输的指令搜索模式库中对应的模式，并执行相关设备的统一控制。

模式控制模块组合有多条规则结果端的设备控制服务接口，模式控制的条件端则由情景模型以及用户根据自我偏好自行定义的偏好组成，比如：上班模式、早起模式、睡眠模式等多种模式控制。上班模式控制包括每个工作日的叫醒服务、电视新闻的定时播放与关闭、电饭煲厨房电器定时开启等多个设备控制的组合。即可将模式控制理解为将多个规则控制绑定在一起，作为更粗粒度的控制方式。

4.中间件模块，用于存储多种常用物联网设备的通讯协议，屏蔽了物联网设备的异构性，使得系统不用考虑底层设备通讯协议的不同。中间件模块将协议解析模块传来的数据进行格式转换，转换成统一的数据类型，提供给上层控制模式和情景模型使用。这里的协议解析模块用于将物联网无线设备进行通讯的不同协议进行解析，从而使不同厂商的不同协议的设备都能与本系统通信，实现兼容。一般的物联网中间件都包括这一功能，本系统中使用的是实验室开发的物联网中间件协议解析功能。

5.用户交互模块，用于提供用户界面来输入控制指令。

6.设备管理模块，主要包含适配器缓存池以及适配器计时器。

适配器缓存池，为防止底层设备与系统短时间的断线重连而带来的适配器创建、销毁的开销，通过缓冲池提高系统性能。

适配器计时器，为防止设备长时间离线时还占用系统资源，通过计时器计时，将超时的适配器从内存中移除。

本发明系统，可以大大提高物联网设备面向不同应用环境的自动情景感知能力，增强个性化服务的能力，实现智能化控制。

附图说明

图1为该物联网智能控制系统的结构图。

图2为语音控制模块的结构图。

图3为自动控制模块的结构图。

图4为智能家居情景中的实体类别及属性图。

图5为基于图数据库定义家居实体间关系图。

图6为实施实例的结构图。

具体实施方式

下面结合智能家居解决方案实施实例对本发明做进一步详细阐述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。如图6所示，本实施例的主要工作机制为：实时获取房间内的光照数据与灯泡的开关状态，自动控制模块根据当前光照强度判断是否需要打开或关闭灯泡；用户通过APP查看房间的温度数据，通过语音控制连在智能开关上的风扇。

1.设备管理模块。该实施实例中涉及到的安卓App，南京物联传感技术有限公司的智能开关，连接在物联网Ruff开发板上的温度传感器都在系统中建立了对应的适配器。

2.中间件模块。南京物联公司物联网网关与Ruff开发板的数据传输协议以及安卓APP 的http传输协议都已经在该模块中建立了相应的协议封装类。

3.自动控制模块。在该实例中，系统主要创建了两个传感器对象，分别是温湿度传感器以及光照传感器，两个可控设备对象，分别是Ruff开发板上的灯泡以及智能开关。通过将这四个对象驱动Drools规则推理引擎，得到相应控制结果。

该实施例定义了关于光照强度的规则：规则“light1”的优先级为10，当光照传感器感知的值低于60并且该位置的灯光设备状态是关闭时，则打开该设备；规则“light2”的优先级为10，当光照传感器感知的值大于100并且该位置的灯光设备状态是打开时，则关闭该设备，其代码见附录1。

4.语音控制模块。该模块通过接收智能控制APP传输的语音，调用百度API得到语音识别后的文本，并基于百度API完成相应分词，得到物联网设备的操作指令，包括设备标识符、服务方法名、参数以及操作时间，默认的操作时间为当前时间。

5.模式控制模块。本实例以阅读模式为例，驱动相关物联网设备的操作控制以满足用户对温度以及光照强度的要求。

阅读模式定义如下：模式“readMode”定义了当温度传感器感知的值大于28、光照传感器的值小于60并且该位置的灯光设备、风扇设备是关闭状态时，则按照当前用户的喜好打开该位置下的灯光设备和风扇设备，即灯光、风扇打开的模式。其代码见附录2。

上述说明示出并描述了本发明的优选实施例，但如前所述，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述发明构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

附录1

附录2

。

Claims (7)

1.一种物联网设备智能控制系统，其特征在于，主要包括：设备管理模块、中间件模块、用户交互模块、服务调用模块以及智能控制模块；所述智能控制模块包括三个控制模块：模式控制模块、语音控制模块、自动控制模块；其中，设备管理模块用于管理、维护维护各网关的在线状态；中间件模块用于存储多种常用物联网设备的通讯协议，并将协议解析的数据进行格式转换；用户交互模块用于提供用户界面来输入控制指令；智能控制模块产生控制策略，通过服务调用模块来完成设备最终操作；

系统主要分为两种控制方式，分别为用户主动控制以及系统自动控制；

所述系统自动控制，由设备管理模块维护各网关的在线状态；异构设备感知的原始数据通过设备管理模块传输至中间件模块，中间件模块解析来自异构设备感知的原始数据，并处理为情景对象所需的属性数据，包括将传感器数据与系统缓存中各对象属性数据对比，若各项数据都无变化，则本流程终止，否则将变化后的数据映射到对象中，即更改缓存中对象属性，并作为新事实fact，传输到自动控制模块；自动控制模块根据中间件模块传输的数据创建相应情景对象并作为规则推理引擎的输入，推理引擎将输入的事实与规则库匹配，若无匹配项，则不触发任何操作；若有匹配项，从条件满足的规则集合中按优先级选择执行，将规则执行的结果转化为对应的服务调用，最后相应的智能设备根据指令执行操作；

所述用户主动控制，就是用户通过APP端鉴权登陆，可以查看各传感器感知的指标数据以及各可控设备状态，用户可直接点击界面按钮即发送控制指令完成设备控制；用户亦可利用麦克风接口输入语音；对于语音输入，APP端调用服务端的语音控制模块将语音转化为控制指令，完成文本转化操作，并通过将文本与词库对比提取指令所需关键字，生成操作指令，从而调用对应服务完成设备控制。

2.根据权利要求1所述的物联网设备智能控制系统，其特征在于，所述语音控制模块，主要用于根据用户输入的语音生成对应的控制指令，完成物联网家居设备控制；具体包括：进行文本转化，并将文本分词与词库对比，提取指令所需关键字，生成操作指令，最后调用相应服务完成设备控制；其中：

所述文本转换，通过调用第三方语音识别服务接口实现，得到文本字符串；

所述文本分词与词库对比，是通过调用结巴第三方包，将文本字符串与结巴分词训练得到的词库进行对比，得到相应的词汇，再将结巴分词得到词汇结果与系统自建的词典进行对比，得到对具体设备的操作指令，然后通过服务调用模块完成设备的控制。

3.根据权利要求1所述的物联网设备智能控制系统，其特征在于，所述自动控制模块,包括数据转换器、情景模型库、规则库、用户偏好库、规则推理引擎、结果解析器；其中：

所述数据转换器用于将中间件模块传来的数据进行转换，转换成情景模型对象，并作为事实驱动规则推理引擎；

所述情景模型库用于存储情景模型对象，其来源于对物联网交互场景所涉及实体的抽象；

规则库用于存储规则，规则主要由条件端和结果端组成，将当前情景映射至对应物联网设备的服务调用标识符；

所述用户偏好库用于存储用户偏好，通过在规则条件端读取用户偏好以实现个性化控制服务；

所述规则推理引擎用于读取规则库中的规则，判断当前情景条件是否满足相关规则，若满足，则调用相应设备的控制服务完成系统的自动控制；其主要部件为基于RETE算法的推理机，通过读取规则的条件端，将其分解为原子级模式，构成条件网络，根据传入的情景事实数据，即得到满足条件的规则，并根据优先级依次执行；

所述结果解析器用于将规则引擎得到的规则执行结果转化为对服务调用模块的调用，从而完成设备的控制。

4.根据权利要求3所述的物联网设备智能控制系统，其特征在于：

所述情景模型，是情景建模的结果；通过对所研究交互任务进行分析抽象，采用面向对象方法对情景感知、交互场景的关键要素抽象得到各类概念实体以及对应的属性，从而根据当前情景对象表达所处的环境特征；

所述规则，主要包含规则名、优先级、条件端和结果端，条件端包括对情景模型的类别以及属性进行判断，结果端包括各设备服务的标识符以及相应的参数；从而根据规则即得到情景到服务的映射；

所述用户偏好，包括用户对家居控制的某种偏好，包括对温度、光照敏感度、设备开关时间参数设置。

5.根据权利要求3所述的物联网设备智能控制系统，其特征在于，所述模式控制模块包括指令解析模块和模式库；其中：

指令解析模块用于解析交互模块传输的控制指令，得到需执行的模式标识符以及执行时间；

模式库用于存储已配置的模式信息；

模式控制模块根据交互模块传输的指令搜索模式库中对应的模式，并执行相关设备的统一控制；

模式控制模块组合有多条规则结果端的设备控制服务接口，模式控制的条件端则由情景模型以及用户根据自我偏好自行定义的偏好组成，即将模式控制理解为将多个规则控制绑定在一起，作为更粗粒度的控制方式。

6.根据权利要求3所述的物联网设备智能控制系统，其特征在于，所述中间件模块用于存储多种常用物联网设备的通讯协议，屏蔽物联网设备的异构性，使得系统不用考虑底层设备通讯协议的不同；中间件模块将协议解析模块传来的数据进行格式转换，转换成统一的数据类型，提供给上层控制模式和情景模型使用；这里的协议解析模块用于将物联网无线设备进行通讯的不同协议进行解析，从而使不同厂商的不同协议的设备都能与本系统通信，实现兼容。

7.根据权利要求3所述的物联网设备智能控制系统，其特征在于，所述设备管理模块，主要包含适配器缓存池以及适配器计时器；

适配器缓存池，为防止底层设备与系统短时间的断线重连而带来的适配器创建、销毁的开销，通过缓冲池提高系统性能；

适配器计时器，为防止设备长时间离线时还占用系统资源，通过计时器计时，将超时的适配器从内存中移除。

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