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通过传感器和执行器网络对物理实体进行自配置、监控和控制郑虎引用此版本:郑虎。通过传感器和执行器网络对物理实体进行自配置、监控和控制。其他[cs.OH]。克劳德·伯纳德大学-里昂一世,2014年。英语。NNT:2014LYO10001。电话:00948995v2HAL ID:电话:00948995https://theses.hal.science/tel-00948995v2提交日期:2014年HAL是一个多学科的开放存取档案馆,用于存放和传播科学研究论文,无论它们是否被公开。论文可以来自法国或国外的教学和研究机构,也可以来自公共或私人研究中心。L’archive ouverte pluridisciplinaire订单编号论文郑虎摄在里昂大学获得博士学位专业:计算机科学通过传感器和执行器网络对物理实体进行自配置、监控和控制博士学校:里昂计算机科学和数学支持格勒诺布尔,2014年1月22日在以下人员的指导下:StéphaneFRENOT里昂INSA大学教授BernardTOURANCHEAU格勒诺布尔大学教授GillesPRIVATOrange Labs高级研究专家支持在前面:LaurentRéveillère(报告员)HDR高级讲师,IPBPhilippeROOSE(报告员)UPPAHDR高级讲师OlivierBoissier(考官)EMSE大学教授ParisaGhodous(考官)UCBL大学教授Jean-YvesTIGLI(考官)UNS HDR高级讲师StéphaneFRENOT(主任)里昂INSA大学教授BernardTOURANCHEAU(共同监督员)格勒诺布尔大学教授GillesPRIVAT(共同监督员)OrangeLabs高级研究专家我是如今,所谓的M2M应用程序在电子商务中越来越多地考虑到了物理问题。 这一方面是由于Renouvelementincuntt和Objetsphysiquescomunicantsnumériques的多重化,另一方面是由于不需要ytentuelemennonconnectes或mnon-numériques的Objetspysiquesheriteseventnonconnectes或mnon-numériques。在我们的空间里因此,他们被认为是一个有能力的人,而不是一个有能力的人。环境与环境的关系。 因此,通过这种方式产生的框架是所有这些不同类型的物理对象在M2M系统中以一种类似于人的方式的自动化的概念化,在这种情况下,它是一种自动化的概念化的这是一个一般的理论框架和基本机制,用于在分散的信息系统中实现这些物理概念的概念化,在一个模因中包含了平等的概念和空间的意义,将"物联网"和"环境-主动"的观点结合在一个新的、统一的智能愿景中。 这个tra avail,moti ve最初是通过应用于家庭能源的一个方面,它是一个家庭的电话-它是物理的(例如equipeme n 'ts' electro-m 'enagers et p' eces de la maison)q ui n 't u 'en impactgéetic,但不做任何水连接,这是一个定性的扩展v eri m re的I n 't ernet esdO 喷 气机 . 这个概念是由人组成的,他不是一个"ff its'similaire"aceqq,它是由"equipementsnu'meriques"国家的技术经典地完成的,也就是说,由这是一个很好的例子,也是一个很好的例子。这些机制comportenlesetapessuivantes:• 通过分析c个感受器的5个重要r的一致性来检测y个t的p的存在• 选择第一个mo de ele ge nerique rep ese n tatif de e t ee的物理e t te,因为一个人在分析n个人的经验时分析了n个人的能力• 一• 通过该软件组件的第三个中介来提供和控制该软件组件的可访问性• 通过对来自这项工作是从家庭环境中的应用程序开始的,为此我已经把它放在了工作中。虽然我们的方法不像以前那样在环境中进行扩展和扩展,但它不会为这些环境中的所有M2M应用提供相同的基础设施摘要机器对机器(M2M)电信应用所考虑的物理实体越来越异构。这是由于数字连接设备的营业额和数量不断增加,以及需要将非联网甚至非数字"遗留"设备集成到这些应用中此外,空间实体(如房间)也可在相同的环境中进行说明。我们的研究所面临的挑战是M2M系统中所有这些类型的物理实体的自动集成和配置,以及推广用于联网数字设备的自配置方法的异构解决方案。本文提出了分布式嵌入式信息系统中物理实体模型的识别和配置的一般理论框架和基本机制。我们的方法将设备和空间实体结合起来,在对环境智能的全新解释中考虑"物联网"(IoT)和"交互式环境"观点。这项工作最初是由家庭能源管理应用程序推动的,试图将在能源管理中发挥作用但没有自己的网络接口的所有家庭实体(如家庭电器和房间)集成到家庭区域网络中。这对应于家庭区域网络工作范围的定性扩展。这种集成的实现方式与最先进的数字设备类似,通过自发的发现和配置机制,包括以下阶段:• 通过分析传感器检测到的重要事件的一致性来检测物理实体的存在;• 根据接收到的传感器数据,从参考本体中选择对应于检测到的物理实体的第一通用模型;• 基于所选模型,创建表示检测到的物理实体的软件组件,并与相关传感器和致动器相关联• 通过此中间软件组件提供用于监视和控制目标实体的应用程序接口• 基于来自相关传感器的数据对所识别的实体模型进行迭代更新所提出的方法已经在家庭环境中得到验证和实施,但是它打算被推广和扩展到诸如建筑物或城市之类的环境,或者为这些环境中的所有M2M应用提供类似的共享基础设施。谢谢你这对著名的Orange L abs、La b o ratoire M A TIS的COSY研究中心以及INSA-L y on的CITI演讲室都有影响。 我对AB和M的一切都很感激。皮埃尔·马迪洛,科西大学校长和M. 让-玛丽GO R这个主任的l'a b演讲CITI,pourme'avoirdon'eeopportunitedetravailer持续了这三年的tese.我想特别感谢陪审团的成员,特别是M。菲利普·P·P·E·R·OOSEE·T·M.这是一个很大的问题,也是一个很大的问题。我也要感谢NTM。哦,利弗·B·OISSIER,P夫人把Ghodous和M. Jean-Y vesTIGLIenta nt作为这篇论文的考官。我想表达我最热烈的感谢。G是PRIVAT,M. 斯蒂 芬·弗勒诺和M. BernardTOuranche AU谁是我的三个框架t'eseatte ntifetdis poniblesmalg re re theirno m breusescharges. 他们的智慧,他们的智慧,他们的智慧我 感 谢 你,我的朋友们,我的朋友们,我的 其 中 包 括 德 里 安 ·C· 李 尔 王 、 罗曼·A·Y·A·拉、孟轩·朱阿O、一海之民和CCINI的M·i·c·k·el我把我所有的感激之情都献给你,你不是我的朋友,你是我的朋友。我会的。表达我不知道我是否遇到了佩尔松家族哦,hirkhandERDENE-OCHIRpourl'leurgentillesse,他们的幽默和他们的机智。最后,我把我所有的感情都寄给了我的家人,我的父母,我的父母。从那以后,他们对我的爱就一直持续着,直到永远。我的妻子东源在这场暴风雨中陪伴着我。iii.内容物1引言11.1问题陈述 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ... .11.2论文的目的。 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ... ...31.3论文大纲。 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ... .32 一般背景52.1项目背景。 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ... .52.1.1反应性住房。 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ... ... 61.2芬兰 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ... ...72.2技术背景。 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ... ... 92.2.1数字标识和配置102.2.2无线传感器和执行器网络152.2.3智能对象和智能环境172.3应用程序背景212.3.1家庭能源管理212.3.2家庭护理262.3.3家庭安全292.3.4家庭自动化293 相关工作313.1智能环境和物联网323.1.1家323.1.2建筑物363.1.3城市规模373.2信息管理41iv.3.2.1传感器数据聚合413.2.2物理实体信息模型433.2.3信息抽象463.3自动配置513.3.1现有网络设备自配置协议513.3.2迈向可自配置的ICT架构524 总的来说,提案554.1拟议框架554.2使用案例604.3拟议方法645 67号提案5.1参考体系结构675.1.1EIMC. ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...675.1.1.1实体状态识别和估计(Moni-)toring)。 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ...695.1.1.2实体控制。 . . . . . . . . . . . . . . . . . . ...705.1.1.3EIMC生命周期管理器 . . . . . . . . . . . . . ...705.1.2两个建议层。 . . . . . . . . . . . . . . . . . ...725.1.2.1抽象层。 . . . . . . . . . . . . . . . ...725.1.2.2实体组层。 . . . . . . . . . . . . . . ...755.1.2.3信息出版物。 . . . . . . . . . ...755.2离散实体状态建模775.2.1物理实体状态775.2.2过程785.2.2.1 EIMC初始化。 . . . . . . . . . . . . . . . ...805.2.2.2 EIMC配置。 . . . . . . . . . . . . . . ...805.2.2.3 EIMC运行时。 . . . . . . . . . . . . . . . . . ...825.2.2.4分类和识别引擎。... ... ... ... ...835.2.2.5闭环控制。 . . . . . . . . . . . . . . . ...835.3首页特定领域本体建模....................................................................................... 855.3.1家用电器的离散状态本体5.3.2房间的离散状态本体87V内容6在家中896.1原型制作 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ...896.1.1整体原型系统架构。 . . . . . . . . ...896.1.2基于OSGi的系统。 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ...916.1.3家用自动化箱。 . . . . . . . . . . . . . . . . . . ...946.1.4本体实现。 . . . . . . . . . . . . . . . . ...966.1.4.1设备本体实现。 . . . . . .966.1.4.2实体状态本体实现。 . . . . ...976.1.5设备识别/监控方法。. . . . ...996.1.5.1 CEA INES。 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ... 1006.1.5.2格勒诺布尔橙色实验室。 . . . . . . . . . . . . . ... 1016.1.5.3橙色实验室波兰 . . . . . . . . . . . . . . . ... 1046.1.6空间识别/监测方法。 . . . . . . . ... 1086.1.6.1层和组件 . . . . . . . . . . . . . ... 1106.1.6.2接口和通信协议。 . . . ... 1116.2验证 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ...1136.2.1实验验证。 . . . . . . . . . . . . . . . . . ... 1136.2.1.1场景1:发现和初始自配置非数字设备1136.2.1.2场景2:发现和初始自配置数字设备1136.2.1.3场景3:实体的监控1146.2.1.4场景4:2个非数字实体...............................................6.2.1.5场景5:使用相同父模型............................................. 1146.2.2 Reactivhome项目116中的确认6.3评估1206.3.1绩效评估................................................................................................ 1206.3.2吞吐量评估120六内容7智能电网中的应用7.1我们在智能电网中拥有什么1237.2我们在智能电网中添加了什么1247.3示例场景1278 结论和展望1298.1结论1298.2前景1318.2.1传感器数据聚合1318.2.2传感器数据分解1318.2.3实体模型匹配1328.2.4使用执行器进行主动学习133参考文献135出版物153图155列表表列表159词汇表1619附件1659.1家庭区域实体1659.2家用电器补充分类标准16711简介1.1问题陈述物联网(IoT)的传统观点倾向显然,有数万亿这样的低端设备在等待连接。但这种通过将深入嵌入物理环境的"事物"联系起来物联网/智能空间应用基于共享的物理环境,但仍无法使用完全共享的软件、硬件和网络基础设施。这不仅是资源的浪费,也是机会的浪费。这些应用程序的普遍集成可能是由于监管、安全或安全限制。共享的智能空间/物联网基础设施至少可以包括局域网及其与目标环境中传感器和执行器的"毛细管"连接。然而,它可以并且应该扩展到较低级别的传感器和致动器层,以便提供与环境的物理接口。所以,它应该21. 引言扩展到将数据从传感器传输到执行器的高级服务层到目前为止,大多数为物联网/智能空间中介提供的基础设施解决方案都他们试图提供一个公共传感器数据池,以便在给定环境中的不同应用程序之间共享。要实现这一点,原始传感器数据至少应与以传感器为中心的元数据和语义相关联,以便应用程序可以使用此数据进行自配置。更高级别的上下文管理框架[5]试图将数据聚合为上下文信息这些以数据为中心(或以传感器为中心)的方法仍然无法将基础设施共享到尽可能高的水平,并且无法将传感器和执行器配对。物联网/智能空间应用对传感器和执行器本身不感兴趣,而是对传感器感知并在执行器上执行的物理实体感兴趣。物联网/智能空间基础设施共享的相关抽象级别不应以单个传感器及其生成或使用的数据为中心,即使数据被聚合到多个不同的抽象级别。所有这些应用的相关公分母应该是这些物理实体,这些物理实体的模型适当地考虑了传感器和致动器的联合作用,它们充当双向接口。这些实体应是通用的和环境固有的,而不是与该环境中的任何特定物联网/智能空间应用相关联。本论文解决的问题如下:在给定的环境中,建立了一个ICT基础设施来监控和控制该环境。一组物理实体被定义为要被单独监视和控制的目标从智能空间的角度来看,它们通常是空间的子集,如房间。从物联网的角度来看,它们通常是物理事物,如家用电器、工业设备或完全被动的物品。将这两个观点结合起来,这两类"空间"和"事物"实体都应整合到ICT基础设施中,并以统一的方式进行如果这些实体是联网设备,即使它们实际上都不需要通过常规网络工作接口直接连接,也应该这样做。 它们甚至不需要通过通用识别方案来识别,例如全局RFID/EPC或其数量上的等效方案。在概念中31.2 论文目的在我们提出的机制中,这些实体通过分布在目标环境中的可用共享传感器和致动器独立地和双向地以这种方式与实体相关联的传感器和致动器是常规联网设备,并且通常不以实体本身为目标。它们只是用作将这些实体连接并连接到网络的透明中介。1.2论文目的本文的目标是实现没有自己的这种集成应该使通过网络监视和部分控制它们成为可能。1.3论文大纲这篇论文手稿分为七个主要章节:• 第二章从项目、技术和应用三个方面介绍了论文的一般背景首先,我们介绍了涉及这项工作的两个项目。然后,在技术背景下,我们描述了物联网/智能空间的相关技术,特别是那些与家庭领域相关的技术。对于应用背景,我们重点介绍了物联网/智能空间的核心应用。• 第三章详细介绍了论文的相关工作。最新的研究工作将在两个方面进行介绍:参考架构--从家庭到城市的不同环境尺度上的结构;以及从原始传感器数据收集到实体行为抽象的信息管理的不同最后,给出了用于家庭区域网络的现有自配置协议。1. 引言4• 第四章从我们的贡献开始。在本章中,我们对我们的建议以及术语和用例的几个定义进行了全面的概述。还简要介绍了拟议的办法。• 第5章详细介绍了第4章中描述的三个主要命题。参考体系结构在几个图表中进行了说明我们提出的模型的概念及其迭代识别和重构机制被描述得很好。• 第6章提供了有关实施过程的规范在本章中,将描述原型系统实现。然后,验证工作描述了不同的测试环境,以及家用电器和房间自配置演示。评估结果在最后给出• 第7章将我们的建议扩展到智能电网的相关领域。 我们将就如何调整我们在这一领域的建议提出一些意见。• 第八章结束了论文,并提出了一些观点。52一般背景本章从三个方面详细介绍了论文的背景和背景首先,我们介绍了涉及我们研究工作的研究项目。第二,详细介绍了相关技术,以便指出我们研究工作范围内的主要技术,并讨论我们的主要想法。第三部分介绍了智能环境和物联网在家庭领域的应用。2.1项目背景在论文工作期间,我们参与了两个合作研究项目:我们在每个项目中的任务是调查我们的建议在项目范围内的可行性,并为ICT系统的自配置、监控和控制层提出一个功能参考架构我们还提供了几个可交付成果和演示,以在项目背景下验证我们的建议感谢这两个项目,我们有机会与我们的项目合作者进行交流,他们分享了他们在智能环境和物联网相关领域的专业知识,包括家庭自动化、家庭和建筑能源管理以及智能电网等概念这两个项目还提供了不同的平台,使我们能够简单地建立我们的原型系统,以验证我们的建议。2. 一般背景资料62.1.1反应性家庭Reactivhome是一个由法国国家研究机构(ANR)资助的法国研究项目。该项目的主要目标是创建一个信息和通信技术系统,以优化家庭能源的生产、储存和使用,考虑到所有家用电器、其居住者的状况以及当地可用的能源。这些设备(尤其是非联网设备)与Reactivhome ICT系统的集成旨在以自发和动态的方式进行,这意味着不需要手动配置软件基础架构旨在支持这种基于面向服务的架构(SOA)的动态集成,并为设备提供监视和控制对于使用Reactivhome智能插头连接到系统的电器,系统还监控和控制功耗。此外,Reactivhome系统将建筑物和电器的热模型以及环境参数(天气、温度、居住者的存在或活动等)作为能源优化的参数。基于先前的ANR项目Multisol[6],Reactivhome开发了缺失的技术砖,以实现可适应任何栖息地环境的产品。它包含以下四个研究主题:• 实现即插即用机制的设备自动识别• 集成到通用家庭自动化服务和面向M2M的架构• 人机界面与社会可接受性• 了解用户的我们对Reactivhome的贡献侧重于如何提供基础设施和参考架构,以支持1http://www.agence-nationale-recherche.fr/2.1项目背景72.1.2芬森尼未来智能能源互联网(FINSENY)是我们在研究工作中参与的第二个项目未来的互联网技术将在智能能源基础设施的发展中发挥关键作用,在降低成本的同时实现新功能。在FINSENY项目中,来自ICT和能源部门的主要参与者联合起来,确定智能能源系统的ICT要求这导致了新解决方案和标准的定义,并在一项大规模的泛欧智能能源试验中得到了验证项目成果旨在促进基于新产品和服务的可的出现,以造福所有欧洲公民和环境。作为FI-PPP计划的一部分,FINSENY与其他FI-PPP项目一起深入分析了特定能源要求,制定了解决方案来解决这些要求,并为计划第二阶段的智能能源试验做好了准备。FINSENY智能电网利益相关方集团在能源界宣传了正在进行的项目,提高了项目成果的可接受性,促进了智能能源市场的发展FINSENY由9个工作包组成,我们负责WP4。该工作包通过在一个全面的、半自主的监督和控制系统中管理建筑规模的所有能源消耗、发电和储存组件来解决能源优化该系统将与现有的建筑管理系统以及配电网、本地微电网或任何其他大规模能源管理系统接口从这个意义上说,建筑规模的能源优化并不是100%从属于大规模的优化。这可以通过将其集成到智能电网中来实现,并且可以通过中间级别的控制来调节这些约束(峰值水平/负载转移、平滑的需求响应模式、适应(近)实时定价等)。重点放在能源消耗效率上,即最大限度地减少向建筑用户提供的基于能源的服务的能源投入2. 一般背景资料8还没有考虑到来自电网的外部约束。在所有能源效率措施中,基于ICT的效率需要最少的前期材料投资,并且可以最容易地利用共享的、非竞争性的基础设施,包括致动器/传感器、网络、软件和相应的专业知识。基于信通技术的效率补充了传统的、成本更高的措施的应用,如电器升级、风化、绝缘等,但并不取代或要求这些措施。
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