Web service tích hợp tự động

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI TRẦN CÔNG ĐẠI WEB SERVICE TÍCH HỢP TỰ ĐỘNG Chuyên ngành : Công Nghệ Thông Tin LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ THÔNG TIN NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS PHẠM HUY HOÀNG Hà Nội – Năm 2014 Mục Lục Trang phụ bìa Lời cam đoan Danh mục ký hiệu, chữ viết tắt Danh mục bảng Danh mục hình vẽ Chương mở đầu 10 Bối cảnh lý chọn đề tài 10 Nhiệm vụ đặt 11 Cách tiếp cận 11 Bố cục luận văn 12 Chương Tìm hiểu giao thức UPnP 13 1.1 Giới thiệu chung 13 1.2 Kiến trúc thiết bị UPnP 15 1.3 Giao thức điều khiển thiết bị UPnP - DCP 20 1.4 Kiểu hướng dịch vụ - SOA 21 1.5 Các nghiên cứu sử dụng giao thức UPnP 25 1.5.1 AutoHAN ( University of Cambridge) 25 1.5.2 Hệ thống iDorm 26 1.5.3 UPnP-based context-aware framework for ubiquitous mesh home network 28 Chương Ứng dụng ngôn ngữ XML việc tích hợp thiết bị 29 2.1 Tổng quan ngôn ngữ XML 29 2.1.1 Giới thiệu chung 29 2.1.2 Ưu điểm việc sử dụng XML 29 2.2 Cấu trúc tập tin XML 30 2.2.1 Mô tả tập tin XML 30 2.2.2 Tạo lập tập tin XM 31 2.2.3 Những thành phần tập tin XM 32 2.3 Truy vấn liệu tập tin XML 33 2.4 Ứng dụng ngôn ngữ XML việc tích hợp thiết bị 37 2.4.1 Lưu trữ thông tin vị trí thiết bị 37 2.4.2 Thiết lập mối quan hệ kiểu thiết bị 42 Chương Xây dựng thiết bị UPnP kịch điều khiển 46 3.1 Các quy tắc thiết lập kịch điều khiển 46 3.2 Cấu trúc kịch điều khiển 48 3.3 Thực thi chương trình 54 3.3.1 Các thiết bị mô UPnP 54 3.3.1.1 Đèn nhị phân UPnP ( Binary Light ) 54 3.3.1.2 Công tắc điện ( Switch ) 56 3.3.1.3 Điện thoại ( Phone ) 58 3.3.1.4 Máy nghe nhạc CD ( CD Player ) 60 3.3.1.5 Điều khiển Tivi ( TV Control Emulator ) 63 3.3.1.6 Đồng hồ hẹn ( Timer ) 66 3.3.1.7 Cảm biến chuyển động ( Motion Sensor ) 69 3.3.2 Dịch vụ vị trí ( Location Service ) 71 3.3.3 Điểm điều khiển ( Control Point ) 73 3.3.4 Các kịch điều khiển mẫu 77 3.3.4.1 Khi công tắc bật thiết bị điện máy nghe nhạc, tivi bật nguồn 77 3.3.4.2 Khi điện thoại đổ chuông thiết bị âm máy nghe nhạc, tivi tạm dừng tắt âm 78 3.3.4.3 Khi chủ nhà bước vào phòng, đèn sáng máy nghe nhạc phát 79 3.3.4.4 Hẹn để bật tắt thiết bị điện 80 Kết luận 81 Tài liệu tham khảo 82 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan công trình nghiên cứu riêng Các kết nghiên cứu nêu luận văn trung thực Tác giả Trần Công Đại DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT CP Control Point DCP Device Control Protocol DHCP Dynamic Host Configuration Protocol DNS Domain Name System DLNA Digital Living Network Alliance GENA General Event Notification Architecture HTML HyperText Markup Language HTTP HyperText Transfer Protocol SOAP Simple Object Access Protocol SGML Standardized Generalized Markup Language SSDP Simple Service Discovery Protocol SCPD Service Control Protocol Description TTP Hypertext Transfer Protocol TCP/IP Transmission Control Protocol / Internet Protocol UPnP Universal Plug and Play URL Uniform Resource Locator URI Uniform Resource Identifier URN Uniform Resource Name UDA UPnP Device Architecture UDN Unique Device Name UUID Universally Unique Identifier UPC Universal Product Code XML Extensible Markup Language WLAN Wireless Local Area Network DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 3-1 : Các dịch vụ đèn nhị phân UPnP 54 Bảng 3-2 : Các tham số trạng thái dịch vụ “SwitchPower” 55 Bảng 3-3 : Các hành động dịch vụ “SwitchPower” 55 Bảng 3-4 : Các dịch vụ công tắc 56 Bảng 3-5 : Các tham số trạng thái dịch vụ “Switch” 57 Bảng 3-6 : Các hành động dịch vụ “Switch” 57 Bảng 3-7 : Các dịch vụ điện thoại 58 Bảng 3-8 : Các tham số trạng thái dịch vụ “Ring” 59 Bảng 3-9 : Các hành động dịch vụ “Ring” 59 Bảng 3-10 : Các dịch vụ máy nghe nhạc CD 60 Bảng 3-11 : Các tham số trạng thái dịch vụ “Audio” 61 Bảng 3-12 : Các hành động dịch vụ “Audio” 62 Bảng 3-13 : Các biến số trạng thái dịch vụ “PlayCD” 62 Bảng 3-14 : Các dịch vụ TV 64 Bảng 3-15 : Các biến số trạng thái dịch vụ “tvcontrol” 64 Bảng 3-16 : Các hành động dịch vụ “tvcontrol” 65 Bảng 3-17 : Các dịch vụ đồng hồ hẹn 66 Bảng 3-18 : Các tham số trạng thái dịch vụ “Timer” 67 Bảng 3-19 : Các hành động dịch vụ “Timer” 67 Bảng 3-20 : Các dịch vụ cảm biến chuyển động 70 Bảng 3-21 : Các tham số trạng thái dịch vụ “MotionSensor” 70 Bảng 3-22 : Các hành động dịch vụ “MotionSensor” 70 Bảng 3-23 : Dịch vụ vị trí urn:upnp-org:serviceId:Location 71 Bảng 3-24: Các hành động dịch vụ vị trí urn:upnp-org:serviceId:Location 72 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1-1 : Các thiết bị UPnP mạng 13 Hình 1-2 : UPnP Protocol Stack 14 Hình 1-3 : Cấu trúc mô tả thiết bị 16 Hình 1-4 : Mô tả thiết bị đèn nhị phân UPnP 17 Hình 1-5 : Mô tả dịch vụ SwitchPower 18 Hình 1-6 : Kiến trúc phát 21 Hình 1-7 : Kiến trúc mô tả 22 Hình 1-8 : Kiến trúc điều khiển 23 Hình 1-9 : Kiến trúc kiện 24 Hình 1-10 : UPnP hệ thống iDorm 26 Hình 2-1 : Biểu diễn hình tập tin XML 34 Hình 2-2 : Danh sách tin SSDP 39 Hình 2-3 : Mối quan hệ thiết bị 43 Hình 3-1 : Kiến trúc hệ thống 53 Hình 3-2 : Đèn nhị phân UPnP 54 Hình 3-3 : Công tắc điện 56 Hình 3-4 : Điện thoại 58 Hình 3-5 : Máy nghe nhạc 60 Hình 3-6 : Điều khiển Tivi 63 Hình 3-7 : Đồng hồ hẹn 66 Hình 3-8 : Cảm biến chuyển động 69 Hình 3-9 : Giao diện điểm điều khiển 74 Hình 3-10 : Giao diện chức thiết lập mối quan hệ thiết bị 74 Hình 3-11 : Giao diện chức tạo kịch điều khiển thiết bị 75 Hình 3-12 : Kịch 77 Hình 3-13 : Kịch 78 Hình 3-14 : Kịch 79 Hình 3-15 : Kịch 80 CHƯƠNG MỞ ĐẦU Bối cảnh lý chọn đề tài Ngày nay, hệ thống nhà thông minh cung cấp khả tự động hóa cho phép chủ nhà kiểm soát cách toàn diện nhà họ quản lý hiệu lượng sử dụng, từ tiết kiệm chi phí Các giải pháp nhà thông minh tích hợp nhiều thiết bị có khả khác cảm biến phát chuyển động, công tắc điều khiển đèn, giám sát camera thiết bị giải trí Phần lớn thiết bị sử dụng giao thức truyền thông khác nhau, chủ yếu không tương thích với thiết bị khác Các thiết bị nhà có xử lý nhúng để kiểm soát hoạt động chúng, chúng khả chia sẻ tài nguyên dịch vụ với thiết bị khác nhà Hãy tưởng tượng thiết bị phân tách thành thành phần nhỏ thành phần có khả kết nối với thành phần thiết bị khác thông qua mạng WiFi, Bluetooth, Khi mở rộng chức sẵn có thiết bị xây dựng thiết bị ảo từ thành phần dịch vụ thiết bị Vấn đề nêu giải cách sử dụng giao thức tiêu chuẩn chung cho thiết bị Giao thức truyền thông phổ biến sử dụng thiết bị giao thức UPnP UPnP dựa giao thức TCP/IP, sử dụng rộng rãi, đảm bảo hướng tiếp cận đơn giản để kết nối, điều khiển thiết bị nhà thông minh Các thiết bị hỗ trợ giao thức UPnP có khả thông báo kiểu tính thiết bị mạng nội Do ứng dụng thông minh thiết bị 10 Hành động “GetFinished” trả trạng thái hoàn thành đồng hồ, dựa vào giá trị trả biết đồng hồ chạy xong hay chưa Hành động “SetTime” thiết lập khoảng thời gian chạy ngược đồng hồ, gọi đến hành động với tham số giờ, phút, giây thiết lập đồng hồ bắt đầu hoạt động Hành động “Pause” thiết lập giá trị tham số pause để tạm dừng thiết bị Hành động Stop thiết lập tham số Finished có giá trị tham số Hour, Minute, Second có giá trị 68 3.3.1.7 Cảm biến chuyển động (Motion Sensor) Hình 3.8 : Cảm biến chuyển động Thiết bị cảm biến chuyển động mô thiết bị thực tế Thiết bị sử dụng để phát chuyển động người Ví dụ chủ nhà bước qua cửa vào phòng, cảm biến phát có chuyển động, tham số trạng thái thiết bị thay đổi giá trị, dựa vào thay đổi thiết lập hành động thiết bị khác rèm cửa sổ tự động mở, đèn mở bật hệ thống điều hòa không phòng 69 Kiểu thiết bị Kiểu dịch vụ MotionSensor ID Dịch vụ MotionSensor:1 MotionSensor Location:1 Location Bảng 3.20 :Các dịch vụ cảm biến chuyển động Các biến số trạng thái dịch vụ “MotionSensor” : Tên biến số Kiểu liệu Giá trị cho phép Giá trị mặc định Sự kiện Motion 0, Yes Boolean Bảng 3.21 :Các tham số trạng thái dịch vụ “MotionSensor” Tham số “Motion” sử dụng để thông báo thiết bị phát có chuyển động Giá trị khởi tạo ban đầu 0, phát có chuyển động giá trị chuyển sang tự động trả giá trị sau thời gian ngắn, vài giây Tham số có thông báo kiện, điểm điều khiển thiết bị theo dõi nhận thông báo thiết bị phát có chuyển động Các hành động dịch vụ “MotionSensor” mô tả bảng bên : Tên hành động Biến số Hướng Tham số liên quan SetMotion NewMotion IN Motion GetMotion RetMotion OUT Motion Bảng 3.22 : Các hành động dịch vụ “MotionSensor” 70 3.3.2 Dịch vụ vị trí (Location Service) Dịch vụ vị trí sử dụng để xác định vị trí thiết bị môi trường Tất thiết bị tích hợp thêm dịch vụ vị trí Lấy ví dụ thiết bị đèn chiếu sáng nhà, đặt vị trí khác nhau, thông tin vị trí xác định dựa vào biến số trạng thái vị trí dịch vụ Để điểm điều khiển xác định vị trí thiết bị, thông tin vị trí lưu tập tin XML UDN thiết bị Thông tin tập tin cập nhật biến số trạng thái vị trí thiết bị thay đổi Các biến số trạng thái dịch vụ vị trí theo tiêu chuẩn UPnP xác định bảng bên : Tên biến số Kiểu liệu Locality String Mobility Boolean Giá trị cho phép 0, Giá trị mặc định Sự kiện DEFAULT Yes No Bảng 3.23 : Dịch vụ vị trí urn:upnp-org:serviceId:Location Các biến số “Locality” “Mobility” lưu trữ thông tin vị trí tính chuyển động thiết bị Biến số “Locality” phép thông báo kiện thay đổi giá trị, điểm điều khiển nhận thông báo thiết bị thay đổi vị trí Nếu biến số “Mobility” có giá trị (hoặc False) giá trị biến số “Locality” không báo thay đổi Khi cài đặt thiết bị người dùng thiết lập tính chuyển động “Mobility” thông tin vị trí thiết bị không đổi thiết bị giữ nguyên vị trí 71 Các hành động dịch vụ mô tả hình bên : Tên hành động Tên tham số Hướng Biến số liên quan GetLocality Locality OUT Locality GetMobility Mobility OUT Mobility Bảng 3.24 : Các hành động dịch vụ vị trí urn:upnp-org:serviceId:Location Dịch vụ vị trí cung cấp hành động “GetLocality()”, “GetMobility” để lấy giá trị biến số trạng thái “Locality” “Mobility” Sử dụng tên phòng để xác định vị trí thiết bị có ý nghĩa việc sử dụng tọa độ Tuy nhiên có vài điểm hạn chế phương pháp Đầu tiên người cài đặt phải cấu hình hệ thống để biết vị trí phòng Vấn đề không đề cập đến đồ án này, vấn đề khác vấn đề tiềm người dùng khác lại có cách đặt tên khác cho phòng Ví dụ vài người khác gọi tên phòng khách “living room” “setting room”, Giải pháp để giải đưa cho người dùng danh sách tên định nghĩa trước cho phép họ thêm thông tin khác cần thiết Dịch vụ vị trí định nghĩa danh sách tên sau : DEFAULT Bedroom Kitchen Bathroom Porch Living Room Bedroom Utility Room Bathroom Front Garden Dining Room Bedroom Toilet Hall Back Garden Bedroom Bedroom Toilet Landing 72 3.3.3 Điểm điều khiển – Control Point Điểm điều khiển hay Control Point tìm kiếm, phát hiện, điều khiển tương tác với thiết bị Điều điều khiển sử dụng giao thức SSDP lắng nghe tin thiết bị mạng để tìm kiếm thiết bị tương thích với chuẩn UPnP Sau phát thiết bị, điểm điều khiển biên dịch mô tả thiết bị phù hợp thiết lập tương tác điều khiển Để điều khiển thiết bị, điểm điều khiển sử dụng giao thức SOAP, hành động gửi dạng tin SOAP có chứa nội dung hàm giá trị tham số cần Điểm điều khiển theo dõi thay đổi thiết bị cách nhận thông báo thông qua giao thức GENA Điểm điều khiển quan tâm đến việc nhận thông báo, theo dõi kiện biến số trạng thái cung cấp đích đến để gửi kiện Điểm điều khiển xác định thời gian theo dõi để làm hủy bỏ theo dõi thiết bị Điểm điều khiển liệt kê danh sách tất thiết bị khả dụng mạng, dịch vụ thiết bị cung cấp, dịch vụ bao gồm hàm số hay hành động tham số trạng thái Dựa tính mà điểm điều khiển cung cấp, người dùng xem toàn thông tin mô tả thiết bị kiểu thiết bị, tên thiết bị, UDN, thông tin nhà sản xuất,… Người dùng tương tác, theo dõi thay đổi tham số trạng thái thiết bị điều khiển thiết bị thông qua hành động mà thiết bị cung cấp 73 Hình 3.9 : Giao diện điểm điều khiển Hình 3.10 : Giao diện chức thiết lập mối quan hệ thiết bị 74 Thông qua giao diện chương trình, người dùng chọn kiểu thiết bị thiết bị có sẵn hệ thống tự khai báo thêm, sau lựa chọn kiểu thiết bị có khả tương thích, kết hợp bắt đầu khởi tạo mối quan hệ Khi người dùng chọn kiểu thiết bị chương trình hiển thị danh sách kiểu thiết bị thiết lập trước Người dùng xóa mối quan hệ thấy không phù hợp cách trực quan giao diện sử dụng Hình 3.11 : Giao diện chức tạo kịch điều khiển thiết bị Dựa thông tin kiểu thiết bị thiết lập thông tin vị trí thiết bị, hệ thống lọc danh sách thiết bị có khả tương thích cao thỏa mãn điều kiện để kết hợp tạo thành kịch điều khiển 75 Sau có danh sách thiết bị có kiểu liên quan, hệ thống thu hẹp vùng tìm kiếm theo thông tin vị trí thiết bị Ví dụ với thiết bị cảm biến chuyển động có kiểu thiết bị “MotionSensor” đặt vị trí “Living Room”, hệ thống tìm kiếm danh sách thiết bị liên quan dựa thiết lập lưu tập tin XML để trả danh sách kiểu thiết bị Danh sách kiểu thiết bị trả bao gồm : “Time”, “Light” Dựa vào danh sách đó, hệ thống tìm kiếm thiết bị có kiểu danh sách lọc thiết bị thỏa mãn điều kiện “location = Living Room” Các thiết bị “Binary Light” “Timer” 76 3.3.4 Các kịch điều khiển mẫu 3.3.4.1 Khi công tắc bật thiết bị điện máy nghe nhạc, tivi bật nguồn Để hệ thống thực kịch trên, ta tách kịch thành hai phần có điểm chung kiện điện thoại đổ chuông : - Kịch : Khi công tắc bật máy nghe nhạc bật nguồn IF ( Switch.Switch.State == True) THEN (CDPlayer.SwitchPower.SetTarget( Target== True )” - Kịch : Khi công tắc bật tivi bật nguồn IF ( Switch.Switch.State == True) THEN (TV.tvcontrol.PowerOn(Power == True) )” Khi kết hợp hai kịch ta thực kịch ban đầu : State == true Subscriber Target == true Subscriber Power == True Hình 3.12 : Kịch 77 3.3.4.2 Khi điện thoại đổ chuông thiết bị âm máy nghe nhạc, tivi tạm dừng tắt âm Để hệ thống thực kịch trên, ta tách kịch thành hai phần có điểm chung kiện điện thoại đổ chuông : - Kịch : Khi điện thoại đổ chuông máy nghe nhạc tạm dừng IF ( Phone.Ring.Status == True) THEN (CDPlayer.PlayCD.Pause() )” - Kịch : Khi điện thoại đổ chuông tivi tắt âm IF ( Phone.Ring.Status == True) THEN (TV.tvcontrol.SetVolume(Volume == 0) )” Khi kết hợp hai kịch ta thực kịch ban đầu : Ring == true Subscriber Volume == Subscriber Pause() Hình 3.13 : Kịch 78 3.3.4.3 Khi chủ nhà bước vào phòng, đèn sáng máy nghe nhạc phát Để hệ thống thực kịch trên, ta tách kịch thành hai phần có điểm chung kiện điện thoại đổ chuông : - Kịch : Khi cảm biến phát chuyển động máy nghe nhạc phát IF ( MotionSensor.Motion.Motion == True) THEN (CDPlayer.PlayCD.Play() )” - Kịch : Khi cảm biến phát chuyển động đèn sáng IF ( MotionSensor.Motion.Motion == True) THEN (Light.SwitchPower.SetTarget (Target== True ))” Khi kết hợp hai kịch ta thực kịch ban đầu : Motion == true Subscriber Target == true Subscriber Play() Hình 3.14 : Kịch 79 3.3.4.4 Hẹn để bật tắt thiết bị điện Để hệ thống thực kịch trên, ta tách kịch thành phần có điểm chung kiện đồng hồ hẹn chạy hết thời gian : - Kịch : Khi đồng hồ hẹn chạy hết thời gian đèn tắt IF ( Time.Timer.Finished == True) THEN THEN (Light.SwitchPower.SetTarget (Target== False ))” - Kịch : Khi đồng hồ hẹn chạy hết thời gian máy nghe nhạc tắt IF ( MotionSensor.Motion.Motion == True) THEN (CDPlayerSwitchPower SetTarget (Target== False ))” Finished == true Subscriber Target == false Subscriber Target == false Hình 3.15 : Kịch 80 KẾT LUẬN Hiện với xu đại hóa, tự động hóa hệ thống nhà thông minh nhằm cung cấp giải pháp cho phép người sử dụng kiểm soát cách toàn diện nhà họ cách tự động hiệu Tuy nhiên phần lớn thiết bị sử dụng giao thức truyền thông khác nhau, chủ yếu không tương thích với thiết bị khác nên gây nhiều khó khăn việc điều khiển tích hợp thiết bị Việc sử dụng giao thức truyền thông UPnP đồng thiết bị giải phần đồng thiết bị UPnP dựa giao thức TCP/IP, sử dụng giao thức khác SSDP, SOAP, GENA sử dụng rộng rãi để kết nối điều khiển thiết bị Các thiết bị điều khiển thông qua nhiều điểm điều khiển Các thiết bị tương tác với thiết bị khác để tạo kịch điều khiển theo ý muốn người sử dụng Trong luận văn xây dựng ngôn ngữ đơn giản dựa XML dùng để khai báo kịch điều khiển thiết bị UPnP Đồng thời xây dựng ứng dụng cho phép tích hợp tự động dịch vụ điều khiển thiết bị UPnP theo kịch dựa ngữ cảnh thiết bị có kiểu liên quan có vị trí đặt nhà Thông tin thiết bị kiểu thiết bị lưu trữ tập tin có định dạng XML sử dụng ngôn ngữ XPath để truy vấn thông tin cách nhanh Các kịch lưu dạng tập tin XML theo tiêu chuẩn quy định Hướng phát triển luận văn xây dựng ứng dụng điều khiển thiết bị thông minh điện thoại, máy tính bảng, xây dựng kịch điều khiển linh hoạt tiến hành cài đặt phần mềm thiết bị UPnP thực tế 81 TÀI LIỆU THAM KHẢO Mariano Rico and Oscar Corcho (2011), “A Semantically Enhanced UPnP Control Point for Sharing Multimedia Content”, IEEE Computer Society Rolf Kistler, Stefan Knauth and Alexander Klapproth Lucerne, “UPnP in Integrated Home- and Building Networks ”, University of Applied Sciences and Arts, CEESAR Technikumstrasse 21, 6048 Horw, Switzerland S Gashti, G Pujolle, J Rotrou (2009), “An UPnP-based context-aware framework for ubiquitous mesh home networks”, IEEE 20th UPnP Forum ( October 15, 2008), “UPnP Device Architecture Version 1.1”, www.upnp.org UPnP Forum, “Device Control Protocols”, http://www.upnp.org W3Schools, ”XML Tutorial”, http://www.w3schools.com/xml/ W3Schools, ”XPath Tutorial”, http://www.w3schools.com/xpath/ Wikipedia , “XML”, http://vi.wikipedia.org/wiki/XML 82 ... thiết bị tự động tìm kiếm tương tác với thiết bị khác để tạo kịch điều khiển theo ý muốn người sử dụng Do cần có giải pháp để giải vấn đề Xuất phát từ lý nên chọn đề tài Web service tích hợp tự động”... thông minh cung cấp khả tự động hóa cho phép chủ nhà kiểm soát cách toàn diện nhà họ quản lý hiệu lượng sử dụng, từ tiết kiệm chi phí Các giải pháp nhà thông minh tích hợp nhiều thiết bị có khả... dựa XML dùng để khai báo kịch điều khiển thiết bị UPnP Đồng thời xây dựng ứng dụng cho phép tích hợp tự động dịch vụ thiết bị điều khiển thiết bị UPnP theo kịch dựa ngữ cảnh thiết bị có kiểu liên