基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能家居平臺及協(xié)議的研究和實現(xiàn)

中國聯(lián)通研究院 北京 100032

引言

隨著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，智能家居領(lǐng)域的研究和應(yīng)用呈現(xiàn)爆炸式的發(fā)展。這種發(fā)展趨勢基于相關(guān)新技術(shù)的發(fā)展、突破和成熟，主要包括物聯(lián)網(wǎng)及泛在網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展和演進、通信技術(shù)的發(fā)展和成熟、智能終端及無線通信技術(shù)的發(fā)展和迅速普及、平臺和云計算技術(shù)的發(fā)展、計算機和控制技術(shù)的發(fā)展和成熟[1-2]。

智能家居是以用戶住宅為載體，綜合多項新技術(shù)(如通信網(wǎng)絡(luò)、數(shù)字化家電、設(shè)備自動化、智能控制等技術(shù))，將管理、服務(wù)、子系統(tǒng)集成為一體的舒適、安全、環(huán)保、高效的居住環(huán)境[3]。將傳統(tǒng)的家電設(shè)備智能化，使之構(gòu)成智能家居的重要組成部分，改變了原本家電、家具靜止被動的屬性，使它們?yōu)槿祟愄峁┤轿坏男畔⒔粨Q功能，幫助家庭與外界保持高效流暢的實時交流，在很大程度上提高了人們的工作生活效率，節(jié)約了生活成本開支，進而全方位提高人們的生活質(zhì)量。 智能家居解決方案是建立在住宅內(nèi)的通信網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上，同時，為提供服務(wù)必須建立家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)控制節(jié)點和外界的信息通道，通過和云服務(wù)平臺的相應(yīng)服務(wù)實現(xiàn)信息交換，完成遠程控制、遠程監(jiān)測、情景模式、設(shè)備聯(lián)動等智能業(yè)務(wù)。

智能家居作為一個涉及到諸多熱點科技的完整系統(tǒng)，在技術(shù)演進過程中亦必然涉及產(chǎn)業(yè)鏈中的各層次，其發(fā)展將為最終用戶、家電廠家、云平臺服務(wù)廠家、運營商、服務(wù)提供商帶來收益。這種涉及多層次生態(tài)環(huán)境的系統(tǒng)，解決層間和層內(nèi)的信息交互和互聯(lián)互通是一個關(guān)鍵問題，因此，針對設(shè)備接入和控制的平臺和協(xié)議的開發(fā)和設(shè)計是解決方案的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。隨著智能家居的發(fā)展，愈來愈多的家電設(shè)備逐步和云平臺對接，逐步實現(xiàn)和智能終端的連接。對于運營商，家電設(shè)備的通信控制系統(tǒng)是重要的物聯(lián)網(wǎng)入口，把握這個入口，對于數(shù)據(jù)收集、模式場景控制、信息推送均具有重要意義。在此背景下，2014年5月至2015年4月，中國聯(lián)通研究院展開《智能家居遠程管理平臺與終端原型系統(tǒng)研發(fā)》的項目研究，研發(fā)平臺和智能設(shè)備接口的方案和標準，為下一步智能家電適配工作打下了基礎(chǔ)。反之，廣泛的家居智能化工作將促進非平臺級互聯(lián)類型的智能家居業(yè)務(wù)的研究和推廣。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

盡管目前在物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)上尚未形成全球統(tǒng)一規(guī)范，但業(yè)界大多認可物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)的三層結(jié)構(gòu)，即感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層[4-6]。其中，網(wǎng)絡(luò)層主要完成信息的采集、轉(zhuǎn)換和收集，進而實現(xiàn)物與物之間通信和控制。有研究表明，智能控制、情景模式、設(shè)備聯(lián)動等新技術(shù)可基于此層的技術(shù)實現(xiàn)；方案中通過部署，實施了多種通信協(xié)議的適配和轉(zhuǎn)換、多種業(yè)務(wù)層協(xié)議的翻譯以及各類業(yè)務(wù)邏輯的實現(xiàn)；在應(yīng)用層，主要完成數(shù)據(jù)的管理和處理，針對物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)研發(fā)的“智能家居遠程管理平臺”，實施和實現(xiàn)了“智能家居控制平臺”，處理和完成智能設(shè)備上報數(shù)據(jù)的管理和數(shù)據(jù)。其智能家居解決方案的總體架構(gòu)如圖1所示。

在智能家居解決方案總體架構(gòu)的設(shè)計中，體現(xiàn)了對應(yīng)的物聯(lián)網(wǎng)層次，其中“智能家居遠程管理平臺”主要實現(xiàn)智能家居的應(yīng)用層實例，與行業(yè)應(yīng)用緊密結(jié)合，實現(xiàn)各類的智能家居業(yè)務(wù)邏輯，其技術(shù)功能架構(gòu)如圖2所示。

在解決方案總體架構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)層設(shè)計中結(jié)合了成熟的云計算技術(shù)，通過開放的API接口實現(xiàn)內(nèi)部接入控制、能力開放服務(wù)和與第三方異構(gòu)業(yè)務(wù)平臺的互連接口，基于現(xiàn)有通信網(wǎng)絡(luò)的承載支撐技術(shù)，實現(xiàn)異構(gòu)網(wǎng)聚合、資源與存儲管理、數(shù)據(jù)感知和挖掘、數(shù)據(jù)決策、平臺增強等網(wǎng)絡(luò)層功能，其技術(shù)功能架構(gòu)如圖3所示。

解決方案總體架構(gòu)的感知層要素比較多，其核心部分是實現(xiàn)業(yè)務(wù)控制的中心控制模塊，該模塊在具體實現(xiàn)方案上主要有2種。

圖1 智能家居的解決方案的總體架構(gòu)圖

圖2 智能家居遠程管理平臺技術(shù)功能架構(gòu)圖

圖3 智能家居遠程管理平臺網(wǎng)絡(luò)層接口技術(shù)功能架構(gòu)圖

方案一：第三方設(shè)備在家庭控制中心接入，僅需在設(shè)備內(nèi)部維持基本功能，與平臺間的長連接等可交給家庭控制中心完成。這就降低了對于第三方設(shè)備的硬件要求，可以降低設(shè)備成本。對于增強性的家庭控制中心(網(wǎng)關(guān))，可以實現(xiàn)更多種類的無線通信協(xié)議的適配。

方案二：在設(shè)備內(nèi)部嵌入聯(lián)通協(xié)議，直接連接至家庭網(wǎng)關(guān)。該方案中用戶可以不采購家庭控制中心，而利舊用戶家庭中的已有網(wǎng)關(guān)，更適合家庭中僅需要單一設(shè)備的用戶。

除了家庭控制中心(網(wǎng)關(guān))部分，還包括受控智能設(shè)備、家庭網(wǎng)關(guān)、外設(shè)模塊、智能終端和必要的中繼器等部分，其架構(gòu)圖如圖4所示。

按照物聯(lián)網(wǎng)總體架構(gòu)的設(shè)計，智能家居遠程管理平臺與終端系統(tǒng)實現(xiàn)了智能家居的業(yè)務(wù)，并且根據(jù)業(yè)務(wù)邏輯研究設(shè)計了多種原型系統(tǒng)。

2 業(yè)務(wù)場景及原型

為向用戶提供智能家居增值業(yè)務(wù)、為家電廠家拓展銷售渠道、為未來數(shù)據(jù)經(jīng)營奠定基礎(chǔ)，項目組在研究和規(guī)劃智能家居業(yè)務(wù)的基礎(chǔ)上，根據(jù)業(yè)務(wù)邏輯研究設(shè)計了多種原型系統(tǒng)，在業(yè)務(wù)場景設(shè)計上，著重滿足基于用戶場景的體驗質(zhì)量，以提升用戶在使用家電產(chǎn)品時的體驗，其中，主要包括情景模式、自動控制、設(shè)備聯(lián)動三類場景，其示例如下。

圖4 家庭控制中心及外圍設(shè)備架構(gòu)圖

圖5 多種業(yè)務(wù)控制及場景示意圖

1) 情景模式。例如某廠照明設(shè)備控制按鍵位置不足，而智能終端恰恰可以提供優(yōu)質(zhì)的信息交互能力，智能化后，用戶通過手機，在“增強模式”-〉“睡眠”-〉“XX推薦催眠曲線”的控制按鍵下，實現(xiàn)照明設(shè)備的自動調(diào)節(jié)。

2) 自動控制。用戶購得“魚香肉絲”半成品食材一份，放入某廠電飯鍋中，通過手機掃描食材包裝上條碼，電飯鍋自動進入對應(yīng)烹飪模式.

3) 設(shè)備聯(lián)動。當一個或多個設(shè)備進入某種狀態(tài)之后，觸發(fā)另一些設(shè)備的聯(lián)動邏輯，例如當溫度和煙霧濃度到達警戒值時，自動觸發(fā)告警設(shè)備、防護設(shè)備、通風設(shè)備等。多種業(yè)務(wù)控制及場景示意圖如圖5所示。

在業(yè)務(wù)場景之外，系統(tǒng)可以實現(xiàn)對智能設(shè)備信息的收集，以期展開基于數(shù)據(jù)的增值業(yè)務(wù)，同時設(shè)計實現(xiàn)數(shù)據(jù)行為分析、內(nèi)容推送等業(yè)務(wù)邏輯或接口。

智能家居產(chǎn)品涵蓋面廣泛，為更好地實驗和演示業(yè)務(wù)場景和邏輯，文章分析了12個業(yè)務(wù)原型系統(tǒng)的方案。其按照業(yè)務(wù)接口，主要分為：傳感類業(yè)務(wù)接口產(chǎn)品(溫度、濕度、電壓、電流、感應(yīng)、壓力、運動感知等)、控制類業(yè)務(wù)接口產(chǎn)品(IO控制、信號強度控制等)、外設(shè)類業(yè)務(wù)接口產(chǎn)品(SD卡、flash存儲外設(shè)、顯示、IC卡等，可選支持指紋識別等外設(shè))；各類型產(chǎn)品經(jīng)過適配和集成，可以實現(xiàn)復(fù)雜的業(yè)務(wù)聯(lián)動場景，為智能家居家庭互聯(lián)控制系統(tǒng)提供業(yè)務(wù)實例，原型系統(tǒng)如表1所示。

表1 原型系統(tǒng)列表

同時，在業(yè)務(wù)場景和原型設(shè)計基礎(chǔ)上，研究開發(fā)了《智能家居遠程管理平臺接入技術(shù)標準》和硬件控制的接口協(xié)議。

3 協(xié)議及系統(tǒng)實現(xiàn)流程

基于《智能家居遠程管理平臺接入技術(shù)標準》的研究開發(fā)，在《智能家居遠程管理平臺與終端原型系統(tǒng)研發(fā)》項目的解決方案中實現(xiàn)了平臺、智能設(shè)備及家庭控制中心(網(wǎng)關(guān))之間的消息互通。此接入技術(shù)標準的協(xié)議規(guī)范了各網(wǎng)元之間的業(yè)務(wù)層協(xié)議和業(yè)務(wù)邏輯的實現(xiàn)流程。業(yè)務(wù)層協(xié)議研究和設(shè)計了業(yè)務(wù)層協(xié)議封裝、消息體、平臺連接及報文格式等，業(yè)務(wù)邏輯流程規(guī)范了智能家居業(yè)務(wù)實現(xiàn)的基礎(chǔ)業(yè)務(wù)邏輯、設(shè)備認證、用戶認證、各類場景及聯(lián)動等環(huán)節(jié)的實現(xiàn)流程。

3.1 業(yè)務(wù)層協(xié)議封裝

在平臺、智能設(shè)備及家庭控制中心(網(wǎng)關(guān))互聯(lián)的業(yè)務(wù)層協(xié)議選擇上，主流解決方案涉及三種協(xié)議，即HTTP(HyperText Transfer Protocol)、JSON(JavaScript Object Notation)和XML(Exteile Mark Laguage)。其中，HTTP是互聯(lián)網(wǎng)上應(yīng)用最為廣泛的一種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議；JSON是一種輕量級的數(shù)據(jù)交換格式，它基于ECMAScript的一個子集；XML是一種擴展性標識語言，廣泛應(yīng)用于有結(jié)構(gòu)性的標記場景。JSON采用完全獨立于語言的文本格式，也使用了類似于C語言家族的習(xí)慣(包括C、C++、C#、Java、JavaScript、Perl、Python等)。這些特性使JSON成為理想的數(shù)據(jù)交換語言，易于人閱讀和編寫，也易于機器解析和生成?；贘SON的這些優(yōu)點，在業(yè)務(wù)層協(xié)議封裝上建議采用JSON，對于HTTP和XML，也能通過協(xié)議轉(zhuǎn)換的前置設(shè)備得到兼容性互通。

平臺、智能設(shè)備及家庭控制中心之間互聯(lián)的通信協(xié)議基于TCP協(xié)議，平臺作為服務(wù)器端，控制中心或智能設(shè)備作為客戶端。當數(shù)據(jù)通信鏈路異常時，終端可以采用SMS消息方式進行通信。各指令的每條消息由標識位、消息頭、消息體和校驗碼組成。其格式如下：

標識位 消息頭 消息體 校驗碼 標識位

為避免標志位歧義，若校驗碼、消息頭以及消息體中出現(xiàn)標志位，則要進行轉(zhuǎn)義處理，過程如下。發(fā)送消息時：消息封裝→計算并填充校驗碼→轉(zhuǎn)義；接收消息時：轉(zhuǎn)義還原→驗證校驗碼→解析消息。

平臺、智能設(shè)備及家庭控制中心之間互聯(lián)的報文消息頭格式如表2所示，其消息體屬性結(jié)構(gòu)如表3所示。

表2 報文消息頭格式

表3 報文消息體屬性結(jié)構(gòu)

平臺、智能設(shè)備及家庭控制中心的互聯(lián)通過平臺接入技術(shù)標準定義的各類消息，所涉及的各類消息如表4所示。

表4 各類消息列表

3.2 消息報文

基于接入技術(shù)標準中定義的消息體結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)各類智能設(shè)備的消息互通，完成對智能設(shè)備的控制邏輯。下面以洗衣機控制類智能設(shè)備類的消息體指令集為例，其控制消息JSON示例如下。

接入技術(shù)標準中除定義了一般控制的消息體，對于情節(jié)模式、設(shè)備聯(lián)動等復(fù)雜場景亦定義了執(zhí)行消息體，以設(shè)備聯(lián)動策略消息為例，包括聯(lián)動消息體報文、觸發(fā)條件和設(shè)備動作集合的定義。如表5所示。

表5 設(shè)備聯(lián)動消息體

表6 觸發(fā)條件(condition)

表7 設(shè)備動作集合(actions)

設(shè)備聯(lián)動消息的JSON示例如下：

3.3 平臺連接

受控智能設(shè)備(即客戶端，又指控制中心以及可直接接入平臺的設(shè)備)與平臺的數(shù)據(jù)長連接可采用TCP或UDP方式，客戶端復(fù)位后應(yīng)盡快與平臺建立連接，連接建立后立即向平臺發(fā)送客戶端鑒權(quán)消息進行鑒權(quán)。系統(tǒng)設(shè)計實現(xiàn)連接維持、連接斷開、系統(tǒng)發(fā)送消息、連接狀態(tài)識別、設(shè)備注冊和鑒權(quán)等部分。

1) 連接的維持。在連接建立且鑒權(quán)成功后，客戶端應(yīng)周期性地向平臺發(fā)送心跳消息，平臺收到后向客戶端發(fā)送平臺通用應(yīng)答消息，發(fā)送周期由客戶端參數(shù)指定。

2) 連接的斷開。平臺和客戶端均可根據(jù)TCP協(xié)議主動斷開連接，雙方都應(yīng)主動判斷TCP連接是否斷開。

3) 連接狀態(tài)識別。平臺判斷TCP連接斷開的方法有3個。①根據(jù)TCP協(xié)議判斷出客戶端主動斷開；②相同身份的客戶端建立新連接，表明原連接已斷開；③在一定的時間內(nèi)未收到客戶端發(fā)出的消息，如心跳消息?？蛻舳伺袛郥CP連接斷開的方法有3個。①根據(jù)TCP協(xié)議判斷出平臺主動斷開；②數(shù)據(jù)通信鏈路斷開；③數(shù)據(jù)通信鏈路正常，達到重傳次數(shù)后仍未收到應(yīng)答。

4) 平臺主發(fā)的消息。所有平臺主發(fā)的消息均要求受控設(shè)備應(yīng)答，應(yīng)答分為通用應(yīng)答和專門應(yīng)答，由各具體功能接口協(xié)議決定。發(fā)送方等待應(yīng)答超時后，應(yīng)對消息進行重發(fā)。應(yīng)答超時時間和重傳次數(shù)由平臺參數(shù)指定。

5) 受控設(shè)備主發(fā)的消息。如果數(shù)據(jù)通信鏈路正常，所有受控設(shè)備主發(fā)的消息均要求平臺應(yīng)答，應(yīng)答分為通用應(yīng)答和專門應(yīng)答，由各具體功能接口協(xié)議決定。受控設(shè)備等待應(yīng)答超時后，應(yīng)對消息進行重發(fā)，應(yīng)答超時時間和重傳次數(shù)由終端參數(shù)指定。對于受控設(shè)備發(fā)送的關(guān)鍵報警消息，若達到重傳次數(shù)后仍未收到應(yīng)答，則應(yīng)對其進行保存。以后在發(fā)送其它消息前要先發(fā)送保存的關(guān)鍵報警消息。如果數(shù)據(jù)通信鏈路異常，受控設(shè)備應(yīng)對需要發(fā)送的關(guān)鍵消息進行保存。在數(shù)據(jù)通信鏈路恢復(fù)正常后，立即發(fā)送保存的消息。

6) 控制中心注冊。受控設(shè)備在與平臺建立連接后，若是未注冊狀態(tài)，應(yīng)首先進行注冊，注冊成功后平臺將為其生成并返回鑒權(quán)碼，控制中心保存鑒權(quán)碼。

7) 控制中心鑒權(quán)。受控設(shè)備每次在與平臺建立連接后，若是已注冊狀態(tài)，應(yīng)立即向平臺發(fā)送鑒權(quán)消息進行鑒權(quán)，平臺回復(fù)平臺通用應(yīng)答消息；鑒權(quán)碼由平臺定期更新，并由控制中心定期獲取。

8) 設(shè)備注冊?？刂浦行脑跈z測到新設(shè)備(不含可直接接入平臺的設(shè)備)后，應(yīng)向平臺發(fā)送設(shè)備注冊消息(含設(shè)備基本信息和指令集)，平臺對設(shè)備信息和指令集進行校驗注冊，注冊完成后平臺回復(fù)設(shè)備注冊應(yīng)答消息。

3.4 業(yè)務(wù)流程

智能家據(jù)服務(wù)平臺核心流程主要有四個，分別為用戶注冊與設(shè)備接入流程、數(shù)據(jù)采集與設(shè)備控制流程、平臺運營與維護管理流程以及產(chǎn)品接入與銷售分成流程。其中，用戶注冊與設(shè)備接入是指用戶在購買智能家居設(shè)備后，可自行完成安裝配置工作，并在平臺完成注冊、設(shè)備綁定與激活的過程；數(shù)據(jù)采集與設(shè)備控制是指智能家居設(shè)備日常數(shù)據(jù)監(jiān)測、采集，以及用戶進行配置設(shè)備控制策略及遠程控制的功能；平臺運營與維護管理平臺運營與維護涵蓋的服務(wù)雜而多，以小而精的方式向用戶提供。主要包含用戶繳費、報修維修、客戶投訴、服務(wù)推薦等；產(chǎn)品接入與銷售分成是指智能家居設(shè)備合作商加盟及資質(zhì)審核，并將設(shè)備產(chǎn)品進行接入、銷售及分成的過程。

協(xié)議中規(guī)范了業(yè)務(wù)流程的實現(xiàn)，業(yè)務(wù)流程定義了智能家居平臺、APP應(yīng)用客戶端和智能家庭網(wǎng)關(guān)(家庭控制中心或受控智能設(shè)備)之間的指令交互，具體實例如圖6(a)和圖6(b)所示。

圖6 控制和認證流程的實例

4 結(jié)語

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展和智能終端的興起，智能家居呈現(xiàn)爆炸式飛速發(fā)展的趨勢，各個行業(yè)IT企業(yè)紛紛加速布局智能家居，期望建立以自身為核心的智能家居生態(tài)圈。針對物聯(lián)網(wǎng)智能家居平臺及協(xié)議研究，結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)+的趨勢，完成各智能家電的家庭組網(wǎng)，進行有效的互聯(lián)控制，可實現(xiàn)安全穩(wěn)定高效的智能家居業(yè)務(wù)。

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