智能家庭網(wǎng)關(guān)在智能家居業(yè)務(wù)中的功能

中國聯(lián)通研究院 北京 100032

引言

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)從最早的理論探索，到影響人類生活，有了長足的進步。在環(huán)境、安防、健康醫(yī)療等領(lǐng)域，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)有了一定的知識儲備。近年來智能家居作為物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用的新熱點，逐漸受到各大運營商和軟硬件廠商的重視。智能家居以住宅為載體，綜合了通信網(wǎng)絡(luò)、智能家電設(shè)備、智能家居平臺、用戶操作終端為一體，為用戶提供一個舒適、安全、方便、高效的居住環(huán)境。用戶只要通過互聯(lián)網(wǎng)就可以遠程感知家中的環(huán)境，操控家中的電器設(shè)備。同時智能家居還能夠根據(jù)用戶的生活習(xí)慣，為用戶創(chuàng)建場景模式，讓用戶得到舒適愜意的生活體驗。在安全方面，智能家居可以監(jiān)控室內(nèi)的水、電、燃氣，還可以通過安防系統(tǒng)，監(jiān)控室內(nèi)、門窗、門外的動靜，為用戶創(chuàng)造更加安全的家居環(huán)境。

目前智能家居領(lǐng)域還沒有統(tǒng)一的通信協(xié)議，智能家居設(shè)備還處在百家爭鳴的階段。在諸多智居設(shè)備中，支持Wi-Fi協(xié)議和Zig-bee協(xié)議的設(shè)備占據(jù)了較大的市場份額。Wi-Fi協(xié)議的優(yōu)點是標準較為統(tǒng)一、容易部署，缺點是功耗相對較大、組網(wǎng)能力差、安全性差。Zig-bee協(xié)議設(shè)計之初就是為物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)的，在物聯(lián)網(wǎng)的其他領(lǐng)域已經(jīng)儲備了大量的知識和經(jīng)驗，其優(yōu)點是功耗低、組網(wǎng)能力強、安全性強，缺點是Zig-bee協(xié)議的不同版本很難實現(xiàn)互聯(lián)互通。支持Zig-bee協(xié)議的產(chǎn)品開發(fā)難度大，開發(fā)周期長。為了應(yīng)對這種局面有兩種可選方案，第一種方案是統(tǒng)一協(xié)議標準，要求各大物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備廠商按照統(tǒng)一標準生產(chǎn)設(shè)備，這在當前階段還很難實現(xiàn)。好消息是intel、高通、微軟已經(jīng)成立統(tǒng)一的物聯(lián)網(wǎng)標準組織，這將有可能加快智能家居協(xié)議標準的統(tǒng)一。第二種方案是在平臺和智能家庭網(wǎng)關(guān)側(cè)做協(xié)議轉(zhuǎn)換，幫助多種智能家居設(shè)備接入平臺。這也是當前運營商涉足智能家居的努力方向。

對于運營商，家電設(shè)備的通信控制是重要的物聯(lián)網(wǎng)接口，把握這一接口，對于物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的收集和智能家居的研究都具有重要的意義。在此背景下，中國聯(lián)通研究院展開了關(guān)于智能家居平臺和智能家居網(wǎng)關(guān)的研究工作。在智居平臺方面，中國聯(lián)通已經(jīng)與多家智居設(shè)備廠商做過深入的探討，研究平臺之間的對接方案和協(xié)議的轉(zhuǎn)換，并取得階段性成果。在家庭網(wǎng)關(guān)方面，為了配合第三方智居設(shè)備的接入，中國聯(lián)通也做了相應(yīng)的研究。本文對智能家庭網(wǎng)關(guān)在智能家居業(yè)務(wù)中的功能將做深入的探討。

1 智能家居平臺概述

智能家居平臺是智能家居業(yè)務(wù)的核心，其功能模塊包括智能家居設(shè)備管理、設(shè)備監(jiān)測、策略管理、統(tǒng)計分析、運維與運營、合作加盟、用戶接入與管理等模塊。其中設(shè)備管理、設(shè)備檢測和統(tǒng)計分析模塊主要用來實現(xiàn)智能家居設(shè)備的監(jiān)測與控制。如圖1所示，智能家庭網(wǎng)關(guān)連接了智能家居設(shè)備和智能家居遠程管理平臺，智能家居設(shè)備的數(shù)據(jù)上報和用戶下發(fā)的控制指令都是通過智能家庭網(wǎng)關(guān)中轉(zhuǎn)。在功能角色上，智能家庭網(wǎng)關(guān)是家庭環(huán)境的網(wǎng)絡(luò)中心、控制中心、通信服務(wù)中心。

圖1 智能家居的解決方案的總體架構(gòu)圖

在智能家居的解決方案總體架構(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)各類智能家居的業(yè)務(wù)邏輯，其技術(shù)功能架構(gòu)如圖2所示[1]。

圖2 智能家居遠程管理平臺技術(shù)功能架構(gòu)圖

2 智能家庭網(wǎng)關(guān)概述

家庭智能網(wǎng)關(guān)是家居智能化的又一核心，通過它實現(xiàn)系統(tǒng)信息的采集、信息輸入輸出、集中控制、遠程管理等功能[2]。智能家庭網(wǎng)關(guān)具備智能家居控制樞紐及無線路由兩大功能，一側(cè)負責具體的智能家居設(shè)備控制，如水、電、燃氣信息的采集及安防監(jiān)控。另一側(cè)負責無線路由功能，以優(yōu)良的無線性能打通家庭網(wǎng)絡(luò)設(shè)備與外部網(wǎng)絡(luò)的連接。保證在任何空間，無線信號能覆蓋到每一個角落，智能家居設(shè)備能夠輕而易舉地接入到外部網(wǎng)絡(luò)。手機、PAD、多種設(shè)備通過它均可輕松控制到家中的電器。圖3展示了智能家庭網(wǎng)關(guān)在智能家居中的定位布局，可以看出，在家庭環(huán)境中智能家庭網(wǎng)關(guān)起著重要的作用，用戶在局域網(wǎng)中，可以使用手機APP或者Web應(yīng)用通過智能家庭網(wǎng)關(guān)采集智能家居設(shè)備的數(shù)據(jù)，也可以對智能家居設(shè)備進行控制。當用戶連接到互聯(lián)網(wǎng)時，可以通過智能家居平臺遠程連接到智能家庭網(wǎng)關(guān)完成上述控制。

圖3 智能家庭網(wǎng)關(guān)在智能家居中的定位布局

3 智能家庭網(wǎng)關(guān)總體功能定位

智能網(wǎng)關(guān)與智能路由器在定義上有一定的差別，隨著技術(shù)的發(fā)展，這種差別也在逐漸變小。智能路由器即智能化管理的路由器，不同于普通路由器，智能路由器的操作系統(tǒng)更加方便易用，在安全性、擴展性方面都有很大的提高。用戶可以自行安裝各種應(yīng)用，從而達到控制帶寬、在線人數(shù)、瀏覽網(wǎng)頁、在線時間的目的。同時智能路由器擁有強大的USB共享功能，真正做到網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備的智能化管理。

家庭網(wǎng)關(guān)是由電信運營商定制的部署在現(xiàn)代家庭內(nèi)部的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，它的主要作用是使家庭用戶連接到互聯(lián)網(wǎng)[3]，家里的多種智能設(shè)備可以通過家庭網(wǎng)關(guān)連接到互聯(lián)網(wǎng)。家庭網(wǎng)關(guān)不但能為用戶提供寬帶接入/語音業(yè)務(wù)，還能幫助用戶實現(xiàn)家庭組網(wǎng)，智能家居設(shè)備在局域網(wǎng)中可以相互通信。家庭網(wǎng)關(guān)作為電信運營商針對固網(wǎng)業(yè)務(wù)和面向家庭用戶的關(guān)鍵設(shè)備之一，有成為智能家庭網(wǎng)絡(luò)中心的優(yōu)勢和潛力[4]。

運營商的家庭網(wǎng)關(guān)立足于網(wǎng)絡(luò)中心和智能控制中心，在兼顧兩方面功能和性能的同時，還要考慮軟硬件的可擴展性。目前智能家居設(shè)備領(lǐng)域有Wi-Fi、藍牙、Zig-bee、Z-wave等多種協(xié)議，協(xié)議的版本也在不斷升級，支持這些協(xié)議的芯片很難一次集成在網(wǎng)關(guān)設(shè)備上，因此就需要網(wǎng)關(guān)設(shè)備具有良好的軟硬件擴展性，可以方便地插入相應(yīng)協(xié)議的dongle，安裝配套軟件，達到軟硬件擴展的目的。同時家庭智能網(wǎng)關(guān)對于智能家居設(shè)備的控制不能停留在簡單控制的層面，應(yīng)該向可編程化的方向發(fā)展，用戶可以在上層應(yīng)用中輕易地實現(xiàn)智能設(shè)備聯(lián)動。智能家庭網(wǎng)關(guān)的軟件應(yīng)用應(yīng)該向第三方市場開放，方便開發(fā)者為網(wǎng)關(guān)提供豐富多彩的應(yīng)用。圖4是智能家庭網(wǎng)關(guān)基本功能模塊的一種構(gòu)思。

圖4 智能家庭網(wǎng)關(guān)的功能模塊

因此運營商的智能家庭網(wǎng)關(guān)應(yīng)該具備以下關(guān)鍵特征。1)以傳統(tǒng)家庭網(wǎng)關(guān)為基礎(chǔ)，即能夠?qū)崿F(xiàn)Modem+路由器+遠程管理的基本功能。2)有操控界面和云端智能增強，即包含管理平臺、業(yè)務(wù)或能力平臺。3)外網(wǎng)可管理、主動告警。4)用戶可定制，具有智能OS、插件商店，用戶可以方便安裝第三方插件。5)硬件可擴展，總線(USB、SATA等)可以方便擴展外設(shè)。6)承載家庭基礎(chǔ)服務(wù)，能夠滿足用戶上網(wǎng)、娛樂、安防、智能家居的需求，能夠滿足運營商的運營支撐服務(wù)，能夠集成互聯(lián)網(wǎng)內(nèi)容和應(yīng)用，能夠滿足用戶局域網(wǎng)應(yīng)用[5]。

4 智能家庭網(wǎng)關(guān)與聯(lián)通智居平臺的接口

4.1 接口關(guān)系綜述

中國聯(lián)通的智能家居平臺和智能設(shè)備的接口是通用接口，智能家庭網(wǎng)關(guān)也是一種智能設(shè)備。智能設(shè)備與平臺的數(shù)據(jù)連接可采用TCP或UDP協(xié)議，智能設(shè)備在復(fù)位后應(yīng)馬上與平臺重新建立連接，連接建立后智能設(shè)備立即向平臺發(fā)送客戶端鑒權(quán)請求。鑒權(quán)成功后，智能設(shè)備和平臺之間會保持周期性的心跳信息，發(fā)送周期由智能設(shè)備的參數(shù)設(shè)定[1]。智能設(shè)備的注冊、控制、數(shù)據(jù)上報等消息都是基于Json報文傳遞。

4.2 管理類協(xié)議

1)注冊。

智能家庭網(wǎng)關(guān)或設(shè)備在連接到平臺后，若是未注冊狀態(tài)應(yīng)首先進行注冊，注冊成功后平臺會返回鑒權(quán)碼(只對智能家庭網(wǎng)關(guān)以及直接接入平臺的設(shè)備返回鑒權(quán)碼)，智能家庭網(wǎng)關(guān)保存鑒權(quán)碼用于后續(xù)登錄鑒權(quán)。如果智能家庭網(wǎng)關(guān)未發(fā)送過鑒權(quán)請求，則可以再次發(fā)送注冊請求，并且平臺會為其重新返回一個鑒權(quán)碼。智能家庭網(wǎng)關(guān)收到鑒權(quán)碼后需要保存下來并立即發(fā)送鑒權(quán)請求。鑒權(quán)碼由平臺定期更新，并由智能家庭網(wǎng)關(guān)定期獲取。

2)鑒權(quán)。

智能家庭網(wǎng)關(guān)(含可直接接入平臺的設(shè)備)每次在與平臺建立連接或注冊成功后，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。

若鑒權(quán)失敗或未經(jīng)過鑒權(quán)，平臺拒絕向智能家庭網(wǎng)關(guān)發(fā)送任何消息，且當智能家庭網(wǎng)關(guān)向平臺發(fā)送除注冊請求、鑒權(quán)請求和更新鑒權(quán)碼請求以外的消息時，平臺均回復(fù)通用應(yīng)答消息并標識為鑒權(quán)失敗。智能家庭網(wǎng)關(guān)收到鑒權(quán)失敗的消息后應(yīng)立即重新發(fā)送鑒權(quán)消息。

3)客戶端APP接入內(nèi)網(wǎng)。

客戶端APP接入內(nèi)網(wǎng)指的是在手機、PAD等智能終端接入家庭Wi-Fi時可直接與智能家庭網(wǎng)關(guān)建立鏈接，并通過APP下發(fā)控制指令?？蛻舳薃PP接入內(nèi)網(wǎng)后首先發(fā)送廣播消息，智能家庭網(wǎng)關(guān)監(jiān)聽到廣播消息后作出回應(yīng)。繼而客戶端APP向智能家庭網(wǎng)關(guān)發(fā)送身份認證消息，智能家庭網(wǎng)關(guān)對客戶端APP的身份認證成功表示手機接入內(nèi)網(wǎng)完成。接下來客戶端APP便要直接與智能家庭網(wǎng)關(guān)通信并完成指令下發(fā)?？蛻舳薃PP接入內(nèi)網(wǎng)默認使用UDP協(xié)議。

4)消息的組成。

每條消息由標識位、消息頭、消息體和校驗碼組成，如表1所示。消息頭內(nèi)容如表2所示。協(xié)議和消息ID對照表如表3所示。

表1 消息格式

5 通過網(wǎng)關(guān)插件連接智能家居平臺

5.1 極路由的解決方案

極路由的智能路由器具備插件擴展能力。通過編寫智能路由器插件，可以完成連接到智能家具平臺的功能。用戶只需要下載相應(yīng)插件并完成認證流程就可以連接到聯(lián)通智能家居平臺，實現(xiàn)智能家居設(shè)備的控制。由于極路由操作系統(tǒng)本身具備的靈活性，通過開發(fā)升級為運營商家庭網(wǎng)關(guān)是十分容易做到的。

極路由的插件實現(xiàn)是由openapi接口實現(xiàn)的，該接口有兩個域名openapi.hiw ifi.com和client.openapi.hiwi fi.com。當路由器安裝了某個插件后，插件的作者就可以通過openapi.hiwifi.com來調(diào)用這個路由器里面的一些接口。能調(diào)用哪些接口是由插件安裝時配置的。為了調(diào)用此api，調(diào)用者需要使用制作插件時候的app_key和app_secret來對請求簽名。openapi.hiwifi.com的api提供對單獨路由器的調(diào)用，也提供對多個路由器的群發(fā)功能。調(diào)用路徑如圖5所示。

表2 消息頭格式

表3 各類消息列表

圖5 智居平臺通過路由器插件調(diào)用極路由的API

有時插件作者可能會有客戶端軟件，客戶端通過openapi.hiwifi.com和安裝插件的路由器綁定以后，就可以通過client.openapi.hiwifi.com直接調(diào)用綁定路由器里面的接口，接口權(quán)限和openapi.hiwifi.com的是相同的。綁定以后openapi.hiwifi.com會返回一個client_secret，調(diào)用client.openapi.hiwifi.com需要用此client_secret對請求簽名。在路由器的局域網(wǎng)內(nèi)，client.openapi.hiwifi.com這個域名會被攔截到路由器本身，因此客戶端只要訪問client.openapi.hiwi fi.com就可以直接訪問到路由器而不經(jīng)過外網(wǎng)。client.openapi.hiwifi.com僅提供對單個路由器的調(diào)用，無法提供群發(fā)功能。

綁定調(diào)用路徑如圖6所示?？蛻舳诉h程和本地調(diào)用路徑如圖7所示。

圖7 客戶端的遠程調(diào)用和本地調(diào)用路徑

5.2 華為實現(xiàn)方案

華為實現(xiàn)智能家居的方案是通過與南京物聯(lián)合作，在華為的家庭網(wǎng)關(guān)上安裝南京物聯(lián)的dongle，通過dongle控制南京物聯(lián)的智能家居設(shè)備，這種外接dongle的方式也是擴展家庭網(wǎng)關(guān)協(xié)議的一種解決方案。目前南京物聯(lián)智能家居設(shè)備的傳輸協(xié)議是以Zig-bee為主。南京物聯(lián)的dongle是一個USB網(wǎng)關(guān)，華為需要基于南京物聯(lián)提供的SDK開發(fā)dongle的驅(qū)動程序，路由器運行時調(diào)用dongle的API完成設(shè)備的發(fā)現(xiàn)和連接操作。所有的設(shè)備控制指令和上報數(shù)據(jù)都要通過南京物聯(lián)的控制平臺?？蛻舳诉h程調(diào)用路徑如圖8所示。

圖8 華為網(wǎng)關(guān)的USB Dongle解決方案

華為智能家庭網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)方案具體步驟如下：1)APP通過第三方授權(quán)連接南京物聯(lián)平臺，并發(fā)送控制指令；2)南京物聯(lián)平臺將指令下發(fā)到華為的家庭網(wǎng)關(guān)；3)華為家庭網(wǎng)關(guān)將指令轉(zhuǎn)發(fā)給南京物聯(lián)USB dongle；4)USB dongle將指令轉(zhuǎn)發(fā)給智能家居設(shè)備。

5.3 兩種解決方案的比較

對于運營商而言，以上兩種解決方案各有利弊，可以取長補短，相互結(jié)合。極路由的解決方案是在智能網(wǎng)關(guān)(或智能路由器)操作系統(tǒng)上安裝智能家居平臺的插件。該方案是以軟件升級為主，運營商可以保持自己的智能家居平臺和智能家居協(xié)議不變，在智能網(wǎng)關(guān)的基礎(chǔ)之上通過簡單的軟件擴展，實現(xiàn)智能家居的業(yè)務(wù)。由于確保了智能家居協(xié)議和平臺的穩(wěn)定不變，運營商在智能家居的市場上擁有一定的主動權(quán)，其他廠商要想接入運營商的智能家居平臺，必須對自身的軟件進行改造，適配運營商協(xié)議和平臺。這對于規(guī)范智能家居協(xié)議，統(tǒng)一市場有一定的推動作用。對于沒有自身平臺，或者不愿意搭建智能家居平臺而又想擁有大量用戶的小企業(yè)有一定的吸引力，企業(yè)可以更專注于智能家居設(shè)備的研發(fā)，而不必花費經(jīng)歷去運營智居平臺。

對于那些不愿意改造自身協(xié)議或者已經(jīng)擁有自己智居平臺的企業(yè)，運營商與智居廠商的合作方式是平臺之間的對接，這樣就能保證原有的智能家居協(xié)議不變，運營商平臺只作為管道，讓控制協(xié)議和數(shù)據(jù)流通過。因此華為的方案是一種很好的選擇，USB dongle的本質(zhì)就是一個微型的智能家居網(wǎng)關(guān)，這個網(wǎng)關(guān)完全支持智居設(shè)備廠商的協(xié)議，因此只需要在智能家庭網(wǎng)關(guān)上安裝驅(qū)動程序，讓USB dongle與智能家庭網(wǎng)關(guān)適配，就能實現(xiàn)智能家居業(yè)務(wù)。

6 智能家庭網(wǎng)關(guān)連接“智慧沃家”

“智慧沃家”就是將寬帶、4G、數(shù)字電視業(yè)務(wù)進行有機組合，通過一根光纖實現(xiàn)家庭的互聯(lián)網(wǎng)連接，實現(xiàn)家庭醫(yī)療、智慧家居、IPTV互聯(lián)網(wǎng)電視。目前中國聯(lián)通的智能家居平臺還沒有上線，以下僅對智能家庭網(wǎng)關(guān)在“智慧沃家”業(yè)務(wù)中的應(yīng)用做一探討。當用戶申請“智慧沃家”業(yè)務(wù)之后，就可以通過智能家庭網(wǎng)關(guān)完成設(shè)備鑒權(quán)、連接平臺等流程。具體的連接流程如圖9所示。

以下是用戶通過智能家庭網(wǎng)關(guān)完成智能設(shè)備到智能家居平臺的全程穿透流程，其中“智慧沃家”賬號是用戶身份的唯一標識。

1)用戶申請智慧沃家?guī)ぬ枺?)智慧沃家平臺將用戶申請的帳號信息下發(fā)到智能家居平臺；3)用戶通過智能家庭網(wǎng)關(guān)登錄到智能家居平臺，登錄所用的帳號就是智慧沃家賬號，同時將購買的智能設(shè)備ID與該帳號關(guān)聯(lián)；4)同第3條；5)用戶開啟智能家居設(shè)備；6)智能家居設(shè)備連接智能家庭網(wǎng)關(guān)上報設(shè)備ID；7)智能家庭網(wǎng)關(guān)向平臺上報智能設(shè)備ID，并發(fā)起鑒權(quán)；8)智能家居平臺向智能家庭網(wǎng)關(guān)答復(fù)鑒權(quán)成功；9)智能家庭網(wǎng)關(guān)向智能設(shè)備答復(fù)鑒權(quán)成功；10)用戶在智能家庭網(wǎng)關(guān)上下載智能設(shè)備插件；11)網(wǎng)關(guān)從平臺下載智能設(shè)備插件；12)網(wǎng)關(guān)和智能設(shè)備之間完成數(shù)據(jù)交互。

圖9 智能家庭網(wǎng)關(guān)連接“智慧沃家”流程

7 結(jié)語

智能家居已經(jīng)成為運營商和廠商布局、競爭的重點。技術(shù)和標準呈現(xiàn)百花齊放的局面，Allseen聯(lián)盟、開放互聯(lián)聯(lián)盟(OIC)、Thread聯(lián)盟三大陣營正在推進各標準之間的互聯(lián)互通[6]。作為運營商新的業(yè)務(wù)增長點，該領(lǐng)域?qū)韯荼馗偁幖ち?。三大運營商和智能家居設(shè)備廠商已經(jīng)在軟硬件市場紛紛投入研發(fā)。智能家庭網(wǎng)關(guān)作為智能家居進入家庭的第一站起著至關(guān)重要的作用。借此機會部署一批既滿足業(yè)務(wù)需求，又滿足用戶期望的智能家庭網(wǎng)關(guān)設(shè)備，對將來智能家居市場的拓展意義重大。

參考文獻

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