Wi-Fi組網(wǎng)技術(shù)在智能家居環(huán)境中的使用與優(yōu)化

1 引言

從20世紀(jì)90年代至今，隨著近距離無線通信技術(shù)的快速發(fā)展和普及，物聯(lián)網(wǎng)通信的成本日趨低廉，伴隨而來的是物聯(lián)網(wǎng)市場的蓬勃發(fā)展和快速迭代。作為物聯(lián)網(wǎng)的典型領(lǐng)域，智能家居成為物聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)時代最受廣大消費者青睞和最具市場前景的重要領(lǐng)域。

本文對無線短距離技術(shù)，尤其是Wi-Fi技術(shù)在智能家居領(lǐng)域的使用現(xiàn)狀展開陳述，通過市場數(shù)據(jù)統(tǒng)計與實驗室驗證定向、定量分析Wi-Fi技術(shù)在智能家居領(lǐng)域中的熱點問題，同時介紹一種新型的Wi-Fi智能家居組網(wǎng)技術(shù)的優(yōu)化方案。

2 Wi-Fi技術(shù)在智能家居中的應(yīng)用

2.1 Wi-Fi技術(shù)在智能家居中的使用情況

從2009年Wi-Fi 802.11n無線通信產(chǎn)品正式進(jìn)入全球市場至今，憑借其低廉的成本以及優(yōu)秀的組網(wǎng)與覆蓋能力成為物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域重要的組網(wǎng)技術(shù)之一。智能家居作為物聯(lián)網(wǎng)在家庭單元的典型體現(xiàn)也將Wi-Fi技術(shù)作為最重要的組網(wǎng)方案。眾多家電、家居設(shè)備實現(xiàn)智能化的管理控制以及實施不同復(fù)雜程度的聯(lián)動場景，越來越多地依賴于云數(shù)據(jù)與云服務(wù)。而Wi-Fi技術(shù)則是這些智能家居設(shè)備接入Internet、云服務(wù)實現(xiàn)智能控制以及智能化聯(lián)動場景的主要途徑。截至2017年年底，據(jù)Wi-Fi聯(lián)盟統(tǒng)計，全球的Wi-Fi產(chǎn)品全年出貨量已經(jīng)超過37.7億，其中家用產(chǎn)品的比例即將超過52%。

在智能家居產(chǎn)品中，家庭娛樂設(shè)備如電視、機(jī)頂盒、平板電腦、智能手機(jī)等，家庭安防類設(shè)備如監(jiān)控攝像頭、聯(lián)網(wǎng)報警裝置等；各類傳感器網(wǎng)關(guān)，家庭環(huán)境調(diào)節(jié)設(shè)備如空調(diào)、空氣凈化器、空氣質(zhì)量探測器、智能插座；家庭健康類設(shè)備如電子血壓計、電子血糖計等均配置Wi-Fi通信模塊作為控制多媒體內(nèi)容傳輸以及智能家居數(shù)據(jù)上傳云端的組網(wǎng)方法。據(jù)統(tǒng)計，當(dāng)前超過90%的智能家居產(chǎn)品類型配置了Wi-Fi組網(wǎng)通信模塊（見圖1）。

圖1 不同無線技術(shù)在智能家居產(chǎn)品中使用比例

2.2 Wi-Fi組網(wǎng)技術(shù)在智能家居中的熱點問題

目前智能家居產(chǎn)品中多數(shù)設(shè)備自身缺乏有效的用戶配置界面，故而依舊采用在PC或者手機(jī)端常用的Wi-Fi檢索，用戶名密碼輸入的方式來接入Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)是十分困難的。鑒于此，智能家居企業(yè)紛紛制定了一些折中的解決辦法來克服這一挑戰(zhàn)。但是，鑒于技術(shù)方案設(shè)計自身缺陷或者應(yīng)用協(xié)議格式定義過于細(xì)化導(dǎo)致的兼容性問題等原因，目前智能家居產(chǎn)品的Wi-Fi功能使用以及用戶上線激活的比例非常低。這使得智能家居產(chǎn)業(yè)承諾給用戶的大部分智能化體驗不能夠得到兌現(xiàn)。

當(dāng)前在技術(shù)領(lǐng)域與實際的智能家居產(chǎn)品實現(xiàn)方案當(dāng)中使用量最多的方案有SoftAP、QRCode+Wi-Fi、廣播或組播配置、BLE+Wi-Fi以及WPS2.0等諸多方案（見圖2）。2017年，中國信息通信研究院泰爾終端實驗室組織了一批當(dāng)前智能家居市場中常見的單品設(shè)備進(jìn)行調(diào)研并開展驗證試驗，就目前的集中Wi-Fi配置方案進(jìn)行了梳理和對比，得出如表1所示的結(jié)論。

3 智能家居環(huán)境中的Wi-Fi技術(shù)優(yōu)化

作為全球最大的Wi-Fi技術(shù)論壇組織，Wi-Fi聯(lián)盟憑借在芯片、技術(shù)方案商、操作系統(tǒng)運營商、設(shè)備廠商、消費電子銷售業(yè)等領(lǐng)域最受認(rèn)可的技術(shù)組織，于2013年成立了物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域智能家居組網(wǎng)方案優(yōu)化的技術(shù)工作組，專門針對上文所提到的配網(wǎng)問題為缺乏屏幕或者用戶界面的Wi-Fi產(chǎn)品提供無線網(wǎng)絡(luò)安全配置與接入的解決方案。

3.1 DPP技術(shù)簡介

Wi-Fi聯(lián)盟的技術(shù)項目名稱為Device Provision Protocol（ 簡 稱DPP）。DPP技術(shù)可以有效利用可授信的終端設(shè)備，如智能手機(jī)，支持通過二維碼掃描、藍(lán)牙低功耗技術(shù)、NFC近距離感應(yīng)技術(shù)或者Wi-FiAware感應(yīng)技術(shù)發(fā)現(xiàn)并引導(dǎo)其他設(shè)備接入，新設(shè)備添加與網(wǎng)絡(luò)配置過程操作快速、安全、簡單。此外，DPP技術(shù)在設(shè)備注冊、管理、刪除等流程中引入有效加密措施以確保用戶安全。

圖2 智能家居中Wi-Fi組網(wǎng)配置實現(xiàn)方案調(diào)研結(jié)果

表1 智能家居產(chǎn)業(yè)當(dāng)前可用的Wi-Fi組網(wǎng)方案對比

DPP的技術(shù)方案為Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)中的接入點設(shè)備（AccessPoint）、終端設(shè)備（Station）重新賦予了新的協(xié)議角色，在DPP協(xié)議中引入了4個新的設(shè)備角色：

（1）DPP協(xié)議觸發(fā)端（Initiator）：DPP協(xié)議的發(fā)起者，通過掃描二維碼、藍(lán)牙技術(shù)、NFC或者Wi-Fi Aware感應(yīng)技術(shù)主動觸發(fā)DPP的設(shè)備發(fā)現(xiàn)協(xié)議流程。

（2）DPP協(xié)議應(yīng)答端（Responder）：DPP協(xié)議的響應(yīng)者，通過應(yīng)答可被其他終端或者組網(wǎng)設(shè)備發(fā)現(xiàn)并提供該設(shè)備的Wi-Fi組網(wǎng)功能等基本響應(yīng)信息。

（3）DPP連接配置端（Configurator）：用于為待接入網(wǎng)絡(luò)的終端設(shè)備（簡稱STA）和接入點設(shè)備（簡稱AP）協(xié)商并傳遞網(wǎng)絡(luò)名稱（SSID）、無線模式、工作信道、加密方式以及組網(wǎng)安全憑據(jù)等信息。

（4）DPP用戶（Enrollee）：DPP的用戶（Enrollee）可以是終端STA或AP，在獲取配置器提供的WLAN網(wǎng)絡(luò)連接信息后可以建立WLAN連接，在DPP的連接過程中STA并不需要提前與AP做復(fù)雜的協(xié)商工作。

DPP的協(xié)議流程分為設(shè)備發(fā)現(xiàn)與引導(dǎo)（Bootstrapping）、設(shè)備安全認(rèn)證（Authentication）、設(shè)備配置（Configuration）、設(shè)備連接（Connection）4個部分，詳情見圖3。

圖3 DPP設(shè)備認(rèn)證協(xié)議流程

（1）在Bootstrap階段DPP的Initiator將有機(jī)會獲得Responder提供的設(shè)備MAC地址、可支持的無線模式、可工作的無線信道以及一份用于標(biāo)識設(shè)備并為下一段加密處理提供的Bootstrapping公共秘鑰（Public Key）。

（2）在Authentication階段，DPP配置器會根據(jù)上一階段獲取的公共秘鑰，基于橢圓曲線加密算法生成認(rèn)證階段的通信私鑰，用以加密認(rèn)證階段的DPP配置器和DPP用戶的身份與鑒權(quán)信息。同樣，在認(rèn)證階段通信雙方會采用RFC7517推薦的JSON Web Key（JWK）加密算法生成下一階段通信所需的一組DPP Configuration秘鑰。

（3）在Configuration階段，DPP配置器會根據(jù)用戶提供的Wi-Fi功能的基本信息以及自身掌握的有效范圍內(nèi)的AP信息，經(jīng)過功能匹配與確認(rèn)后發(fā)起無線組網(wǎng)配置的協(xié)議流程，在此期間將被組網(wǎng)配對的AP和STA將獲得一套關(guān)聯(lián)所需的SSID、無線信道、工作模式與工作帶寬、組網(wǎng)安全憑證（Access Key Management，AKM）；若通過DPP協(xié)商配置的AP設(shè)備支持DPP功能，AKM機(jī)制將會使用WPA2加密技術(shù)直接生成可用于AP和STA關(guān)聯(lián)所需的WPA2會話秘鑰（Pair Master Key，PMK）以及雙方用做加密算子對齊的PMKID；若該APP設(shè)備暫無法支持DPP功能，AKM機(jī)制可使用WPA2加密技術(shù)生成可用于AP和STA關(guān)聯(lián)所需要的預(yù)共享秘鑰（Pre-SharedKey，PSK），在下一階段STA與AP的關(guān)聯(lián)過程將通過關(guān)聯(lián)階段的四次握手協(xié)商PMK與PMKID建立連接。

（4）在Connection階段，獲取AP網(wǎng)絡(luò)配置信息后的STA會向協(xié)商好的AP發(fā)起關(guān)聯(lián)請求，并通過認(rèn)證和接入流程實現(xiàn)關(guān)聯(lián)通信，詳情見圖4。

在DPP的整個協(xié)議流程中，DPP的配置器將作為主要角色為缺乏用戶界面的終端設(shè)備提供網(wǎng)絡(luò)選擇和預(yù)設(shè)置的工作，且基于不同流程階段的加密處理，確保網(wǎng)絡(luò)的設(shè)置與配網(wǎng)信息的傳遞保密。在用戶側(cè)，DPP的功能實現(xiàn)可能僅僅是一個虛擬的按鈕即可發(fā)出對智能家居設(shè)備的聯(lián)網(wǎng)配置。而在功能實現(xiàn)方面，DPP的技術(shù)也盡可能減少了對Wi-Fi芯片或者模塊硬件重新設(shè)計開發(fā)的成本，所有DPP的協(xié)議都采用IEEE802.11協(xié)議規(guī)定的一套通用管理幀（Action Frame）來封裝，這在協(xié)議的兼容性以及與老舊設(shè)備的兼容性方面也有良好的保障。

3.2 DPP使用場景概述

在Wi-Fi聯(lián)盟的DPP技術(shù)方案中也定義了豐富的應(yīng)用場景以供開發(fā)者和用戶能夠更好地理解這項技術(shù)所帶來的便利。圖5所示是DPP技術(shù)最常見的適用場景，其中STA1是一部智能手機(jī)，且支持DPP功能；AP是一臺支持DPP功能的無線接入設(shè)備；STA2是一臺缺乏用戶界面的智能家居設(shè)備。在通信初期，STA1將通過DPP的方式快速接入AP網(wǎng)絡(luò)，并通過DPP的Bootstrapping發(fā)現(xiàn)所處位置區(qū)域的智能家居設(shè)備STA2。接下來通過DPP的認(rèn)證和配置流程將所知的AP網(wǎng)絡(luò)信息告知STA2。STA2在獲取這些信息后可以主動或者自動發(fā)起組網(wǎng)的關(guān)聯(lián)請求，并接入該AP。為了更好地支持與用戶市場已有Wi-Fi網(wǎng)關(guān)設(shè)備的兼容性，DPP協(xié)議也實現(xiàn)了在老舊AP布網(wǎng)環(huán)境下的快速配網(wǎng)場景。如圖6所示，STA1是一部智能手機(jī)，且支持DPP功能；AP是一臺普通的無線接入設(shè)備；STA2是一臺缺乏用戶界面的智能家居設(shè)備。STA1與AP之間可以提前建立普通的Wi-Fi連接，甚至STA1不需接入AP，只作為授信設(shè)備得到該AP的SSID、預(yù)共享秘鑰以及獲得AP的工作模式和工作信道即可為STA2提供DPP的快速配網(wǎng)服務(wù)。在完成DPP的配網(wǎng)后，STA2將通過現(xiàn)行的WPA2-PSK的方式與AP進(jìn)行關(guān)聯(lián)。此外，基于對用戶需求的預(yù)估、網(wǎng)絡(luò)配置效率的考慮和組網(wǎng)體驗的進(jìn)一步優(yōu)化等多方面的考慮，DPP的技術(shù)方案也同時支持對于終端設(shè)備快速配置的批量處理場景。圖7所示案例與以上兩個案例有所不同的是在此場景中AP將作為DPP組網(wǎng)的配置端通過藍(lán)牙或者NFC的方式主動獲取不同終端設(shè)備的信息屏予以集中的接入與配置。

3.3 DPP標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程

圖4 DPP設(shè)備Wi-Fi連接簡化協(xié)議流程

圖5 DPP使用場景范例1

圖6 DPP使用場景范例1

DPP是目前Wi-Fi聯(lián)盟針對物聯(lián)網(wǎng)以及智能家居領(lǐng)域主要推進(jìn)的技術(shù)方案。Wi-Fi聯(lián)盟在2013年12月啟動DPP的市場工作組并在北美、歐洲和中國區(qū)域啟動市場調(diào)研，2015年DPP的技術(shù)工作組正式成立，并于2017年完成技術(shù)方案在多家芯片廠商以及方案廠商測試的實現(xiàn)，目前Wi-Fi聯(lián)盟正在緊密組織DPP產(chǎn)品與技術(shù)方案的互聯(lián)互通調(diào)試工作，截至目前，DPP的互聯(lián)互通調(diào)試已經(jīng)完成了6輪。預(yù)期該技術(shù)項目將于2018年第一季度正式公布。目前，該項目在Wi-Fi聯(lián)盟中收到來自芯片供應(yīng)商、運營商、軟件服務(wù)商、消費類電子產(chǎn)品制造商、組網(wǎng)方案供應(yīng)商等多家成員企業(yè)的積極參與。DPP技術(shù)在國內(nèi)也受到了廣泛的關(guān)注，以海爾、華為、小米、WinnerMicro為代表的家電廠商、通信設(shè)備廠商和Wi-Fi模組廠商都在積極參與Wi-Fi聯(lián)盟DPP的技術(shù)工作組活動并在積極籌備下一代產(chǎn)品的DPP功能實現(xiàn)。

圖7 DPP使用場景范例3

DPP技術(shù)的推出無疑會極大程度地改善當(dāng)前智能家居產(chǎn)品在組網(wǎng)配置方面的用戶體驗，為進(jìn)一步推動智能家居產(chǎn)業(yè)升級提供助力。

4 結(jié)束語

Wi-Fi技術(shù)以其低廉的組網(wǎng)成本和高效優(yōu)質(zhì)的組網(wǎng)特性，在未來一段較長的時間內(nèi)將作為智能家居產(chǎn)品組網(wǎng)以及加入移動互聯(lián)網(wǎng)的重要方案。而Wi-Fi技術(shù)本身需要針對智能家居環(huán)境、產(chǎn)品特性、功耗、鏈路安全等諸多方面的訴求不斷優(yōu)化改良，進(jìn)而能夠為國內(nèi)、國際廣大消費市場提供優(yōu)質(zhì)的、用戶體驗良好的智能家居產(chǎn)品以及整體方案。

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