物聯(lián)網(wǎng)智能家居場景通信耗用分析

樊蓉 蔣翊生 贠靖洋 胡佳怡

【摘 要】針對物聯(lián)網(wǎng)智能家居場景，介紹了智能家居系統(tǒng)的基本架構(gòu)，設(shè)計實(shí)驗分析了智能家居系統(tǒng)控制中的通信耗用情況，并根據(jù)智能家居需求響應(yīng)調(diào)度應(yīng)用，對智能家居用戶通信耗用成本的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了分析。分析結(jié)果表明采用終端感知控制單元和云端直接互聯(lián)的智能家居系統(tǒng)架構(gòu)時，在當(dāng)前運(yùn)營商物聯(lián)網(wǎng)資費(fèi)套餐的情況下，用戶通信耗用成本還相對較高。針對物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展趨勢，對于不同的物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)應(yīng)用場景，電信運(yùn)營商可進(jìn)一步豐富物聯(lián)網(wǎng)通信計費(fèi)方式，增加物聯(lián)網(wǎng)資費(fèi)套餐的多樣性和合理性。

【關(guān)鍵詞】物聯(lián)網(wǎng)；智能家居；通信耗用；經(jīng)濟(jì)性

Communication Consumption Analysis in IoT Smart Home Scenario

FAN Rong1， JIANG Yisheng1， YUN Jingyang2， HU Jiayi2

[Abstract] For the smart home application scenario in Internet of Things （IoT）， the basic architectures of smart home systems are introduced. The communication consumption in the control of smart home systems is analyzed according to experiments. Combined with the response of smart home requirements， applications are to scheduled， and then the economic efficiency of communication consumption cost for smart home users is analyzed. Analysis results demonstrate that， when the smart home architecture with terminal perception control unit and direct cloud connection is used， the communication consumption cost is relatively high in the case of current operators IoT communication tariff packages. According to the developmental trend， telecommunication operators should further enrich the charge modes of IoT communications and increase the versatility and feasibility of IoT communication tariff packages for different IoT service application scenarios.

[Key words]Internet of Things （IoT）； smart home； communication consumption； economic efficiency

1 引言

據(jù)2017年6月至2017年8月公開發(fā)布的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，2017年中國移動、中國電信和中國聯(lián)通的物聯(lián)網(wǎng)連接（用戶）數(shù)分別達(dá)到1.3億、0.28億和0.5億。據(jù)GSMA移動智庫與中國信息通信研究院發(fā)布的研究報告預(yù)測，到2020年中國物聯(lián)網(wǎng)的連接總數(shù)將達(dá)到10億，具備廣闊的發(fā)展前景。2017年1月工信部發(fā)布的《信息通信行業(yè)發(fā)展規(guī)劃物聯(lián)網(wǎng)分冊（2016—2020年）》中明確指出“十三五”期間物聯(lián)網(wǎng)重點(diǎn)領(lǐng)域應(yīng)用示范工程包括智能制造、智慧農(nóng)業(yè)、智能家居、智能交通和車聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域。中國移動也推出了面向企業(yè)客戶的交通物流、節(jié)能環(huán)保和智慧城市及面向個人客戶的車聯(lián)網(wǎng)、智能家居和智能穿戴等物聯(lián)網(wǎng)解決方案。

傳統(tǒng)的用戶側(cè)用電家居主要包括空調(diào)、冰箱和照明等電氣設(shè)備，作為物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的重點(diǎn)領(lǐng)域，智能家居通過將用戶所需的冷熱電等進(jìn)行耦合，根據(jù)居住者的生活習(xí)慣、電網(wǎng)電壓及其他信息進(jìn)行運(yùn)行管理，可以實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗、電網(wǎng)友好和參與需求管理等[1]。智能家居作為家庭使用的終端單元，也成為了智能電網(wǎng)的重要組成部分。從電能使用的角度來看，智能家居系統(tǒng)通過與智能電網(wǎng)系統(tǒng)互動，使得用戶可以依據(jù)自己的需求及電價因素等主觀地控制電能使用[2]。

文獻(xiàn)[3]介紹了智能家居系統(tǒng)中不同感知和控制設(shè)備的具體通信速率要求，但當(dāng)前對智能家居系統(tǒng)控制過程中通信耗用的研究鮮有涉及。本文針對物聯(lián)網(wǎng)智能家居場景，基于物聯(lián)網(wǎng)智能開關(guān)設(shè)備，設(shè)計實(shí)驗對智能家居系統(tǒng)控制中的通信耗用進(jìn)行分析。

2 智能家居系統(tǒng)基本架構(gòu)

圖1為在文獻(xiàn)[3]和文獻(xiàn)[4]的基礎(chǔ)上建立的包含家庭節(jié)點(diǎn)（Home Node，HN）的智能家居系統(tǒng)示意圖。如圖1所示，智能家居系統(tǒng)可以劃分為感知層、網(wǎng)絡(luò)及平臺層（云端）、應(yīng)用層等三個層次[5]。家庭區(qū)域內(nèi)感知控制單元和HN間可采用Zigbee、LTE和NB-IoT等無線連接方式[3，5]。家庭區(qū)域外云端與HN和應(yīng)用間可采用LTE和NB-IoT等連接方式[4]。

中國移動根據(jù)客戶對速率的不同要求提供不同的物聯(lián)網(wǎng)解決方案，如針對高、中速率的TD-LTE網(wǎng)絡(luò)和針對低速率的NB-IoT網(wǎng)絡(luò)[6]。NB-IoT網(wǎng)絡(luò)具有傳輸效率高、覆蓋范圍廣、連接能力強(qiáng)、組網(wǎng)靈活等優(yōu)勢，同時擁有成熟的產(chǎn)業(yè)鏈，模組和芯片等硬件價格低廉，建設(shè)及運(yùn)行成本低。由于智能家居系統(tǒng)內(nèi)對感知控制單元的通信速率要求不高，峰值速率為200 kb/s的NB-IoT網(wǎng)絡(luò)理論上能夠滿足智能家居系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信需求[3]。

包含家庭中繼網(wǎng)關(guān)（如圖1中的HN）的智能家居系統(tǒng)架構(gòu)可以節(jié)省移動通信信道容量需求，但會影響家居單元間的不同通信需求[7]。隨著NB-IoT網(wǎng)絡(luò)的全面部署，考慮NB-IoT網(wǎng)絡(luò)海量連接等優(yōu)勢，作為未來發(fā)展趨勢，可以通過NB-IoT網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)智能家居系統(tǒng)內(nèi)感知控制單元和云端的直接互聯(lián)，使得信息可以通過蜂窩網(wǎng)絡(luò)直接上傳到云端的管理平臺上，可以避免中繼網(wǎng)關(guān)帶來的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜和連接可靠性等方面的問題，增加了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和靈活性，并能降低系統(tǒng)安裝部署和維護(hù)的成本[7-8]。

3 智能家居系統(tǒng)通信耗用實(shí)驗分析

圖2是為智能家居系統(tǒng)通信耗用分析而搭建的實(shí)驗測試系統(tǒng)。測試系統(tǒng)中采用市售某型智能開關(guān)作為感知控制單元，通過手機(jī)控制應(yīng)用可以實(shí)現(xiàn)智能開關(guān)的開關(guān)控制（開通、關(guān)斷和點(diǎn)動）及開關(guān)狀態(tài)感知。圖2中的智能開關(guān)采用中國移動物聯(lián)網(wǎng)卡實(shí)現(xiàn)云端與智能開關(guān)的連接，云端與智能開關(guān)間和云端與手機(jī)控制應(yīng)用間通過移動網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)。

圖2 智能家居實(shí)驗測試系統(tǒng)

針對圖2中的智能家居實(shí)驗測試系統(tǒng)，2017年9月11日設(shè)計并進(jìn)行了3組實(shí)驗以分析智能家居系統(tǒng)控制過程中的通信耗用。3組實(shí)驗的具體實(shí)驗內(nèi)容、日期、時間段和實(shí)驗時間段內(nèi)智能開關(guān)的流量耗用如表1所示。為方便統(tǒng)計實(shí)驗時間段內(nèi)智能開關(guān)流量耗用情況，實(shí)驗過程中智能開關(guān)使用一張歸屬地為上海的中國移動SIM卡（IMSI：460022166515541），并通過查詢詳單的方式獲得實(shí)驗時間段內(nèi)的流量耗用。通過對表1中的實(shí)驗結(jié)果進(jìn)行分析，圖2測試系統(tǒng)中智能開關(guān)的每次開關(guān)控制的平均通信耗用為0.295 kB/次操作。

本章通過實(shí)驗的方法得到了智能家居測試系統(tǒng)控制過程中的通信耗用情況。除本文考慮的智能家居場景外，文獻(xiàn)[9]列出了遠(yuǎn)程醫(yī)療、智慧農(nóng)業(yè)、車聯(lián)網(wǎng)等其它典型物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)感知或控制操作的數(shù)據(jù)傳輸頻率和數(shù)據(jù)包大小，不同物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳輸過程中單向數(shù)據(jù)包大小范圍為0.026～0.146 kB/次操作。考慮到本章智能家居通信耗用實(shí)驗結(jié)果中統(tǒng)計了雙向流量，和文獻(xiàn)[9]列出的數(shù)據(jù)相比，本章實(shí)驗結(jié)果具備合理性。隨著未來物聯(lián)網(wǎng)連接數(shù)的不斷增加，通過實(shí)驗等方法得到更加精確的物聯(lián)網(wǎng)內(nèi)不同用戶（設(shè)備）的通信耗用模型能夠為NB-IoT網(wǎng)絡(luò)的部署規(guī)劃設(shè)計及運(yùn)營策略提供重要的參考。

4 智能家居場景通信耗用成本經(jīng)濟(jì)性分析

在分時電價環(huán)境下，滿足用戶的生活習(xí)慣及用能需求，將家庭范圍內(nèi)的電器等用能負(fù)荷設(shè)施參與電網(wǎng)需求響應(yīng)調(diào)度，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗并減少用戶電費(fèi)支出是物聯(lián)網(wǎng)智能家居的重要目標(biāo)。本章將在上一章實(shí)驗結(jié)果的基礎(chǔ)上，結(jié)合當(dāng)前國內(nèi)主要電信運(yùn)營商物聯(lián)網(wǎng)卡資費(fèi)情況，對智能家居需求響應(yīng)調(diào)度應(yīng)用中的通信耗用成本及經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行分析。

2017年6月，中國電信率先推出了全球首個NB-IoT套餐[10]。緊接著，德國電信也發(fā)布了其NB-IoT業(yè)務(wù)套餐。表2中為國內(nèi)主要電信運(yùn)營商物聯(lián)網(wǎng)卡資費(fèi)情況（2017年10月）。目前，我國主要運(yùn)營商物聯(lián)網(wǎng)卡的計費(fèi)方式分為兩類：一類為流量套餐，按流量計費(fèi)；另一類為連接服務(wù)費(fèi)和高頻功能費(fèi)相結(jié)合，可以理解為按連接次數(shù)計費(fèi)。

表3列出了智能家居參與需求響應(yīng)調(diào)度的用戶通信流量耗用和電費(fèi)收益估算情況。表3中，參考文獻(xiàn)[11]中考慮的家庭用能負(fù)荷設(shè)施種數(shù)和每種設(shè)施個數(shù)（1～2個），設(shè)置智能家居系統(tǒng)戶均感知控制單元數(shù)為10個/戶。文獻(xiàn)[12]至文獻(xiàn)[14]，需求響應(yīng)調(diào)度時間步長一般在15分鐘至1小時，因此智能家居參與需求響應(yīng)調(diào)度的通信連接頻次一般為1～4次/小時。

取通信連接頻次的中間值2次/小時，表3中還列出了含家庭中繼網(wǎng)關(guān)（如圖1所示）和不含中繼網(wǎng)關(guān)（感知控制單元和云端直接互聯(lián)）這兩種智能家居系統(tǒng)架構(gòu)中，家庭中繼網(wǎng)關(guān)和每個與云端直接互聯(lián)的感知控制單元的平均通信次數(shù)、單次連接流量耗用和月度流量耗用估算情況。其中，感知控制單元單次連接流量耗用取上一章實(shí)驗結(jié)果值，中繼網(wǎng)關(guān)單次連接流量耗用近似取家庭范圍內(nèi)所有感知控制單元流量耗用需求之和。

對參與需求響應(yīng)調(diào)度的智能家居用戶電費(fèi)收益的估算，參照《上海市居民年度賬單繳費(fèi)白皮書（2016）》，上海居民家庭2016年度戶均繳納電費(fèi)2 099.52元（174.96元/月×12月），將該數(shù)值取為表3中戶均年度電費(fèi)參數(shù)值。智能家居參與需求響應(yīng)調(diào)度用戶電費(fèi)下降率一般為5%～15%[15]，因此表3中估算的智能家居參與需求響應(yīng)調(diào)度的用戶年度電費(fèi)收益范圍為104.98～314.93元/年。

表4為根據(jù)表3中相關(guān)參數(shù)值得到的智能家居參與需求響應(yīng)調(diào)度用戶通信耗用成本的估算情況。其中，按流量計費(fèi)和按連接次數(shù)計費(fèi)分別參照表2中運(yùn)營商1和運(yùn)營商3的資費(fèi)情況。對按流量計費(fèi)的方式，根據(jù)表3中月度流量耗用情況，智能家居系統(tǒng)考慮家庭中繼網(wǎng)關(guān)時，中繼網(wǎng)關(guān)處選擇運(yùn)營商1的流量套餐為2元/月（5 MB）；不考慮中繼網(wǎng)關(guān)，采用直接互聯(lián)的系統(tǒng)架構(gòu)時，感知控制單元處選擇的流量套餐為1元/月（2 MB）。為分析智能家居參與需求響應(yīng)調(diào)度中用戶通信耗用成本占電費(fèi)收益的比重，在表3的基礎(chǔ)上進(jìn)一步取平均電費(fèi)下降率為10%（如文獻(xiàn)[16]中的結(jié)果9.99%），用戶平均年度電費(fèi)收益為209.95元/年。

對于表4中的智能家居參與需求響應(yīng)調(diào)度用戶的通信耗用成本，當(dāng)采用包含家庭中繼網(wǎng)關(guān)的智能家居系統(tǒng)架構(gòu)時，按流量計費(fèi)和按連接次數(shù)計費(fèi)兩種計費(fèi)方式下用戶通信耗用成本占用戶平均年度電費(fèi)收益比例分別為11.43%和6.25%～9.53%，較為合適。

表4 智能家居參與需求響應(yīng)調(diào)度用戶通信耗用成本的估算情況

序號 智能家居系統(tǒng)架構(gòu) 計費(fèi)方式 用戶年度通信耗用

成本

1 包含中繼網(wǎng)關(guān) 按流量計費(fèi) 24元/年

2 包含中繼網(wǎng)關(guān) 按連接次數(shù)計費(fèi) 13.13元～20元/年

3 不包含中繼網(wǎng)關(guān) 按流量計費(fèi) 120元/年

4 不包含中繼網(wǎng)關(guān) 按連接次數(shù)計費(fèi) 131.25元～200元/年

當(dāng)不考慮中繼網(wǎng)關(guān)，采用感知控制單元和云端直接互聯(lián)的智能家居系統(tǒng)架構(gòu)時，在當(dāng)前運(yùn)營商資費(fèi)套餐的情況下，用戶通信耗用成本相對較高。參照表3，對按流量計費(fèi)，單個感知控制單元月度流量耗用并不高（424.80 kB/月）；對按連接次數(shù)計費(fèi)，感知控制單元單次連接的流量耗用較?。?.295 kB/次）。針對感知控制單元流量耗用的特點(diǎn)，運(yùn)營商可以考慮更加具有針對性的物聯(lián)網(wǎng)通信計費(fèi)方式，如按流量計費(fèi)方式下的小流量套餐或者按連接次數(shù)計費(fèi)方式下進(jìn)一步降低流量連接的單次連接費(fèi)用，均可進(jìn)一步降低用戶的通信耗用成本，使得通信耗用成本占用戶收益比例下降到相對合理的范圍內(nèi)。

表5中列出了部分典型物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)應(yīng)用通信連接頻次情況[9，12，13，14]，包括智能家居需求響應(yīng)調(diào)度、遠(yuǎn)程醫(yī)療健康指標(biāo)檢測、智慧農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理和車聯(lián)網(wǎng)自動駕駛控制等。根據(jù)本章智能家居場景通信耗用成本及經(jīng)濟(jì)性分析，針對智能家居需求響應(yīng)調(diào)度應(yīng)用，包含家庭中繼網(wǎng)關(guān)的智能家居系統(tǒng)架構(gòu)可以顯著地降低用戶的通信耗用成本。但隨著未來智能家居系統(tǒng)中設(shè)備多樣性的進(jìn)一步增加（如小型風(fēng)機(jī)、屋頂光伏等分布式電源在用戶側(cè)的投入運(yùn)行）和柔性負(fù)荷在家庭用電設(shè)備比重的進(jìn)一步提升[17]，包含中繼網(wǎng)關(guān)的系統(tǒng)架構(gòu)并不能有效適應(yīng)未來智能家居系統(tǒng)的需求。

表5 部分典型物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)應(yīng)用通信連接頻次情況

序號 物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)名稱 應(yīng)用 連接頻次

1 智能家居 需求響應(yīng)調(diào)度 1～4次/小時

2 遠(yuǎn)程醫(yī)療 健康指標(biāo)檢測 0.2～4次/秒

3 智慧農(nóng)業(yè) 農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理 1次/分鐘

4 車聯(lián)網(wǎng) 自動駕駛控制 約12.5次/秒

根據(jù)不同物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)應(yīng)用的特點(diǎn)和需求，通過NB-IoT等通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)終端設(shè)備和云端的直接互聯(lián)是未來物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展趨勢。根據(jù)本章對智能家居需求響應(yīng)調(diào)度應(yīng)用的分析結(jié)果，當(dāng)采用直接互聯(lián)的系統(tǒng)架構(gòu)時，在當(dāng)前國內(nèi)主要運(yùn)營商物聯(lián)網(wǎng)通信資費(fèi)的情況下，包括按流量和按連接次數(shù)的計費(fèi)方式，用戶的通信耗用成本占用戶收益的比例還相對較高。對按流量計費(fèi)方式，運(yùn)營商可以考慮根據(jù)用戶的流量耗用特性，進(jìn)一步豐富物聯(lián)網(wǎng)資費(fèi)套餐的多樣性；對按連接次數(shù)計費(fèi)方式，不同的物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)應(yīng)用，可以考慮差異化不同連接頻次特性和流量耗用特性連接的單次連接費(fèi)用，進(jìn)一步提高計費(fèi)的合理性。

5 結(jié)束語

本文針對物聯(lián)網(wǎng)智能家居場景，介紹了智能家居系統(tǒng)的基本架構(gòu)，搭建了智能家居實(shí)驗測試系統(tǒng)并設(shè)計實(shí)驗對智能家居系統(tǒng)控制中的通信耗用進(jìn)行了分析。第四章介紹了當(dāng)前國內(nèi)主要電信運(yùn)營商物聯(lián)網(wǎng)卡資費(fèi)情況，并針對智能家居需求響應(yīng)調(diào)度應(yīng)用，對智能家居用戶通信耗用成本的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了分析。分析結(jié)果表明，當(dāng)采用包含家庭中繼網(wǎng)關(guān)的智能家居系統(tǒng)架構(gòu)時，不同計費(fèi)方式下用戶通信耗用成本占用戶電費(fèi)的比例較為合適。當(dāng)不考慮中繼網(wǎng)關(guān)時，對終端感知控制單元和云端直接互聯(lián)的智能家居系統(tǒng)架構(gòu)，在當(dāng)前的運(yùn)營商資費(fèi)套餐的情況下，用戶通信耗用成本還相對較高。針對物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展趨勢，不同的物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)應(yīng)用場景，電信運(yùn)營商可進(jìn)一步豐富物聯(lián)網(wǎng)通信計費(fèi)方式，增加物聯(lián)網(wǎng)資費(fèi)套餐的多樣性和合理性。

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