家庭物聯(lián)網(wǎng)標準協(xié)議需求分析

劉威 李威 胡耀宸

摘 要：家庭自動化是智能家居的重要組成部分，家庭自動化設備常常使用各種不同的通信技術(shù)，但是由于標準繁多，不同技術(shù)不能互聯(lián)。文章總結(jié)了以往的智能家居研究以及相關(guān)技術(shù)，分析了其在實際應用中的優(yōu)缺點，從應用和通信兩方面分析變量安全操作協(xié)議的設計需求，認為當前家庭物聯(lián)網(wǎng)標準協(xié)議設計應滿足精簡高效、資源共享要求，適應安全可靠、互聯(lián)互通的需求，能夠使不同技術(shù)在應用層實現(xiàn)互聯(lián)互通。

關(guān)鍵詞：家庭自動化；應用協(xié)議；標準化；資源共享；互聯(lián)互通

中圖分類號：TU855 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）23-0074-03

Abstract： Home automation is an important part of smart home， home automation equipment often use a variety of different communication technologies， but due to a wide range of standards， different technologies can not be interconnected. This paper summarizes the previous smart home research and related technologies， analyzes its advantages and disadvantages in practical applications， and analyzes the design requirements of variable safe operation protocols from two aspects of application and communication. It is considered that the current standard protocol design of the Home Internet of things should meet the requirements of simplification and efficiency， resource sharing， security， reliability and interoperability， and enable different technologies to achieve interoperability in the application layer.

Keywords： home automation； application protocols； standardization； resource sharing； interoperability

1 概述

家庭自動化是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智能家居中的重要應用，是自動化、網(wǎng)絡化和智能化的整體應用[1]。在實踐創(chuàng)新的過程中發(fā)現(xiàn)，用戶體驗成為該科技產(chǎn)物的重中之重。目前存在的主要問題是自動化設備間的互聯(lián)互通不足，設備的安裝和使用不夠簡單可靠，從而造成系統(tǒng)整體價格昂貴和使用方法繁雜等問題。當前各種自動化網(wǎng)絡技術(shù)已較為成熟，消除這些問題的主要方法離不開標準化的研究和實施[2]。統(tǒng)一的技術(shù)標準體系可以為產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供規(guī)范和引導，有利于實現(xiàn)產(chǎn)品的互操作和產(chǎn)業(yè)規(guī)模化[3]。因此，研究設計一種在家庭多網(wǎng)絡環(huán)境下，實現(xiàn)智能家居自動化設備資源共享、互聯(lián)互通的應用協(xié)議具有重要現(xiàn)實意義。

2 相關(guān)技術(shù)分析

家庭自動化系統(tǒng)的關(guān)鍵是對家庭網(wǎng)絡的引入，因為家庭自動化的實現(xiàn)離不開家庭網(wǎng)絡[4，5]，本節(jié)將從家庭自動化相關(guān)的主流家庭局域網(wǎng)絡的應用層技術(shù)進行分析。

2.1 Modbus協(xié)議分析

在自動化設備中常用的Modbus協(xié)議已經(jīng)成為一種通用工業(yè)標準[6]，也被大量應用于家庭自動化中。Modbus在串行鏈路中使用時，根據(jù)主從模式直接進行通信，當在TCP/IP上進行通訊時，根據(jù)映射規(guī)則嵌入到每個網(wǎng)絡數(shù)據(jù)包應用層中的Modbus協(xié)議提供了設備間能夠交換數(shù)據(jù)的公共的語言，如圖1所示。

Modbus協(xié)議具有復雜度低、網(wǎng)絡嵌入能力強、技術(shù)成熟、配套設備豐富因此被廣泛使用，作為家庭自動化技術(shù)的一種應用層通信規(guī)范。但由于主從模式通信效率低，自適應性差，需合理組態(tài)，造成其在智能家居傳感網(wǎng)設備中應用的阻礙[7]。

2.2 ZigBee應用層分析

ZigBee[8]是一種基于IEEE 802.15.4的低速短距離傳輸?shù)臒o線傳感器網(wǎng)絡協(xié)議，早期主要用于大規(guī)模低功耗無線網(wǎng)絡控制和傳感檢測。隨著智能家居的發(fā)展，ZigBee以其穩(wěn)定性強、高保密性、低功耗、低成本的優(yōu)勢在家庭自動化中大量應用。ZigBee應用層由三個部分組成，APS子層、ZDO和制造商定義的應用對象。ZigBee設備是依賴于模板的，模板定義了設備的應用環(huán)境、設備類型、用于設備間通信的簇，公共模板保證不同供應商的互操作，如圖2所示。

ZigBee技術(shù)的主要特點是支持大規(guī)模組網(wǎng)，自組網(wǎng)能力強，自恢復能力強，因此，對于工業(yè)、室外等應用非常具有吸引力[9]。然而對于智能家居的應用場景中，自組網(wǎng)的優(yōu)點不明顯，但是所耗費的時間和資源卻依舊存在[9]?？傊甖igBee相對于智能家居系統(tǒng)來說協(xié)議棧過于龐大，造成開發(fā)難度高，功能過剩等缺點。

2.3 Z-Wave應用層分析

Z-Wave由Sigma Design公司獨立開發(fā)，是一種專門為智能家居而設計的通信標準，信號可以穿過墻壁將家庭中所有的電子產(chǎn)品組建成一個網(wǎng)絡進行集中管理，也可以進行遠程控制，介于擁有眾多優(yōu)勢，其應用已開始向公共場所照明、民用安防等領域延伸，但其頻段不能在中國合法使用。

Z-Wave技術(shù)標準關(guān)注設備的互操作性以及廠商開發(fā)的方便性，在應用層中引入了標準化的方法以實現(xiàn)這一點，包括設備集、指令集、節(jié)點信息幀、節(jié)點添加和控制器失敗恢復等的相關(guān)規(guī)范。其應用層負責網(wǎng)絡中的譯碼和指令的執(zhí)行，主要功能包括曼徹斯特譯碼、指令識別、分配Home ID和Node ID、實現(xiàn)網(wǎng)絡中控制器的復制以及對于傳送和接收幀的有效荷載進行控制等。

3 家庭自動化需求分析

根據(jù)相關(guān)技術(shù)分析可知，滿足智能家居自動化應用的通信技術(shù)種類繁多，但在實際應用中又各有優(yōu)缺點，家庭自動化需要不同技術(shù)能夠在應用層實現(xiàn)互聯(lián)互通的技術(shù)方案。本節(jié)從應用和通信兩方面分析變量安全操作協(xié)議的設計需求。

3.1 應用需求分析

根據(jù)典型的家庭自動化應用場景，其功能應用通過自動化的變量抽象描述可以歸為四類：

（1）輸入型開關(guān)量，如磁感應、接近開關(guān)、玻璃破碎等。

（2）輸出型開關(guān)量，如開關(guān)、報警器等。

（3）采集型數(shù)值量，如溫濕度、電壓電流型傳感器等。

（4）設置型數(shù)值量，如PWM占空比、頻率、脈沖個數(shù)、電壓電流型控制器等。

雖然這些典型功能具有自動化操作的特點且工業(yè)技術(shù)應用成熟，但是，由于家庭應用環(huán)境不同于工業(yè)環(huán)境，用戶不僅希望產(chǎn)品物美價廉、安全可靠，還要求設備在安裝、維護、互聯(lián)和使用上要簡便和容易理解，這需要研究針對性的技術(shù)來滿足這些應用需求。

3.2 通信需求分析

常用的自動化數(shù)據(jù)模型有分離數(shù)據(jù)塊模型、單一數(shù)據(jù)塊模型[6]，常用變量類型有開關(guān)型變量、寄存器型變量。用戶根據(jù)定義的數(shù)據(jù)模型和其變量的操作方法來實現(xiàn)設備狀態(tài)的設置和讀取。但是由于不同自動化設備的操作雖然相似，但是細節(jié)仍然不同，需要設計對應的變量描述方法去解決設備互操作的問題。

當前物聯(lián)網(wǎng)安全問題越來越嚴重，家庭自動化設備的信息和運行安全也是需要考慮的內(nèi)容。安全的內(nèi)涵廣泛，基本的安全包括加密操作、入網(wǎng)認證和異常檢測等內(nèi)容。

家庭自動化的系統(tǒng)常常集成基于TCP/IP協(xié)議，設備之間使用客戶機/服務器模型自主協(xié)作，通過報文傳輸信息用于實時交互服務。與Modbus TCP相似，不支持TCP/IP協(xié)議的自動化網(wǎng)絡，需要通過網(wǎng)絡適配器實現(xiàn)報文封裝和協(xié)議轉(zhuǎn)換傳輸。

典型的家庭自動化系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)依據(jù)集成方式分為：匯入路由器式、匯入家庭網(wǎng)關(guān)式。在匯入路由器式的家庭自動化系統(tǒng)中，不能接入路由器的家庭自動化設備通過轉(zhuǎn)換協(xié)議匯入路由器的以太網(wǎng)或Wi-Fi，客戶端和服務器通過路由器與設備通信。在匯入家庭網(wǎng)關(guān)式的家庭自動化系統(tǒng)中，家庭網(wǎng)關(guān)內(nèi)集成多種通信功能，且可直接接入家用電子設備并與客戶端和服務器通信。

總之，設計的協(xié)議方案應支持多種通信方式，具備基于TCP/IP的集成能力，根據(jù)變量描述和協(xié)議格式可以生成控制指令和進行信息解析，提供變量化的設備控制、數(shù)據(jù)采集等應用，最終實現(xiàn)家庭自動化設備的互聯(lián)互通。

4 結(jié)束語

當前家庭自動化發(fā)展的最大障礙是缺乏統(tǒng)一的技術(shù)規(guī)范作為依據(jù)，不同廠家設備間不能互聯(lián)互通，無法實現(xiàn)系統(tǒng)整合以降低成本。而且家庭自動化作為智能家居的重要組成部分和基礎內(nèi)容之一，具有重要的研究意義和現(xiàn)實意義。隨著相關(guān)技術(shù)的成熟和市場的需要，家庭自動化技術(shù)的標準化受到了行業(yè)和國家有關(guān)部門的高度重視，制定了相關(guān)的標準編制計劃。本文在標準編制要求的基礎上，從應用和通信兩方面分析變量安全操作協(xié)議的設計需求，認為當前家庭物聯(lián)網(wǎng)標準協(xié)議設計應依據(jù)精簡高效、適用范圍廣、滿足互聯(lián)互通、具備可靠安全措施、平臺結(jié)構(gòu)簡單靈活等原則，能夠使不同技術(shù)在應用層實現(xiàn)互聯(lián)互通。

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