基于家用智能網(wǎng)關(guān)的智能家居應(yīng)用

江海濤

（天津安裝工程有限公司 天津300061）

隨著智能家庭概念的不斷深化，智能家居作為智能家庭的重要組成部分已經(jīng)成為年輕人的時尚追求之一。帶有路徑記憶功能及路徑自導(dǎo)航功能的掃地機(jī)，能夠與京東商城等電商平臺連接的智能冰箱，可根據(jù)室內(nèi)空氣質(zhì)量自動開啟關(guān)閉的家用空氣凈化器等產(chǎn)品已經(jīng)成為年輕人的新寵。但這些智能家居產(chǎn)品只是初步完成了智能家庭的終端硬件產(chǎn)品準(zhǔn)備，如何通過互聯(lián)網(wǎng)來遠(yuǎn)程管理控制及精準(zhǔn)使用這些產(chǎn)品才是實現(xiàn)智能家居追求的關(guān)鍵。

1 家用智能網(wǎng)關(guān)在智能家居產(chǎn)品中的必需性

現(xiàn)階段，智能家居產(chǎn)品都通過專用 App軟件+產(chǎn)品制造廠商完成遠(yuǎn)程控制管理和精準(zhǔn)操作使用。比如小米將自己的互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品遠(yuǎn)程管控集成為“米家App”軟件，小米旗下的各種智能家居產(chǎn)品都在該App下統(tǒng)一管理及操作。但是，傳統(tǒng)的家用路由器已經(jīng)不能滿足智能家居的個性化、精細(xì)化及通用性需求，智能家用網(wǎng)關(guān)則可以很好地支撐智能家居的多種需求。

1.1 多品牌智能家居產(chǎn)品需要便捷的管控操作

目前的智能家居產(chǎn)品主要具備3個特點：一是大多通過藍(lán)牙（BlueTooth）或ZigBee協(xié)議簡單的短距離連接和傳輸數(shù)據(jù)、控制指令等；二是生產(chǎn)廠商的私有云能提供較多的功能，并具備遠(yuǎn)程管理能力；三是廠家私有云分別與 BAT的互聯(lián)網(wǎng)巨頭的平臺連接，實現(xiàn)功能擴(kuò)展。雖然智能家居產(chǎn)品大都具備這些功能，但由于需要安裝多種App應(yīng)用，操作反而較為繁瑣，同時存在很難打通不同廠商產(chǎn)品之間云平臺“壁壘”的問題。智能家用網(wǎng)關(guān)通常采用Android操作系統(tǒng)，這就能在其上安裝多個成熟的App應(yīng)用軟件，通過智能家用網(wǎng)關(guān)和廠商私有云連接，用戶只需要在個人智能終端安裝通用控制App，即可簡單便捷地控制不同的智能家居產(chǎn)品。

1.2 硬件系統(tǒng)對未來的智能家居產(chǎn)品升級提供支撐

傳統(tǒng)的家用路由器核心大多采用 MIPS架構(gòu)的半導(dǎo)體芯片，由于其能耗較大、軟硬件通用性較差等問題，很難對智能家居產(chǎn)品提供支撐。ARM 架構(gòu)處理器芯片是目前最為主流的 RISC指令集處理器，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于智能手機(jī)、嵌入式控制終端、多媒體音視頻編解碼（例如數(shù)字電視機(jī)頂盒）的產(chǎn)品。因其性能強(qiáng)大、成本低廉和能耗低的優(yōu)勢，2016年起，基于ARM架構(gòu)的處理器芯片已經(jīng)成為家用智能網(wǎng)關(guān)的核心芯片。因此，多種 App應(yīng)用可以無縫嵌入其中，智能家用網(wǎng)關(guān)能夠保證對智能家居產(chǎn)品提供良好的軟硬件支撐。

1.3 硬件模塊化架構(gòu)降低了智能家庭組網(wǎng)成本投入

隨著光纖入戶的大規(guī)模推廣，家用智能網(wǎng)關(guān)的模塊化架構(gòu)在“光進(jìn)銅退”的過渡期能更好地保護(hù)消費者向電信運營商、廣電網(wǎng)絡(luò)運營商的投入成本。同時，標(biāo)準(zhǔn)模塊與家用智能網(wǎng)關(guān)內(nèi)部的通用硬件接口可以為未來智能家庭組網(wǎng)的發(fā)展提供支撐，簡單的模塊升級能夠保障用戶操作方式的連續(xù)性，也降低了運營商的軟硬件開發(fā)升級成本和客戶服務(wù)壓力。

因此，采用模塊化架構(gòu)的家用智能網(wǎng)關(guān)已經(jīng)成為智能家庭組網(wǎng)的必需，一個適合家庭用戶多樣化需求的家用智能網(wǎng)關(guān)已經(jīng)成為運營商競爭的全新著力點。

2 家用智能網(wǎng)關(guān)的模塊化架構(gòu)及選型

2.1 家用智能網(wǎng)關(guān)的模塊化架構(gòu)

家用智能網(wǎng)關(guān)在智能家庭的組網(wǎng)上處于“承上啟下”的核心地位，通過軟硬件系統(tǒng)的協(xié)同工作，既完成對智能家居產(chǎn)品的管理控制和數(shù)據(jù)傳輸，還可通過與云平臺和個人智能終端的共同工作，實現(xiàn)對智能家居產(chǎn)品的遠(yuǎn)程控制和私有數(shù)據(jù)存儲，以及個性化設(shè)置等功能。

如圖 1所示，多模塊化家用智能網(wǎng)關(guān)主要包括4部分：主處理器模塊、通用網(wǎng)絡(luò)模塊、外部網(wǎng)絡(luò)接入轉(zhuǎn)換模塊和附加模塊。在本文中，附加模塊重點討論智能家居互聯(lián)模塊，該模塊為智能家居產(chǎn)品與智能家用網(wǎng)關(guān)的物理連接支撐。

主處理器模塊處于家用智能網(wǎng)關(guān)的中心位置，主要實現(xiàn)運行 App應(yīng)用、多媒體音視頻編解碼（二次編碼能力應(yīng)具備至少一路 720p編碼能力）、對其他模塊的連接和管理等功能；外部網(wǎng)絡(luò)接入轉(zhuǎn)換模塊主要負(fù)責(zé)將光信號或電信號接入，將數(shù)據(jù)交由主處理器模塊和通用網(wǎng)絡(luò)模塊處理；通用網(wǎng)絡(luò)模塊功能基本等同于家用無線路由器，主要負(fù)責(zé)與家用智能網(wǎng)關(guān)下一級設(shè)備的有線和無線數(shù)據(jù)交換傳輸；智能家居模塊提供多種智能家居產(chǎn)品的無線連接支撐。

圖1 家用智能網(wǎng)關(guān)內(nèi)部模塊拓?fù)鋱DFig.1 Inner module topology of home intelligent gateway

2.2 家用智能網(wǎng)關(guān)的模塊選型

通過比較，主處理器模塊選用 Mstar（星震半導(dǎo)體）的最新產(chǎn)品 MSO9385-AD，該芯片集成4核64位高性能Cortex A53處理器，除了支持4K@p60解碼能力及常見的音視頻解碼外，還能支持 H.264和H.265編碼。同時該芯片內(nèi)置多種外圍接口，能很好地滿足家用智能網(wǎng)關(guān)的需求。

基于性價比分析，通用網(wǎng)絡(luò)模塊選取MTK（聯(lián)發(fā)科）研發(fā)的mt7628A+mt7612e集成方案。該方案支持2.4GHz和 5.8GHz雙頻數(shù)據(jù)傳輸，無線數(shù)據(jù)傳輸能力可以達(dá)到 1167Mbps，能夠滿足未來無限大帶寬數(shù)據(jù)傳輸要求。

智能家居互聯(lián)模塊主要包括藍(lán)牙（BlueTooth）模塊和ZigBee模塊。這2個模塊通過USB通用總線與主處理器模塊連接，依托主處理器的強(qiáng)大處理能力和多種功能保證智能家居產(chǎn)品的便捷操作和精準(zhǔn)控制。

考慮到 App應(yīng)用軟件的移植簡單化和穩(wěn)定性需求，主處理器模塊選取 Android操作系統(tǒng)，通用網(wǎng)絡(luò)模塊選取 OpenWrt嵌入式 Linux操作系統(tǒng)。其中的數(shù)據(jù)共享、數(shù)據(jù)存儲等功能由主處理器完成，通用網(wǎng)絡(luò)模塊只負(fù)責(zé)有線和無線的數(shù)據(jù)傳輸。

3 智能家居系統(tǒng)的指令和數(shù)據(jù)傳輸概述

本文設(shè)計的智能家用網(wǎng)關(guān)與個人智能終端（智能手機(jī)、平板電腦等）、智能家居產(chǎn)品協(xié)同工作，依托運營商或智能家居產(chǎn)品制造廠商的私有云平臺，實現(xiàn)對智能家庭中大部分功能的控制指令發(fā)送、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)存儲等。而在這其中，安防監(jiān)控、智能家居產(chǎn)品的開啟關(guān)閉及精準(zhǔn)控制等業(yè)務(wù)應(yīng)用需要在遠(yuǎn)程條件下交互實現(xiàn)。該交互過程的核心主要是互聯(lián)網(wǎng)與上文提到的云平臺之間的鏈接建立，數(shù)據(jù)和指令請求發(fā)送，數(shù)據(jù)獲取后返回的步驟。

①建立鏈接：個人智能終端通過通用 App向云平臺發(fā)送鏈接申請，經(jīng)過互聯(lián)網(wǎng)與云平臺間的網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)換，建立鏈接。

②數(shù)據(jù)和指令發(fā)送：通過上一步已經(jīng)建立的鏈接，個人智能終端將RSTP和HTTP數(shù)據(jù)指令發(fā)送給云平臺，云平臺將這些指令分類處理后發(fā)送給家用智能網(wǎng)關(guān)。

③智能家居產(chǎn)品的管控：家用智能網(wǎng)關(guān)通過智能家居互聯(lián)模塊將步驟②中的數(shù)據(jù)指令傳送給智能家居產(chǎn)品，精確控制其各項操作。

④數(shù)據(jù)獲取后返回：智能家居產(chǎn)品獲取實時數(shù)據(jù)后，按步驟①至③的鏈路返回，同時將數(shù)據(jù)備份至云平臺私有文件夾，然后返回個人智能終端。

通過以上4步，智能家居產(chǎn)品能夠真正實現(xiàn)移動互聯(lián)網(wǎng)下的遠(yuǎn)程控制。這些控制不同于目前的“專用 App應(yīng)用+私有云平臺”的繁瑣操作，可真正實現(xiàn)一個通用 App便捷處理智能家庭中大部分智能家居產(chǎn)品的操控。

4 結(jié) 語

近2年來，以電信運營商和廣電網(wǎng)絡(luò)運營商為市場主導(dǎo)，對家庭用戶開放了多種家用智能網(wǎng)關(guān)。其中電信運營商出于成本和迅速搶占市場考慮，使用的家用智能網(wǎng)關(guān)并不具備多媒體音視頻解碼、智能家居控制的功能。廣電網(wǎng)絡(luò)運營商在云平臺建設(shè)、傳統(tǒng)的音視頻編解碼、智能家庭組網(wǎng)等方面非常重視，推出了多種功能強(qiáng)大的家用智能網(wǎng)關(guān)，但由于價格較高，很難大面積推廣。本文提出了智能家居產(chǎn)品的遠(yuǎn)程管控是智能家庭發(fā)展的切入點，還提出了家用智能網(wǎng)關(guān)的模塊化架構(gòu)，這些能在一定程度上降低成本投入壓力。可以預(yù)見，智能家庭必然成為市場競爭的全新熱點之一，家用智能網(wǎng)關(guān)必然在其中處于極為重要的地位，模塊化的家用智能網(wǎng)關(guān)將成為該類產(chǎn)品的發(fā)展趨勢。