基于OSGi的智慧家庭應用控制架構研究與模型設計

萬 象

（中國電信股份有限公司上海研究院 上海200122）

1 引言

作為基礎網(wǎng)絡提供者，電信運營商在家庭市場一直占據(jù)著優(yōu)勢地位。隨著全業(yè)務運營的開展以及移動互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)等新興技術的更新?lián)Q代，家庭市場成為融合各種新型應用以及綜合信息服務的陣地，為運營商孕育了新的市場空間。電信運營商在積極推進新一輪寬帶升級的同時，期望通過拓展更多的智慧家庭應用，使用戶能夠更加方便快捷地享受到智能、舒適、高效與安全的家居生活，智能家居應用將成為運營商未來主推的智慧家庭應用。因此，本文所指智慧家庭應用不考慮目前模式較為成熟的IPTV、OTT等應用，重點關注于智能家居等新業(yè)務。

目前，由于智能家居市場分散、品牌集中度低、產(chǎn)業(yè)鏈復雜、缺乏主導者以及技術標準不統(tǒng)一造成不同廠商設備無法互聯(lián)互通等諸多不利因素，導致運營商推進其應用開發(fā)和規(guī)模部署困難重重。因此，系統(tǒng)開放性和升級能力成為運營商發(fā)展智能家居應用的關鍵。本文結合筆者近年來的研究和實踐，對運營商實現(xiàn)規(guī)模化、可運營、可管理的智慧家庭應用，提出了一種標準開放的平臺架構，可以實現(xiàn)應用的動態(tài)加載及運行，將有助于運營商為用戶提供更多第三方的智能應用和服務，推進智慧家庭業(yè)務發(fā)展，進而為智慧城市的建設與發(fā)展助力。

2 智慧家庭應用控制架構的關鍵要素

目前的智能家居通用系統(tǒng)架構如圖1所示，包括家庭網(wǎng)絡層、通信網(wǎng)絡層、業(yè)務平臺層、智能家居應用層以及針對業(yè)務平臺和智能家居應用的網(wǎng)管系統(tǒng)。

在家庭網(wǎng)絡層，傳感網(wǎng)接入網(wǎng)橋通過有線或無線方式上聯(lián)家庭網(wǎng)關用戶側(cè)網(wǎng)絡接口，通過不同的短距通信技術，如ZigBee/Zwave、315/433等連接各類應用終端，其上運行相關智能家居應用程序，實現(xiàn)協(xié)議轉(zhuǎn)換、狀態(tài)控制、信息匯聚、終端尋址及認證等功能。因此，傳感網(wǎng)接入網(wǎng)橋是智能家居應用實現(xiàn)的核心設備。通常情況下，傳感網(wǎng)接入網(wǎng)橋及應用終端由各智能家居廠商提供，電信運營商提供的家庭網(wǎng)關僅為其提供連接業(yè)務平臺的網(wǎng)絡通道。在其他層，除通信網(wǎng)絡層由電信運營商主導外，業(yè)務平臺層和智能家居應用層都由智能家居廠商所掌控。

這種松耦合的業(yè)務提供模式不僅使運營商只能作為純管道提供商，很難實現(xiàn)對業(yè)務的智能感知、智能控制與智能協(xié)同，而且使業(yè)務提供商只能提供垂直業(yè)務，不能為用戶提供具有融合業(yè)務體驗的應用與服務。因此，需要重新設計一種新的開放架構模型，實現(xiàn)智慧家庭（智能家居）應用的靈活開發(fā)、動態(tài)加載與有效控制。

智慧家庭實現(xiàn)的關鍵是物聯(lián)化和互聯(lián)化，而物聯(lián)化和互聯(lián)化的基礎正是高速優(yōu)質(zhì)的網(wǎng)絡，即家庭網(wǎng)絡和通信網(wǎng)絡。家庭網(wǎng)關作為連接家庭網(wǎng)絡和通信網(wǎng)絡的核心設備，必將成為運營商構建智慧家庭應用開放架構模型的核心組件。此外，為實現(xiàn)智慧家庭應用即插即用和可運營、可管理，需要有一套融合運營商現(xiàn)有平臺的管理控制系統(tǒng)及流程。因此，支持開放架構平臺的家庭網(wǎng)關和可運營的管理控制系統(tǒng)及流程是智慧家庭應用控制架構的兩個核心要素。

3 智慧家庭應用控制架構的方案選擇

家庭網(wǎng)關作為智慧家庭應用開發(fā)與部署的核心設備，其采用的開放架構平臺方案是智慧家庭應用控制架構設計的關鍵。目前家庭網(wǎng)關采用Linux操作系統(tǒng)，在其上部署開放架構平臺有兩種不同的思路，一種是采用基于Linux的智能操作系統(tǒng)Android，另一種是采用國際主流的中間件技術OSGi。下文將對Android和OSGi的技術特點進行詳細比較，確定在家庭網(wǎng)關上部署開放架構平臺的實現(xiàn)方式。

如圖2所示，Android和OSGi雖然都運行于虛擬機（VM）之上，服務都采用組件的形式提供，但兩者仍然存在比較大的區(qū)別，具體見表1。

從表1可以看出，一方面，雖然Android是一款非常出色的開放的移動設備應用平臺，但由于缺乏遠程管理功能或組件版本信息，為大規(guī)模部署和管理服務帶來困難；另一方面，由于家庭網(wǎng)關當前設備形態(tài)大多不支持多媒體處理芯片及顯示屏，Android平臺強大的多媒體處理能力及豐富的UI等優(yōu)點無法在家庭網(wǎng)關設備上使用和體現(xiàn)，且基于OSGi開發(fā)的應用更為輕量級，因此，在網(wǎng)關設備形態(tài)和處理性能不出現(xiàn)大的變化的情況下，家庭網(wǎng)關使用Android系統(tǒng)的可能性很小。此外，家庭網(wǎng)關作為網(wǎng)絡接入設備，其安全性也是運營商高度關注的，在家庭網(wǎng)關上部署Android存在一定的安全隱患。就目前情況而言，OSGi更適合作為家庭網(wǎng)關開放架構平臺。

圖1 智能家居通用系統(tǒng)架構

圖2 Android和OSGi特性比較

表1 Android和OSGi詳細比較

支持OSGi的家庭網(wǎng)關是基于現(xiàn)有家庭網(wǎng)關硬件架構實現(xiàn)的，其功能模塊設計如圖3所示。與現(xiàn)有家庭網(wǎng)關相比，主要區(qū)別體現(xiàn)在底層硬件配置和上層軟件實現(xiàn)上。

（1）硬件配置

·主芯片。目前主流的PON/LAN芯片均可滿足OSGi的部署需求。

·flash。目前主流的OSGi框架鏡像容量約為14 MB，考慮到容錯采用雙鏡像備份，flash需要額外增加28 MB的空間，需為bundle預留一定的存儲空間以及兼顧未來的可擴展性，支持OSGi的家庭網(wǎng)關flash容量不少于128 MB。

圖3 支持OSGi的家庭網(wǎng)關模塊

·RAM。OSGi框架運行時需要占用的內(nèi)存約為20 MB；根據(jù)bundle不同，內(nèi)存占用也不同，需為每個bundle預留至少1 MB的內(nèi)存，兼顧未來的可擴展性，支持OSGi的家庭網(wǎng)關RAM不少于128 MB。

（2）軟件實現(xiàn)

從圖3可以看出，支持OSGi的家庭網(wǎng)關底層采用的仍是Linux操作系統(tǒng)（內(nèi)核版本Linux 2.6.30以上），與現(xiàn)有家庭網(wǎng)關不同，通過在底層操作系統(tǒng)基礎上部署Java虛擬機和OSGi框架，并把家庭網(wǎng)關的本地服務模塊進行JNI封裝供上層應用軟件bundle（即原來運行于網(wǎng)橋上的智能家居應用程序）進行調(diào)用，使應用可以基于Java組件開發(fā)，從而屏蔽了底層硬件的差異，使應用具備跨平臺特性。根據(jù)JNI提供方式的不同，可以分為兩大類。

·標準JNI。該類接口由OSGi框架提供，在編譯Java運行環(huán)境的時候已經(jīng)包含，如I/O、本地及遠程管理服務等。由于實現(xiàn)細節(jié)對上層應用是透明的，因此，下面以Java中的I/O為例描述Java的讀寫文件是如何最終調(diào)用到底層read函數(shù)，以便清晰了解基于OSGi框架開發(fā)的應用軟件bundle的實現(xiàn)機制。

步驟1上層應用軟件bundle調(diào)用java.io來操作文件。

步驟2 java.io調(diào)用native read函數(shù)，Java查找本地lib中實現(xiàn)該接口的庫，即libjavaio。

步驟3步驟1和步驟2都是Java代碼，遇到native函數(shù)后，進入C代碼的底層JNI實現(xiàn)。

步驟4 libjavaio.so的C代碼調(diào)用read函數(shù)。

步驟5 read函數(shù)最終進入系統(tǒng)調(diào)用，調(diào)用內(nèi)核里文件系統(tǒng)驅(qū)動的read函數(shù)讀取文件內(nèi)容。

·自定義JNI。有的應用軟件bundle還需要和網(wǎng)關本地環(huán)境進行其他的交互，例如獲取家庭網(wǎng)關動態(tài)IP地址實現(xiàn)業(yè)務平臺與bundle的主動通信、獲取用戶邏輯ID用于業(yè)務平臺與bundle間的用戶認證鑒權、獲取U盤的存儲路徑等，因此需要專門封裝一些自定義JNI，該類接口由集成OSGi框架的家庭網(wǎng)關廠商根據(jù)bundle的特定開發(fā)需求封裝實現(xiàn)。

以上介紹的都是底層軟件向上封裝的JNI，在實際開發(fā)中，OSGi還需要封裝一些API供底層軟件調(diào)用，以實現(xiàn)應用軟件bundle將來自業(yè)務平臺（通過OSGi-agent獲?。┗騞ongle（軟件保護器）的信息通過TR069-agent發(fā)送給ITMS平臺，如業(yè)務平臺發(fā)起的bundle軟件版本更新、ITMS獲取dongle的運行狀態(tài)等操作。

4 智慧家庭應用控制架構模型設計

為實現(xiàn)智慧家庭應用即插即用和可運營、可管理，需要有一套融合運營商現(xiàn)有平臺的管理控制系統(tǒng)。BBF（Broadband Forum）制定的TR069系列協(xié)議是目前家庭網(wǎng)關與終端綜合管理系統(tǒng)（ITMS）間采用的接口協(xié)議。在TR069系列協(xié)議中，TR-157是專門針對家庭網(wǎng)關加載的組件對象的管理協(xié)議。參考TR-157，結合運營商現(xiàn)有ITMS的管理架構，基于OSGi的智慧家庭應用控制架構如圖4所示，分為終端設備域和網(wǎng)絡應用域。

其中，終端設備域包括家庭網(wǎng)絡內(nèi)的所有設備，主要設備有：

·智能家庭網(wǎng)關+傳感網(wǎng)接入dongle；

·智能控制終端（客戶端）；

·智慧家庭應用終端（如各類傳感設備）。

終端設備域?qū)崿F(xiàn)家庭網(wǎng)絡的組建和應用層的互通，支持智慧家庭應用和服務的本地控制和遠程控制。與現(xiàn)有智能家居系統(tǒng)架構相比，傳感網(wǎng)接入網(wǎng)橋的核心功能被拆分到智能家庭網(wǎng)關及其下掛的USB dongle設備中。應用終端通過支持不同短距通信技術的USB dongle連接智能家庭網(wǎng)關，USB dongle僅提供數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)功能，不做任何數(shù)據(jù)處理。智能家庭網(wǎng)關不僅提供網(wǎng)絡接入功能，還實現(xiàn)了對開放架構平臺OSGi的支持。原有傳感網(wǎng)接入網(wǎng)橋上運行的智能家居應用程序可以OSGi bundle的形式，在智能家庭網(wǎng)關上動態(tài)加載和運行。應用程序bundle負責完成智能家居業(yè)務平臺及智能控制設備與應用終端之間的信息轉(zhuǎn)換，并將轉(zhuǎn)換后的信令發(fā)送至智能家居業(yè)務平臺、智能控制設備或應用終端，以實現(xiàn)協(xié)議轉(zhuǎn)換、狀態(tài)控制、信息匯聚、終端尋址及認證等功能。

圖4 基于OSGi的智慧家庭應用控制架構

網(wǎng)絡應用域主要包括智能家居廠商提供的業(yè)務平臺和運營商部署的業(yè)務運營平臺（含bundle庫）及ITMS等。智能家居業(yè)務平臺主要實現(xiàn)智能家居業(yè)務的邏輯處理，并接受智能控制終端的遠程控制指令。對運營商而言，業(yè)務運營平臺和ITMS定位完全不同，業(yè)務運營平臺主要負責業(yè)務數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)、為第三方提供bundle的審核/發(fā)布、為家庭網(wǎng)關提供bundle下載庫以及為用戶提供bundle運行狀況查詢等功能；而所有的管理控制流由ITMS發(fā)起，包括家庭網(wǎng)關動態(tài)加載bundle的鑒權、家庭網(wǎng)關上運行bundle的生命周期管理（啟用、停用、更新等）、dongle及bundle的故障診斷及維護等。

5 可運營管理的應用控制流程設計

以典型的“業(yè)務開通”為例，分析了智慧家庭應用控制架構的使用流程，一方面便于更清晰地了解架構中各個子系統(tǒng)的功能，另一方面驗證了基于設計的控制架構模型，構建智慧家庭應用的運營和管理是可行的。

圖5是用戶通過應用自助開通智能家居業(yè)務的流程，與運營商傳統(tǒng)的業(yè)務開通流程不同，用戶的業(yè)務數(shù)據(jù)最初不是在運營商的BOSS中生成，而是由智能控制終端上的應用發(fā)起業(yè)務申請，由OSGi業(yè)務運營平臺和ITMS配合第三方業(yè)務平臺實現(xiàn)業(yè)務開通后，反向同步給BOSS。

綜上所述，基于OSGi的智慧家庭應用控制架構相比傳統(tǒng)智能家居系統(tǒng)架構更加開放化和智能化，一方面支持OSGi的家庭網(wǎng)關使智能家居應用可以根據(jù)用戶的需求動態(tài)加載和靈活部署，為智能家居應用部署拓展了運營商渠道，也使智能家居廠商可以更加專注于應用開發(fā)以便更好地滿足用戶需求；另一方面業(yè)務運營平臺對智能家居應用的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)使運營商實現(xiàn)對業(yè)務的智能感知、智能控制與智能協(xié)同成為可能，運營商通過對智能家居應用的數(shù)據(jù)進行整合打包，可以為用戶提供更多具有融合業(yè)務體驗的應用，通過大數(shù)據(jù)分析，也可以開展更多有針對性的用戶服務。

6 結束語

隨著技術發(fā)展、競爭加劇，運營商渴望提供更多的應用來獲得新的業(yè)務增長。智慧家庭生活提出了一個“4S”信息生活新標準，包括speed——極速、sharp——高清、share——分享、smart——智能。在4S中，前3個S無疑是運營商正在做且擅長做的，對于第4個S——智能，是運營商急于找到突破口的未來方向，基于OSGi的智慧家庭應用控制架構構建了全新的智能家居應用生態(tài)系統(tǒng)，為芯片制造商、終端廠商、網(wǎng)絡運營商、服務提供商等產(chǎn)業(yè)鏈主要參與者帶來全新的契機。當然，基于OSGi的智慧家庭應用控制架構能否幫助運營商最終實現(xiàn)業(yè)務發(fā)展，還面臨諸多挑戰(zhàn)，如終端成本較高、傳感設備不成熟等。因此，通過技術標準統(tǒng)一，進一步降低終端成本以及對傳感設備的可靠性、覆蓋范圍、干擾、時延、安全和隱私保護、電池續(xù)航時間等的進一步研究都是筆者后續(xù)重點關注的方向。相信，運營商涉足智慧家庭應用，將發(fā)揮積極作用。

圖5 基于OSGi的智慧家庭應用控制流程

1 TR-157.Component Objects for CWMP.Broadband Forum,2009

2 中國通信標準化協(xié)會.通信網(wǎng)支撐泛在物聯(lián)應用 智能家居系統(tǒng) 技術要求，2011