基于物聯網技術的智能家居平臺及協議的研究和實現

中國聯通研究院 北京 100032

引言

隨著物聯網的發展，智能家居領域的研究和應用呈現爆炸式的發展。這種發展趨勢基于相關新技術的發展、突破和成熟，主要包括物聯網及泛在網技術的發展和演進、通信技術的發展和成熟、智能終端及無線通信技術的發展和迅速普及、平臺和云計算技術的發展、計算機和控制技術的發展和成熟[1-2]。

智能家居是以用戶住宅為載體，綜合多項新技術(如通信網絡、數字化家電、設備自動化、智能控制等技術)，將管理、服務、子系統集成為一體的舒適、安全、環保、高效的居住環境[3]。將傳統的家電設備智能化，使之構成智能家居的重要組成部分，改變了原本家電、家具靜止被動的屬性，使它們為人類提供全方位的信息交換功能，幫助家庭與外界保持高效流暢的實時交流，在很大程度上提高了人們的工作生活效率，節約了生活成本開支，進而全方位提高人們的生活質量。 智能家居解決方案是建立在住宅內的通信網絡基礎上，同時，為提供服務必須建立家庭內部網絡控制節點和外界的信息通道，通過和云服務平臺的相應服務實現信息交換，完成遠程控制、遠程監測、情景模式、設備聯動等智能業務。

智能家居作為一個涉及到諸多熱點科技的完整系統，在技術演進過程中亦必然涉及產業鏈中的各層次，其發展將為最終用戶、家電廠家、云平臺服務廠家、運營商、服務提供商帶來收益。這種涉及多層次生態環境的系統，解決層間和層內的信息交互和互聯互通是一個關鍵問題，因此，針對設備接入和控制的平臺和協議的開發和設計是解決方案的關鍵環節。隨著智能家居的發展，愈來愈多的家電設備逐步和云平臺對接，逐步實現和智能終端的連接。對于運營商，家電設備的通信控制系統是重要的物聯網入口，把握這個入口，對于數據收集、模式場景控制、信息推送均具有重要意義。在此背景下，2014年5月至2015年4月，中國聯通研究院展開《智能家居遠程管理平臺與終端原型系統研發》的項目研究，研發平臺和智能設備接口的方案和標準，為下一步智能家電適配工作打下了基礎。反之，廣泛的家居智能化工作將促進非平臺級互聯類型的智能家居業務的研究和推廣。

1 系統架構

盡管目前在物聯網體系結構上尚未形成全球統一規范，但業界大多認可物聯網體系架構的三層結構，即感知層、網絡層和應用層[4-6]。其中，網絡層主要完成信息的采集、轉換和收集，進而實現物與物之間通信和控制。有研究表明，智能控制、情景模式、設備聯動等新技術可基于此層的技術實現；方案中通過部署，實施了多種通信協議的適配和轉換、多種業務層協議的翻譯以及各類業務邏輯的實現；在應用層，主要完成數據的管理和處理，針對物聯網架構研發的“智能家居遠程管理平臺”，實施和實現了“智能家居控制平臺”，處理和完成智能設備上報數據的管理和數據。其智能家居解決方案的總體架構如圖1所示。

在智能家居解決方案總體架構的設計中，體現了對應的物聯網層次，其中“智能家居遠程管理平臺”主要實現智能家居的應用層實例，與行業應用緊密結合，實現各類的智能家居業務邏輯，其技術功能架構如圖2所示。

在解決方案總體架構的網絡層設計中結合了成熟的云計算技術，通過開放的API接口實現內部接入控制、能力開放服務和與第三方異構業務平臺的互連接口，基于現有通信網絡的承載支撐技術，實現異構網聚合、資源與存儲管理、數據感知和挖掘、數據決策、平臺增強等網絡層功能，其技術功能架構如圖3所示。

解決方案總體架構的感知層要素比較多，其核心部分是實現業務控制的中心控制模塊，該模塊在具體實現方案上主要有2種。

圖1 智能家居的解決方案的總體架構圖

圖2 智能家居遠程管理平臺技術功能架構圖

圖3 智能家居遠程管理平臺網絡層接口技術功能架構圖

方案一：第三方設備在家庭控制中心接入，僅需在設備內部維持基本功能，與平臺間的長連接等可交給家庭控制中心完成。這就降低了對于第三方設備的硬件要求，可以降低設備成本。對于增強性的家庭控制中心(網關)，可以實現更多種類的無線通信協議的適配。

方案二：在設備內部嵌入聯通協議，直接連接至家庭網關。該方案中用戶可以不采購家庭控制中心，而利舊用戶家庭中的已有網關，更適合家庭中僅需要單一設備的用戶。

除了家庭控制中心(網關)部分，還包括受控智能設備、家庭網關、外設模塊、智能終端和必要的中繼器等部分，其架構圖如圖4所示。

按照物聯網總體架構的設計，智能家居遠程管理平臺與終端系統實現了智能家居的業務，并且根據業務邏輯研究設計了多種原型系統。

2 業務場景及原型

為向用戶提供智能家居增值業務、為家電廠家拓展銷售渠道、為未來數據經營奠定基礎，項目組在研究和規劃智能家居業務的基礎上，根據業務邏輯研究設計了多種原型系統，在業務場景設計上，著重滿足基于用戶場景的體驗質量，以提升用戶在使用家電產品時的體驗，其中，主要包括情景模式、自動控制、設備聯動三類場景，其示例如下。

圖4 家庭控制中心及外圍設備架構圖

圖5 多種業務控制及場景示意圖

1) 情景模式。例如某廠照明設備控制按鍵位置不足，而智能終端恰恰可以提供優質的信息交互能力，智能化后，用戶通過手機，在“增強模式”-〉“睡眠”-〉“XX推薦催眠曲線”的控制按鍵下，實現照明設備的自動調節。

2) 自動控制。用戶購得“魚香肉絲”半成品食材一份，放入某廠電飯鍋中，通過手機掃描食材包裝上條碼，電飯鍋自動進入對應烹飪模式.

3) 設備聯動。當一個或多個設備進入某種狀態之后，觸發另一些設備的聯動邏輯，例如當溫度和煙霧濃度到達警戒值時，自動觸發告警設備、防護設備、通風設備等。多種業務控制及場景示意圖如圖5所示。

在業務場景之外，系統可以實現對智能設備信息的收集，以期展開基于數據的增值業務，同時設計實現數據行為分析、內容推送等業務邏輯或接口。

智能家居產品涵蓋面廣泛，為更好地實驗和演示業務場景和邏輯，文章分析了12個業務原型系統的方案。其按照業務接口，主要分為：傳感類業務接口產品(溫度、濕度、電壓、電流、感應、壓力、運動感知等)、控制類業務接口產品(IO控制、信號強度控制等)、外設類業務接口產品(SD卡、flash存儲外設、顯示、IC卡等，可選支持指紋識別等外設)；各類型產品經過適配和集成，可以實現復雜的業務聯動場景，為智能家居家庭互聯控制系統提供業務實例，原型系統如表1所示。

表1 原型系統列表

同時，在業務場景和原型設計基礎上，研究開發了《智能家居遠程管理平臺接入技術標準》和硬件控制的接口協議。

3 協議及系統實現流程

基于《智能家居遠程管理平臺接入技術標準》的研究開發，在《智能家居遠程管理平臺與終端原型系統研發》項目的解決方案中實現了平臺、智能設備及家庭控制中心(網關)之間的消息互通。此接入技術標準的協議規范了各網元之間的業務層協議和業務邏輯的實現流程。業務層協議研究和設計了業務層協議封裝、消息體、平臺連接及報文格式等，業務邏輯流程規范了智能家居業務實現的基礎業務邏輯、設備認證、用戶認證、各類場景及聯動等環節的實現流程。

3.1 業務層協議封裝

在平臺、智能設備及家庭控制中心(網關)互聯的業務層協議選擇上，主流解決方案涉及三種協議，即HTTP(HyperText Transfer Protocol)、JSON(JavaScript Object Notation)和XML(Exteile Mark Laguage)。其中，HTTP是互聯網上應用最為廣泛的一種網絡協議；JSON是一種輕量級的數據交換格式，它基于ECMAScript的一個子集；XML是一種擴展性標識語言，廣泛應用于有結構性的標記場景。JSON采用完全獨立于語言的文本格式，也使用了類似于C語言家族的習慣(包括C、C++、C#、Java、JavaScript、Perl、Python等)。這些特性使JSON成為理想的數據交換語言，易于人閱讀和編寫，也易于機器解析和生成?；贘SON的這些優點，在業務層協議封裝上建議采用JSON，對于HTTP和XML，也能通過協議轉換的前置設備得到兼容性互通。

平臺、智能設備及家庭控制中心之間互聯的通信協議基于TCP協議，平臺作為服務器端，控制中心或智能設備作為客戶端。當數據通信鏈路異常時，終端可以采用SMS消息方式進行通信。各指令的每條消息由標識位、消息頭、消息體和校驗碼組成。其格式如下：

標識位 消息頭 消息體 校驗碼 標識位

為避免標志位歧義，若校驗碼、消息頭以及消息體中出現標志位，則要進行轉義處理，過程如下。發送消息時：消息封裝→計算并填充校驗碼→轉義；接收消息時：轉義還原→驗證校驗碼→解析消息。

平臺、智能設備及家庭控制中心之間互聯的報文消息頭格式如表2所示，其消息體屬性結構如表3所示。

表2 報文消息頭格式

表3 報文消息體屬性結構

平臺、智能設備及家庭控制中心的互聯通過平臺接入技術標準定義的各類消息，所涉及的各類消息如表4所示。

表4 各類消息列表

3.2 消息報文

基于接入技術標準中定義的消息體結構，實現各類智能設備的消息互通，完成對智能設備的控制邏輯。下面以洗衣機控制類智能設備類的消息體指令集為例，其控制消息JSON示例如下。

接入技術標準中除定義了一般控制的消息體，對于情節模式、設備聯動等復雜場景亦定義了執行消息體，以設備聯動策略消息為例，包括聯動消息體報文、觸發條件和設備動作集合的定義。如表5所示。

表5 設備聯動消息體

表6 觸發條件(condition)

表7 設備動作集合(actions)

設備聯動消息的JSON示例如下：

3.3 平臺連接

受控智能設備(即客戶端，又指控制中心以及可直接接入平臺的設備)與平臺的數據長連接可采用TCP或UDP方式，客戶端復位后應盡快與平臺建立連接，連接建立后立即向平臺發送客戶端鑒權消息進行鑒權。系統設計實現連接維持、連接斷開、系統發送消息、連接狀態識別、設備注冊和鑒權等部分。

1) 連接的維持。在連接建立且鑒權成功后，客戶端應周期性地向平臺發送心跳消息，平臺收到后向客戶端發送平臺通用應答消息，發送周期由客戶端參數指定。

2) 連接的斷開。平臺和客戶端均可根據TCP協議主動斷開連接，雙方都應主動判斷TCP連接是否斷開。

3) 連接狀態識別。平臺判斷TCP連接斷開的方法有3個。①根據TCP協議判斷出客戶端主動斷開；②相同身份的客戶端建立新連接，表明原連接已斷開；③在一定的時間內未收到客戶端發出的消息，如心跳消息?？蛻舳伺袛郥CP連接斷開的方法有3個。①根據TCP協議判斷出平臺主動斷開；②數據通信鏈路斷開；③數據通信鏈路正常，達到重傳次數后仍未收到應答。

4) 平臺主發的消息。所有平臺主發的消息均要求受控設備應答，應答分為通用應答和專門應答，由各具體功能接口協議決定。發送方等待應答超時后，應對消息進行重發。應答超時時間和重傳次數由平臺參數指定。

5) 受控設備主發的消息。如果數據通信鏈路正常，所有受控設備主發的消息均要求平臺應答，應答分為通用應答和專門應答，由各具體功能接口協議決定。受控設備等待應答超時后，應對消息進行重發，應答超時時間和重傳次數由終端參數指定。對于受控設備發送的關鍵報警消息，若達到重傳次數后仍未收到應答，則應對其進行保存。以后在發送其它消息前要先發送保存的關鍵報警消息。如果數據通信鏈路異常，受控設備應對需要發送的關鍵消息進行保存。在數據通信鏈路恢復正常后，立即發送保存的消息。

6) 控制中心注冊。受控設備在與平臺建立連接后，若是未注冊狀態，應首先進行注冊，注冊成功后平臺將為其生成并返回鑒權碼，控制中心保存鑒權碼。

7) 控制中心鑒權。受控設備每次在與平臺建立連接后，若是已注冊狀態，應立即向平臺發送鑒權消息進行鑒權，平臺回復平臺通用應答消息；鑒權碼由平臺定期更新，并由控制中心定期獲取。

8) 設備注冊?？刂浦行脑跈z測到新設備(不含可直接接入平臺的設備)后，應向平臺發送設備注冊消息(含設備基本信息和指令集)，平臺對設備信息和指令集進行校驗注冊，注冊完成后平臺回復設備注冊應答消息。

3.4 業務流程

智能家據服務平臺核心流程主要有四個，分別為用戶注冊與設備接入流程、數據采集與設備控制流程、平臺運營與維護管理流程以及產品接入與銷售分成流程。其中，用戶注冊與設備接入是指用戶在購買智能家居設備后，可自行完成安裝配置工作，并在平臺完成注冊、設備綁定與激活的過程；數據采集與設備控制是指智能家居設備日常數據監測、采集，以及用戶進行配置設備控制策略及遠程控制的功能；平臺運營與維護管理平臺運營與維護涵蓋的服務雜而多，以小而精的方式向用戶提供。主要包含用戶繳費、報修維修、客戶投訴、服務推薦等；產品接入與銷售分成是指智能家居設備合作商加盟及資質審核，并將設備產品進行接入、銷售及分成的過程。

協議中規范了業務流程的實現，業務流程定義了智能家居平臺、APP應用客戶端和智能家庭網關(家庭控制中心或受控智能設備)之間的指令交互，具體實例如圖6(a)和圖6(b)所示。

圖6 控制和認證流程的實例

4 結語

隨著網絡技術的發展和智能終端的興起，智能家居呈現爆炸式飛速發展的趨勢，各個行業IT企業紛紛加速布局智能家居，期望建立以自身為核心的智能家居生態圈。針對物聯網智能家居平臺及協議研究，結合互聯網+的趨勢，完成各智能家電的家庭組網，進行有效的互聯控制，可實現安全穩定高效的智能家居業務。

參考文獻

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