智能家庭網關在智能家居業務中的功能

中國聯通研究院 北京 100032

引言

物聯網技術從最早的理論探索，到影響人類生活，有了長足的進步。在環境、安防、健康醫療等領域，物聯網技術有了一定的知識儲備。近年來智能家居作為物聯網技術應用的新熱點，逐漸受到各大運營商和軟硬件廠商的重視。智能家居以住宅為載體，綜合了通信網絡、智能家電設備、智能家居平臺、用戶操作終端為一體，為用戶提供一個舒適、安全、方便、高效的居住環境。用戶只要通過互聯網就可以遠程感知家中的環境，操控家中的電器設備。同時智能家居還能夠根據用戶的生活習慣，為用戶創建場景模式，讓用戶得到舒適愜意的生活體驗。在安全方面，智能家居可以監控室內的水、電、燃氣，還可以通過安防系統，監控室內、門窗、門外的動靜，為用戶創造更加安全的家居環境。

目前智能家居領域還沒有統一的通信協議，智能家居設備還處在百家爭鳴的階段。在諸多智居設備中，支持Wi-Fi協議和Zig-bee協議的設備占據了較大的市場份額。Wi-Fi協議的優點是標準較為統一、容易部署，缺點是功耗相對較大、組網能力差、安全性差。Zig-bee協議設計之初就是為物聯網服務的，在物聯網的其他領域已經儲備了大量的知識和經驗，其優點是功耗低、組網能力強、安全性強，缺點是Zig-bee協議的不同版本很難實現互聯互通。支持Zig-bee協議的產品開發難度大，開發周期長。為了應對這種局面有兩種可選方案，第一種方案是統一協議標準，要求各大物聯網設備廠商按照統一標準生產設備，這在當前階段還很難實現。好消息是intel、高通、微軟已經成立統一的物聯網標準組織，這將有可能加快智能家居協議標準的統一。第二種方案是在平臺和智能家庭網關側做協議轉換，幫助多種智能家居設備接入平臺。這也是當前運營商涉足智能家居的努力方向。

對于運營商，家電設備的通信控制是重要的物聯網接口，把握這一接口，對于物聯網數據的收集和智能家居的研究都具有重要的意義。在此背景下，中國聯通研究院展開了關于智能家居平臺和智能家居網關的研究工作。在智居平臺方面，中國聯通已經與多家智居設備廠商做過深入的探討，研究平臺之間的對接方案和協議的轉換，并取得階段性成果。在家庭網關方面，為了配合第三方智居設備的接入，中國聯通也做了相應的研究。本文對智能家庭網關在智能家居業務中的功能將做深入的探討。

1 智能家居平臺概述

智能家居平臺是智能家居業務的核心，其功能模塊包括智能家居設備管理、設備監測、策略管理、統計分析、運維與運營、合作加盟、用戶接入與管理等模塊。其中設備管理、設備檢測和統計分析模塊主要用來實現智能家居設備的監測與控制。如圖1所示，智能家庭網關連接了智能家居設備和智能家居遠程管理平臺，智能家居設備的數據上報和用戶下發的控制指令都是通過智能家庭網關中轉。在功能角色上，智能家庭網關是家庭環境的網絡中心、控制中心、通信服務中心。

圖1 智能家居的解決方案的總體架構圖

在智能家居的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，實現各類智能家居的業務邏輯，其技術功能架構如圖2所示[1]。

圖2 智能家居遠程管理平臺技術功能架構圖

2 智能家庭網關概述

家庭智能網關是家居智能化的又一核心，通過它實現系統信息的采集、信息輸入輸出、集中控制、遠程管理等功能[2]。智能家庭網關具備智能家居控制樞紐及無線路由兩大功能，一側負責具體的智能家居設備控制，如水、電、燃氣信息的采集及安防監控。另一側負責無線路由功能，以優良的無線性能打通家庭網絡設備與外部網絡的連接。保證在任何空間，無線信號能覆蓋到每一個角落，智能家居設備能夠輕而易舉地接入到外部網絡。手機、PAD、多種設備通過它均可輕松控制到家中的電器。圖3展示了智能家庭網關在智能家居中的定位布局，可以看出，在家庭環境中智能家庭網關起著重要的作用，用戶在局域網中，可以使用手機APP或者Web應用通過智能家庭網關采集智能家居設備的數據，也可以對智能家居設備進行控制。當用戶連接到互聯網時，可以通過智能家居平臺遠程連接到智能家庭網關完成上述控制。

圖3 智能家庭網關在智能家居中的定位布局

3 智能家庭網關總體功能定位

智能網關與智能路由器在定義上有一定的差別，隨著技術的發展，這種差別也在逐漸變小。智能路由器即智能化管理的路由器，不同于普通路由器，智能路由器的操作系統更加方便易用，在安全性、擴展性方面都有很大的提高。用戶可以自行安裝各種應用，從而達到控制帶寬、在線人數、瀏覽網頁、在線時間的目的。同時智能路由器擁有強大的USB共享功能，真正做到網絡和設備的智能化管理。

家庭網關是由電信運營商定制的部署在現代家庭內部的網絡設備，它的主要作用是使家庭用戶連接到互聯網[3]，家里的多種智能設備可以通過家庭網關連接到互聯網。家庭網關不但能為用戶提供寬帶接入/語音業務，還能幫助用戶實現家庭組網，智能家居設備在局域網中可以相互通信。家庭網關作為電信運營商針對固網業務和面向家庭用戶的關鍵設備之一，有成為智能家庭網絡中心的優勢和潛力[4]。

運營商的家庭網關立足于網絡中心和智能控制中心，在兼顧兩方面功能和性能的同時，還要考慮軟硬件的可擴展性。目前智能家居設備領域有Wi-Fi、藍牙、Zig-bee、Z-wave等多種協議，協議的版本也在不斷升級，支持這些協議的芯片很難一次集成在網關設備上，因此就需要網關設備具有良好的軟硬件擴展性，可以方便地插入相應協議的dongle，安裝配套軟件，達到軟硬件擴展的目的。同時家庭智能網關對于智能家居設備的控制不能停留在簡單控制的層面，應該向可編程化的方向發展，用戶可以在上層應用中輕易地實現智能設備聯動。智能家庭網關的軟件應用應該向第三方市場開放，方便開發者為網關提供豐富多彩的應用。圖4是智能家庭網關基本功能模塊的一種構思。

圖4 智能家庭網關的功能模塊

因此運營商的智能家庭網關應該具備以下關鍵特征。1)以傳統家庭網關為基礎，即能夠實現Modem+路由器+遠程管理的基本功能。2)有操控界面和云端智能增強，即包含管理平臺、業務或能力平臺。3)外網可管理、主動告警。4)用戶可定制，具有智能OS、插件商店，用戶可以方便安裝第三方插件。5)硬件可擴展，總線(USB、SATA等)可以方便擴展外設。6)承載家庭基礎服務，能夠滿足用戶上網、娛樂、安防、智能家居的需求，能夠滿足運營商的運營支撐服務，能夠集成互聯網內容和應用，能夠滿足用戶局域網應用[5]。

4 智能家庭網關與聯通智居平臺的接口

4.1 接口關系綜述

中國聯通的智能家居平臺和智能設備的接口是通用接口，智能家庭網關也是一種智能設備。智能設備與平臺的數據連接可采用TCP或UDP協議，智能設備在復位后應馬上與平臺重新建立連接，連接建立后智能設備立即向平臺發送客戶端鑒權請求。鑒權成功后，智能設備和平臺之間會保持周期性的心跳信息，發送周期由智能設備的參數設定[1]。智能設備的注冊、控制、數據上報等消息都是基于Json報文傳遞。

4.2 管理類協議

1)注冊。

智能家庭網關或設備在連接到平臺后，若是未注冊狀態應首先進行注冊，注冊成功后平臺會返回鑒權碼(只對智能家庭網關以及直接接入平臺的設備返回鑒權碼)，智能家庭網關保存鑒權碼用于后續登錄鑒權。如果智能家庭網關未發送過鑒權請求，則可以再次發送注冊請求，并且平臺會為其重新返回一個鑒權碼。智能家庭網關收到鑒權碼后需要保存下來并立即發送鑒權請求。鑒權碼由平臺定期更新，并由智能家庭網關定期獲取。

2)鑒權。

智能家庭網關(含可直接接入平臺的設備)每次在與平臺建立連接或注冊成功后，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。

若鑒權失敗或未經過鑒權，平臺拒絕向智能家庭網關發送任何消息，且當智能家庭網關向平臺發送除注冊請求、鑒權請求和更新鑒權碼請求以外的消息時，平臺均回復通用應答消息并標識為鑒權失敗。智能家庭網關收到鑒權失敗的消息后應立即重新發送鑒權消息。

3)客戶端APP接入內網。

客戶端APP接入內網指的是在手機、PAD等智能終端接入家庭Wi-Fi時可直接與智能家庭網關建立鏈接，并通過APP下發控制指令?？蛻舳薃PP接入內網后首先發送廣播消息，智能家庭網關監聽到廣播消息后作出回應。繼而客戶端APP向智能家庭網關發送身份認證消息，智能家庭網關對客戶端APP的身份認證成功表示手機接入內網完成。接下來客戶端APP便要直接與智能家庭網關通信并完成指令下發?？蛻舳薃PP接入內網默認使用UDP協議。

4)消息的組成。

每條消息由標識位、消息頭、消息體和校驗碼組成，如表1所示。消息頭內容如表2所示。協議和消息ID對照表如表3所示。

表1 消息格式

5 通過網關插件連接智能家居平臺

5.1 極路由的解決方案

極路由的智能路由器具備插件擴展能力。通過編寫智能路由器插件，可以完成連接到智能家具平臺的功能。用戶只需要下載相應插件并完成認證流程就可以連接到聯通智能家居平臺，實現智能家居設備的控制。由于極路由操作系統本身具備的靈活性，通過開發升級為運營商家庭網關是十分容易做到的。

極路由的插件實現是由openapi接口實現的，該接口有兩個域名openapi.hiw ifi.com和client.openapi.hiwi fi.com。當路由器安裝了某個插件后，插件的作者就可以通過openapi.hiwifi.com來調用這個路由器里面的一些接口。能調用哪些接口是由插件安裝時配置的。為了調用此api，調用者需要使用制作插件時候的app_key和app_secret來對請求簽名。openapi.hiwifi.com的api提供對單獨路由器的調用，也提供對多個路由器的群發功能。調用路徑如圖5所示。

表2 消息頭格式

表3 各類消息列表

圖5 智居平臺通過路由器插件調用極路由的API

有時插件作者可能會有客戶端軟件，客戶端通過openapi.hiwifi.com和安裝插件的路由器綁定以后，就可以通過client.openapi.hiwifi.com直接調用綁定路由器里面的接口，接口權限和openapi.hiwifi.com的是相同的。綁定以后openapi.hiwifi.com會返回一個client_secret，調用client.openapi.hiwifi.com需要用此client_secret對請求簽名。在路由器的局域網內，client.openapi.hiwifi.com這個域名會被攔截到路由器本身，因此客戶端只要訪問client.openapi.hiwi fi.com就可以直接訪問到路由器而不經過外網。client.openapi.hiwifi.com僅提供對單個路由器的調用，無法提供群發功能。

綁定調用路徑如圖6所示。客戶端遠程和本地調用路徑如圖7所示。

圖7 客戶端的遠程調用和本地調用路徑

5.2 華為實現方案

華為實現智能家居的方案是通過與南京物聯合作，在華為的家庭網關上安裝南京物聯的dongle，通過dongle控制南京物聯的智能家居設備，這種外接dongle的方式也是擴展家庭網關協議的一種解決方案。目前南京物聯智能家居設備的傳輸協議是以Zig-bee為主。南京物聯的dongle是一個USB網關，華為需要基于南京物聯提供的SDK開發dongle的驅動程序，路由器運行時調用dongle的API完成設備的發現和連接操作。所有的設備控制指令和上報數據都要通過南京物聯的控制平臺?？蛻舳诉h程調用路徑如圖8所示。

圖8 華為網關的USB Dongle解決方案

華為智能家庭網關實現方案具體步驟如下：1)APP通過第三方授權連接南京物聯平臺，并發送控制指令；2)南京物聯平臺將指令下發到華為的家庭網關；3)華為家庭網關將指令轉發給南京物聯USB dongle；4)USB dongle將指令轉發給智能家居設備。

5.3 兩種解決方案的比較

對于運營商而言，以上兩種解決方案各有利弊，可以取長補短，相互結合。極路由的解決方案是在智能網關(或智能路由器)操作系統上安裝智能家居平臺的插件。該方案是以軟件升級為主，運營商可以保持自己的智能家居平臺和智能家居協議不變，在智能網關的基礎之上通過簡單的軟件擴展，實現智能家居的業務。由于確保了智能家居協議和平臺的穩定不變，運營商在智能家居的市場上擁有一定的主動權，其他廠商要想接入運營商的智能家居平臺，必須對自身的軟件進行改造，適配運營商協議和平臺。這對于規范智能家居協議，統一市場有一定的推動作用。對于沒有自身平臺，或者不愿意搭建智能家居平臺而又想擁有大量用戶的小企業有一定的吸引力，企業可以更專注于智能家居設備的研發，而不必花費經歷去運營智居平臺。

對于那些不愿意改造自身協議或者已經擁有自己智居平臺的企業，運營商與智居廠商的合作方式是平臺之間的對接，這樣就能保證原有的智能家居協議不變，運營商平臺只作為管道，讓控制協議和數據流通過。因此華為的方案是一種很好的選擇，USB dongle的本質就是一個微型的智能家居網關，這個網關完全支持智居設備廠商的協議，因此只需要在智能家庭網關上安裝驅動程序，讓USB dongle與智能家庭網關適配，就能實現智能家居業務。

6 智能家庭網關連接“智慧沃家”

“智慧沃家”就是將寬帶、4G、數字電視業務進行有機組合，通過一根光纖實現家庭的互聯網連接，實現家庭醫療、智慧家居、IPTV互聯網電視。目前中國聯通的智能家居平臺還沒有上線，以下僅對智能家庭網關在“智慧沃家”業務中的應用做一探討。當用戶申請“智慧沃家”業務之后，就可以通過智能家庭網關完成設備鑒權、連接平臺等流程。具體的連接流程如圖9所示。

以下是用戶通過智能家庭網關完成智能設備到智能家居平臺的全程穿透流程，其中“智慧沃家”賬號是用戶身份的唯一標識。

1)用戶申請智慧沃家帳號；2)智慧沃家平臺將用戶申請的帳號信息下發到智能家居平臺；3)用戶通過智能家庭網關登錄到智能家居平臺，登錄所用的帳號就是智慧沃家賬號，同時將購買的智能設備ID與該帳號關聯；4)同第3條；5)用戶開啟智能家居設備；6)智能家居設備連接智能家庭網關上報設備ID；7)智能家庭網關向平臺上報智能設備ID，并發起鑒權；8)智能家居平臺向智能家庭網關答復鑒權成功；9)智能家庭網關向智能設備答復鑒權成功；10)用戶在智能家庭網關上下載智能設備插件；11)網關從平臺下載智能設備插件；12)網關和智能設備之間完成數據交互。

圖9 智能家庭網關連接“智慧沃家”流程

7 結語

智能家居已經成為運營商和廠商布局、競爭的重點。技術和標準呈現百花齊放的局面，Allseen聯盟、開放互聯聯盟(OIC)、Thread聯盟三大陣營正在推進各標準之間的互聯互通[6]。作為運營商新的業務增長點，該領域將來勢必競爭激烈。三大運營商和智能家居設備廠商已經在軟硬件市場紛紛投入研發。智能家庭網關作為智能家居進入家庭的第一站起著至關重要的作用。借此機會部署一批既滿足業務需求，又滿足用戶期望的智能家庭網關設備，對將來智能家居市場的拓展意義重大。

參考文獻

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[6] 中國信息通信研究院.物聯網白皮書[R].2014