智能家庭網關研究現狀分析

王瑩瑩，王詠梅

（蘇州高博軟件技術職業學院，蘇州 215163）

1 引言

隨著全球智能化戰略的推廣，萬物互聯時代的開啟，以及人們對于居住環境的舒適性、智能性以及安全性等要求的不斷提高，家庭環境中需要接入網絡的設備越來越多。家庭網關不再只是一個將內部網絡連接到外部網絡的一種物理接口，更嚴格意義上來說家庭網關是家庭的控制中心，其正在成為一種平臺，通過這個平臺家庭用戶可以獲取各種家庭服務；通過這個平臺用戶可以通過公網實現對家庭網絡的訪問和控制，進而實現對家庭內部設備的控制。越來越多的家庭、工廠、企業辦公室等需要網關來進行各種信息的轉發與控制，智能網關市場潛力巨大，經濟效益可觀。

在十二五規劃中，國家已經明確將無線智能家居產業列為戰略性新興產業。2017年12月工信部發布的《促進新一代人工智能產業發展行動計劃》中提出要加大智能產品的研發力度，優先推動智能家居產品的突破。2018年9月中共中央、國務院發文指出要重點發展智慧家庭產品。

2 智能家居體系架構

典型的智能家居系統的系統架構主要分為應用層、網絡層和感知層，其體系架構圖如圖1所示。其中，感知層由各種具備短距離通信能力的傳感器設備或RFID 設備、攝像頭等組成，主要用于采集室內的溫濕度、CO 濃度、PM2.5指數、光照強度等各項環境物理參數以及視頻信息等，主要用于預防家庭隱患的發生、控制家居設備，提高家居環境的自動化程度。感知層采集的數據經網關轉發至網絡層。網絡層負責傳輸各類數據及指令。應用層負責海量數據的存儲、分析、處理與決策并同時為用戶提供服務。用戶可以通過手機或其他終端設備查看家庭中的各項數據，控制家庭中的設備。

3 家庭網關的研究熱點分析

在智慧家庭中，家庭網絡是基礎，而家庭網關是整個家庭網絡的核心，也是整個智慧家庭系統中最關鍵的部分。網關需要將終端節點采集的數據進行收集、識別、分類與處理，實現對終端節點的統一管理。

國內外眾多學者從不同的角度對智能家居系統中的家庭網關進行了分析研究與設計，其研究內容主要集中在以下幾個方面：

圖1 智能家居體系架構圖

（1）家庭網關的軟硬件平臺設計，硬件平臺的設計，嵌入式操作系統的選擇影響著網關的硬件處理能力以及產品的性價比。目前眾多學者提出采用ARM 系統芯片作為網關的控制器，搭載嵌入式Linux 操作系統，外接各種通信接口如Wi-Fi、Zigbee、GPRS 等與終端節點進行通信，典型的網關的硬件體系架構如圖2所示。另外眾多學者針對網關的擴展性、應用多樣性展開進一步的研究[1]。

圖2 網關硬件體系架構圖

（2）異構網絡的互聯互通，網關解決異構網絡的互聯互通問題，實現協議的轉換。主要研究家庭網關多協議的轉換問題，如有線與Wi-Fi 或zigbee 的互聯互通，Wi-Fi 與Zigbee 的互聯互通以及實現協議的轉換等。目前市面上已經存在多個品牌的智能家庭網關可以實現多種異構網絡的互聯互通。

（3）家庭網關的安全問題，由于多協議家庭網關在連接網絡終端時，有些感知數據具有隱私性，所以很多學者就如何實現多協議家庭網關的安全接入展開了研究，多種應用于家庭網關的訪問控制協議被提出，文獻[2]提出了一種可以支持RS485、zigbee、藍牙等協議的基于動態優先級調度算法的異構物聯網網關。文獻[3]通過身份驗證與授權機制來提高數據的安全性。文獻[4]提出了一種基于時間自動機的網關安全策略，并驗證了其機密性、可用性、安全性、完整性等特性。

（4）網關的數據擁塞與CPU 搶占問題。由于傳感器網絡的低成本、低功耗等特點使得協調器的處理能力受限，導致網關出現數據擁塞，丟包率增大，家庭內部的數據不能及時發送出去。針對該問題有兩種解決方案：一是采用處理能力強的控制器，增強協調器的性能；二是采用合理的擁塞算法來緩解數據擁塞。

3 結束語

智能家居系統實現對家居環境的監測與控制，提供了舒適、智能的居住環境。網關是連接家庭內外的橋梁，網關軟硬件設計、異構網絡的互聯互通、網關的安全以及網關的數據擁塞問題都影響著家庭數據的實時性與安全性，是智能家居系統的關鍵所在。