智能家庭网关在智能家居业务中的功能

中国联通研究院 北京 100032

引言

物联网技术从最早的理论探索，到影响人类生活，有了长足的进步。在环境、安防、健康医疗等领域，物联网技术有了一定的知识储备。近年来智能家居作为物联网技术应用的新热点，逐渐受到各大运营商和软硬件厂商的重视。智能家居以住宅为载体，综合了通信网络、智能家电设备、智能家居平台、用户操作终端为一体，为用户提供一个舒适、安全、方便、高效的居住环境。用户只要通过互联网就可以远程感知家中的环境，操控家中的电器设备。同时智能家居还能够根据用户的生活习惯，为用户创建场景模式，让用户得到舒适惬意的生活体验。在安全方面，智能家居可以监控室内的水、电、燃气，还可以通过安防系统，监控室内、门窗、门外的动静，为用户创造更加安全的家居环境。

目前智能家居领域还没有统一的通信协议，智能家居设备还处在百家争鸣的阶段。在诸多智居设备中，支持Wi-Fi协议和Zig-bee协议的设备占据了较大的市场份额。Wi-Fi协议的优点是标准较为统一、容易部署，缺点是功耗相对较大、组网能力差、安全性差。Zig-bee协议设计之初就是为物联网服务的，在物联网的其他领域已经储备了大量的知识和经验，其优点是功耗低、组网能力强、安全性强，缺点是Zig-bee协议的不同版本很难实现互联互通。支持Zig-bee协议的产品开发难度大，开发周期长。为了应对这种局面有两种可选方案，第一种方案是统一协议标准，要求各大物联网设备厂商按照统一标准生产设备，这在当前阶段还很难实现。好消息是intel、高通、微软已经成立统一的物联网标准组织，这将有可能加快智能家居协议标准的统一。第二种方案是在平台和智能家庭网关侧做协议转换，帮助多种智能家居设备接入平台。这也是当前运营商涉足智能家居的努力方向。

对于运营商，家电设备的通信控制是重要的物联网接口，把握这一接口，对于物联网数据的收集和智能家居的研究都具有重要的意义。在此背景下，中国联通研究院展开了关于智能家居平台和智能家居网关的研究工作。在智居平台方面，中国联通已经与多家智居设备厂商做过深入的探讨，研究平台之间的对接方案和协议的转换，并取得阶段性成果。在家庭网关方面，为了配合第三方智居设备的接入，中国联通也做了相应的研究。本文对智能家庭网关在智能家居业务中的功能将做深入的探讨。

1 智能家居平台概述

智能家居平台是智能家居业务的核心，其功能模块包括智能家居设备管理、设备监测、策略管理、统计分析、运维与运营、合作加盟、用户接入与管理等模块。其中设备管理、设备检测和统计分析模块主要用来实现智能家居设备的监测与控制。如图1所示，智能家庭网关连接了智能家居设备和智能家居远程管理平台，智能家居设备的数据上报和用户下发的控制指令都是通过智能家庭网关中转。在功能角色上，智能家庭网关是家庭环境的网络中心、控制中心、通信服务中心。

图1 智能家居的解决方案的总体架构图

在智能家居的解决方案总体架构的设计中，体现了对应的物联网层次，其中“智能家居远程管理平台”主要实现智能家居的应用层实例，与行业应用紧密结合，实现各类智能家居的业务逻辑，其技术功能架构如图2所示[1]。

图2 智能家居远程管理平台技术功能架构图

2 智能家庭网关概述

家庭智能网关是家居智能化的又一核心，通过它实现系统信息的采集、信息输入输出、集中控制、远程管理等功能[2]。智能家庭网关具备智能家居控制枢纽及无线路由两大功能，一侧负责具体的智能家居设备控制，如水、电、燃气信息的采集及安防监控。另一侧负责无线路由功能，以优良的无线性能打通家庭网络设备与外部网络的连接。保证在任何空间，无线信号能覆盖到每一个角落，智能家居设备能够轻而易举地接入到外部网络。手机、PAD、多种设备通过它均可轻松控制到家中的电器。图3展示了智能家庭网关在智能家居中的定位布局，可以看出，在家庭环境中智能家庭网关起着重要的作用，用户在局域网中，可以使用手机APP或者Web应用通过智能家庭网关采集智能家居设备的数据，也可以对智能家居设备进行控制。当用户连接到互联网时，可以通过智能家居平台远程连接到智能家庭网关完成上述控制。

图3 智能家庭网关在智能家居中的定位布局

3 智能家庭网关总体功能定位

智能网关与智能路由器在定义上有一定的差别，随着技术的发展，这种差别也在逐渐变小。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统更加方便易用，在安全性、扩展性方面都有很大的提高。用户可以自行安装各种应用，从而达到控制带宽、在线人数、浏览网页、在线时间的目的。同时智能路由器拥有强大的USB共享功能，真正做到网络和设备的智能化管理。

家庭网关是由电信运营商定制的部署在现代家庭内部的网络设备，它的主要作用是使家庭用户连接到互联网[3]，家里的多种智能设备可以通过家庭网关连接到互联网。家庭网关不但能为用户提供宽带接入/语音业务，还能帮助用户实现家庭组网，智能家居设备在局域网中可以相互通信。家庭网关作为电信运营商针对固网业务和面向家庭用户的关键设备之一，有成为智能家庭网络中心的优势和潜力[4]。

运营商的家庭网关立足于网络中心和智能控制中心，在兼顾两方面功能和性能的同时，还要考虑软硬件的可扩展性。目前智能家居设备领域有Wi-Fi、蓝牙、Zig-bee、Z-wave等多种协议，协议的版本也在不断升级，支持这些协议的芯片很难一次集成在网关设备上，因此就需要网关设备具有良好的软硬件扩展性，可以方便地插入相应协议的dongle，安装配套软件，达到软硬件扩展的目的。同时家庭智能网关对于智能家居设备的控制不能停留在简单控制的层面，应该向可编程化的方向发展，用户可以在上层应用中轻易地实现智能设备联动。智能家庭网关的软件应用应该向第三方市场开放，方便开发者为网关提供丰富多彩的应用。图4是智能家庭网关基本功能模块的一种构思。

图4 智能家庭网关的功能模块

因此运营商的智能家庭网关应该具备以下关键特征。1)以传统家庭网关为基础，即能够实现Modem+路由器+远程管理的基本功能。2)有操控界面和云端智能增强，即包含管理平台、业务或能力平台。3)外网可管理、主动告警。4)用户可定制，具有智能OS、插件商店，用户可以方便安装第三方插件。5)硬件可扩展，总线(USB、SATA等)可以方便扩展外设。6)承载家庭基础服务，能够满足用户上网、娱乐、安防、智能家居的需求，能够满足运营商的运营支撑服务，能够集成互联网内容和应用，能够满足用户局域网应用[5]。

4 智能家庭网关与联通智居平台的接口

4.1 接口关系综述

中国联通的智能家居平台和智能设备的接口是通用接口，智能家庭网关也是一种智能设备。智能设备与平台的数据连接可采用TCP或UDP协议，智能设备在复位后应马上与平台重新建立连接，连接建立后智能设备立即向平台发送客户端鉴权请求。鉴权成功后，智能设备和平台之间会保持周期性的心跳信息，发送周期由智能设备的参数设定[1]。智能设备的注册、控制、数据上报等消息都是基于Json报文传递。

4.2 管理类协议

1)注册。

智能家庭网关或设备在连接到平台后，若是未注册状态应首先进行注册，注册成功后平台会返回鉴权码(只对智能家庭网关以及直接接入平台的设备返回鉴权码)，智能家庭网关保存鉴权码用于后续登录鉴权。如果智能家庭网关未发送过鉴权请求，则可以再次发送注册请求，并且平台会为其重新返回一个鉴权码。智能家庭网关收到鉴权码后需要保存下来并立即发送鉴权请求。鉴权码由平台定期更新，并由智能家庭网关定期获取。

2)鉴权。

智能家庭网关(含可直接接入平台的设备)每次在与平台建立连接或注册成功后，应立即向平台发送鉴权消息进行鉴权，平台回复平台通用应答消息。

若鉴权失败或未经过鉴权，平台拒绝向智能家庭网关发送任何消息，且当智能家庭网关向平台发送除注册请求、鉴权请求和更新鉴权码请求以外的消息时，平台均回复通用应答消息并标识为鉴权失败。智能家庭网关收到鉴权失败的消息后应立即重新发送鉴权消息。

3)客户端APP接入内网。

客户端APP接入内网指的是在手机、PAD等智能终端接入家庭Wi-Fi时可直接与智能家庭网关建立链接，并通过APP下发控制指令。客户端APP接入内网后首先发送广播消息，智能家庭网关监听到广播消息后作出回应。继而客户端APP向智能家庭网关发送身份认证消息，智能家庭网关对客户端APP的身份认证成功表示手机接入内网完成。接下来客户端APP便要直接与智能家庭网关通信并完成指令下发。客户端APP接入内网默认使用UDP协议。

4)消息的组成。

每条消息由标识位、消息头、消息体和校验码组成，如表1所示。消息头内容如表2所示。协议和消息ID对照表如表3所示。

表1 消息格式

5 通过网关插件连接智能家居平台

5.1 极路由的解决方案

极路由的智能路由器具备插件扩展能力。通过编写智能路由器插件，可以完成连接到智能家具平台的功能。用户只需要下载相应插件并完成认证流程就可以连接到联通智能家居平台，实现智能家居设备的控制。由于极路由操作系统本身具备的灵活性，通过开发升级为运营商家庭网关是十分容易做到的。

极路由的插件实现是由openapi接口实现的，该接口有两个域名openapi.hiw ifi.com和client.openapi.hiwi fi.com。当路由器安装了某个插件后，插件的作者就可以通过openapi.hiwifi.com来调用这个路由器里面的一些接口。能调用哪些接口是由插件安装时配置的。为了调用此api，调用者需要使用制作插件时候的app_key和app_secret来对请求签名。openapi.hiwifi.com的api提供对单独路由器的调用，也提供对多个路由器的群发功能。调用路径如图5所示。

表2 消息头格式

表3 各类消息列表

图5 智居平台通过路由器插件调用极路由的API

有时插件作者可能会有客户端软件，客户端通过openapi.hiwifi.com和安装插件的路由器绑定以后，就可以通过client.openapi.hiwifi.com直接调用绑定路由器里面的接口，接口权限和openapi.hiwifi.com的是相同的。绑定以后openapi.hiwifi.com会返回一个client_secret，调用client.openapi.hiwifi.com需要用此client_secret对请求签名。在路由器的局域网内，client.openapi.hiwifi.com这个域名会被拦截到路由器本身，因此客户端只要访问client.openapi.hiwi fi.com就可以直接访问到路由器而不经过外网。client.openapi.hiwifi.com仅提供对单个路由器的调用，无法提供群发功能。

绑定调用路径如图6所示。客户端远程和本地调用路径如图7所示。

图7 客户端的远程调用和本地调用路径

5.2 华为实现方案

华为实现智能家居的方案是通过与南京物联合作，在华为的家庭网关上安装南京物联的dongle，通过dongle控制南京物联的智能家居设备，这种外接dongle的方式也是扩展家庭网关协议的一种解决方案。目前南京物联智能家居设备的传输协议是以Zig-bee为主。南京物联的dongle是一个USB网关，华为需要基于南京物联提供的SDK开发dongle的驱动程序，路由器运行时调用dongle的API完成设备的发现和连接操作。所有的设备控制指令和上报数据都要通过南京物联的控制平台。客户端远程调用路径如图8所示。

图8 华为网关的USB Dongle解决方案

华为智能家庭网关实现方案具体步骤如下：1)APP通过第三方授权连接南京物联平台，并发送控制指令；2)南京物联平台将指令下发到华为的家庭网关；3)华为家庭网关将指令转发给南京物联USB dongle；4)USB dongle将指令转发给智能家居设备。

5.3 两种解决方案的比较

对于运营商而言，以上两种解决方案各有利弊，可以取长补短，相互结合。极路由的解决方案是在智能网关(或智能路由器)操作系统上安装智能家居平台的插件。该方案是以软件升级为主，运营商可以保持自己的智能家居平台和智能家居协议不变，在智能网关的基础之上通过简单的软件扩展，实现智能家居的业务。由于确保了智能家居协议和平台的稳定不变，运营商在智能家居的市场上拥有一定的主动权，其他厂商要想接入运营商的智能家居平台，必须对自身的软件进行改造，适配运营商协议和平台。这对于规范智能家居协议，统一市场有一定的推动作用。对于没有自身平台，或者不愿意搭建智能家居平台而又想拥有大量用户的小企业有一定的吸引力，企业可以更专注于智能家居设备的研发，而不必花费经历去运营智居平台。

对于那些不愿意改造自身协议或者已经拥有自己智居平台的企业，运营商与智居厂商的合作方式是平台之间的对接，这样就能保证原有的智能家居协议不变，运营商平台只作为管道，让控制协议和数据流通过。因此华为的方案是一种很好的选择，USB dongle的本质就是一个微型的智能家居网关，这个网关完全支持智居设备厂商的协议，因此只需要在智能家庭网关上安装驱动程序，让USB dongle与智能家庭网关适配，就能实现智能家居业务。

6 智能家庭网关连接“智慧沃家”

“智慧沃家”就是将宽带、4G、数字电视业务进行有机组合，通过一根光纤实现家庭的互联网连接，实现家庭医疗、智慧家居、IPTV互联网电视。目前中国联通的智能家居平台还没有上线，以下仅对智能家庭网关在“智慧沃家”业务中的应用做一探讨。当用户申请“智慧沃家”业务之后，就可以通过智能家庭网关完成设备鉴权、连接平台等流程。具体的连接流程如图9所示。

以下是用户通过智能家庭网关完成智能设备到智能家居平台的全程穿透流程，其中“智慧沃家”账号是用户身份的唯一标识。

1)用户申请智慧沃家帐号；2)智慧沃家平台将用户申请的帐号信息下发到智能家居平台；3)用户通过智能家庭网关登录到智能家居平台，登录所用的帐号就是智慧沃家账号，同时将购买的智能设备ID与该帐号关联；4)同第3条；5)用户开启智能家居设备；6)智能家居设备连接智能家庭网关上报设备ID；7)智能家庭网关向平台上报智能设备ID，并发起鉴权；8)智能家居平台向智能家庭网关答复鉴权成功；9)智能家庭网关向智能设备答复鉴权成功；10)用户在智能家庭网关上下载智能设备插件；11)网关从平台下载智能设备插件；12)网关和智能设备之间完成数据交互。

图9 智能家庭网关连接“智慧沃家”流程

7 结语

智能家居已经成为运营商和厂商布局、竞争的重点。技术和标准呈现百花齐放的局面，Allseen联盟、开放互联联盟(OIC)、Thread联盟三大阵营正在推进各标准之间的互联互通[6]。作为运营商新的业务增长点，该领域将来势必竞争激烈。三大运营商和智能家居设备厂商已经在软硬件市场纷纷投入研发。智能家庭网关作为智能家居进入家庭的第一站起着至关重要的作用。借此机会部署一批既满足业务需求，又满足用户期望的智能家庭网关设备，对将来智能家居市场的拓展意义重大。

参考文献

[1] 周广,王彬,冯立华.物联网智能家居平台及协议的研究和实现[J].信息通信技术,2015,9(5):33-39

[2] 龙戎.智能家庭网关发展趋势研究[J].电信网技术,2014(9):1-5

[3] 桂劲松.物联网系统设计[M].北京:电子工业出版社

[4] 丁海,徐佳琪.智能家庭环境中的家庭网关功能分析[J].信息通信技术,2014,8(3):58-61

[5] 程海瑞.智能家居网关研究[J].信息通信技术,2015,9(5):66-70

[6] 中国信息通信研究院.物联网白皮书[R].2014