中国家居智能化网络协议体系结构研究

王健

摘 要：为设计出最适合中国家居智能化的网络协议体系结构，文中提出以光纤入户为基础，采用WiFi和ZigBee相结合的无线通信技术构建家庭网络通信系统，以TCP/IP协议为核心串联家庭网络，并将其连入Internet，利用云计算的优势，通过将智能手机作为家居智能化的监控终端来构建家居智能化的整体系统。最后对中国家居智能化网络的發展趋势做出展望。

关键词：家居智能化；协议；体系结构；家庭网关；云计算

中图分类号：TP393.04 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2017）03-00-04

0 引 言

家居智能化的概念最早出现在上世纪80年代，经过多年发展，其内涵不断丰富，应用更加广泛。基于目前的应用现状和最新的技术发展，家居智能化应重新定义为利用建筑、自动控制、数据通信、计算机网络、物联网等多种技术，实现包含从家庭数据共享（如电脑、智能电视、打印机等）到家电控制（如灯光照明、空调、暖气、电饭煲等），以及三表抄送、家居安防等方面的功能，以全面提升人们在家庭生活中的舒适度、安全度、便利度和可操控度为最终目标。

家居智能化近年来发展迅猛，其市场前景非常广阔，据Juniper Research的研究报告预计，中国智能家居市场规模在2018年有望达到1 400亿人民币。但在家居智能化的实施过程中还存在不少问题，这些问题如果不能很好解决，将直接影响家居智能化的普及和应用，主要表现在以下几个方面：

（1） 由于家居智能化涉及的领域较多，因此其国际标准很不完善，虽然在通信领域、建筑和社区化领域、家电领域各有一些相关标准，但这些标准既不完善也无法适应时代的发展[1]，无法获得广泛支持；在国内，虽然有一些实验性的地区标准，但同样没有统一的国家标准[2]；国内各厂家虽成立了一些产业联盟，以确定相互间的接口标准，但总体而言依旧是各自为政，产品大多不能互相连通，无法实现整体控制[3]。

（2） 新技术发展迅猛，各种有线、无线技术层出不穷，技术更新速度极快，而标准又跟不上技术，因此厂家像“无头苍蝇”般，用户更是“无从下手”。

（3） 家居智能化的成本太高、操作复杂且故障率过高，使不少家居智能化应用形同鸡肋，用户兴趣不大，难以进行大规模推广。

随着互联网应用的高速发展和物联网技术的不断成熟，家居智能化作为物联网的一部分，其含义、应用范围、实现方式也发生了根本性变化，家居智能化真正走向标准化和全面普及的时机已经到来。作为家居智能化技术中的核心和最重要的一环，网络通信协议体系结构直接关系家居中各设备间的互连互通和互操作性。家居智能化的网络通信协议体系结构应建立在充分利用现有新技术和设施的基础上，使家居智能化的应用更丰富、操作更简单、价格更便宜、性能更可靠。

本文将结合现有技术探讨最适合中国家居智能化的网络通信协议体系结构，希望为建立国家统一标准提供参考意见，同时，对家居智能化网络通信协议体系结构的未来发展趋势做出展望。

1 确定家居智能化网络通信协议体系结构的依据

在家居智能化系统中，主流的实现方案是以家庭网关为中心[4]，连接并控制家庭中的各类设备，并与外界的Internet互连网相连，以达到远程监控的目的[5]。

1.1 家居智能化系统中信息流的特点

家居智能化系统中的通信信息大体可分为以下两大类：

（1）家庭网关和传感器间的信息传送，如安防报警探头探测的报警信息、水电气数据的自动抄送、温度湿度等传感器的自动上报等，以及一些由家庭网关发出的诸如打开地暖、空调、清风系统、灯光，开启窗帘、音响、电视、电饭煲等命令，这类信息的特点是数据量极小，但实时性要求较高。

（2）信息数据量相对较大，如家用电脑和电视间的节目传送，手机、电脑和打印机间的数据传送，家庭网关和视频监控设备之间的数据传送以及家庭网关与Internet互联网间的数据传输等，这类信息的传送需要较高的网络带宽才能实现。因此，针对家居智能化的信息流及其传送特点，我们要选择不同的网络通信协议，以满足其不同需求。

1.2 选择家居智能化通信协议的主要依据

在选择家居智能化网络通信协议时，应根据家居智能化的信息流及其传送特点，从以下几个方面考察并选出最佳网络通信协议：

（1） 基本性能：速率能满足家居智能化发展的需要；传输距离应满足绝大多数家庭环境的需求；功耗尽可能低，使部分传感器类设备能摆脱有线电缆的桎梏；差错率、稳定性、可靠性等性能良好。

（2） 普及性和开放性：技术得到大多数厂商的普遍支持，容易实现；产品种类多，接口统一，价格便宜，易于推广。

（3） 易用性和可传承性：用户体验良好，安装简单，易于与现有设备相连；易于升级换代，简单快速地适应将来产品的更新和技术的发展。

（4） 安全性：不易被攻击、信息不易被窃取。

2 家居智能化网络通信协议体系结构

目前，国际上用于组建智能家居网络系统的主要标准有HomePlug、PLC、HAVi、HomePNA、DLNA、ECHONET等，这些标准多由不同的企业联合推出，均得不到广泛支持，而其中基于电力线的HomePlug和PLC，基于电话线的HomePNA，早已不适合家庭组网的需要。从国内组网的标准来看，在电子、通信、建筑、家电及物联网等行业均有一定进展，但总体进展缓慢。因此成立一个统一的标准化部门，制定出统一的智能家居组网标准势在必行。而组网时首先要明确家居网络使用的网络通信协议体系结构。

家居智能化的网络通信系统可分为两大部分，其一为家居内网络通信系统的构建，其二为家居内网络系统与外部互联网的通信，主要涉及如何远程控制方面的内容。根据家居智能化信息流的特点，对照上述选择家居智能化通信协议的依据，我们以简化的OSI七层协议参考模型的四层网络协议体系结构为基础，对家居智能化网络通信的各层协议逐个论述。

2.1 家居内网络通信系统协议的选择

2.1.1 家居网络中TCP/IP的沙漏型结构

TCP/IP（传输控制协议/网间协议）作为Internet的主要协议，已成为目前世界上技术最成熟、使用最广泛的网络通信协议，其应用不仅在Internet的骨干网、各类局域网，还已被全面应用于手持设备，如智能手機和平板电脑，以及部分物联网设备。

IP作为TCP/IP协议族的网络层协议，虽然其没有两通信节点间的差错控制机制，且是一种无连接的通信协议，但对于通信信道日渐优越、Internet网络流量复杂、巨大的环境显得非常实用。而TCP/IP的传输层有TCP和UDP（用户数据报协议）两类不同的协议，可供不同的应用程序调用。TCP协议可提供有连接的、具有差错控制的、可靠的端到端传输服务；而UDP则相对简单，可提供无连接的、无差错控制的、不可靠的即时信息传送。

TCP/IP作为中间层协议，很好地兼容了各种不同的协议类型，在低层，它能与IEEE 802.3（或以太网）、WiFi、PPP（点到点协议）、4G等绝大多数协议兼容，而高层又能支持多种不同的应用，从而形成了以TCP/IP为腰的两头大、中间小的沙漏型协议体系结构。

正是基于TCP/IP的上述特点，在当今互联网全球一体化的情况下，为适应当前的主流设备和环境，并使家庭网络的各类设备间以及家庭网络与Internet间能顺利地互联互通，选择TCP/IP作为家庭网络的网络层和传输层协议理所当然[6]。

2.1.2 传统的以太网仍极具生命力

目前，国内主要城市已经可以做到光纤入户，更多的地区大多也可以通过ADSL接入Internet。而家庭内部通常配以五类双绞线为主的家庭结构化布线，组成家庭的局域网系统，这种家庭局域网使用的网络协议基本上是在TCP/IP下的以太网系统。

虽然随着WiFi的迅速普及，家庭结构化布线变得可有可无，但传统的以太网由于其稳定、高速、传承性好等特性，不仅在Internet和各类局域网系统中无法被取代，在家庭组网中仍然会在相当长的时间内有其存在的价值。

2.1.3 WiFi在家庭环境下大数据量的传送方面优势明显

传统的以双绞线为主的家庭局域网最大的问题是必须在家庭中的不同房间进行结构化布线，这需要在新房装潢或旧房二次装潢时才能完成，代价较大，给家居智能化的普及带来不小的问题。随着WiFi、蓝牙、ZigBee等无线组网技术的成熟，不用刻意布线的无线网络迅速普及，价格低廉、应用广泛。无线组网技术与有线组网技术相比，具有无可比拟的优点[7]：

（1）机动性：不受工作区域限制，可到处移动；

（2）便利性：兼容性高，安装、使用方便；

（3）扩充性：可随时增加使用的数量；

（4）节省成本：无须考虑重新装潢，节省布线费用；

（5）主流无线技术如WiFi，ZigBee，蓝牙等功率较低，几乎对人体没有伤害。

表1列出了几种主流家庭组网协议的比较。

蓝牙（Bluetooth）技术因其速率不高，尤其是传输距离有限（最大15 m），不太适用于家居智能化的环境。相反，WiFi技术经过多年的不断发展，其具有速率高、传输距离远等优点，目前在国内已得到大力普及。CNNIC（中国互联网络信息中心）的报告显示，截至2016年6月，92.7%的网民最近半年曾通过WiFi无线网络接入互联网。WiFi的特点极其适合家庭环境下的局域网构建，尤其适用于家居智能化中家庭网关、电脑、手机、打印机间的大数据量传送。因此以光纤入户为基础，WiFi无线组网为主要形式的家庭组网方式是最经济、最快速，同时也是最适合中国现状的家庭组网方式。

2.1.4 ZigBee连接传感器网络的地位仍然不可取代

ZigBee技术除由IEEE 802.15.4标准规定的MAC层和物理层外，其高层到应用层均由ZigBee联盟进行完整的定义。其具有如下特点：

（1）运行功耗低，利用普通电池就可连续工作半年以上，摆脱了电源线的束缚，且运行成本低；

（2）硬件成本低，适合家庭应用；

（3）组网方式简单，传输距离较远，能充分满足家庭环境的需要， 同时，其安全性和可靠性也能基本满足家居智能化的需求。

虽然其传输速率较低（小于250 Kb/s），但由于传送家庭网关和各类传感器间的数据量小，因此实时性要求高的应用非常适合 [8]。故将ZigBee技术作为家居智能化网络无线组网的补充，其地位不可取代。

2.2 与Internet的连接及远程控制

虽然在家庭中，大部分家居智能化应用可通过电话线+ADSL（非对称数字环路）或双绞线入户等方式运行，但从发展的眼光看，通过光纤和TCP/IP协议将家居智能化网络接入Internet才是今后家居智能化发展的重点。采用这种方式可以利用云端服务器的超强运算能力，使家居智能化的运算和决策能力大大加强，而家庭中如视频、照片等大数据量的信息也可以存储在云端几近无限的存储空间内，此举大大减少了家居智能化的成本，且这些数据的保存不易丢失，更为安全、可靠。

利用云端服务器也是解决IPv4地址匮乏问题的最佳方法，据CNNIC的报告，中国所在亚太区的IPv4地址早在2011年2月已分配完毕，普通家庭根本分配不到IPv4 的全局地址，这就造成通过电脑或手机在Internet上无法直接访问家居智能化网络，只能通过云端服务器转接完成的问题。

同时，利用智能手机或远程任一电脑，均可通过电信运营商的WiFi或随处不在的4G网络接入Internet，借助云端服务器可以随时随地间接监视和控制家居网络的各类设备及相关功能部件， 充分发挥了家居智能化的功效。 图1 所示为家居智能化网络的连接示意图。

2.3 家居智能化网络通信协议体系结构

综合以上论述，家居智能化网络通信协议的体系结构如图2所示。

对应于简化的网络协议四层参考模型，在家庭中，存在两套组网模式并存的现象，一套是基于TCP/IP的沙漏型网络通信体系，用以传送较大数据量的应用信息，并与Internet相连，达到远程访问和控制的目的；而另一套则以ZigBee协议进行无线组网，主要用于各类传感器与家庭网关间小数据量的信息传送。这两类信息由家庭网关进行交互并处理。

3 家居智能化网络通信体系结构的发展趋势

家居智能化网络通信系统作为家居智能化的核心，经过多年发展，已有了长足进步和显著变化。

3.1 家居智能化成为物联网的一部分

家居智能化已经从基于简单控制某些家居设备发展到将家庭所有设备连成一个整体网络，并将家居系统并入物联网系统[9]，成为“海量”物联网的一部分，家居智能化的应用也因此发生了巨大变化[10]。

3.2 以云计算为核心，以Internet为基础构建智能家居

云计算在国内虽起步较晚，但发展迅猛，以阿里巴巴为代表的中国企业的云计算水平和服务已居世界前列，阿里巴巴的云计算速度已居全球首位，而其规模也有望成为世界第一。通过将家居网络连入Internet，并充分利用云计算“巨平台”的优势，不仅使家居智能化的计算能力和存储能力大幅增加，应用和服务能力也大大加强，而且使用户家居智能化代价降低、易于控制、可靠性增强。使家居智能化成为标准化的服务有利于家居智能化的快速普及。

3.3 家庭内以无线组网方式代替有线组网方式

随着通信手段的不断丰富，如光纤入户的普及、WiFi的广泛应用及4G移动通信的快速发展，中国的普通家庭已逐渐脱离了需要依赖原有线路如电信的电话线、广播电视的同轴电缆或直接利用电力系统的电力线等现有线路改造的模式，无需进行复杂布线，利用光纤接入和无线组网手段就能很容易地组建家居智能化网络，使相关利用原有线路发展家居智能化的方案显得落后和不适时宜，其标准化组织的工作也显得如同鸡肋般，不再是家居智能化发展的主流。

除了网络通信应尽可能采用无线方式，在部分家居智能化设备的电源供应上也应有所突破。例如除传感器因功耗低可采用普通电池外，其他较大功耗的设备也可以采用诸如足够便宜的锂电池或石墨烯电池供电，并对电池进行无线充电[11]，可使家居智能化设备彻底摆脱线缆的桎梏，将大大促进家居智能化的普及和发展。

3.4 网络带宽迅速增长，信道质量进一步提高，网络安全地位提升

据中国宽带发展联盟的数据显示，截止2016年6月底，中国宽带的平均时速已正式到达10 MB/s，而中国家庭的宽带普及率也超过一半，这就给中国家居智能化的推广和普及创造了条件。一方面，随着以光纤为代表的高速率、高质量通信信道的逐渐普及，网络通信协议中差錯控制和流量控制等机制的重要性降低，越来越简化；而另一方面，随着各类关键应用的推出和推广，网络通信协议的安全特性显得越来越突出。因此网络安全将是今后网络通信协议中需要重点加强的领域。随着我国第一颗量子通信卫星的成功发射，量子通信也逐步实用化，并有望成为下一代关键应用的安全通信方式之一。

3.5 手机成为家居智能化控制的主体

中国是全球最大的智能手机拥有国，据App Annie预测，2020年中国智能手机用户将增至14亿。智能手机在迅速普及的同时，其功能越来越强大、应用也越来越丰富。围绕智能手机，借助互联网，完全可以将智能手机打造成适合绝大多数家居智能化应用的监控终端。利用手中的智能电话，人们就可以摆脱家中各式种类的遥控器，随时随地监控家居中的各种智能设备，大大提高了家居智能化的功效。

3.6 IPv6得以普及

事实上，虽然目前有很多办法，如利用NAT（网络地址转换）等技术可以部分解决IPv4地址枯竭的问题，但最好、最彻底的解决方案是全面采用IPv6的标准，因为IPv6具有海量地址和优越性能。虽然在IPv6标准颁布多年后的今天，由于IPv6与IPv4间的兼容性较差，从IPv6过渡到IPv4的代价太大，目前不论是运营商还是设备制造商，出于成本和原有设备利用的问题，均不太愿意立即过渡到IPv6，但随着 Internet乃至物联网的蓬勃发展，IPv6的全面普及仍然是大势所趋。IPv6不仅能彻底解决地址匮乏的问题，其另一大优点就是全面使用IPSec，数据传输经过加密，安全性大增，对某些关键性应用至关重要。

4 结 语

随着科技的发展和人民生活水平的提高，家居智能化的应用也必将越来越丰富，家居智能化必将成为现代化家庭中必不可少的一部分。在科技飞速发展的今天，实现家居智能化所用的网络通信系统较过去已有了根本性变化。家庭中的网络系统构建实现由于主要采用无线技术而变得简单，同时利用手中的智能手机，借助互联网和云计算，即“海量终端接入巨平台”的方式，使得人们可随时随地享受家居智能化带来的高效、舒适、健康的生活。

参考文献

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