基于家用智能网关的智能家居应用

江海涛

（天津安装工程有限公司 天津300061）

随着智能家庭概念的不断深化，智能家居作为智能家庭的重要组成部分已经成为年轻人的时尚追求之一。带有路径记忆功能及路径自导航功能的扫地机，能够与京东商城等电商平台连接的智能冰箱，可根据室内空气质量自动开启关闭的家用空气净化器等产品已经成为年轻人的新宠。但这些智能家居产品只是初步完成了智能家庭的终端硬件产品准备，如何通过互联网来远程管理控制及精准使用这些产品才是实现智能家居追求的关键。

1 家用智能网关在智能家居产品中的必需性

现阶段，智能家居产品都通过专用 App软件+产品制造厂商完成远程控制管理和精准操作使用。比如小米将自己的互联网产品远程管控集成为“米家App”软件，小米旗下的各种智能家居产品都在该App下统一管理及操作。但是，传统的家用路由器已经不能满足智能家居的个性化、精细化及通用性需求，智能家用网关则可以很好地支撑智能家居的多种需求。

1.1 多品牌智能家居产品需要便捷的管控操作

目前的智能家居产品主要具备3个特点：一是大多通过蓝牙（BlueTooth）或ZigBee协议简单的短距离连接和传输数据、控制指令等；二是生产厂商的私有云能提供较多的功能，并具备远程管理能力；三是厂家私有云分别与 BAT的互联网巨头的平台连接，实现功能扩展。虽然智能家居产品大都具备这些功能，但由于需要安装多种App应用，操作反而较为繁琐，同时存在很难打通不同厂商产品之间云平台“壁垒”的问题。智能家用网关通常采用Android操作系统，这就能在其上安装多个成熟的App应用软件，通过智能家用网关和厂商私有云连接，用户只需要在个人智能终端安装通用控制App，即可简单便捷地控制不同的智能家居产品。

1.2 硬件系统对未来的智能家居产品升级提供支撑

传统的家用路由器核心大多采用 MIPS架构的半导体芯片，由于其能耗较大、软硬件通用性较差等问题，很难对智能家居产品提供支撑。ARM 架构处理器芯片是目前最为主流的 RISC指令集处理器，已经广泛应用于智能手机、嵌入式控制终端、多媒体音视频编解码（例如数字电视机顶盒）的产品。因其性能强大、成本低廉和能耗低的优势，2016年起，基于ARM架构的处理器芯片已经成为家用智能网关的核心芯片。因此，多种 App应用可以无缝嵌入其中，智能家用网关能够保证对智能家居产品提供良好的软硬件支撑。

1.3 硬件模块化架构降低了智能家庭组网成本投入

随着光纤入户的大规模推广，家用智能网关的模块化架构在“光进铜退”的过渡期能更好地保护消费者向电信运营商、广电网络运营商的投入成本。同时，标准模块与家用智能网关内部的通用硬件接口可以为未来智能家庭组网的发展提供支撑，简单的模块升级能够保障用户操作方式的连续性，也降低了运营商的软硬件开发升级成本和客户服务压力。

因此，采用模块化架构的家用智能网关已经成为智能家庭组网的必需，一个适合家庭用户多样化需求的家用智能网关已经成为运营商竞争的全新着力点。

2 家用智能网关的模块化架构及选型

2.1 家用智能网关的模块化架构

家用智能网关在智能家庭的组网上处于“承上启下”的核心地位，通过软硬件系统的协同工作，既完成对智能家居产品的管理控制和数据传输，还可通过与云平台和个人智能终端的共同工作，实现对智能家居产品的远程控制和私有数据存储，以及个性化设置等功能。

如图 1所示，多模块化家用智能网关主要包括4部分：主处理器模块、通用网络模块、外部网络接入转换模块和附加模块。在本文中，附加模块重点讨论智能家居互联模块，该模块为智能家居产品与智能家用网关的物理连接支撑。

主处理器模块处于家用智能网关的中心位置，主要实现运行 App应用、多媒体音视频编解码（二次编码能力应具备至少一路 720p编码能力）、对其他模块的连接和管理等功能；外部网络接入转换模块主要负责将光信号或电信号接入，将数据交由主处理器模块和通用网络模块处理；通用网络模块功能基本等同于家用无线路由器，主要负责与家用智能网关下一级设备的有线和无线数据交换传输；智能家居模块提供多种智能家居产品的无线连接支撑。

图1 家用智能网关内部模块拓扑图Fig.1 Inner module topology of home intelligent gateway

2.2 家用智能网关的模块选型

通过比较，主处理器模块选用 Mstar（星震半导体）的最新产品 MSO9385-AD，该芯片集成4核64位高性能Cortex A53处理器，除了支持4K@p60解码能力及常见的音视频解码外，还能支持 H.264和H.265编码。同时该芯片内置多种外围接口，能很好地满足家用智能网关的需求。

基于性价比分析，通用网络模块选取MTK（联发科）研发的mt7628A+mt7612e集成方案。该方案支持2.4GHz和 5.8GHz双频数据传输，无线数据传输能力可以达到 1167Mbps，能够满足未来无限大带宽数据传输要求。

智能家居互联模块主要包括蓝牙（BlueTooth）模块和ZigBee模块。这2个模块通过USB通用总线与主处理器模块连接，依托主处理器的强大处理能力和多种功能保证智能家居产品的便捷操作和精准控制。

考虑到 App应用软件的移植简单化和稳定性需求，主处理器模块选取 Android操作系统，通用网络模块选取 OpenWrt嵌入式 Linux操作系统。其中的数据共享、数据存储等功能由主处理器完成，通用网络模块只负责有线和无线的数据传输。

3 智能家居系统的指令和数据传输概述

本文设计的智能家用网关与个人智能终端（智能手机、平板电脑等）、智能家居产品协同工作，依托运营商或智能家居产品制造厂商的私有云平台，实现对智能家庭中大部分功能的控制指令发送、数据传输、数据存储等。而在这其中，安防监控、智能家居产品的开启关闭及精准控制等业务应用需要在远程条件下交互实现。该交互过程的核心主要是互联网与上文提到的云平台之间的链接建立，数据和指令请求发送，数据获取后返回的步骤。

①建立链接：个人智能终端通过通用 App向云平台发送链接申请，经过互联网与云平台间的网关转换，建立链接。

②数据和指令发送：通过上一步已经建立的链接，个人智能终端将RSTP和HTTP数据指令发送给云平台，云平台将这些指令分类处理后发送给家用智能网关。

③智能家居产品的管控：家用智能网关通过智能家居互联模块将步骤②中的数据指令传送给智能家居产品，精确控制其各项操作。

④数据获取后返回：智能家居产品获取实时数据后，按步骤①至③的链路返回，同时将数据备份至云平台私有文件夹，然后返回个人智能终端。

通过以上4步，智能家居产品能够真正实现移动互联网下的远程控制。这些控制不同于目前的“专用 App应用+私有云平台”的繁琐操作，可真正实现一个通用 App便捷处理智能家庭中大部分智能家居产品的操控。

4 结 语

近2年来，以电信运营商和广电网络运营商为市场主导，对家庭用户开放了多种家用智能网关。其中电信运营商出于成本和迅速抢占市场考虑，使用的家用智能网关并不具备多媒体音视频解码、智能家居控制的功能。广电网络运营商在云平台建设、传统的音视频编解码、智能家庭组网等方面非常重视，推出了多种功能强大的家用智能网关，但由于价格较高，很难大面积推广。本文提出了智能家居产品的远程管控是智能家庭发展的切入点，还提出了家用智能网关的模块化架构，这些能在一定程度上降低成本投入压力。可以预见，智能家庭必然成为市场竞争的全新热点之一，家用智能网关必然在其中处于极为重要的地位，模块化的家用智能网关将成为该类产品的发展趋势。