智能家居網關研究

中國聯通網絡技術研究院 北京 100048

1 智能家居技術概述

隨著寬帶中國戰略的實施和物聯網技術的發展，智能家居正從概念邁入生活。智能家居系統通常包括通信網絡、業務平臺、物聯網傳感器、家用電器以及其他電子電氣設備，通過遠程訪問、智能控制，實現“以人為本”的家居生活體驗。

1.1 智能家居業務系統

1) 智能家庭監控。實現對住宅的智能視頻監控，以及與告警系統、門磁控制和電燈控制等系統的聯動。

2) 智能家庭安防。實現對住宅中的一氧化碳、煙霧、玻璃破損、運動等感應和監控，以及與告警系統的聯動。

3) 智能家電控制。實現對住宅中的智能家電(如空調、空氣凈化器等)、燈光、窗簾等的控制，以及智能家電之間的信息共享和聯動。

4) 智能健康。實現對人體健康數據的采集、綜合分析。

5)家庭娛樂。實現對家庭娛樂系統的控制(如智能電視、網絡附屬存儲設備等)。

智能家居業務系統通常包括：部署在運營商(或者業務提供商)網絡側的智能家居平臺，主要實現賬戶管理、設備管理、系統管理、事件管理/消息觸發、安全服務、視頻服務數據存儲、網絡適應等功能；部署住宅中的設備主要包括智能家居網關、智能家居終端(如智能攝像頭、一氧化碳/煙霧傳感器、智能家電等)；以及安裝在智能手機上的應用APP，該APP通常作為人機交互的入口，是實現業務配置和智能控制的用戶界面。其中能夠加載應用程序的智能家居網關是智能家居業務的家庭控制中心和家庭業務中心，在整個智能家居體系架構中連接家庭網絡和電信承載網，既是智能家居終端設備與手機APP交互的橋梁，又是智能家居終端設備與業務平臺間的交互，如圖1所示。

圖1 智能家居體系架構示意圖

1.2 智能家居協議

智能家居網關與智能家居終端交互的主流物聯網協議如表1所示。ZigBee是工作在2.4GHz非授權頻段的短距離局域網無線通信協議。IEEE802.15.4定義了ZigBee的物理層和MAC層，ZigBee聯盟在此基礎上對網絡層和應用層進行了標準化，形成了完整的ZigBee協議棧，具有功耗低、網絡容量大等優勢，缺點在于未經過ZigBee聯盟認證的產品尚不能互通。谷歌正在支持基于IEEE802.15.4定義的IPv6Thread協議。目前ZigBee主要用于一氧化碳/煙霧傳感器、門磁等智能家居設備。

802.11協議規定了Wi-Fi的基本網絡結構，智能手機、家庭網關通常已經具備Wi-Fi功能，對功耗不敏感的智能家居設備可以使用Wi-Fi，如智能家電、智能攝像頭等。IEEE802.11ah正在制定的低功耗Wi-Fi將功耗降低至5mW，預期在2016年發布。

經過Zwave聯盟強制性認證的智能家居設備互通性較好，但由于Zwave協議工作的頻段在國內未得到授權，尚不能商用。Bluetooth 4.0引入了低功耗藍牙技術，功耗較老版本降低了90%，但由于藍牙采用點對點的組網方式，主要用于智能健康相關應用，如可穿戴式的健身、運動及醫療設備。

2 智能家居網關技術方案

2.1 傳統家庭網關方案

目前，運營商部署的家庭網關主要為家庭用戶提供寬帶接入和語音業務，實現家庭網絡到運營商網絡的橋接/路由、協議轉換、地址管理/轉換、基本網絡安全等功能。主要功能模塊包括：上行接入(如PON/DSL模塊)，管理配置、QoS、安全等基本功能模塊，語音、視頻等業務功能模塊，下行聯網模塊等，如圖2所示。

表1 智能家居協議

傳統家庭網關的硬件部分主要包括：主芯片、交換芯片、語音芯片、內存、Flash、上/下行線接口等。主芯片以MIPS架構(Microprocessor without interlocked piped stages，無內部互鎖流水級的微處理器)的單核處理器為主；內存RAM以32MB為主，Flash以16MB為主，存儲容量較小，大部分不支持存儲的擴展。

傳統家庭網關的軟件部分通常由低層驅動、Linux、管理配置模塊等組成。低層驅動主要包括VPN模塊以及硬件接口和芯片的驅動，如DSL/PON接口驅動、ATM/PTM功能模塊、以太口(Ethernet)驅動、DSP語音驅動、硬件加速驅動(Speed)、無線局域網驅動(WLAN)、USB驅動、串口驅動(SPI)、閃存驅動、用戶線路接口電路/用戶線語音處理電路驅動(SLIC /SLAC)、LED指示燈驅動等；Linux部分是基于開源的Linux操作系統進行裁剪修改后的嵌入式系統，強化了TCP/IP等網絡協議、路由轉發等家庭網絡功能，因為Linux需要遵循GPL(General Public License，通用公共許可證)規定，芯片廠家通常不會將其開發的低層驅動放到Linux內核；管理配置模塊主要完成對家庭網關本地/遠程的配置管理，包括Web服務器、文件服務器、遠程管理(TR069/SNMP協議)、PON口配置(OMCI/OAM協議)、遠程登陸協議(Telnet/SSH協議)、地址管理(PPOE/DHCP、DNS)、流量管理(QoS)、網絡安全配置(Firewall、Security)、SIP/MGCP協議配置、WLAN配置管理等；此外，SIP/MGCP協議棧也需要加載到Linux系統，實現基于NGN/IMS的語音業務。受限于軟硬件架構，傳統家庭網關的擴展性較差，通常只允許用戶進行一些基本的配置，而不能安裝新的應用程序。

圖2 傳統家庭網關基本功能結構示意圖

2.2 智能家居網關方案設計

簡而言之，傳統家庭網關設計的初衷是便于運營商提供家庭寬帶/語音業務，完成家庭網絡部署和管理維護。隨著家庭監控、家庭安防等智能家居業務的興起，家庭網關需要從寬帶接入終端，演進為家庭的網絡中心和業務中心，通過提供不同的組網技術，實現家庭內部不同的終端相互組網和智能控制，以及與智能家居業務平臺的交互。這種連接智能家居設備、手機、(平板)電腦等各類家庭終端，屏蔽其差異性接入運營商網絡，實現智能管理控制和信息共享的網元通常稱為智能家居網關。智能家居網關也可以看作是智能家庭網關和物聯網網關的融合設備。

由于智能家居網關需要通過安裝運行智能家居應用程序，完成相應的業務邏輯，實現對智能攝像頭、智能家電、傳感器等設備的控制和管理，智能家居網關的主芯片不再以IP報文轉發為核心，需要具備較高運算能力和多線程處理能力，主流芯片廠商推出了面向智能家居網關的ARM(Advanced RISC Machine)架構的多核處理器，并實現了與物聯網協議模塊、存儲模塊、語音模塊、交換芯片、SFP(Small Form-factor Pluggable)小型可插拔光模塊之間的接口；其中，物聯網協議模塊主要由ZigBee芯片、802.11芯片、藍牙芯片組成，實現與各種智能家居設備的互聯；存儲模塊主要分為主存儲器(Random Access Memory，RAM)和輔助存儲器，輔助存儲器提供大容量的存儲空間，包括FLASH、HDD(Hard Disk Drive)或eMMC(Embedded Multi Media Card)，RAM通常不小于512MB，FLASH容量通常不小于64MB，eMMC容量通常不小于4GB；交換芯片連接WAN口/LAN口，完成家庭以太網接入運營商的小區局域網以及數據轉發；SFP小型可插拔光模塊用于接入運營商PON網絡(Passive Optical Network，無源光纖網絡)；支持SATA、USB、PCIe多種硬件接口擴展，如圖3所示。此外ARM處理器還具備通過媒體處理芯片、視頻/音頻輸出端口實現家庭娛樂業務的能力。

圖3 智能家居網關硬件架構

綜上，與傳統家庭網關相比，智能家居網關的硬件能力有了很大的提升。為了實現智能家居終端設備的靈活組網和智能控制，還需要有相應的智能操作系統和應用程序，智能家居網關的操作系統在很大程度上決定了網關的基礎能力、擴展能力和管理能力。采用靈活的操作系統不但有利于網關本身的升級，還可以使用戶方便地安裝軟件模塊，以達到業務擴展的目的。

目前，對家庭網關操作系統的擴展主要采用OSGi(Open Service Gateway Initiative)框架和OpenWrt。OSGi是一個由Java實現的完整、動態的組件模型，從概念上可以分為三層：模塊層、生命周期層和服務層?；谶@個框架定義了大量的OSGi服務，支持簽名和許可策略。美國AT&T、德國電信等運營商使用了OSGi智能家庭網關。OpenWrt作為嵌入式設備的Linux發行版，為用戶提供了一個可添加軟件包的可寫文件系統，這使用戶可以自由選擇應用程序和配置，得到了國內互聯網廠商的青睞，缺點是組件與廠家硬件平臺捆綁，應用插件沒有標準的安全和管理機制。

OSGi框架和OpenWrt方案均是對原來嵌入式Linux系統的優化和修補，對家庭網關硬件能力要求較低，軟件架構變化較小，但存在應用程序開發較為復雜、應用程序管理不方便、應用程序與平臺捆綁較密切、應用程序之間數據隔離較弱等問題。于是將智能手機的安卓系統(Android)裁剪后移植到家居網關的思路應用而生，安卓系統移植到智能家居網關后仍分為四層，分別是應用程序層、應用程序框架層、系統運行庫和Linux內核層，如圖4所示。

1) 應用程序層。應用程序使用Java語言編寫，每一個應用程序由一個或者多個活動組成，活動必須以Activity類為超類，活動類似于操作系統上的進程，但是活動比操作系統的進程要更為靈活，與進程類似的是，活動在多種狀態之間進行切換?；诎沧靠蚣荛_發的應用程序可以不用編譯運行于任何一臺安裝有安卓系統的平臺。

安卓移植到智能家居網關后，在應用程序層需要剪切掉面向手機終端的Home、Contacts、Phone等應用；開發面向智能家居業務和網關管理的新應用，如圖4的Application層所示。

智能家居業務應用類：如智能家庭監控業務應用(Smart Home Monitoring)、智能家庭安防業務應用(Smart Home Safe-Guard)、智能健康業務應用(Smart Home Health)、智能家電管理業務應用、家庭娛樂業務應用等。

智能家居網關管理配置應用類：完成智能家居網關基本功能的配置，如TR069遠程管理、地址管理、流量管理等配置，管理配置內容與傳統家庭網關類似。

Web Server/HTML5應用：提供通過手機APP等訪問智能家庭網關的用戶界面。

2) 應用程序框架。Java語言編寫的應用程序架構設計簡化了組件的重用，任何一個應用程序都可以發布它的功能塊，并且任何其它的應用程序都可以使用其所發布的功能塊(需遵循框架的安全性限制)。隱藏在每個應用后面的是一系列的服務和系統，如內容提供器(Content Providers)、資源管理器(Resource Manager)、活動管理器(Activity Manager)、應用程序管理器(Package Manager)。

如圖4的Application Framework所示，智能家居網關安卓系統的應用程序框架層需要剪裁掉View System、Telephony Manager、Location Manager等主要面向手機終端應用和UI顯示的框架；優化Resource Manager、Activity Manager、Package Manager這些公用的應用程序框架；增加智能家居業務能力集框架(Smart Home Manager)、智能家居協議框架(Smart Home Protocol)、網絡安全框架(如VPN、Firewall/Security)、網絡管理框架。

3) 系統運行庫。程序庫(Libraries)包含一些C/C++庫，這些庫能被Android系統中不同的組件使用。它們通過Android應用程序框架為開發者提供服務。智能家居網關的程序庫應該剪切掉2D繪圖與3D繪圖以及專門為手機應用編寫的類，如Surface Manager、OpenGL等；優化網關應用相關的類，如圖4所示。

圖4 智能家居網關操作系統和軟件架構

Android 運行庫(Android Runtime)：包含一個核心庫和Dalvik虛擬機實例。該核心庫提供了Java編程語言核心庫的大多數功能。每一個 Android應用程序都在它自己的進程中運行，都擁有一個獨立的Dalvik虛擬機實例。Dalvik虛擬機執行(.dex)的Dalvik可執行文件，該格式文件針對小內存使用做了優化。同時虛擬機是基于寄存器的，所有的類都經由Java編譯器編譯，然后通過SDK中的“dx”工具轉化成.dex格式由虛擬機執行。

4) Linux內核。Android的核心系統源于Linux內核，但做了一些裁剪和優化，如安全性、內存管理、進程管理、網絡協議棧和驅動模型。Linux內核也同時作為硬件和軟件之間的抽象層。將Android移植到智能家居網關硬件上，需要重新編寫相關硬件驅動，如Wi-Fi驅動、ZigBee驅動、藍牙驅動、USB驅動、Flash驅動、以太網驅動、PON端口驅動、DSP驅動、串口驅動、指示燈驅動、電源管理等；完善TCP/IP、EPON/GPON的協議棧等，如路由轉發、PPOE/IPOE、ARP、NAT、VLAN、IGMP等協議模塊。智能家居網關Linux內核與傳統家庭網關的Linux內核較為類似，如圖4的Linux kernel所示。

3 結束語

目前，智能家居已進入快速發展階段，潛在的市場需求與日俱增，但智能家居生態圈尚不成熟，基本處在單品智能化階段向多產品集成控制和聯動的階段發展，智能家居網關的研發有利于推動智能家居業務的發展和產業鏈的成熟。

參考文獻

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