張明杰，韓建亭，胡冰松，劉文超

（中國電信股份有限公司上海研究院 上海 200122）

1 引言

作為世界智能化的技術(shù)基礎(chǔ)，物聯(lián)網(wǎng)將改變?nèi)藗兊纳钌a(chǎn)方式。物聯(lián)網(wǎng)對于生產(chǎn)經(jīng)營活動智能化具有重要作用，通過對生產(chǎn)要素如環(huán)境條件、工具狀態(tài)、原材料情況等進(jìn)行實(shí)時(shí)感知并進(jìn)行相應(yīng)控制，可優(yōu)化生產(chǎn)過程，提升產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)率。同樣，將物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用到家庭環(huán)境，可實(shí)現(xiàn)居家生活智能化，通過感知生活要素，并根據(jù)這些數(shù)據(jù)為室主提供及時(shí)周到的服務(wù)，可以在生產(chǎn)與消費(fèi)之間架設(shè)起通暢的橋梁。因此，對于運(yùn)營商而言，建立起物聯(lián)網(wǎng)的家庭應(yīng)用系統(tǒng)是其物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展戰(zhàn)略的一個(gè)重要組成部分。家庭物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)是物聯(lián)網(wǎng)家庭應(yīng)用系統(tǒng)的一個(gè)核心設(shè)備，本文將介紹利用家庭網(wǎng)關(guān)構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)的技術(shù)方案，包括家庭物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)系統(tǒng)架構(gòu)、家庭網(wǎng)關(guān)中間件系統(tǒng)在家庭環(huán)境下物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)中的應(yīng)用，并介紹家庭物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)的業(yè)務(wù)擴(kuò)展方式及技術(shù)實(shí)現(xiàn)。

2 基于家庭的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

物聯(lián)網(wǎng)在家庭的應(yīng)用內(nèi)容涵蓋智能家居、健康服務(wù)、生活服務(wù)等方面內(nèi)容，這些應(yīng)用可以為家庭創(chuàng)造更為人性化、更為及時(shí)的服務(wù)，同時(shí)也可以使家庭用品制造銷售商感知其產(chǎn)品在用戶家中的狀態(tài)，及時(shí)為用戶提供維護(hù)保養(yǎng)、按需補(bǔ)充等服務(wù)，同時(shí)也為其組織生產(chǎn)運(yùn)輸提供精確指導(dǎo)，因此家庭物聯(lián)網(wǎng)無疑對用戶與生產(chǎn)服務(wù)商均具有重要意義。

但組建家庭物聯(lián)網(wǎng)也面臨很多技術(shù)難題，主要包括以下幾個(gè)方面。

·數(shù)據(jù)采集：需要有統(tǒng)一的數(shù)據(jù)采集方法，在家庭層面形成一個(gè)整體，而不是由設(shè)備制造商各自為政而形成多個(gè)數(shù)據(jù)出口，難以管理和有效利用。

·數(shù)據(jù)傳送：需要形成有效的公共數(shù)據(jù)傳送基礎(chǔ)傳輸網(wǎng)絡(luò)，讓應(yīng)用提供者以可控、安全、高效的方式獲取數(shù)據(jù)并發(fā)送反饋。

·應(yīng)用提供：需要有多個(gè)層面的應(yīng)用提供與擴(kuò)展能力，即隨著家庭傳感網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)在家庭內(nèi)部、運(yùn)營商公共服務(wù)和第三方等方面進(jìn)行應(yīng)用功能的有效、方便靈活、低成本的擴(kuò)充。

因此，構(gòu)建家庭物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)要從體系架構(gòu)上解決應(yīng)用擴(kuò)展、數(shù)據(jù)傳送、數(shù)據(jù)采集等面臨的問題，將其構(gòu)造成家庭物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的公共基礎(chǔ)設(shè)施，有利于業(yè)務(wù)的可持續(xù)發(fā)展。

基于上述考慮，運(yùn)營商的家庭物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)可以由三個(gè)層次組成，如圖1所示。第一層是傳感網(wǎng)絡(luò)，包括智能家電、生活用品、家居設(shè)備、家用健康設(shè)備、RF讀寫器等，這些設(shè)備或帶有RF讀寫器，或帶有RFID、傳感器，可實(shí)現(xiàn)對家庭用品、家居設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)控以及家庭成員的健康數(shù)據(jù)采集等；第二層是傳輸網(wǎng)絡(luò)，由電信家庭網(wǎng)關(guān)的物聯(lián)網(wǎng)傳送功能、寬帶網(wǎng)絡(luò)和家庭物聯(lián)網(wǎng)平臺的傳送功能組成，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸與計(jì)算；第三層是應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)，主要包括家庭網(wǎng)關(guān)的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用功能、物聯(lián)網(wǎng)平臺應(yīng)用功能和由商場、制造商、醫(yī)療機(jī)構(gòu)等組成的第三方應(yīng)用功能。其中第三方應(yīng)用主要實(shí)現(xiàn)對家庭物件的檢測、控制、配送，提供商品的售后服務(wù)跟蹤以及及時(shí)為家庭成員提供健康服務(wù)等。

圖1中電信家庭物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用平臺和家庭網(wǎng)關(guān)兼具應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)和傳輸網(wǎng)絡(luò)的功能。其中，家庭網(wǎng)關(guān)的傳輸網(wǎng)絡(luò)功能指其將來自傳感網(wǎng)絡(luò)中的智能家電、RF讀寫器的數(shù)據(jù)傳送到電信家庭物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用平臺，應(yīng)用平臺的傳輸網(wǎng)絡(luò)功能則指其根據(jù)一定的路由規(guī)則將這些數(shù)據(jù)傳送到第三方應(yīng)用功能。而家庭網(wǎng)關(guān)的應(yīng)用功能是指家庭網(wǎng)關(guān)具備物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用能力，例如可以根據(jù)室內(nèi)溫度傳感器、照度傳感器的數(shù)據(jù)對家具設(shè)備進(jìn)行控制，完成室內(nèi)閉環(huán)控制過程，這部分應(yīng)用功能主要面向家庭用戶，由家庭用戶進(jìn)行功能選擇，同時(shí)允許家庭用戶進(jìn)行一定程度的編程控制。

電信家庭物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用平臺的應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)功能是指電信家庭物聯(lián)網(wǎng)平臺的數(shù)據(jù)分析與處理功能，如用戶健康告警功能、安全告警功能等。電信家庭物聯(lián)網(wǎng)平臺作為應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)同時(shí)面向家庭用戶和單位用戶提供服務(wù)。其中單位用戶可以對平臺的功能進(jìn)行編排控制，實(shí)現(xiàn)自己的特色服務(wù)。

3 中國電信家庭網(wǎng)關(guān)及家庭物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用平臺

3.1 家庭網(wǎng)關(guān)

中國電信家庭網(wǎng)關(guān)具有開放性的軟件系統(tǒng)，其軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2中網(wǎng)關(guān)固件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)家庭網(wǎng)關(guān)的基本接入功能，應(yīng)用與運(yùn)行環(huán)境管理程序負(fù)責(zé)管理擴(kuò)展的網(wǎng)關(guān)應(yīng)用程序與應(yīng)用協(xié)議庫，包括應(yīng)用程序與應(yīng)用協(xié)議庫的在線加載運(yùn)行控制、運(yùn)行參數(shù)管理（如應(yīng)用的模塊注冊、注銷、升級等）以及對網(wǎng)關(guān)固件所提供的服務(wù)調(diào)用等（如控制網(wǎng)關(guān)的連接狀態(tài)等）。

中國電信家庭網(wǎng)關(guān)的家庭物聯(lián)網(wǎng)功能作為一個(gè)擴(kuò)展的應(yīng)用程序可在線加載到家庭網(wǎng)關(guān)中，網(wǎng)關(guān)的家庭物聯(lián)網(wǎng)功能軟件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

家庭網(wǎng)關(guān)物聯(lián)網(wǎng)功能軟件包含應(yīng)用平臺接口模塊、傳感數(shù)據(jù)分發(fā)模塊、內(nèi)網(wǎng)處理模塊、傳感網(wǎng)接口模塊、IP層接口和USB設(shè)備接口，這些模塊的具體功能如下。

·應(yīng)用平臺接口模塊：處理網(wǎng)關(guān)與物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用平臺的接口，包括傳感數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，對內(nèi)網(wǎng)處理模塊的指令接收及返回值發(fā)送等，是家庭物聯(lián)網(wǎng)與物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用平臺的數(shù)據(jù)通道。

·傳感數(shù)據(jù)分發(fā)模塊：是家庭物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的中轉(zhuǎn)發(fā)送中心。內(nèi)網(wǎng)處理模塊和平臺接口模塊可以到傳感數(shù)據(jù)分發(fā)模塊中注冊數(shù)據(jù)，形成數(shù)據(jù)分發(fā)模塊的數(shù)據(jù)處理路由表，傳感數(shù)據(jù)分發(fā)模塊根據(jù)該表決定從傳感網(wǎng)獲取數(shù)據(jù)的去向。同時(shí)，該模塊還負(fù)責(zé)將來自內(nèi)部處理模塊的指令和數(shù)據(jù)發(fā)送到傳感網(wǎng)絡(luò)。

·內(nèi)網(wǎng)處理模塊：處理家庭網(wǎng)關(guān)的應(yīng)用功能。該模塊接收來自傳感網(wǎng)的數(shù)據(jù)，并根據(jù)數(shù)據(jù)做出反饋，完成用戶室內(nèi)物聯(lián)網(wǎng)的閉環(huán)控制功能。內(nèi)網(wǎng)處理模塊支持JS腳本控制語言，采用事件處理機(jī)制，用戶用簡單的編程即可實(shí)現(xiàn)功能定制，用戶也可采用該模塊接收來自平臺的控制邏輯。該模塊還包含一個(gè)BS架構(gòu)的UI界面，用于顯示家庭中的設(shè)備狀態(tài)，并處理用戶的腳本輸入，實(shí)現(xiàn)用戶層面的應(yīng)用功能擴(kuò)展。

·傳感網(wǎng)接口模塊：與多種協(xié)議的智能設(shè)備通信，接收其所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)家庭網(wǎng)關(guān)與傳感網(wǎng)設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交互。該模塊具備統(tǒng)一的通信協(xié)議格式，其與不同智能設(shè)備、RF讀寫設(shè)備之間的協(xié)議適配由設(shè)備適配接口模塊完成。

·設(shè)備適配接口模塊：完成與傳感網(wǎng)的協(xié)議適配工作。包括與智能家電、RF讀寫器等設(shè)備的基于IP的通信適配接口和采用USB方式的RF讀寫器的通信適配接口。

上述家庭網(wǎng)關(guān)物聯(lián)網(wǎng)功能軟件將家庭內(nèi)部的物聯(lián)網(wǎng)與電信物聯(lián)網(wǎng)平臺實(shí)現(xiàn)了對接，同時(shí)又實(shí)現(xiàn)了家庭內(nèi)部的自治功能，并提供給用戶進(jìn)行應(yīng)用擴(kuò)展的能力，將家庭網(wǎng)關(guān)改造成家庭物聯(lián)網(wǎng)中心控制設(shè)備，有效地對物聯(lián)網(wǎng)的家庭應(yīng)用提供了支撐。

3.2 電信家庭物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用平臺

電信家庭物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用平臺則提供了家庭物聯(lián)網(wǎng)的高層應(yīng)用能力和第三方數(shù)據(jù)傳送能力，以便第三方實(shí)現(xiàn)基于家庭的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。電信家庭物聯(lián)網(wǎng)的高層應(yīng)用能力是由電信提供的家庭物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用功能。如用戶健康服務(wù)，平臺利用通用醫(yī)學(xué)專家系統(tǒng)對用戶的身體指標(biāo)進(jìn)行分析，適時(shí)發(fā)出健康告警信息與生活醫(yī)學(xué)指導(dǎo)。電信家庭物聯(lián)網(wǎng)的第三方數(shù)據(jù)傳送能力是指電信對第三方提供的相關(guān)家庭物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)接口，第三方通過該接口可以獲得符合系統(tǒng)安全要求的數(shù)據(jù)，根據(jù)這些數(shù)據(jù)可以指導(dǎo)產(chǎn)品的生產(chǎn)、銷售以及售后服務(wù)等。如某種食品生產(chǎn)商可以從家庭物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用平臺獲取其產(chǎn)品在某個(gè)城市家庭的分布與消耗情況，從而為其生產(chǎn)、運(yùn)輸、產(chǎn)品宣傳提供最為可靠的數(shù)據(jù)，為企業(yè)精細(xì)化經(jīng)營提供技術(shù)可能。

電信家庭物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用平臺的系統(tǒng)構(gòu)成如圖4所示。

電信家庭物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用平臺由傳感數(shù)據(jù)路由處理網(wǎng)絡(luò)、第三方應(yīng)用數(shù)據(jù)接口、第三方應(yīng)用自助服務(wù)Portal、家庭物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用專家系統(tǒng)、家庭網(wǎng)關(guān)傳感網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)與控制接口組成。各部分功能具體如下。

·第三方應(yīng)用數(shù)據(jù)接口：是電信家庭物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用平臺的應(yīng)用擴(kuò)展接口，將家庭傳感網(wǎng)所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)發(fā)送到合適的接收者。數(shù)據(jù)發(fā)送一般遵守電子編碼匹配原則，確保數(shù)據(jù)不被濫用。

·傳感數(shù)據(jù)路由處理網(wǎng)絡(luò)：接收來自家庭網(wǎng)關(guān)的傳感數(shù)據(jù)，根據(jù)內(nèi)部數(shù)據(jù)路由表將數(shù)據(jù)發(fā)送到相應(yīng)的應(yīng)用系統(tǒng)，如第三方應(yīng)用數(shù)據(jù)接口或家庭物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用專家系統(tǒng)。同時(shí)，也可將來自第三方或家庭物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用專家系統(tǒng)的控制指令發(fā)送到家庭網(wǎng)關(guān)。其核心部分路由表受第三方應(yīng)用自助服務(wù)Portal和家庭物聯(lián)網(wǎng)專家系統(tǒng)控制。

·第三方應(yīng)用自助服務(wù)Portal：為第三方提供服務(wù)，包括數(shù)據(jù)發(fā)送設(shè)置、專家系統(tǒng)功能訪問、業(yè)務(wù)功能開通控制等。

·家庭物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用專家系統(tǒng)：是電信家庭物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用平臺的應(yīng)用處理單元，為家庭用戶提供專業(yè)的應(yīng)用服務(wù)。

·家庭網(wǎng)關(guān)傳感網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)與控制接口：負(fù)責(zé)接收來自家庭網(wǎng)關(guān)的傳感數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)送入傳感數(shù)據(jù)路由處理網(wǎng)絡(luò)，將傳感數(shù)據(jù)路由處理網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)的控制指令發(fā)送到家庭網(wǎng)關(guān)。

以上介紹的中國電信家庭網(wǎng)關(guān)的家庭物聯(lián)網(wǎng)功能與電信家庭物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用平臺組成了電信物聯(lián)網(wǎng)家庭應(yīng)用系統(tǒng)的核心部分，通過二者配合協(xié)調(diào)可以實(shí)現(xiàn)高效、可擴(kuò)展性良好、可運(yùn)營商的家庭物聯(lián)網(wǎng)公共基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)。

4 結(jié)束語

本文介紹的物聯(lián)網(wǎng)家庭應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)是中國電信在物聯(lián)網(wǎng)方面進(jìn)行的一個(gè)嘗試，目前家庭物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用發(fā)展還面臨以下問題。

·系統(tǒng)成本較高：各類RFID、傳感器等，這些器件除了標(biāo)識物體之外，還需要具備很多其他功能，如對溫度、容量等物理參數(shù)的感知與數(shù)據(jù)發(fā)送，技術(shù)難度較高，成本下降要有一個(gè)階段過程。

·標(biāo)準(zhǔn)化程度有待提升：這主要包括各類傳感器件掃描接口的標(biāo)準(zhǔn)化，智能家電（如智能冰箱等）等RF讀寫器對外數(shù)據(jù)傳遞接口的標(biāo)準(zhǔn)化等，這些基礎(chǔ)設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)化將有利于降低家庭等環(huán)境下的組網(wǎng)復(fù)雜度，有利于應(yīng)用的規(guī)模推廣，進(jìn)而降低系統(tǒng)的整體成本。

物聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)提升為國家發(fā)展戰(zhàn)略的重要組成部分，進(jìn)入家庭應(yīng)用是其成熟與成功的標(biāo)志。隨著技術(shù)的成熟與規(guī)模應(yīng)用，核心器件的成本會極大地下降，未來家庭將會成為物聯(lián)網(wǎng)的最大應(yīng)用領(lǐng)域。家庭作為經(jīng)濟(jì)生活的末端環(huán)節(jié)，物聯(lián)網(wǎng)在家庭中的大量應(yīng)用將為人們提供更為貼心的生活服務(wù)，為社會經(jīng)濟(jì)高效運(yùn)行提供有力保障，同時(shí)也將為運(yùn)營商的新業(yè)務(wù)提供更為廣闊的發(fā)展空間。