中國聯(lián)通網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究院 北京 100048

1 智能家居技術(shù)概述

隨著寬帶中國戰(zhàn)略的實(shí)施和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，智能家居正從概念邁入生活。智能家居系統(tǒng)通常包括通信網(wǎng)絡(luò)、業(yè)務(wù)平臺(tái)、物聯(lián)網(wǎng)傳感器、家用電器以及其他電子電氣設(shè)備，通過遠(yuǎn)程訪問、智能控制，實(shí)現(xiàn)“以人為本”的家居生活體驗(yàn)。

1.1 智能家居業(yè)務(wù)系統(tǒng)

1) 智能家庭監(jiān)控。實(shí)現(xiàn)對住宅的智能視頻監(jiān)控，以及與告警系統(tǒng)、門磁控制和電燈控制等系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)。

2) 智能家庭安防。實(shí)現(xiàn)對住宅中的一氧化碳、煙霧、玻璃破損、運(yùn)動(dòng)等感應(yīng)和監(jiān)控，以及與告警系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)。

3) 智能家電控制。實(shí)現(xiàn)對住宅中的智能家電(如空調(diào)、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(lián)動(dòng)。

4) 智能健康。實(shí)現(xiàn)對人體健康數(shù)據(jù)的采集、綜合分析。

5)家庭娛樂。實(shí)現(xiàn)對家庭娛樂系統(tǒng)的控制(如智能電視、網(wǎng)絡(luò)附屬存儲(chǔ)設(shè)備等)。

智能家居業(yè)務(wù)系統(tǒng)通常包括：部署在運(yùn)營商(或者業(yè)務(wù)提供商)網(wǎng)絡(luò)側(cè)的智能家居平臺(tái)，主要實(shí)現(xiàn)賬戶管理、設(shè)備管理、系統(tǒng)管理、事件管理/消息觸發(fā)、安全服務(wù)、視頻服務(wù)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)等功能；部署住宅中的設(shè)備主要包括智能家居網(wǎng)關(guān)、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(jī)上的應(yīng)用APP，該APP通常作為人機(jī)交互的入口，是實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)配置和智能控制的用戶界面。其中能夠加載應(yīng)用程序的智能家居網(wǎng)關(guān)是智能家居業(yè)務(wù)的家庭控制中心和家庭業(yè)務(wù)中心，在整個(gè)智能家居體系架構(gòu)中連接家庭網(wǎng)絡(luò)和電信承載網(wǎng)，既是智能家居終端設(shè)備與手機(jī)APP交互的橋梁，又是智能家居終端設(shè)備與業(yè)務(wù)平臺(tái)間的交互，如圖1所示。

圖1 智能家居體系架構(gòu)示意圖

1.2 智能家居協(xié)議

智能家居網(wǎng)關(guān)與智能家居終端交互的主流物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議如表1所示。ZigBee是工作在2.4GHz非授權(quán)頻段的短距離局域網(wǎng)無線通信協(xié)議。IEEE802.15.4定義了ZigBee的物理層和MAC層，ZigBee聯(lián)盟在此基礎(chǔ)上對網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化，形成了完整的ZigBee協(xié)議棧，具有功耗低、網(wǎng)絡(luò)容量大等優(yōu)勢，缺點(diǎn)在于未經(jīng)過ZigBee聯(lián)盟認(rèn)證的產(chǎn)品尚不能互通。谷歌正在支持基于IEEE802.15.4定義的IPv6Thread協(xié)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(shè)備。

802.11協(xié)議規(guī)定了Wi-Fi的基本網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，智能手機(jī)、家庭網(wǎng)關(guān)通常已經(jīng)具備Wi-Fi功能，對功耗不敏感的智能家居設(shè)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(yù)期在2016年發(fā)布。

經(jīng)過Zwave聯(lián)盟強(qiáng)制性認(rèn)證的智能家居設(shè)備互通性較好，但由于Zwave協(xié)議工作的頻段在國內(nèi)未得到授權(quán)，尚不能商用。Bluetooth 4.0引入了低功耗藍(lán)牙技術(shù)，功耗較老版本降低了90%，但由于藍(lán)牙采用點(diǎn)對點(diǎn)的組網(wǎng)方式，主要用于智能健康相關(guān)應(yīng)用，如可穿戴式的健身、運(yùn)動(dòng)及醫(yī)療設(shè)備。

2 智能家居網(wǎng)關(guān)技術(shù)方案

2.1 傳統(tǒng)家庭網(wǎng)關(guān)方案

目前，運(yùn)營商部署的家庭網(wǎng)關(guān)主要為家庭用戶提供寬帶接入和語音業(yè)務(wù)，實(shí)現(xiàn)家庭網(wǎng)絡(luò)到運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)的橋接/路由、協(xié)議轉(zhuǎn)換、地址管理/轉(zhuǎn)換、基本網(wǎng)絡(luò)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(yè)務(wù)功能模塊，下行聯(lián)網(wǎng)模塊等，如圖2所示。

表1 智能家居協(xié)議

傳統(tǒng)家庭網(wǎng)關(guān)的硬件部分主要包括：主芯片、交換芯片、語音芯片、內(nèi)存、Flash、上/下行線接口等。主芯片以MIPS架構(gòu)(Microprocessor without interlocked piped stages，無內(nèi)部互鎖流水級的微處理器)的單核處理器為主；內(nèi)存RAM以32MB為主，F(xiàn)lash以16MB為主，存儲(chǔ)容量較小，大部分不支持存儲(chǔ)的擴(kuò)展。

傳統(tǒng)家庭網(wǎng)關(guān)的軟件部分通常由低層驅(qū)動(dòng)、Linux、管理配置模塊等組成。低層驅(qū)動(dòng)主要包括VPN模塊以及硬件接口和芯片的驅(qū)動(dòng)，如DSL/PON接口驅(qū)動(dòng)、ATM/PTM功能模塊、以太口(Ethernet)驅(qū)動(dòng)、DSP語音驅(qū)動(dòng)、硬件加速驅(qū)動(dòng)(Speed)、無線局域網(wǎng)驅(qū)動(dòng)(WLAN)、USB驅(qū)動(dòng)、串口驅(qū)動(dòng)(SPI)、閃存驅(qū)動(dòng)、用戶線路接口電路/用戶線語音處理電路驅(qū)動(dòng)(SLIC /SLAC)、LED指示燈驅(qū)動(dòng)等；Linux部分是基于開源的Linux操作系統(tǒng)進(jìn)行裁剪修改后的嵌入式系統(tǒng)，強(qiáng)化了TCP/IP等網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、路由轉(zhuǎn)發(fā)等家庭網(wǎng)絡(luò)功能，因?yàn)長inux需要遵循GPL(General Public License，通用公共許可證)規(guī)定，芯片廠家通常不會(huì)將其開發(fā)的低層驅(qū)動(dòng)放到Linux內(nèi)核；管理配置模塊主要完成對家庭網(wǎng)關(guān)本地/遠(yuǎn)程的配置管理，包括Web服務(wù)器、文件服務(wù)器、遠(yuǎn)程管理(TR069/SNMP協(xié)議)、PON口配置(OMCI/OAM協(xié)議)、遠(yuǎn)程登陸協(xié)議(Telnet/SSH協(xié)議)、地址管理(PPOE/DHCP、DNS)、流量管理(QoS)、網(wǎng)絡(luò)安全配置(Firewall、Security)、SIP/MGCP協(xié)議配置、WLAN配置管理等；此外，SIP/MGCP協(xié)議棧也需要加載到Linux系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)基于NGN/IMS的語音業(yè)務(wù)。受限于軟硬件架構(gòu)，傳統(tǒng)家庭網(wǎng)關(guān)的擴(kuò)展性較差，通常只允許用戶進(jìn)行一些基本的配置，而不能安裝新的應(yīng)用程序。

圖2 傳統(tǒng)家庭網(wǎng)關(guān)基本功能結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 智能家居網(wǎng)關(guān)方案設(shè)計(jì)

簡而言之，傳統(tǒng)家庭網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)的初衷是便于運(yùn)營商提供家庭寬帶/語音業(yè)務(wù)，完成家庭網(wǎng)絡(luò)部署和管理維護(hù)。隨著家庭監(jiān)控、家庭安防等智能家居業(yè)務(wù)的興起，家庭網(wǎng)關(guān)需要從寬帶接入終端，演進(jìn)為家庭的網(wǎng)絡(luò)中心和業(yè)務(wù)中心，通過提供不同的組網(wǎng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)家庭內(nèi)部不同的終端相互組網(wǎng)和智能控制，以及與智能家居業(yè)務(wù)平臺(tái)的交互。這種連接智能家居設(shè)備、手機(jī)、(平板)電腦等各類家庭終端，屏蔽其差異性接入運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)智能管理控制和信息共享的網(wǎng)元通常稱為智能家居網(wǎng)關(guān)。智能家居網(wǎng)關(guān)也可以看作是智能家庭網(wǎng)關(guān)和物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的融合設(shè)備。

由于智能家居網(wǎng)關(guān)需要通過安裝運(yùn)行智能家居應(yīng)用程序，完成相應(yīng)的業(yè)務(wù)邏輯，實(shí)現(xiàn)對智能攝像頭、智能家電、傳感器等設(shè)備的控制和管理，智能家居網(wǎng)關(guān)的主芯片不再以IP報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)為核心，需要具備較高運(yùn)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(wǎng)關(guān)的ARM(Advanced RISC Machine)架構(gòu)的多核處理器，并實(shí)現(xiàn)了與物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議模塊、存儲(chǔ)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(lián)網(wǎng)協(xié)議模塊主要由ZigBee芯片、802.11芯片、藍(lán)牙芯片組成，實(shí)現(xiàn)與各種智能家居設(shè)備的互聯(lián)；存儲(chǔ)模塊主要分為主存儲(chǔ)器(Random Access Memory，RAM)和輔助存儲(chǔ)器，輔助存儲(chǔ)器提供大容量的存儲(chǔ)空間，包括FLASH、HDD(Hard Disk Drive)或eMMC(Embedded Multi Media Card)，RAM通常不小于512MB，F(xiàn)LASH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(wǎng)接入運(yùn)營商的小區(qū)局域網(wǎng)以及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)；SFP小型可插拔光模塊用于接入運(yùn)營商PON網(wǎng)絡(luò)(Passive Optical Network，無源光纖網(wǎng)絡(luò))；支持SATA、USB、PCIe多種硬件接口擴(kuò)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(shí)現(xiàn)家庭娛樂業(yè)務(wù)的能力。

圖3 智能家居網(wǎng)關(guān)硬件架構(gòu)

綜上，與傳統(tǒng)家庭網(wǎng)關(guān)相比，智能家居網(wǎng)關(guān)的硬件能力有了很大的提升。為了實(shí)現(xiàn)智能家居終端設(shè)備的靈活組網(wǎng)和智能控制，還需要有相應(yīng)的智能操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序，智能家居網(wǎng)關(guān)的操作系統(tǒng)在很大程度上決定了網(wǎng)關(guān)的基礎(chǔ)能力、擴(kuò)展能力和管理能力。采用靈活的操作系統(tǒng)不但有利于網(wǎng)關(guān)本身的升級，還可以使用戶方便地安裝軟件模塊，以達(dá)到業(yè)務(wù)擴(kuò)展的目的。

目前，對家庭網(wǎng)關(guān)操作系統(tǒng)的擴(kuò)展主要采用OSGi(Open Service Gateway Initiative)框架和OpenWrt。OSGi是一個(gè)由Java實(shí)現(xiàn)的完整、動(dòng)態(tài)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(wù)層?；谶@個(gè)框架定義了大量的OSGi服務(wù)，支持簽名和許可策略。美國AT&T、德國電信等運(yùn)營商使用了OSGi智能家庭網(wǎng)關(guān)。OpenWrt作為嵌入式設(shè)備的Linux發(fā)行版，為用戶提供了一個(gè)可添加軟件包的可寫文件系統(tǒng)，這使用戶可以自由選擇應(yīng)用程序和配置，得到了國內(nèi)互聯(lián)網(wǎng)廠商的青睞，缺點(diǎn)是組件與廠家硬件平臺(tái)捆綁，應(yīng)用插件沒有標(biāo)準(zhǔn)的安全和管理機(jī)制。

OSGi框架和OpenWrt方案均是對原來嵌入式Linux系統(tǒng)的優(yōu)化和修補(bǔ)，對家庭網(wǎng)關(guān)硬件能力要求較低，軟件架構(gòu)變化較小，但存在應(yīng)用程序開發(fā)較為復(fù)雜、應(yīng)用程序管理不方便、應(yīng)用程序與平臺(tái)捆綁較密切、應(yīng)用程序之間數(shù)據(jù)隔離較弱等問題。于是將智能手機(jī)的安卓系統(tǒng)(Android)裁剪后移植到家居網(wǎng)關(guān)的思路應(yīng)用而生，安卓系統(tǒng)移植到智能家居網(wǎng)關(guān)后仍分為四層，分別是應(yīng)用程序?qū)印?yīng)用程序框架層、系統(tǒng)運(yùn)行庫和Linux內(nèi)核層，如圖4所示。

1) 應(yīng)用程序?qū)印?yīng)用程序使用Java語言編寫，每一個(gè)應(yīng)用程序由一個(gè)或者多個(gè)活動(dòng)組成，活動(dòng)必須以Activity類為超類，活動(dòng)類似于操作系統(tǒng)上的進(jìn)程，但是活動(dòng)比操作系統(tǒng)的進(jìn)程要更為靈活，與進(jìn)程類似的是，活動(dòng)在多種狀態(tài)之間進(jìn)行切換。基于安卓框架開發(fā)的應(yīng)用程序可以不用編譯運(yùn)行于任何一臺(tái)安裝有安卓系統(tǒng)的平臺(tái)。

安卓移植到智能家居網(wǎng)關(guān)后，在應(yīng)用程序?qū)有枰羟械裘嫦蚴謾C(jī)終端的Home、Contacts、Phone等應(yīng)用；開發(fā)面向智能家居業(yè)務(wù)和網(wǎng)關(guān)管理的新應(yīng)用，如圖4的Application層所示。

智能家居業(yè)務(wù)應(yīng)用類：如智能家庭監(jiān)控業(yè)務(wù)應(yīng)用(Smart Home Monitoring)、智能家庭安防業(yè)務(wù)應(yīng)用(Smart Home Safe-Guard)、智能健康業(yè)務(wù)應(yīng)用(Smart Home Health)、智能家電管理業(yè)務(wù)應(yīng)用、家庭娛樂業(yè)務(wù)應(yīng)用等。

智能家居網(wǎng)關(guān)管理配置應(yīng)用類：完成智能家居網(wǎng)關(guān)基本功能的配置，如TR069遠(yuǎn)程管理、地址管理、流量管理等配置，管理配置內(nèi)容與傳統(tǒng)家庭網(wǎng)關(guān)類似。

Web Server/HTML5應(yīng)用：提供通過手機(jī)APP等訪問智能家庭網(wǎng)關(guān)的用戶界面。

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

如圖4的Application Framework所示，智能家居網(wǎng)關(guān)安卓系統(tǒng)的應(yīng)用程序框架層需要剪裁掉View System、Telephony Manager、Location Manager等主要面向手機(jī)終端應(yīng)用和UI顯示的框架；優(yōu)化Resource Manager、Activity Manager、Package Manager這些公用的應(yīng)用程序框架；增加智能家居業(yè)務(wù)能力集框架(Smart Home Manager)、智能家居協(xié)議框架(Smart Home Protocol)、網(wǎng)絡(luò)安全框架(如VPN、Firewall/Security)、網(wǎng)絡(luò)管理框架。

3) 系統(tǒng)運(yùn)行庫。程序庫(Libraries)包含一些C/C++庫，這些庫能被Android系統(tǒng)中不同的組件使用。它們通過Android應(yīng)用程序框架為開發(fā)者提供服務(wù)。智能家居網(wǎng)關(guān)的程序庫應(yīng)該剪切掉2D繪圖與3D繪圖以及專門為手機(jī)應(yīng)用編寫的類，如Surface Manager、OpenGL等；優(yōu)化網(wǎng)關(guān)應(yīng)用相關(guān)的類，如圖4所示。

圖4 智能家居網(wǎng)關(guān)操作系統(tǒng)和軟件架構(gòu)

Android 運(yùn)行庫(Android Runtime)：包含一個(gè)核心庫和Dalvik虛擬機(jī)實(shí)例。該核心庫提供了Java編程語言核心庫的大多數(shù)功能。每一個(gè) Android應(yīng)用程序都在它自己的進(jìn)程中運(yùn)行，都擁有一個(gè)獨(dú)立的Dalvik虛擬機(jī)實(shí)例。Dalvik虛擬機(jī)執(zhí)行(.dex)的Dalvik可執(zhí)行文件，該格式文件針對小內(nèi)存使用做了優(yōu)化。同時(shí)虛擬機(jī)是基于寄存器的，所有的類都經(jīng)由Java編譯器編譯，然后通過SDK中的“dx”工具轉(zhuǎn)化成.dex格式由虛擬機(jī)執(zhí)行。

4) Linux內(nèi)核。Android的核心系統(tǒng)源于Linux內(nèi)核，但做了一些裁剪和優(yōu)化，如安全性、內(nèi)存管理、進(jìn)程管理、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧和驅(qū)動(dòng)模型。Linux內(nèi)核也同時(shí)作為硬件和軟件之間的抽象層。將Android移植到智能家居網(wǎng)關(guān)硬件上，需要重新編寫相關(guān)硬件驅(qū)動(dòng)，如Wi-Fi驅(qū)動(dòng)、ZigBee驅(qū)動(dòng)、藍(lán)牙驅(qū)動(dòng)、USB驅(qū)動(dòng)、Flash驅(qū)動(dòng)、以太網(wǎng)驅(qū)動(dòng)、PON端口驅(qū)動(dòng)、DSP驅(qū)動(dòng)、串口驅(qū)動(dòng)、指示燈驅(qū)動(dòng)、電源管理等；完善TCP/IP、EPON/GPON的協(xié)議棧等，如路由轉(zhuǎn)發(fā)、PPOE/IPOE、ARP、NAT、VLAN、IGMP等協(xié)議模塊。智能家居網(wǎng)關(guān)Linux內(nèi)核與傳統(tǒng)家庭網(wǎng)關(guān)的Linux內(nèi)核較為類似，如圖4的Linux kernel所示。

3 結(jié)束語

目前，智能家居已進(jìn)入快速發(fā)展階段，潛在的市場需求與日俱增，但智能家居生態(tài)圈尚不成熟，基本處在單品智能化階段向多產(chǎn)品集成控制和聯(lián)動(dòng)的階段發(fā)展，智能家居網(wǎng)關(guān)的研發(fā)有利于推動(dòng)智能家居業(yè)務(wù)的發(fā)展和產(chǎn)業(yè)鏈的成熟。

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