劉威 李威 胡耀宸

摘 要：家庭自動(dòng)化是智能家居的重要組成部分，家庭自動(dòng)化設(shè)備常常使用各種不同的通信技術(shù)，但是由于標(biāo)準(zhǔn)繁多，不同技術(shù)不能互聯(lián)。文章總結(jié)了以往的智能家居研究以及相關(guān)技術(shù)，分析了其在實(shí)際應(yīng)用中的優(yōu)缺點(diǎn)，從應(yīng)用和通信兩方面分析變量安全操作協(xié)議的設(shè)計(jì)需求，認(rèn)為當(dāng)前家庭物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議設(shè)計(jì)應(yīng)滿足精簡高效、資源共享要求，適應(yīng)安全可靠、互聯(lián)互通的需求，能夠使不同技術(shù)在應(yīng)用層實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通。

關(guān)鍵詞：家庭自動(dòng)化；應(yīng)用協(xié)議；標(biāo)準(zhǔn)化；資源共享；互聯(lián)互通

中圖分類號：TU855 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）23-0074-03

Abstract： Home automation is an important part of smart home， home automation equipment often use a variety of different communication technologies， but due to a wide range of standards， different technologies can not be interconnected. This paper summarizes the previous smart home research and related technologies， analyzes its advantages and disadvantages in practical applications， and analyzes the design requirements of variable safe operation protocols from two aspects of application and communication. It is considered that the current standard protocol design of the Home Internet of things should meet the requirements of simplification and efficiency， resource sharing， security， reliability and interoperability， and enable different technologies to achieve interoperability in the application layer.

Keywords： home automation； application protocols； standardization； resource sharing； interoperability

1 概述

家庭自動(dòng)化是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智能家居中的重要應(yīng)用，是自動(dòng)化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化的整體應(yīng)用[1]。在實(shí)踐創(chuàng)新的過程中發(fā)現(xiàn)，用戶體驗(yàn)成為該科技產(chǎn)物的重中之重。目前存在的主要問題是自動(dòng)化設(shè)備間的互聯(lián)互通不足，設(shè)備的安裝和使用不夠簡單可靠，從而造成系統(tǒng)整體價(jià)格昂貴和使用方法繁雜等問題。當(dāng)前各種自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)技術(shù)已較為成熟，消除這些問題的主要方法離不開標(biāo)準(zhǔn)化的研究和實(shí)施[2]。統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系可以為產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供規(guī)范和引導(dǎo)，有利于實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的互操作和產(chǎn)業(yè)規(guī)?；痆3]。因此，研究設(shè)計(jì)一種在家庭多網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，實(shí)現(xiàn)智能家居自動(dòng)化設(shè)備資源共享、互聯(lián)互通的應(yīng)用協(xié)議具有重要現(xiàn)實(shí)意義。

2 相關(guān)技術(shù)分析

家庭自動(dòng)化系統(tǒng)的關(guān)鍵是對家庭網(wǎng)絡(luò)的引入，因?yàn)榧彝プ詣?dòng)化的實(shí)現(xiàn)離不開家庭網(wǎng)絡(luò)[4，5]，本節(jié)將從家庭自動(dòng)化相關(guān)的主流家庭局域網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用層技術(shù)進(jìn)行分析。

2.1 Modbus協(xié)議分析

在自動(dòng)化設(shè)備中常用的Modbus協(xié)議已經(jīng)成為一種通用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[6]，也被大量應(yīng)用于家庭自動(dòng)化中。Modbus在串行鏈路中使用時(shí)，根據(jù)主從模式直接進(jìn)行通信，當(dāng)在TCP/IP上進(jìn)行通訊時(shí)，根據(jù)映射規(guī)則嵌入到每個(gè)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包應(yīng)用層中的Modbus協(xié)議提供了設(shè)備間能夠交換數(shù)據(jù)的公共的語言，如圖1所示。

Modbus協(xié)議具有復(fù)雜度低、網(wǎng)絡(luò)嵌入能力強(qiáng)、技術(shù)成熟、配套設(shè)備豐富因此被廣泛使用，作為家庭自動(dòng)化技術(shù)的一種應(yīng)用層通信規(guī)范。但由于主從模式通信效率低，自適應(yīng)性差，需合理組態(tài)，造成其在智能家居傳感網(wǎng)設(shè)備中應(yīng)用的阻礙[7]。

2.2 ZigBee應(yīng)用層分析

ZigBee[8]是一種基于IEEE 802.15.4的低速短距離傳輸?shù)臒o線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，早期主要用于大規(guī)模低功耗無線網(wǎng)絡(luò)控制和傳感檢測。隨著智能家居的發(fā)展，ZigBee以其穩(wěn)定性強(qiáng)、高保密性、低功耗、低成本的優(yōu)勢在家庭自動(dòng)化中大量應(yīng)用。ZigBee應(yīng)用層由三個(gè)部分組成，APS子層、ZDO和制造商定義的應(yīng)用對象。ZigBee設(shè)備是依賴于模板的，模板定義了設(shè)備的應(yīng)用環(huán)境、設(shè)備類型、用于設(shè)備間通信的簇，公共模板保證不同供應(yīng)商的互操作，如圖2所示。

ZigBee技術(shù)的主要特點(diǎn)是支持大規(guī)模組網(wǎng)，自組網(wǎng)能力強(qiáng)，自恢復(fù)能力強(qiáng)，因此，對于工業(yè)、室外等應(yīng)用非常具有吸引力[9]。然而對于智能家居的應(yīng)用場景中，自組網(wǎng)的優(yōu)點(diǎn)不明顯，但是所耗費(fèi)的時(shí)間和資源卻依舊存在[9]?？傊甖igBee相對于智能家居系統(tǒng)來說協(xié)議棧過于龐大，造成開發(fā)難度高，功能過剩等缺點(diǎn)。

2.3 Z-Wave應(yīng)用層分析

Z-Wave由Sigma Design公司獨(dú)立開發(fā)，是一種專門為智能家居而設(shè)計(jì)的通信標(biāo)準(zhǔn)，信號可以穿過墻壁將家庭中所有的電子產(chǎn)品組建成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行集中管理，也可以進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，介于擁有眾多優(yōu)勢，其應(yīng)用已開始向公共場所照明、民用安防等領(lǐng)域延伸，但其頻段不能在中國合法使用。

Z-Wave技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)關(guān)注設(shè)備的互操作性以及廠商開發(fā)的方便性，在應(yīng)用層中引入了標(biāo)準(zhǔn)化的方法以實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，包括設(shè)備集、指令集、節(jié)點(diǎn)信息幀、節(jié)點(diǎn)添加和控制器失敗恢復(fù)等的相關(guān)規(guī)范。其應(yīng)用層負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)中的譯碼和指令的執(zhí)行，主要功能包括曼徹斯特譯碼、指令識別、分配Home ID和Node ID、實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中控制器的復(fù)制以及對于傳送和接收幀的有效荷載進(jìn)行控制等。

3 家庭自動(dòng)化需求分析

根據(jù)相關(guān)技術(shù)分析可知，滿足智能家居自動(dòng)化應(yīng)用的通信技術(shù)種類繁多，但在實(shí)際應(yīng)用中又各有優(yōu)缺點(diǎn)，家庭自動(dòng)化需要不同技術(shù)能夠在應(yīng)用層實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通的技術(shù)方案。本節(jié)從應(yīng)用和通信兩方面分析變量安全操作協(xié)議的設(shè)計(jì)需求。

3.1 應(yīng)用需求分析

根據(jù)典型的家庭自動(dòng)化應(yīng)用場景，其功能應(yīng)用通過自動(dòng)化的變量抽象描述可以歸為四類：

（1）輸入型開關(guān)量，如磁感應(yīng)、接近開關(guān)、玻璃破碎等。

（2）輸出型開關(guān)量，如開關(guān)、報(bào)警器等。

（3）采集型數(shù)值量，如溫濕度、電壓電流型傳感器等。

（4）設(shè)置型數(shù)值量，如PWM占空比、頻率、脈沖個(gè)數(shù)、電壓電流型控制器等。

雖然這些典型功能具有自動(dòng)化操作的特點(diǎn)且工業(yè)技術(shù)應(yīng)用成熟，但是，由于家庭應(yīng)用環(huán)境不同于工業(yè)環(huán)境，用戶不僅希望產(chǎn)品物美價(jià)廉、安全可靠，還要求設(shè)備在安裝、維護(hù)、互聯(lián)和使用上要簡便和容易理解，這需要研究針對性的技術(shù)來滿足這些應(yīng)用需求。

3.2 通信需求分析

常用的自動(dòng)化數(shù)據(jù)模型有分離數(shù)據(jù)塊模型、單一數(shù)據(jù)塊模型[6]，常用變量類型有開關(guān)型變量、寄存器型變量。用戶根據(jù)定義的數(shù)據(jù)模型和其變量的操作方法來實(shí)現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)的設(shè)置和讀取。但是由于不同自動(dòng)化設(shè)備的操作雖然相似，但是細(xì)節(jié)仍然不同，需要設(shè)計(jì)對應(yīng)的變量描述方法去解決設(shè)備互操作的問題。

當(dāng)前物聯(lián)網(wǎng)安全問題越來越嚴(yán)重，家庭自動(dòng)化設(shè)備的信息和運(yùn)行安全也是需要考慮的內(nèi)容。安全的內(nèi)涵廣泛，基本的安全包括加密操作、入網(wǎng)認(rèn)證和異常檢測等內(nèi)容。

家庭自動(dòng)化的系統(tǒng)常常集成基于TCP/IP協(xié)議，設(shè)備之間使用客戶機(jī)/服務(wù)器模型自主協(xié)作，通過報(bào)文傳輸信息用于實(shí)時(shí)交互服務(wù)。與Modbus TCP相似，不支持TCP/IP協(xié)議的自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)，需要通過網(wǎng)絡(luò)適配器實(shí)現(xiàn)報(bào)文封裝和協(xié)議轉(zhuǎn)換傳輸。

典型的家庭自動(dòng)化系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)依據(jù)集成方式分為：匯入路由器式、匯入家庭網(wǎng)關(guān)式。在匯入路由器式的家庭自動(dòng)化系統(tǒng)中，不能接入路由器的家庭自動(dòng)化設(shè)備通過轉(zhuǎn)換協(xié)議匯入路由器的以太網(wǎng)或Wi-Fi，客戶端和服務(wù)器通過路由器與設(shè)備通信。在匯入家庭網(wǎng)關(guān)式的家庭自動(dòng)化系統(tǒng)中，家庭網(wǎng)關(guān)內(nèi)集成多種通信功能，且可直接接入家用電子設(shè)備并與客戶端和服務(wù)器通信。

總之，設(shè)計(jì)的協(xié)議方案應(yīng)支持多種通信方式，具備基于TCP/IP的集成能力，根據(jù)變量描述和協(xié)議格式可以生成控制指令和進(jìn)行信息解析，提供變量化的設(shè)備控制、數(shù)據(jù)采集等應(yīng)用，最終實(shí)現(xiàn)家庭自動(dòng)化設(shè)備的互聯(lián)互通。

4 結(jié)束語

當(dāng)前家庭自動(dòng)化發(fā)展的最大障礙是缺乏統(tǒng)一的技術(shù)規(guī)范作為依據(jù)，不同廠家設(shè)備間不能互聯(lián)互通，無法實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)整合以降低成本。而且家庭自動(dòng)化作為智能家居的重要組成部分和基礎(chǔ)內(nèi)容之一，具有重要的研究意義和現(xiàn)實(shí)意義。隨著相關(guān)技術(shù)的成熟和市場的需要，家庭自動(dòng)化技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化受到了行業(yè)和國家有關(guān)部門的高度重視，制定了相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)編制計(jì)劃。本文在標(biāo)準(zhǔn)編制要求的基礎(chǔ)上，從應(yīng)用和通信兩方面分析變量安全操作協(xié)議的設(shè)計(jì)需求，認(rèn)為當(dāng)前家庭物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議設(shè)計(jì)應(yīng)依據(jù)精簡高效、適用范圍廣、滿足互聯(lián)互通、具備可靠安全措施、平臺結(jié)構(gòu)簡單靈活等原則，能夠使不同技術(shù)在應(yīng)用層實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通。

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