基于物联网技术的智能家居平台及协议的研究和实现

2015-05-13

信息通信技术 2015年5期

中国联通研究院北京 100032

引言

随着物联网的发展，智能家居领域的研究和应用呈现爆炸式的发展。这种发展趋势基于相关新技术的发展、突破和成熟，主要包括物联网及泛在网技术的发展和演进、通信技术的发展和成熟、智能终端及无线通信技术的发展和迅速普及、平台和云计算技术的发展、计算机和控制技术的发展和成熟[1-2]。

智能家居是以用户住宅为载体，综合多项新技术(如通信网络、数字化家电、设备自动化、智能控制等技术)，将管理、服务、子系统集成为一体的舒适、安全、环保、高效的居住环境[3]。将传统的家电设备智能化，使之构成智能家居的重要组成部分，改变了原本家电、家具静止被动的属性，使它们为人类提供全方位的信息交换功能，帮助家庭与外界保持高效流畅的实时交流，在很大程度上提高了人们的工作生活效率，节约了生活成本开支，进而全方位提高人们的生活质量。智能家居解决方案是建立在住宅内的通信网络基础上，同时，为提供服务必须建立家庭内部网络控制节点和外界的信息通道，通过和云服务平台的相应服务实现信息交换，完成远程控制、远程监测、情景模式、设备联动等智能业务。

智能家居作为一个涉及到诸多热点科技的完整系统，在技术演进过程中亦必然涉及产业链中的各层次，其发展将为最终用户、家电厂家、云平台服务厂家、运营商、服务提供商带来收益。这种涉及多层次生态环境的系统，解决层间和层内的信息交互和互联互通是一个关键问题，因此，针对设备接入和控制的平台和协议的开发和设计是解决方案的关键环节。随着智能家居的发展，愈来愈多的家电设备逐步和云平台对接，逐步实现和智能终端的连接。对于运营商，家电设备的通信控制系统是重要的物联网入口，把握这个入口，对于数据收集、模式场景控制、信息推送均具有重要意义。在此背景下，2014年5月至2015年4月，中国联通研究院展开《智能家居远程管理平台与终端原型系统研发》的项目研究，研发平台和智能设备接口的方案和标准，为下一步智能家电适配工作打下了基础。反之，广泛的家居智能化工作将促进非平台级互联类型的智能家居业务的研究和推广。

1 系统架构

尽管目前在物联网体系结构上尚未形成全球统一规范，但业界大多认可物联网体系架构的三层结构，即感知层、网络层和应用层[4-6]。其中，网络层主要完成信息的采集、转换和收集，进而实现物与物之间通信和控制。有研究表明，智能控制、情景模式、设备联动等新技术可基于此层的技术实现；方案中通过部署，实施了多种通信协议的适配和转换、多种业务层协议的翻译以及各类业务逻辑的实现；在应用层，主要完成数据的管理和处理，针对物联网架构研发的“智能家居远程管理平台”，实施和实现了“智能家居控制平台”，处理和完成智能设备上报数据的管理和数据。其智能家居解决方案的总体架构如图1所示。

在智能家居解决方案总体架构的设计中，体现了对应的物联网层次，其中“智能家居远程管理平台”主要实现智能家居的应用层实例，与行业应用紧密结合，实现各类的智能家居业务逻辑，其技术功能架构如图2所示。

在解决方案总体架构的网络层设计中结合了成熟的云计算技术，通过开放的API接口实现内部接入控制、能力开放服务和与第三方异构业务平台的互连接口，基于现有通信网络的承载支撑技术，实现异构网聚合、资源与存储管理、数据感知和挖掘、数据决策、平台增强等网络层功能，其技术功能架构如图3所示。

解决方案总体架构的感知层要素比较多，其核心部分是实现业务控制的中心控制模块，该模块在具体实现方案上主要有2种。

图1 智能家居的解决方案的总体架构图

图2 智能家居远程管理平台技术功能架构图

图3 智能家居远程管理平台网络层接口技术功能架构图

方案一：第三方设备在家庭控制中心接入，仅需在设备内部维持基本功能，与平台间的长连接等可交给家庭控制中心完成。这就降低了对于第三方设备的硬件要求，可以降低设备成本。对于增强性的家庭控制中心(网关)，可以实现更多种类的无线通信协议的适配。

方案二：在设备内部嵌入联通协议，直接连接至家庭网关。该方案中用户可以不采购家庭控制中心，而利旧用户家庭中的已有网关，更适合家庭中仅需要单一设备的用户。

除了家庭控制中心(网关)部分，还包括受控智能设备、家庭网关、外设模块、智能终端和必要的中继器等部分，其架构图如图4所示。

按照物联网总体架构的设计，智能家居远程管理平台与终端系统实现了智能家居的业务，并且根据业务逻辑研究设计了多种原型系统。

2 业务场景及原型

为向用户提供智能家居增值业务、为家电厂家拓展销售渠道、为未来数据经营奠定基础，项目组在研究和规划智能家居业务的基础上，根据业务逻辑研究设计了多种原型系统，在业务场景设计上，着重满足基于用户场景的体验质量，以提升用户在使用家电产品时的体验，其中，主要包括情景模式、自动控制、设备联动三类场景，其示例如下。

图4 家庭控制中心及外围设备架构图

图5 多种业务控制及场景示意图

1) 情景模式。例如某厂照明设备控制按键位置不足，而智能终端恰恰可以提供优质的信息交互能力，智能化后，用户通过手机，在“增强模式”-〉“睡眠”-〉“XX推荐催眠曲线”的控制按键下，实现照明设备的自动调节。

2) 自动控制。用户购得“鱼香肉丝”半成品食材一份，放入某厂电饭锅中，通过手机扫描食材包装上条码，电饭锅自动进入对应烹饪模式.

3) 设备联动。当一个或多个设备进入某种状态之后，触发另一些设备的联动逻辑，例如当温度和烟雾浓度到达警戒值时，自动触发告警设备、防护设备、通风设备等。多种业务控制及场景示意图如图5所示。

在业务场景之外，系统可以实现对智能设备信息的收集，以期展开基于数据的增值业务，同时设计实现数据行为分析、内容推送等业务逻辑或接口。

智能家居产品涵盖面广泛，为更好地实验和演示业务场景和逻辑，文章分析了12个业务原型系统的方案。其按照业务接口，主要分为：传感类业务接口产品(温度、湿度、电压、电流、感应、压力、运动感知等)、控制类业务接口产品(IO控制、信号强度控制等)、外设类业务接口产品(SD卡、flash存储外设、显示、IC卡等，可选支持指纹识别等外设)；各类型产品经过适配和集成，可以实现复杂的业务联动场景，为智能家居家庭互联控制系统提供业务实例，原型系统如表1所示。

表1 原型系统列表

同时，在业务场景和原型设计基础上，研究开发了《智能家居远程管理平台接入技术标准》和硬件控制的接口协议。

3 协议及系统实现流程

基于《智能家居远程管理平台接入技术标准》的研究开发，在《智能家居远程管理平台与终端原型系统研发》项目的解决方案中实现了平台、智能设备及家庭控制中心(网关)之间的消息互通。此接入技术标准的协议规范了各网元之间的业务层协议和业务逻辑的实现流程。业务层协议研究和设计了业务层协议封装、消息体、平台连接及报文格式等，业务逻辑流程规范了智能家居业务实现的基础业务逻辑、设备认证、用户认证、各类场景及联动等环节的实现流程。

3.1 业务层协议封装

在平台、智能设备及家庭控制中心(网关)互联的业务层协议选择上，主流解决方案涉及三种协议，即HTTP(HyperText Transfer Protocol)、JSON(JavaScript Object Notation)和XML(Exteile Mark Laguage)。其中，HTTP是互联网上应用最为广泛的一种网络协议；JSON是一种轻量级的数据交换格式，它基于ECMAScript的一个子集；XML是一种扩展性标识语言，广泛应用于有结构性的标记场景。JSON采用完全独立于语言的文本格式，也使用了类似于C语言家族的习惯(包括C、C++、C#、Java、JavaScript、Perl、Python等)。这些特性使JSON成为理想的数据交换语言，易于人阅读和编写，也易于机器解析和生成。基于JSON的这些优点，在业务层协议封装上建议采用JSON，对于HTTP和XML，也能通过协议转换的前置设备得到兼容性互通。

平台、智能设备及家庭控制中心之间互联的通信协议基于TCP协议，平台作为服务器端，控制中心或智能设备作为客户端。当数据通信链路异常时，终端可以采用SMS消息方式进行通信。各指令的每条消息由标识位、消息头、消息体和校验码组成。其格式如下：

标识位消息头消息体校验码标识位

为避免标志位歧义，若校验码、消息头以及消息体中出现标志位，则要进行转义处理，过程如下。发送消息时：消息封装→计算并填充校验码→转义；接收消息时：转义还原→验证校验码→解析消息。

平台、智能设备及家庭控制中心之间互联的报文消息头格式如表2所示，其消息体属性结构如表3所示。

表2 报文消息头格式

表3 报文消息体属性结构

平台、智能设备及家庭控制中心的互联通过平台接入技术标准定义的各类消息，所涉及的各类消息如表4所示。

表4 各类消息列表

3.2 消息报文

基于接入技术标准中定义的消息体结构，实现各类智能设备的消息互通，完成对智能设备的控制逻辑。下面以洗衣机控制类智能设备类的消息体指令集为例，其控制消息JSON示例如下。

接入技术标准中除定义了一般控制的消息体，对于情节模式、设备联动等复杂场景亦定义了执行消息体，以设备联动策略消息为例，包括联动消息体报文、触发条件和设备动作集合的定义。如表5所示。

表5 设备联动消息体

表6 触发条件(condition)

表7 设备动作集合(actions)

设备联动消息的JSON示例如下：

3.3 平台连接

受控智能设备(即客户端，又指控制中心以及可直接接入平台的设备)与平台的数据长连接可采用TCP或UDP方式，客户端复位后应尽快与平台建立连接，连接建立后立即向平台发送客户端鉴权消息进行鉴权。系统设计实现连接维持、连接断开、系统发送消息、连接状态识别、设备注册和鉴权等部分。

1) 连接的维持。在连接建立且鉴权成功后，客户端应周期性地向平台发送心跳消息，平台收到后向客户端发送平台通用应答消息，发送周期由客户端参数指定。

2) 连接的断开。平台和客户端均可根据TCP协议主动断开连接，双方都应主动判断TCP连接是否断开。

3) 连接状态识别。平台判断TCP连接断开的方法有3个。①根据TCP协议判断出客户端主动断开；②相同身份的客户端建立新连接，表明原连接已断开；③在一定的时间内未收到客户端发出的消息，如心跳消息。客户端判断TCP连接断开的方法有3个。①根据TCP协议判断出平台主动断开；②数据通信链路断开；③数据通信链路正常，达到重传次数后仍未收到应答。

4) 平台主发的消息。所有平台主发的消息均要求受控设备应答，应答分为通用应答和专门应答，由各具体功能接口协议决定。发送方等待应答超时后，应对消息进行重发。应答超时时间和重传次数由平台参数指定。

5) 受控设备主发的消息。如果数据通信链路正常，所有受控设备主发的消息均要求平台应答，应答分为通用应答和专门应答，由各具体功能接口协议决定。受控设备等待应答超时后，应对消息进行重发，应答超时时间和重传次数由终端参数指定。对于受控设备发送的关键报警消息，若达到重传次数后仍未收到应答，则应对其进行保存。以后在发送其它消息前要先发送保存的关键报警消息。如果数据通信链路异常，受控设备应对需要发送的关键消息进行保存。在数据通信链路恢复正常后，立即发送保存的消息。

6) 控制中心注册。受控设备在与平台建立连接后，若是未注册状态，应首先进行注册，注册成功后平台将为其生成并返回鉴权码，控制中心保存鉴权码。

7) 控制中心鉴权。受控设备每次在与平台建立连接后，若是已注册状态，应立即向平台发送鉴权消息进行鉴权，平台回复平台通用应答消息；鉴权码由平台定期更新，并由控制中心定期获取。

8) 设备注册。控制中心在检测到新设备(不含可直接接入平台的设备)后，应向平台发送设备注册消息(含设备基本信息和指令集)，平台对设备信息和指令集进行校验注册，注册完成后平台回复设备注册应答消息。

3.4 业务流程

智能家据服务平台核心流程主要有四个，分别为用户注册与设备接入流程、数据采集与设备控制流程、平台运营与维护管理流程以及产品接入与销售分成流程。其中，用户注册与设备接入是指用户在购买智能家居设备后，可自行完成安装配置工作，并在平台完成注册、设备绑定与激活的过程；数据采集与设备控制是指智能家居设备日常数据监测、采集，以及用户进行配置设备控制策略及远程控制的功能；平台运营与维护管理平台运营与维护涵盖的服务杂而多，以小而精的方式向用户提供。主要包含用户缴费、报修维修、客户投诉、服务推荐等；产品接入与销售分成是指智能家居设备合作商加盟及资质审核，并将设备产品进行接入、销售及分成的过程。

协议中规范了业务流程的实现，业务流程定义了智能家居平台、APP应用客户端和智能家庭网关(家庭控制中心或受控智能设备)之间的指令交互，具体实例如图6(a)和图6(b)所示。