基于PON接入與中間件技術的智能社區系統設計

趙鐵軍，林 克，修德利，林瑋平

（1.河北省通信建設有限公司 石家莊 050021；2.中國電信股份有限公司廣州研究院 廣州 510180；3.中國移動通信集團公司黑龍江有限公司 哈爾濱 150046）

1 引言

智慧城市是未來城市發展的必然趨勢，是信息化發展的高級階段，其概念落到生活的實處，離不開面向居民生活的智能社區系統及應用的研發與普及。從技術應用層面的狹義理解：智慧城市是運用移動互聯網、物聯網、光纖通信、大數據分析等先進的信息和通信技術手段，更廣泛聯結、更透徹感知、更深度分析城市運行的關鍵系統信息，讓城市協調管理和運作，它體現了以智慧技術高度集成、智慧產業高端發展、智慧服務高效便民為主要特征的城市發展新模式[1]；智慧社區是智慧城市的縮影，它以服務社區居民為核心，通過構筑小區管理服務、家庭生活應用、社區信息資源共享等各方面的信息技術系統平臺和應用通道，讓居民感受到智慧生活帶來的生活質量的提高，體現了社區管理的新理念。

智能社區系統提供服務的方式很多，可以利用各種操作終端通過家庭網絡在本地直接提供服務，或通過電信網絡提供遠程接入方式的服務應用，或由智能社區應用自動提供服務，或結合這幾種方式，協同提供各種服務。本文通過對智能社區系統及應用的研究介紹，規劃合理的PON接入光纖寬帶網絡組網方案，設計出一個應用平臺模型，提出一套基于平臺、網絡、終端、業務等多方面的標準系列中間件，滿足智能社區多業務的快速低成本的需求。

2 智能社區系統及應用設計目標

智能社區是指以一套先進、可靠的網絡系統為基礎設施，將住戶與住戶、住戶與服務方、住戶與公共設施建成網絡，并實現住戶、社區生活服務、基礎設備設施的信息化呈現與管理的社區[2]。概括地說，智能社區是指由網絡連接的若干智能住宅及智能管理下的人與人、人與物、物與物的集合。其標準應滿足以下要求[3]：

·滿足舒適、安全、高品位、方便的智能家居生活體驗；

·提供高速度、大容量、多媒體的家庭信息傳輸網絡；

·隨時隨地獲取豐富多彩的文化生活應用、信息報道；

·提供智慧家居、智慧物業、智慧養老等多方面增值服務；

·完善社區管理，提升社區安全保障，使社區服務更及時、周到。

由此可見，智能社區涉及眾多軟硬件集成，包含如智能家居、安防監控、社區管理、社區安全防范系統等眾多業務子系統，如何實現這些業務子系統的集中管理及統一提供，如何將通用的功能或業務形成固定的模塊，將具體應用標準化，如何快速地部署及開發智能社區相關新業務，是物聯網智能社區系統及其應用中間件需要解決的問題。

本文在先進的計算機技術、通信技術、控制技術及物聯網相關技術的基礎上，采用物聯網智能社區應用中間件系統，為各種智能社區業務應用接入及部署提供快捷便利的方法，逐步建立一個溝通社區內部住戶與住戶、住戶與社區管理服務中心、住戶與外部社會的多媒體綜合信息交互中心，推動一個安全、舒適、便捷、節能高效的生活環境的實現，推動家居智能和社區管理智能為主的、可持續發展的現代化智能社區的實現。

3 智能社區系統總體架構構建

智能社區系統可以分為4個層次：智能社區終端接入層、基礎網絡層、業務平臺層、智能社區應用層，如圖1所示。智能社區架構與經典的泛在物聯網架構相對應[4]：智能社區終端接入層對應于泛在物聯網感知延伸層，智能社區終端對應于泛在物聯網終端/末梢設備，智能家居網關對應于泛在物聯網接入網關，另外，針對一些計量、監測類設備還可能匯聚于其他物聯網網關，智能社區業務平臺層對應于泛在網業務平臺層，智能社區應用層對應于泛在網應用。

智能社區系統構建的核心在于業務平臺層及其業務中間件的設計[5]。智能社區業務平臺介于終端接入層與智能社區應用層之間，是社區內部網絡、家庭網絡與外部網絡之間的應用信息交互中心，它所完成的基本功能如下。

·社區接入網絡設備信息的收集與分發。業務平臺與終端接入層的接口互通，使平臺層能對社區各終端的狀態、信息進行感知，能尋址并將信息推送至終端，也能為終端提供對外溝通的信息通道。對于小范圍內的傳感網絡，考慮到傳感設備接入類型繁雜、接入協議多樣，更多的是在小范圍內通過多協議、多接口的傳感網網關進行匯聚，如智能家居網關、電表信息收集網關等，網關使用標準接口接入平臺。

·基礎業務固化形成標準中間件模塊。物聯網智能社區中間件處于業務服務器端和感知層、傳輸層的終端設備之間，稱為物聯網智能社區業務基礎中間件。使用中間件模塊的優勢在于它固化了很多通用功能，為具體應用提供二次開發的接口與工具來實現個性化的行業業務需求。

圖1 智能社區系統總體架構

·為智能社區物聯網與互聯網提供標準接口，下層屏蔽傳感網絡接入終端的差異化，對外統一提供集成化的標準業務應用接口，能迅速開發及擴展智能社區相關新業務，有利于業務個性化、規模化的發展。

·統一管理社區接入終端，提供基于社區的數據存儲分析。為社區住戶提供全面精確的業務信息統計查詢，也為基于社區的業務開展提供輔助策略。

隨著計算機技術的飛速發展，網絡化、集成化、智能化程度的逐步加深，多系統和多傳感源的整合，整個智能家居、智能社區行業利用應用中間件技術，將現在相對獨立、分散的系統和硬件進行整合。中間件是指將繁雜的技術細節進行封裝，對外提供一種簡單的開發及應用方式[5]。智能社區應用中間件技術就是將整個智能社區相對孤立、分散的傳感源和系統，進行有機整合，形成融合、主動的信息系統。

智能社區中間件平臺對應層級關系為：下層為多種傳感硬件設備的接入層，通過標準化的接口和協議，快速接入各種傳感設備；平臺的應用中間件模塊層，涵蓋了智能社區的核心應用功能組件及用于數據分析挖掘的分析組件；平臺上方為業務開發應用層，提供了面向各種行業的應用開發包，為開發者提供方便、快捷的行業開發環境。

下文將著重圍繞業務平臺規劃、應用中間件套件設計和基于PON接入的組網方案3方面，對智能社區系統進行更深入全面的介紹。

4 智能社區業務平臺規劃

從業務邏輯形態上分析，智能社區業務平臺的邏輯結構如圖2所示。

4.1 終端適配接入

智能社區所涵蓋的業務范圍非常廣泛，可能涉及的終端設備數量和類型非常多。根據其與平臺的交互方式，終端適配接入主要完成對以下兩類終端的接入控制與管理。

（1）直接注冊至平臺的終端

主要包括溝通類終端與信息資訊類終端。溝通類終端包括多媒體通信終端和可視化對講終端，前者提供短信、彩信、語音、視頻等多種通信方式，后者提供樓宇單元之間、小區入口與樓宇單元之間的可視對講功能；信息資訊類終端包括家庭信息終端，提供實時在線的生活資訊、物業管理中心對家庭發布的資訊。

（2）需由網關節點匯聚在接入平臺的終端

如智能家居類的傳感控制終端，安防告警類、環境監控類終端，這類終端最優的接入途徑是通過智能家居網關統一匯聚接入。智能家居網關將成為連接感知網絡與傳統通信網絡的紐帶，實現感知網絡和基礎網絡以及不同類型的感知網絡之間的協議轉換。智能家居網關具備廣泛的近程通信技術標準接入能力、多終端接入網絡協議轉換能力、統一高效的平臺管理能力。

圖2 智能社區業務平臺邏輯結構

終端接入控制包括終端注冊、終端登錄、連接保持、終端退出、終端注銷、流量控制；終端管理包括終端信息管理、終端狀態監測、終端事件上報、終端故障管理、終端參數上報及配置。

4.2 應用中間件

業務平臺采用開放的分布式架構，充分借鑒成熟的增值業務提供技術，以業務為中心，采用模塊化、多級分層結構，提供開發規范、開發工具、測試支持，有利于高效的智能社區業務開發，充分滿足新業務快速、靈活提供的要求；具有良好的開放性和擴展性，能夠滿足各類業務擴展和結合的需求，適應智能社區市場開放的新趨勢和新環境，其功能主要包括以下幾個方面。

（1）向第三方開放業務接口能力

應用中間接入件將業務、業務屬性、SIB（service integration bus）等不同的業務顆粒抽象出開放的對外接口，供第三方的業務開發商使用。社區及家庭大量的傳感器設備不用直接與第三方虛擬運營商增值業務打交道，只需要統一接入應用中間件平臺，通過統一綜合的平臺向上提供業務能力。

（2）完善的新業務運營控制管理系統

針對業務運營環境的復雜化、業務運營角色的多樣化，面向融合網絡環境提出了開放的、可重用的業務管理體系架構及完善的業務管理角色模型、業務管理信息模型和業務管理提供模型。

（3）方便快速的業務生成環境及中間件應用的加載

業務應用中間件平臺提供了可視化的業務生成環境，包括業務開發工具和業務驗證工具兩大類，開發者可以通過業務開發工具自己設計和生成一個業務，并通過業務驗證工具實現業務測試和仿真。圖形化的業務生成環境的特點是以圖形化的用戶界面支持業務整個開發過程，包括業務邏輯、業務數據庫、用戶信息結構的設計，業務的仿真調試與測試。開發人員使用圖形化業務生成環境，無需編碼，只需要將現有的功能模塊，通過簡單的拖放（drag and drop）技術、組件標識和預置業務規則等方式，即可快速生成一項新業務，顯著地優化了新業務的設計開發過程。

4.3 平臺運營管理

運營管理平臺功能包括應用接入和管理、終端管理、數據管理、計費管理等。

（1）應用接入和管理

運營管理平臺支持同時接入多個應用，主要功能包括智能社區應用的接入鑒權和會話密鑰管理機制、接收和處理應用的訪問請求、接收應用的消息訂閱請求并處理消息策略響應、接收和處理攜帶群組標識與操作信息的群組操作請求、密鑰管理功能等。

（2）終端查詢和管理

體現為對智能社區終端設備的管理和控制，提供各種終端的接入/鑒權/加解密、獲取和管理各個終端狀態、相關終端設備的數據采集功能、終端設備群組操作支持、終端的策略管理、接收和處理終端消息請求與策略的功能。

（3）數據管理

各種應用、用戶、終端的屬性數據及具體業務數據的管理，包括數據收集、數據存儲、數據查詢、數據修改、數據刪除、數據備份等。

（4）計費管理

支持多種計費模式，如包月、按流量、按業務、按訪問次數等。同時，支持對不同業務設置不同費率，提供CDR話單用于營賬計費。

5 智能社區應用中間件套件及業務應用

智能社區中間件套件的設計，有以下3項關鍵技術點[4]：

·標準化，提供標準化的接口協議，支持第三方系統和終端的對接；

·組件化，對智能社區應用的核心業務功能轉變為業務模塊，即業務組件，實現對復雜的業務流程和技術細節的封裝；

·搭建式，需要采取零編程的設計架構，開發者采用搭積木的方式，通過簡單的拖放式操作即可完成開發過程。

據此，本系統圍繞智能家居、社區安防、生活服務等實際需求，設計出家居控制類業務、安防告警類業務、多媒體溝通類業務、視頻監控類業務、生活商旅類業務、計量類業務6個中間件套件。

5.1 家居控制類業務

家居控制類業務是智能社區服務的主要業務應用，通過本地接入或者遠程訪問方式對智能家居的終端設備進行操作控制，也可協同其他業務，提供更安全、便捷的生活。控制類業務主要包括場景控制、組合控制、關聯控制、遠程控制等，下面分別進行說明。

（1）場景控制

預先設置多種場景，如起居、就寢、會客、就餐、晚會模式，不同場景對應家庭內的燈光、窗簾、背景、音樂等處于不同的工作狀態，通過操作終端選擇不同場景，智能家居系統通過控制，達到預設的場景狀況。

（2）組合控制

預先將多個設備的某些功能組合起來，作為一個組合功能，通過操作終端選擇，完成多個設備的控制。

（3）關聯控制

預先設定住宅條件來控制一種或幾種本地終端設備的運行，設置條件可為時間、居室溫度、濕度、光照度、火警等。

（4）遠程控制

通過家庭網絡外部終端設備和公共電信網絡提供的遠程接入方式，完成家庭設備的控制。

5.2 安防告警類業務

安防告警類業務是智能社區提供安全保障的基礎，智能社區中間件平臺聯結家庭內的各種安全裝置和服務，結合社區的物管、公共服務機構，共同完成各種監控及報警，包括盜賊入侵、火災、水/電/氣泄漏報警等。業務介紹具體如下。

（1）入侵報警

當發生非法撬門、破窗等非法入侵時，報警信號可通過智能家居系統將報警信息發送給家庭業主或小區物業管理中心。

（2）聯動監控

智能家居系統和其他監控設備進行聯動監控，如當門禁報警發生時可觸發小區內的其他攝像機進行跟蹤攝像及錄像。

（3）火災監控及報警

在樓梯間、電梯間及居室等處安裝煙感探測器，當火警發生時及時報警。

（4）水/電/氣等監控及報警

在居室內設置水/電/氣等泄漏傳感器，當發生水/電/氣泄漏時，將及時報警并觸發自動關閉管道閥門及其他聯動操作，例如煤氣泄漏時打開窗戶。

（5）緊急呼救服務

在客廳、臥室等處安裝緊急呼救按鈕，當家中發生緊急事情需要救助時，例如生病、有盜賊闖入，按下急呼救按鈕，緊急消息通過智能社區系統發送給家庭業主或小區物業管理中心或各種緊急處理中心。

5.3 多媒體溝通類業務

多媒體溝通類業務是指滿足家庭成員溝通與交流需求的業務，主要包括語音、視頻的會話、即時通信等，溝通類業務如下。

（1）多媒體通信

包括短信、彩信、語音、視頻等多種通信方式，智能家居系統可根據居家業主的狀態選擇合適的顯示終端。

（2）呈現服務

當有家人外出，居家的人可隨時獲取其家人的呈現信息，包括位置信息及狀態信息等，并可根據呈現信息主動選擇合適的通信方式。

（3）可視化對講

樓宇單元門口或別墅入口安裝有可視化對講系統，來訪客人通過對講系統實現與被訪住戶的可視對話，來訪者身份確認后，來訪者方可進入，智能家居系統可以讓家庭成員遠程進行可視對講或者監視可視對講。

5.4 視頻監控類業務

智能社區系統實現居家環境的視頻監控、視頻存儲等，家庭業主通過電腦、手機等，可以進行遠程、實時視頻監控，并可以控制攝像設備的云臺（云臺是安裝、固定攝像設備的支撐設備，分為固定云臺和電動云臺兩種）或者鏡頭的動作，進行拉近、拉遠、拍照、錄像操作，視頻監控服務如下。

·云臺控制或鏡頭控制，用戶對視頻攝像機或云臺進行控制，如焦距、方向、視角、圖像參數等，實現視頻監控圖像的放大、縮小、移動等。

·錄像服務，可以以觸發或者定時方式將視頻監控的數據存儲在本地或通過網絡存儲到遠程服務器，存儲的適配格式可選擇。

·用戶通過多種終端，如手機、電腦等，通過多種接入網絡，以單畫面或者多畫面方式，訪問或者控制視頻監控內容，對監控視頻可進行快進、快退、暫停等操作。

5.5 生活商旅類業務

生活應用類是指滿足居民日常家庭生活服務，主要包括生活資訊、商圈電商、家政服務等社區與家居相關的垂直類O2O業務等。

·生活資訊，用戶可以訂閱生活資訊，獲取物業管理中心向業主發布的資訊，用戶可通過智能家居終端選擇服務提供商的各種服務，例如維修申請、預定各種社區服務等。

·商圈電商，支持社區周邊商戶的自主開店、自主線上經營，為住戶提供及時、豐富的商品和優惠活動信息，提供線上支付、送貨上門等高質量“百米生活”電商服務（指針對社區生活“最后100 m”生活采購及配送的商業服務）。

·其他垂直服務類O2O業務，通過移動互聯網應用技術，將傳統的家政服務、維修服務、醫療保健服務轉變為線上線下聯動的高體驗高質量服務模式。

5.6 計量類業務

計量類業務實現水/電/氣等計量表的遠程抄表與計費，采集統計各終端設備的能源消費情況等，具體如下。

·遠程抄表，智能家居系統將家庭的水、電、煤氣的用量信息提供給相應的運營公司，費用可以自動扣繳；也可以提供應繳費用通知、拖欠費用催繳等。

·能耗提醒，智能家居系統能收集能源消耗信息，能源消耗異常時，提醒用戶。

6 基于PON接入光纖寬帶網絡的社區組網方案

智能社區業務實現離不開寬帶、高效、有嚴格質量保證的基礎網絡。近年來，我國電信運營商大力開展“光進銅退”工程，光纖到大樓、光纖到小區、光纖到戶實現了用戶側信息入口的寬帶化，進一步推進了三網融合業務、多媒體業務在家庭客戶與企業客戶中的擴展，也為智能社區應用提供了良好的環境基礎。

基于泛在網絡的智能社區通過PON接入方式接入電信網絡，通過社區內部網關的有線/無線方式構成家庭網絡，PON電信網絡和家庭網絡構成智能社區服務泛在化的網絡基礎[6]。智能社區接入電信網絡的有線接入方式可支持FTTx、xDSL、xPON等；無線接入方式可支持2G/3G/4G、WLAN、藍牙等。

智能社區基于PON組網示意如圖3所示。

基于PON的智能社區，光纖入戶為用戶提供了高速化、寬帶化的信息通道，推動了智能社區業務向住戶側延伸。根據業務類型劃分的不同質量保證等級，保障了社區接入終端與中間件平臺的順利溝通與業務實現的穩定安全。PON的接入到戶消除了社區信息通道的帶寬壁壘，適宜智能社區業務組網的多樣，無論是平臺與終端在社區內自行組網，還是在運營商側統一組網，都能保證智能社區業務的順利開展[7]。

基于PON的智能社區基礎網絡有如下優勢。

·電信運營級的架構，滿足對可靠性、安全性及運營管理等多方面的要求。

·支持數據、視頻、IP語音及傳統語音等全業務，一線部署，易于擴展。

·豐富的ONU種類滿足不同的用戶需求，能夠根據用戶需求設置不同的業務等級，保證業務服務質量。

7 結束語

基于智能社區應用需求特點，采用開放的、分布式架構，充分借鑒成熟的增值業務提供技術，以業務為中心，采用模塊化、多級分層結構，提供開發規范、開發工具、測試支持，有利于高效的業務開發，充分滿足新業務開發快速靈活要求；具有良好的開放性和擴展性，有助于業務擴展和創新需求，適應智能社區業務的新趨勢和新環境。

圖3 智能社區PON組網示意

本文提出的業務系統設計突破了智能社區業務中間件標準化的重大關鍵技術，形成智能社區單位多種業務中間件標準解決方案，推動了智能社區業務的規模化應用和產業化發展；通過構建融合終端設備廠商、系統集成商、行業應用開發商、安防軟件提供商的產業價值鏈條，形成一個圍繞智能社區，覆蓋社區應用、智能終端、通信網絡的全面解決方案，以關注用戶切身利益和個性化需求來獲取新的利潤增長點。本文的成果將為智慧城市應用提供一個可管理、可控制、易推廣的智能社區業務新系統和新模式。

1 賴茂生,樊振佳,張麗麗.中國社區信息化發展狀況及其影響分析.中國圖書館學報,2013,39(3):68～69 Lai M S,Fan Z J,Zhang L L.The development,status and effects of community information in mainland China.Journal of Library Science in China,2013,39(3):68～69

2 Li X,Lu R,Liang X,et al.Smart community:an internet of things application.IEEE Communications Magazine,2011,49(11):68～75

3 張才明.基于物聯網技術的智慧城管.工程研究——跨學科視野中的工程,2012(4):355～361 Zhang C M.Wisdom city management system based on internet-ofthings technology.Journal of Engineering Studies,2012(4):355～361

4 宮艷雪,武智霞,鄭樹泉等.面向智慧社區的物聯網架構研究.計算機工程與設計,2014,35(1):344～349 Gong Y X,Wu Z X,Zheng S Q,et al.Research on IOT architecture for smart community.Computer Engineering and Design,2014,35(1):344～349

5 李永強.社區WebGIS原型系統設計與實現（碩士學位論文）.電子科技大學,2011 Li Y Q.Community WebGIS prototype system design and implementation(master dissertation).University of Electronic Science and Technology of China,2011

6 張陽.PON用戶與PSTN用戶語音業務互通的組網方式.通信技術,2012,45(12):118～120 Zhang Y.Network modes for PON and PSTN users’voice business exchange.Communications Technology,2012,45(12):118～120

7 尚逢亮,張靜.基于PON承載的智慧校園業務解決方案探討.光通信技術,2013,37(3):41～44 Shang F L,Zhang J.Solutions to intelligent campus based on PON technology.Optical Communication Technology,2013,37(3):41～44