中國家居智能化網絡協議體系結構研究

王健

摘 要：為設計出最適合中國家居智能化的網絡協議體系結構，文中提出以光纖入戶為基礎，采用WiFi和ZigBee相結合的無線通信技術構建家庭網絡通信系統，以TCP/IP協議為核心串聯家庭網絡，并將其連入Internet，利用云計算的優(yōu)勢，通過將智能手機作為家居智能化的監(jiān)控終端來構建家居智能化的整體系統。最后對中國家居智能化網絡的發(fā)展趨勢做出展望。

關鍵詞：家居智能化；協議；體系結構；家庭網關；云計算

中圖分類號：TP393.04 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2017）03-00-04

0 引 言

家居智能化的概念最早出現在上世紀80年代，經過多年發(fā)展，其內涵不斷豐富，應用更加廣泛。基于目前的應用現狀和最新的技術發(fā)展，家居智能化應重新定義為利用建筑、自動控制、數據通信、計算機網絡、物聯網等多種技術，實現包含從家庭數據共享（如電腦、智能電視、打印機等）到家電控制（如燈光照明、空調、暖氣、電飯煲等），以及三表抄送、家居安防等方面的功能，以全面提升人們在家庭生活中的舒適度、安全度、便利度和可操控度為最終目標。

家居智能化近年來發(fā)展迅猛，其市場前景非常廣闊，據Juniper Research的研究報告預計，中國智能家居市場規(guī)模在2018年有望達到1 400億人民幣。但在家居智能化的實施過程中還存在不少問題，這些問題如果不能很好解決，將直接影響家居智能化的普及和應用，主要表現在以下幾個方面：

（1） 由于家居智能化涉及的領域較多，因此其國際標準很不完善，雖然在通信領域、建筑和社區(qū)化領域、家電領域各有一些相關標準，但這些標準既不完善也無法適應時代的發(fā)展[1]，無法獲得廣泛支持；在國內，雖然有一些實驗性的地區(qū)標準，但同樣沒有統一的國家標準[2]；國內各廠家雖成立了一些產業(yè)聯盟，以確定相互間的接口標準，但總體而言依舊是各自為政，產品大多不能互相連通，無法實現整體控制[3]。

（2） 新技術發(fā)展迅猛，各種有線、無線技術層出不窮，技術更新速度極快，而標準又跟不上技術，因此廠家像“無頭蒼蠅”般，用戶更是“無從下手”。

（3） 家居智能化的成本太高、操作復雜且故障率過高，使不少家居智能化應用形同雞肋，用戶興趣不大，難以進行大規(guī)模推廣。

隨著互聯網應用的高速發(fā)展和物聯網技術的不斷成熟，家居智能化作為物聯網的一部分，其含義、應用范圍、實現方式也發(fā)生了根本性變化，家居智能化真正走向標準化和全面普及的時機已經到來。作為家居智能化技術中的核心和最重要的一環(huán)，網絡通信協議體系結構直接關系家居中各設備間的互連互通和互操作性。家居智能化的網絡通信協議體系結構應建立在充分利用現有新技術和設施的基礎上，使家居智能化的應用更豐富、操作更簡單、價格更便宜、性能更可靠。

本文將結合現有技術探討最適合中國家居智能化的網絡通信協議體系結構，希望為建立國家統一標準提供參考意見，同時，對家居智能化網絡通信協議體系結構的未來發(fā)展趨勢做出展望。

1 確定家居智能化網絡通信協議體系結構的依據

在家居智能化系統中，主流的實現方案是以家庭網關為中心[4]，連接并控制家庭中的各類設備，并與外界的Internet互連網相連，以達到遠程監(jiān)控的目的[5]。

1.1 家居智能化系統中信息流的特點

家居智能化系統中的通信信息大體可分為以下兩大類：

（1）家庭網關和傳感器間的信息傳送，如安防報警探頭探測的報警信息、水電氣數據的自動抄送、溫度濕度等傳感器的自動上報等，以及一些由家庭網關發(fā)出的諸如打開地暖、空調、清風系統、燈光，開啟窗簾、音響、電視、電飯煲等命令，這類信息的特點是數據量極小，但實時性要求較高。

（2）信息數據量相對較大，如家用電腦和電視間的節(jié)目傳送，手機、電腦和打印機間的數據傳送，家庭網關和視頻監(jiān)控設備之間的數據傳送以及家庭網關與Internet互聯網間的數據傳輸等，這類信息的傳送需要較高的網絡帶寬才能實現。因此，針對家居智能化的信息流及其傳送特點，我們要選擇不同的網絡通信協議，以滿足其不同需求。

1.2 選擇家居智能化通信協議的主要依據

在選擇家居智能化網絡通信協議時，應根據家居智能化的信息流及其傳送特點，從以下幾個方面考察并選出最佳網絡通信協議：

（1） 基本性能：速率能滿足家居智能化發(fā)展的需要；傳輸距離應滿足絕大多數家庭環(huán)境的需求；功耗盡可能低，使部分傳感器類設備能擺脫有線電纜的桎梏；差錯率、穩(wěn)定性、可靠性等性能良好。

（2） 普及性和開放性：技術得到大多數廠商的普遍支持，容易實現；產品種類多，接口統一，價格便宜，易于推廣。

（3） 易用性和可傳承性：用戶體驗良好，安裝簡單，易于與現有設備相連；易于升級換代，簡單快速地適應將來產品的更新和技術的發(fā)展。

（4） 安全性：不易被攻擊、信息不易被竊取。

2 家居智能化網絡通信協議體系結構

目前，國際上用于組建智能家居網絡系統的主要標準有HomePlug、PLC、HAVi、HomePNA、DLNA、ECHONET等，這些標準多由不同的企業(yè)聯合推出，均得不到廣泛支持，而其中基于電力線的HomePlug和PLC，基于電話線的HomePNA，早已不適合家庭組網的需要。從國內組網的標準來看，在電子、通信、建筑、家電及物聯網等行業(yè)均有一定進展，但總體進展緩慢。因此成立一個統一的標準化部門，制定出統一的智能家居組網標準勢在必行。而組網時首先要明確家居網絡使用的網絡通信協議體系結構。

家居智能化的網絡通信系統可分為兩大部分，其一為家居內網絡通信系統的構建，其二為家居內網絡系統與外部互聯網的通信，主要涉及如何遠程控制方面的內容。根據家居智能化信息流的特點，對照上述選擇家居智能化通信協議的依據，我們以簡化的OSI七層協議參考模型的四層網絡協議體系結構為基礎，對家居智能化網絡通信的各層協議逐個論述。

2.1 家居內網絡通信系統協議的選擇

2.1.1 家居網絡中TCP/IP的沙漏型結構

TCP/IP（傳輸控制協議/網間協議）作為Internet的主要協議，已成為目前世界上技術最成熟、使用最廣泛的網絡通信協議，其應用不僅在Internet的骨干網、各類局域網，還已被全面應用于手持設備，如智能手機和平板電腦，以及部分物聯網設備。

IP作為TCP/IP協議族的網絡層協議，雖然其沒有兩通信節(jié)點間的差錯控制機制，且是一種無連接的通信協議，但對于通信信道日漸優(yōu)越、Internet網絡流量復雜、巨大的環(huán)境顯得非常實用。而TCP/IP的傳輸層有TCP和UDP（用戶數據報協議）兩類不同的協議，可供不同的應用程序調用。TCP協議可提供有連接的、具有差錯控制的、可靠的端到端傳輸服務；而UDP則相對簡單，可提供無連接的、無差錯控制的、不可靠的即時信息傳送。

TCP/IP作為中間層協議，很好地兼容了各種不同的協議類型，在低層，它能與IEEE 802.3（或以太網）、WiFi、PPP（點到點協議）、4G等絕大多數協議兼容，而高層又能支持多種不同的應用，從而形成了以TCP/IP為腰的兩頭大、中間小的沙漏型協議體系結構。

正是基于TCP/IP的上述特點，在當今互聯網全球一體化的情況下，為適應當前的主流設備和環(huán)境，并使家庭網絡的各類設備間以及家庭網絡與Internet間能順利地互聯互通，選擇TCP/IP作為家庭網絡的網絡層和傳輸層協議理所當然[6]。

2.1.2 傳統的以太網仍極具生命力

目前，國內主要城市已經可以做到光纖入戶，更多的地區(qū)大多也可以通過ADSL接入Internet。而家庭內部通常配以五類雙絞線為主的家庭結構化布線，組成家庭的局域網系統，這種家庭局域網使用的網絡協議基本上是在TCP/IP下的以太網系統。

雖然隨著WiFi的迅速普及，家庭結構化布線變得可有可無，但傳統的以太網由于其穩(wěn)定、高速、傳承性好等特性，不僅在Internet和各類局域網系統中無法被取代，在家庭組網中仍然會在相當長的時間內有其存在的價值。

2.1.3 WiFi在家庭環(huán)境下大數據量的傳送方面優(yōu)勢明顯

傳統的以雙絞線為主的家庭局域網最大的問題是必須在家庭中的不同房間進行結構化布線，這需要在新房裝潢或舊房二次裝潢時才能完成，代價較大，給家居智能化的普及帶來不小的問題。隨著WiFi、藍牙、ZigBee等無線組網技術的成熟，不用刻意布線的無線網絡迅速普及，價格低廉、應用廣泛。無線組網技術與有線組網技術相比，具有無可比擬的優(yōu)點[7]：

（1）機動性：不受工作區(qū)域限制，可到處移動；

（2）便利性：兼容性高，安裝、使用方便；

（3）擴充性：可隨時增加使用的數量；

（4）節(jié)省成本：無須考慮重新裝潢，節(jié)省布線費用；

（5）主流無線技術如WiFi，ZigBee，藍牙等功率較低，幾乎對人體沒有傷害。

表1列出了幾種主流家庭組網協議的比較。

藍牙（Bluetooth）技術因其速率不高，尤其是傳輸距離有限（最大15 m），不太適用于家居智能化的環(huán)境。相反，WiFi技術經過多年的不斷發(fā)展，其具有速率高、傳輸距離遠等優(yōu)點，目前在國內已得到大力普及。CNNIC（中國互聯網絡信息中心）的報告顯示，截至2016年6月，92.7%的網民最近半年曾通過WiFi無線網絡接入互聯網。WiFi的特點極其適合家庭環(huán)境下的局域網構建，尤其適用于家居智能化中家庭網關、電腦、手機、打印機間的大數據量傳送。因此以光纖入戶為基礎，WiFi無線組網為主要形式的家庭組網方式是最經濟、最快速，同時也是最適合中國現狀的家庭組網方式。

2.1.4 ZigBee連接傳感器網絡的地位仍然不可取代

ZigBee技術除由IEEE 802.15.4標準規(guī)定的MAC層和物理層外，其高層到應用層均由ZigBee聯盟進行完整的定義。其具有如下特點：

（1）運行功耗低，利用普通電池就可連續(xù)工作半年以上，擺脫了電源線的束縛，且運行成本低；

（2）硬件成本低，適合家庭應用；

（3）組網方式簡單，傳輸距離較遠，能充分滿足家庭環(huán)境的需要， 同時，其安全性和可靠性也能基本滿足家居智能化的需求。

雖然其傳輸速率較低（小于250 Kb/s），但由于傳送家庭網關和各類傳感器間的數據量小，因此實時性要求高的應用非常適合 [8]。故將ZigBee技術作為家居智能化網絡無線組網的補充，其地位不可取代。

2.2 與Internet的連接及遠程控制

雖然在家庭中，大部分家居智能化應用可通過電話線+ADSL（非對稱數字環(huán)路）或雙絞線入戶等方式運行，但從發(fā)展的眼光看，通過光纖和TCP/IP協議將家居智能化網絡接入Internet才是今后家居智能化發(fā)展的重點。采用這種方式可以利用云端服務器的超強運算能力，使家居智能化的運算和決策能力大大加強，而家庭中如視頻、照片等大數據量的信息也可以存儲在云端幾近無限的存儲空間內，此舉大大減少了家居智能化的成本，且這些數據的保存不易丟失，更為安全、可靠。

利用云端服務器也是解決IPv4地址匱乏問題的最佳方法，據CNNIC的報告，中國所在亞太區(qū)的IPv4地址早在2011年2月已分配完畢，普通家庭根本分配不到IPv4 的全局地址，這就造成通過電腦或手機在Internet上無法直接訪問家居智能化網絡，只能通過云端服務器轉接完成的問題。

同時，利用智能手機或遠程任一電腦，均可通過電信運營商的WiFi或隨處不在的4G網絡接入Internet，借助云端服務器可以隨時隨地間接監(jiān)視和控制家居網絡的各類設備及相關功能部件， 充分發(fā)揮了家居智能化的功效。 圖1 所示為家居智能化網絡的連接示意圖。

2.3 家居智能化網絡通信協議體系結構

綜合以上論述，家居智能化網絡通信協議的體系結構如圖2所示。

對應于簡化的網絡協議四層參考模型，在家庭中，存在兩套組網模式并存的現象，一套是基于TCP/IP的沙漏型網絡通信體系，用以傳送較大數據量的應用信息，并與Internet相連，達到遠程訪問和控制的目的；而另一套則以ZigBee協議進行無線組網，主要用于各類傳感器與家庭網關間小數據量的信息傳送。這兩類信息由家庭網關進行交互并處理。

3 家居智能化網絡通信體系結構的發(fā)展趨勢

家居智能化網絡通信系統作為家居智能化的核心，經過多年發(fā)展，已有了長足進步和顯著變化。

3.1 家居智能化成為物聯網的一部分

家居智能化已經從基于簡單控制某些家居設備發(fā)展到將家庭所有設備連成一個整體網絡，并將家居系統并入物聯網系統[9]，成為“海量”物聯網的一部分，家居智能化的應用也因此發(fā)生了巨大變化[10]。

3.2 以云計算為核心，以Internet為基礎構建智能家居

云計算在國內雖起步較晚，但發(fā)展迅猛，以阿里巴巴為代表的中國企業(yè)的云計算水平和服務已居世界前列，阿里巴巴的云計算速度已居全球首位，而其規(guī)模也有望成為世界第一。通過將家居網絡連入Internet，并充分利用云計算“巨平臺”的優(yōu)勢，不僅使家居智能化的計算能力和存儲能力大幅增加，應用和服務能力也大大加強，而且使用戶家居智能化代價降低、易于控制、可靠性增強。使家居智能化成為標準化的服務有利于家居智能化的快速普及。

3.3 家庭內以無線組網方式代替有線組網方式

隨著通信手段的不斷豐富，如光纖入戶的普及、WiFi的廣泛應用及4G移動通信的快速發(fā)展，中國的普通家庭已逐漸脫離了需要依賴原有線路如電信的電話線、廣播電視的同軸電纜或直接利用電力系統的電力線等現有線路改造的模式，無需進行復雜布線，利用光纖接入和無線組網手段就能很容易地組建家居智能化網絡，使相關利用原有線路發(fā)展家居智能化的方案顯得落后和不適時宜，其標準化組織的工作也顯得如同雞肋般，不再是家居智能化發(fā)展的主流。

除了網絡通信應盡可能采用無線方式，在部分家居智能化設備的電源供應上也應有所突破。例如除傳感器因功耗低可采用普通電池外，其他較大功耗的設備也可以采用諸如足夠便宜的鋰電池或石墨烯電池供電，并對電池進行無線充電[11]，可使家居智能化設備徹底擺脫線纜的桎梏，將大大促進家居智能化的普及和發(fā)展。

3.4 網絡帶寬迅速增長，信道質量進一步提高，網絡安全地位提升

據中國寬帶發(fā)展聯盟的數據顯示，截止2016年6月底，中國寬帶的平均時速已正式到達10 MB/s，而中國家庭的寬帶普及率也超過一半，這就給中國家居智能化的推廣和普及創(chuàng)造了條件。一方面，隨著以光纖為代表的高速率、高質量通信信道的逐漸普及，網絡通信協議中差錯控制和流量控制等機制的重要性降低，越來越簡化；而另一方面，隨著各類關鍵應用的推出和推廣，網絡通信協議的安全特性顯得越來越突出。因此網絡安全將是今后網絡通信協議中需要重點加強的領域。隨著我國第一顆量子通信衛(wèi)星的成功發(fā)射，量子通信也逐步實用化，并有望成為下一代關鍵應用的安全通信方式之一。

3.5 手機成為家居智能化控制的主體

中國是全球最大的智能手機擁有國，據App Annie預測，2020年中國智能手機用戶將增至14億。智能手機在迅速普及的同時，其功能越來越強大、應用也越來越豐富。圍繞智能手機，借助互聯網，完全可以將智能手機打造成適合絕大多數家居智能化應用的監(jiān)控終端。利用手中的智能電話，人們就可以擺脫家中各式種類的遙控器，隨時隨地監(jiān)控家居中的各種智能設備，大大提高了家居智能化的功效。

3.6 IPv6得以普及

事實上，雖然目前有很多辦法，如利用NAT（網絡地址轉換）等技術可以部分解決IPv4地址枯竭的問題，但最好、最徹底的解決方案是全面采用IPv6的標準，因為IPv6具有海量地址和優(yōu)越性能。雖然在IPv6標準頒布多年后的今天，由于IPv6與IPv4間的兼容性較差，從IPv6過渡到IPv4的代價太大，目前不論是運營商還是設備制造商，出于成本和原有設備利用的問題，均不太愿意立即過渡到IPv6，但隨著 Internet乃至物聯網的蓬勃發(fā)展，IPv6的全面普及仍然是大勢所趨。IPv6不僅能徹底解決地址匱乏的問題，其另一大優(yōu)點就是全面使用IPSec，數據傳輸經過加密，安全性大增，對某些關鍵性應用至關重要。

4 結 語

隨著科技的發(fā)展和人民生活水平的提高，家居智能化的應用也必將越來越豐富，家居智能化必將成為現代化家庭中必不可少的一部分。在科技飛速發(fā)展的今天，實現家居智能化所用的網絡通信系統較過去已有了根本性變化。家庭中的網絡系統構建實現由于主要采用無線技術而變得簡單，同時利用手中的智能手機，借助互聯網和云計算，即“海量終端接入巨平臺”的方式，使得人們可隨時隨地享受家居智能化帶來的高效、舒適、健康的生活。

參考文獻

[1]柳宏.智能化家居標準化發(fā)展現狀研究[C].第十一屆中國標準化論壇論文集，2014.

[2]楊光，楊琦，何志勇.中國智能家居的標準化戰(zhàn)略與對策[C]. 第12屆中國標準化論壇論文集，2015.

[3]吳巍，吳明光.國內三種智能家居網絡協議綜述[J].電器與能效管理技術，2007（2）：24-27.

[4] J.Hosek， P.Masek， D.Kovac. IP home gateway as universal multi-purpose enabler for smart home services[J].Electrotechnik &Informationstechnik，2014， 131（4）： 123-128.

[5]吳佳興，李愛國.基于云計算的智能家居系統[J].計算機應用與軟件，2013，30（7）：240-243，314.

[6]張秋偉.智能家居的體系結構及關鍵技術分析[J].數字技術與應用，2016（7）：215.

[7]汪海，王強，薛勇，等.淺析智能家居的有線技術形式和無線技術形式[J].電器應用，2016（2）：31-35.

[8]孫杰賢.智能家居無線組網之爭[J].中國信息化，2015（11）：39-41.

[9]喬朝陽.智能家居的物聯網世紀[J].現代經濟信息， 2014（24）：397.

[10]馬樂，燕煒，姜思羽，等.基于物聯網體系結構的智能家居系統設計[J].北京師范大學學報（自然科學版），2013，49（5）：458-461.

[11]望俊成，馬曉倩，李翔，等.全球無線充電產業(yè)發(fā)展現狀分析[J].高技術通訊，2016，26（3）：299-305.