家庭物聯網標準協議需求分析

劉威 李威 胡耀宸

摘 要：家庭自動化是智能家居的重要組成部分，家庭自動化設備常常使用各種不同的通信技術，但是由于標準繁多，不同技術不能互聯。文章總結了以往的智能家居研究以及相關技術，分析了其在實際應用中的優缺點，從應用和通信兩方面分析變量安全操作協議的設計需求，認為當前家庭物聯網標準協議設計應滿足精簡高效、資源共享要求，適應安全可靠、互聯互通的需求，能夠使不同技術在應用層實現互聯互通。

關鍵詞：家庭自動化；應用協議；標準化；資源共享；互聯互通

中圖分類號：TU855 文獻標志碼：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

家庭自動化是物聯網技術在智能家居中的重要應用，是自動化、網絡化和智能化的整體應用[1]。在實踐創新的過程中發現，用戶體驗成為該科技產物的重中之重。目前存在的主要問題是自動化設備間的互聯互通不足，設備的安裝和使用不夠簡單可靠，從而造成系統整體價格昂貴和使用方法繁雜等問題。當前各種自動化網絡技術已較為成熟，消除這些問題的主要方法離不開標準化的研究和實施[2]。統一的技術標準體系可以為產業的發展提供規范和引導，有利于實現產品的互操作和產業規模化[3]。因此，研究設計一種在家庭多網絡環境下，實現智能家居自動化設備資源共享、互聯互通的應用協議具有重要現實意義。

2 相關技術分析

家庭自動化系統的關鍵是對家庭網絡的引入，因為家庭自動化的實現離不開家庭網絡[4，5]，本節將從家庭自動化相關的主流家庭局域網絡的應用層技術進行分析。

2.1 Modbus協議分析

在自動化設備中常用的Modbus協議已經成為一種通用工業標準[6]，也被大量應用于家庭自動化中。Modbus在串行鏈路中使用時，根據主從模式直接進行通信，當在TCP/IP上進行通訊時，根據映射規則嵌入到每個網絡數據包應用層中的Modbus協議提供了設備間能夠交換數據的公共的語言，如圖1所示。

Modbus協議具有復雜度低、網絡嵌入能力強、技術成熟、配套設備豐富因此被廣泛使用，作為家庭自動化技術的一種應用層通信規范。但由于主從模式通信效率低，自適應性差，需合理組態，造成其在智能家居傳感網設備中應用的阻礙[7]。

2.2 ZigBee應用層分析

ZigBee[8]是一種基于IEEE 802.15.4的低速短距離傳輸的無線傳感器網絡協議，早期主要用于大規模低功耗無線網絡控制和傳感檢測。隨著智能家居的發展，ZigBee以其穩定性強、高保密性、低功耗、低成本的優勢在家庭自動化中大量應用。ZigBee應用層由三個部分組成，APS子層、ZDO和制造商定義的應用對象。ZigBee設備是依賴于模板的，模板定義了設備的應用環境、設備類型、用于設備間通信的簇，公共模板保證不同供應商的互操作，如圖2所示。

ZigBee技術的主要特點是支持大規模組網，自組網能力強，自恢復能力強，因此，對于工業、室外等應用非常具有吸引力[9]。然而對于智能家居的應用場景中，自組網的優點不明顯，但是所耗費的時間和資源卻依舊存在[9]。總之ZigBee相對于智能家居系統來說協議棧過于龐大，造成開發難度高，功能過剩等缺點。

2.3 Z-Wave應用層分析

Z-Wave由Sigma Design公司獨立開發，是一種專門為智能家居而設計的通信標準，信號可以穿過墻壁將家庭中所有的電子產品組建成一個網絡進行集中管理，也可以進行遠程控制，介于擁有眾多優勢，其應用已開始向公共場所照明、民用安防等領域延伸，但其頻段不能在中國合法使用。

Z-Wave技術標準關注設備的互操作性以及廠商開發的方便性，在應用層中引入了標準化的方法以實現這一點，包括設備集、指令集、節點信息幀、節點添加和控制器失敗恢復等的相關規范。其應用層負責網絡中的譯碼和指令的執行，主要功能包括曼徹斯特譯碼、指令識別、分配Home ID和Node ID、實現網絡中控制器的復制以及對于傳送和接收幀的有效荷載進行控制等。

3 家庭自動化需求分析

根據相關技術分析可知，滿足智能家居自動化應用的通信技術種類繁多，但在實際應用中又各有優缺點，家庭自動化需要不同技術能夠在應用層實現互聯互通的技術方案。本節從應用和通信兩方面分析變量安全操作協議的設計需求。

3.1 應用需求分析

根據典型的家庭自動化應用場景，其功能應用通過自動化的變量抽象描述可以歸為四類：

（1）輸入型開關量，如磁感應、接近開關、玻璃破碎等。

（2）輸出型開關量，如開關、報警器等。

（3）采集型數值量，如溫濕度、電壓電流型傳感器等。

（4）設置型數值量，如PWM占空比、頻率、脈沖個數、電壓電流型控制器等。

雖然這些典型功能具有自動化操作的特點且工業技術應用成熟，但是，由于家庭應用環境不同于工業環境，用戶不僅希望產品物美價廉、安全可靠，還要求設備在安裝、維護、互聯和使用上要簡便和容易理解，這需要研究針對性的技術來滿足這些應用需求。

3.2 通信需求分析

常用的自動化數據模型有分離數據塊模型、單一數據塊模型[6]，常用變量類型有開關型變量、寄存器型變量。用戶根據定義的數據模型和其變量的操作方法來實現設備狀態的設置和讀取。但是由于不同自動化設備的操作雖然相似，但是細節仍然不同，需要設計對應的變量描述方法去解決設備互操作的問題。

當前物聯網安全問題越來越嚴重，家庭自動化設備的信息和運行安全也是需要考慮的內容。安全的內涵廣泛，基本的安全包括加密操作、入網認證和異常檢測等內容。

家庭自動化的系統常常集成基于TCP/IP協議，設備之間使用客戶機/服務器模型自主協作，通過報文傳輸信息用于實時交互服務。與Modbus TCP相似，不支持TCP/IP協議的自動化網絡，需要通過網絡適配器實現報文封裝和協議轉換傳輸。

典型的家庭自動化系統拓撲結構依據集成方式分為：匯入路由器式、匯入家庭網關式。在匯入路由器式的家庭自動化系統中，不能接入路由器的家庭自動化設備通過轉換協議匯入路由器的以太網或Wi-Fi，客戶端和服務器通過路由器與設備通信。在匯入家庭網關式的家庭自動化系統中，家庭網關內集成多種通信功能，且可直接接入家用電子設備并與客戶端和服務器通信。

總之，設計的協議方案應支持多種通信方式，具備基于TCP/IP的集成能力，根據變量描述和協議格式可以生成控制指令和進行信息解析，提供變量化的設備控制、數據采集等應用，最終實現家庭自動化設備的互聯互通。

4 結束語

當前家庭自動化發展的最大障礙是缺乏統一的技術規范作為依據，不同廠家設備間不能互聯互通，無法實現系統整合以降低成本。而且家庭自動化作為智能家居的重要組成部分和基礎內容之一，具有重要的研究意義和現實意義。隨著相關技術的成熟和市場的需要，家庭自動化技術的標準化受到了行業和國家有關部門的高度重視，制定了相關的標準編制計劃。本文在標準編制要求的基礎上，從應用和通信兩方面分析變量安全操作協議的設計需求，認為當前家庭物聯網標準協議設計應依據精簡高效、適用范圍廣、滿足互聯互通、具備可靠安全措施、平臺結構簡單靈活等原則，能夠使不同技術在應用層實現互聯互通。

參考文獻：

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