基于家用智能網關的智能家居應用

江海濤

（天津安裝工程有限公司 天津300061）

隨著智能家庭概念的不斷深化，智能家居作為智能家庭的重要組成部分已經成為年輕人的時尚追求之一。帶有路徑記憶功能及路徑自導航功能的掃地機，能夠與京東商城等電商平臺連接的智能冰箱，可根據室內空氣質量自動開啟關閉的家用空氣凈化器等產品已經成為年輕人的新寵。但這些智能家居產品只是初步完成了智能家庭的終端硬件產品準備，如何通過互聯網來遠程管理控制及精準使用這些產品才是實現智能家居追求的關鍵。

1 家用智能網關在智能家居產品中的必需性

現階段，智能家居產品都通過專用 App軟件+產品制造廠商完成遠程控制管理和精準操作使用。比如小米將自己的互聯網產品遠程管控集成為“米家App”軟件，小米旗下的各種智能家居產品都在該App下統一管理及操作。但是，傳統的家用路由器已經不能滿足智能家居的個性化、精細化及通用性需求，智能家用網關則可以很好地支撐智能家居的多種需求。

1.1 多品牌智能家居產品需要便捷的管控操作

目前的智能家居產品主要具備3個特點：一是大多通過藍牙（BlueTooth）或ZigBee協議簡單的短距離連接和傳輸數據、控制指令等；二是生產廠商的私有云能提供較多的功能，并具備遠程管理能力；三是廠家私有云分別與 BAT的互聯網巨頭的平臺連接，實現功能擴展。雖然智能家居產品大都具備這些功能，但由于需要安裝多種App應用，操作反而較為繁瑣，同時存在很難打通不同廠商產品之間云平臺“壁壘”的問題。智能家用網關通常采用Android操作系統，這就能在其上安裝多個成熟的App應用軟件，通過智能家用網關和廠商私有云連接，用戶只需要在個人智能終端安裝通用控制App，即可簡單便捷地控制不同的智能家居產品。

1.2 硬件系統對未來的智能家居產品升級提供支撐

傳統的家用路由器核心大多采用 MIPS架構的半導體芯片，由于其能耗較大、軟硬件通用性較差等問題，很難對智能家居產品提供支撐。ARM 架構處理器芯片是目前最為主流的 RISC指令集處理器，已經廣泛應用于智能手機、嵌入式控制終端、多媒體音視頻編解碼（例如數字電視機頂盒）的產品。因其性能強大、成本低廉和能耗低的優勢，2016年起，基于ARM架構的處理器芯片已經成為家用智能網關的核心芯片。因此，多種 App應用可以無縫嵌入其中，智能家用網關能夠保證對智能家居產品提供良好的軟硬件支撐。

1.3 硬件模塊化架構降低了智能家庭組網成本投入

隨著光纖入戶的大規模推廣，家用智能網關的模塊化架構在“光進銅退”的過渡期能更好地保護消費者向電信運營商、廣電網絡運營商的投入成本。同時，標準模塊與家用智能網關內部的通用硬件接口可以為未來智能家庭組網的發展提供支撐，簡單的模塊升級能夠保障用戶操作方式的連續性，也降低了運營商的軟硬件開發升級成本和客戶服務壓力。

因此，采用模塊化架構的家用智能網關已經成為智能家庭組網的必需，一個適合家庭用戶多樣化需求的家用智能網關已經成為運營商競爭的全新著力點。

2 家用智能網關的模塊化架構及選型

2.1 家用智能網關的模塊化架構

家用智能網關在智能家庭的組網上處于“承上啟下”的核心地位，通過軟硬件系統的協同工作，既完成對智能家居產品的管理控制和數據傳輸，還可通過與云平臺和個人智能終端的共同工作，實現對智能家居產品的遠程控制和私有數據存儲，以及個性化設置等功能。

如圖 1所示，多模塊化家用智能網關主要包括4部分：主處理器模塊、通用網絡模塊、外部網絡接入轉換模塊和附加模塊。在本文中，附加模塊重點討論智能家居互聯模塊，該模塊為智能家居產品與智能家用網關的物理連接支撐。

主處理器模塊處于家用智能網關的中心位置，主要實現運行 App應用、多媒體音視頻編解碼（二次編碼能力應具備至少一路 720p編碼能力）、對其他模塊的連接和管理等功能；外部網絡接入轉換模塊主要負責將光信號或電信號接入，將數據交由主處理器模塊和通用網絡模塊處理；通用網絡模塊功能基本等同于家用無線路由器，主要負責與家用智能網關下一級設備的有線和無線數據交換傳輸；智能家居模塊提供多種智能家居產品的無線連接支撐。

圖1 家用智能網關內部模塊拓撲圖Fig.1 Inner module topology of home intelligent gateway

2.2 家用智能網關的模塊選型

通過比較，主處理器模塊選用 Mstar（星震半導體）的最新產品 MSO9385-AD，該芯片集成4核64位高性能Cortex A53處理器，除了支持4K@p60解碼能力及常見的音視頻解碼外，還能支持 H.264和H.265編碼。同時該芯片內置多種外圍接口，能很好地滿足家用智能網關的需求。

基于性價比分析，通用網絡模塊選取MTK（聯發科）研發的mt7628A+mt7612e集成方案。該方案支持2.4GHz和 5.8GHz雙頻數據傳輸，無線數據傳輸能力可以達到 1167Mbps，能夠滿足未來無限大帶寬數據傳輸要求。

智能家居互聯模塊主要包括藍牙（BlueTooth）模塊和ZigBee模塊。這2個模塊通過USB通用總線與主處理器模塊連接，依托主處理器的強大處理能力和多種功能保證智能家居產品的便捷操作和精準控制。

考慮到 App應用軟件的移植簡單化和穩定性需求，主處理器模塊選取 Android操作系統，通用網絡模塊選取 OpenWrt嵌入式 Linux操作系統。其中的數據共享、數據存儲等功能由主處理器完成，通用網絡模塊只負責有線和無線的數據傳輸。

3 智能家居系統的指令和數據傳輸概述

本文設計的智能家用網關與個人智能終端（智能手機、平板電腦等）、智能家居產品協同工作，依托運營商或智能家居產品制造廠商的私有云平臺，實現對智能家庭中大部分功能的控制指令發送、數據傳輸、數據存儲等。而在這其中，安防監控、智能家居產品的開啟關閉及精準控制等業務應用需要在遠程條件下交互實現。該交互過程的核心主要是互聯網與上文提到的云平臺之間的鏈接建立，數據和指令請求發送，數據獲取后返回的步驟。

①建立鏈接：個人智能終端通過通用 App向云平臺發送鏈接申請，經過互聯網與云平臺間的網關轉換，建立鏈接。

②數據和指令發送：通過上一步已經建立的鏈接，個人智能終端將RSTP和HTTP數據指令發送給云平臺，云平臺將這些指令分類處理后發送給家用智能網關。

③智能家居產品的管控：家用智能網關通過智能家居互聯模塊將步驟②中的數據指令傳送給智能家居產品，精確控制其各項操作。

④數據獲取后返回：智能家居產品獲取實時數據后，按步驟①至③的鏈路返回，同時將數據備份至云平臺私有文件夾，然后返回個人智能終端。

通過以上4步，智能家居產品能夠真正實現移動互聯網下的遠程控制。這些控制不同于目前的“專用 App應用+私有云平臺”的繁瑣操作，可真正實現一個通用 App便捷處理智能家庭中大部分智能家居產品的操控。

4 結 語

近2年來，以電信運營商和廣電網絡運營商為市場主導，對家庭用戶開放了多種家用智能網關。其中電信運營商出于成本和迅速搶占市場考慮，使用的家用智能網關并不具備多媒體音視頻解碼、智能家居控制的功能。廣電網絡運營商在云平臺建設、傳統的音視頻編解碼、智能家庭組網等方面非常重視，推出了多種功能強大的家用智能網關，但由于價格較高，很難大面積推廣。本文提出了智能家居產品的遠程管控是智能家庭發展的切入點，還提出了家用智能網關的模塊化架構，這些能在一定程度上降低成本投入壓力。可以預見，智能家庭必然成為市場競爭的全新熱點之一，家用智能網關必然在其中處于極為重要的地位，模塊化的家用智能網關將成為該類產品的發展趨勢。