基于電力載波通信技術(shù)的智能家居設(shè)計與實現(xiàn)

郭趙飛，陳繼坤，薛兵，耿政

摘要：該文基于現(xiàn)有智能家居生態(tài)環(huán)境的現(xiàn)狀，結(jié)合了電力載波通信技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，將AI智能助手應(yīng)用到智能家居生態(tài)環(huán)境，提出了基于電力載波通信技術(shù)的AI智能家居系統(tǒng)，它相比現(xiàn)有的智能家居擁有更好的安全性、易用性、兼容性等優(yōu)點;文章著重分析了該系統(tǒng)的信息安全保障、電力載波通信應(yīng)用、AI智能語音助手等方面，詳細闡述了該系統(tǒng)的總體框架，經(jīng)實驗驗證，測試結(jié)果表明該系統(tǒng)可行性，而且具有靈活方便，安全快捷，高效低成本等優(yōu)勢，為智能家居發(fā)展提出了一種新思路。

關(guān)鍵詞：電力載波通信;智能家居;DuerOS;控制系統(tǒng)

中圖分類號：TP391? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）34-0121-04

隨著智能家居不斷的普及，用戶對智能家居的易用性，安全性和拓展性的要求越來越高，希望得到安全可靠又能插電即用的智能家居產(chǎn)品。常見的智能家居產(chǎn)品主要依靠無線介質(zhì)進行通信，在老舊小區(qū)，由于房屋電磁屏蔽性能不好，在用戶密集的區(qū)域容易出現(xiàn)干擾、雷擊及通信質(zhì)量下降的問題，也容易遭受黑客攻擊;而在新建小區(qū)，房屋的電磁屏蔽性能過好導致無線信號無法穿越墻體阻礙覆蓋家中所有位置;智能家居產(chǎn)品因廠商不同，導致不同產(chǎn)品之間有難以逾越的通信障礙，沒有統(tǒng)一或者兼容不同產(chǎn)品的方案，對于家中已有設(shè)備的兼容性力度不夠。這些問題體現(xiàn)了目前主流智能家居的缺點。而隨著新型互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的安全性愈發(fā)地受到關(guān)注，目前的廣泛使用的無線解決方案的安全性存有一定的隱患，本文著重探討基于電力載波通信技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)的信息安全、成本控制、智能語音管理等。

1 智能家居現(xiàn)狀分析

現(xiàn)在的智能家居生態(tài)環(huán)境隨著新型物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展也越來越豐富，但是智能家居的技術(shù)發(fā)展緩慢，近十年的智能家居所發(fā)展的路線基本還是依靠無線通信方式，而無線通信方式也伴隨著一些安全隱患，例如近兩年最為著名的KRACK漏洞就是WPA2安全加密協(xié)議的重大安全漏洞，而現(xiàn)有的智能家居依靠的無線通信方式，最為常見的就是WIFI，這也就意味著這些智能家居生態(tài)環(huán)境都面臨著信息安全隱患。

1.1 信息安全問題

現(xiàn)有的智能家居設(shè)備最為廣泛的問題就是無線通信方式帶來的信息安全隱患，如關(guān)于常見的CSRF漏洞、config文件替換攻擊、惡意超長字符登錄無響應(yīng)漏洞等，甚至是利用中間人欺騙來竊取用戶隱私，最為常見的就是用字典暴力破解無線路由器的密碼，而ZigBee通信方式也存在協(xié)議棧等方面問題，這些都是無線通信方式帶來的信息安全問題。

1.2電力載波通信技術(shù)及其安全性

電力載波通信技術(shù)（Power line Communication），電力載波通信借助現(xiàn)有的電線進行數(shù)據(jù)傳輸，具有安全可靠、傳輸速率快、成本低廉、無須重新架設(shè)網(wǎng)絡(luò)等優(yōu)點。電力載波通信相比無線介質(zhì)更加安全穩(wěn)點，尤其在信息安全方面，杜絕了滲透攻擊、中間人欺騙文件替換攻擊等安全隱患，因此本文選擇電力載波通信技術(shù)作為智能家居的基礎(chǔ)。在智能家居生態(tài)環(huán)境中使用，電力載波通信技術(shù)的缺點也很大程度上減弱了。這無疑是在智能家居生態(tài)環(huán)境中最好的解決方案之一。

2 智能家居控制系統(tǒng)分析

智能家居控制系統(tǒng)通過不同介質(zhì)控制家中各式各樣的設(shè)備的開關(guān)、運行、工作狀態(tài)反饋等。但是目前常用的方法是基于無線介質(zhì)控制的智能家居生態(tài)環(huán)境，但是無線介質(zhì)在安全性、易用性、方便性等方面有著無法改善的問題，所以本文提出基于電力線以太網(wǎng)作為智能家居生態(tài)環(huán)境中底層控制介質(zhì)，包含了用于控制連接范圍的基礎(chǔ)應(yīng)用、供網(wǎng)供電的二合一適配器、AI平臺的智能連接控制中心、智能家居網(wǎng)路中心和聯(lián)動控制四個主要功能模塊。

2.1 電力載波通信與網(wǎng)絡(luò)連接技術(shù)分析

電力載波通信技術(shù)特點的應(yīng)用分為電力線以太網(wǎng)隔離器和電力網(wǎng)以太網(wǎng)連接器，這兩個應(yīng)用是控制本系統(tǒng)連接范圍的基本應(yīng)用，將解決電力載波通信傳輸范圍小、無法分割域、不可控等缺點，是本系統(tǒng)重要的基礎(chǔ)組成部分。

2.1.1智能家居系統(tǒng)隔離器

在需要隔離的兩個網(wǎng)絡(luò)之間安裝空氣開關(guān)，即可阻斷兩個網(wǎng)絡(luò)。使用網(wǎng)路隔離器，能夠分割電力網(wǎng)絡(luò)沖突域，也可以防止網(wǎng)絡(luò)信號泄露。

2.1.2 智能家居系統(tǒng)連接器

在需要連接的兩個網(wǎng)段安裝網(wǎng)絡(luò)連接模塊，在兩個網(wǎng)絡(luò)連接模塊之間使用網(wǎng)絡(luò)連接線連接，就可以將兩個被隔離的網(wǎng)絡(luò)連接。使用網(wǎng)絡(luò)連接的手段可以將網(wǎng)絡(luò)信號傳輸?shù)礁h的地方。適合于網(wǎng)絡(luò)抄表、公共聯(lián)網(wǎng)、公共設(shè)備通信等場景。

2.1.3基于電力線以太網(wǎng)的電源和網(wǎng)絡(luò)二合一適配器

本適配器將為設(shè)備提供電源的同時，也為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備提供以太網(wǎng)接入。它的優(yōu)勢在于：

1）供電和供網(wǎng)二合一

電力線以太網(wǎng)適配器僅能提供以太網(wǎng)接入，不提供電源輸出。普通電源適配器僅能提供電源輸出，但無法提供以太網(wǎng)接入。本模塊的一大特色就是將供電與供網(wǎng)結(jié)合起來，在體積與電源適配器相當?shù)那闆r下，為電力線以太網(wǎng)模塊增加電源輸出的功能。

2）兼容傳統(tǒng)有線以太網(wǎng)絡(luò)

傳統(tǒng)的電力線以太網(wǎng)適配器僅支持電力網(wǎng)接入，無法在有線網(wǎng)絡(luò)與電力線網(wǎng)絡(luò)間切換，當設(shè)備能夠使用更高速以太網(wǎng)時無法完成切換，本模塊具有切換開關(guān)兼容更高速以太網(wǎng)，提高模塊的兼容性。

3）支持多種傳輸規(guī)范

傳統(tǒng)的電力線以太網(wǎng)適配器僅支持RJ45接口靈活度不高，本模塊可使用USB、PoE、GPIO等規(guī)范來傳輸電力和網(wǎng)絡(luò)信號，也可以使用自定義傳輸規(guī)范，以滿足各種不同用戶的需求。

2.2基于DuerOS對話式AI系統(tǒng)的中心連接控制系統(tǒng)

使用基于DuerOS對話式AI系統(tǒng)的中心連接控制系統(tǒng)可以控制中心連接控制系統(tǒng)中的電源控制模塊，從而控制家電設(shè)備的電源開關(guān)，使得非物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備能夠接受中心連接控制系統(tǒng)的指令，控制非物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備啟動。中心連接控制系統(tǒng)可以統(tǒng)一物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和非物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備之間的控制。而且基于DuerOS對話式的AI系統(tǒng)的中心連接控制系統(tǒng)還具有以下優(yōu)點：

1）信息獲?。和ㄟ^自然語音對話交互的方式，及時滿足日?；拘畔@取需求，通過信息互聯(lián)完成所需。

2）服務(wù)資源：通過自然語音對話交互的方式，可為用戶提供各種服務(wù)滿足基本信息操作需求，完成負責的日常情景下的需求。

使用這些DuerOS的技能，能高效快速地完成在某些情景下的需求，打造舒適、便捷、安全和省心的智能家居環(huán)境，發(fā)揮出中心連接控制系統(tǒng)的能力，可為智能家居環(huán)境提供一個智能化的私人空間，享受更加便捷的智能生活。

2.3基于LEDE系統(tǒng)路由器的智能家居網(wǎng)絡(luò)中心

智能家居網(wǎng)絡(luò)中心屏蔽不同網(wǎng)絡(luò)間的差異，提供統(tǒng)一的通信方法，將不同介質(zhì)網(wǎng)絡(luò)連為一個整體，為設(shè)備的統(tǒng)一聯(lián)動控制提供了可能。智能家居網(wǎng)絡(luò)中心與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)路由相比，在完成無線接入、網(wǎng)絡(luò)路由、連接互聯(lián)網(wǎng)三大功能外，還具以下新特性：

1）為電力網(wǎng)提供網(wǎng)絡(luò)服務(wù)

將網(wǎng)絡(luò)服務(wù)拓展至電力網(wǎng)領(lǐng)域，使用電力網(wǎng)適配器的設(shè)備能夠獲得與有線以太網(wǎng)相同的體驗。

2）不間斷連續(xù)控制

智能家居網(wǎng)絡(luò)中心24小時在線，可以不間斷的監(jiān)控設(shè)備情況，并聯(lián)動控制，可實現(xiàn)無人值守控制。用戶也可以通過多種手段對控制進行干預(yù)，使得系統(tǒng)的控制能力大大增強。

2.4 事件驅(qū)動聯(lián)動控制平臺

聯(lián)動控制平臺實現(xiàn)了一套智能家居設(shè)備整體控制系統(tǒng)，將孤立設(shè)備連為一個整體。當事件發(fā)生時，控制平臺將會根據(jù)用戶定義的規(guī)則觸發(fā)一系列控制指令控制有關(guān)設(shè)備進行相關(guān)操作，無須人工依次控制不同的設(shè)備，大大提高了用戶的使用體驗。

3系統(tǒng)功能設(shè)計與實現(xiàn)

3.1電源和網(wǎng)絡(luò)二合一適配器設(shè)計

二合一適配器應(yīng)能夠提供電力線以太網(wǎng)接入，將電力線中的電力線以太網(wǎng)信號轉(zhuǎn)換為傳統(tǒng)的有線以太網(wǎng)信號，并將從有線以太網(wǎng)端口收到的數(shù)據(jù)在電力線中傳輸。完成基本的通信功能。

電網(wǎng)雙供模塊還應(yīng)提供電力輸出，根據(jù)不同的使用場景，提供0-220V，AC/DC輸出，為用電器供能。

除此之外，電網(wǎng)雙供模塊應(yīng)兼容不同的傳送電纜及傳送方式滿足不同場景的需要，并支持一定的擴展功能。具體設(shè)計方案如下：

1）遵循USB標準

此類設(shè)備的工作電壓多為5V/12V/20V，最大功率100W，可由二合一模塊的USB協(xié)議自適應(yīng)電源適配器提供。此方案在實現(xiàn)供電供網(wǎng)二合一的同時，還提供USB有線以太網(wǎng)接入、USB-HUB等附加功能。

2）遵循PoE標準

PoE是指為某些基于IP的終端傳輸數(shù)據(jù)信號時為這些設(shè)備提供直流電的技術(shù)，而無需對現(xiàn)有以太網(wǎng)Cat.5電纜基礎(chǔ)設(shè)施進行任何更改。它能承受的最大功率為30W，最大電壓48V，最大電流2A。在此范圍內(nèi)的用電器可以使用PoE技術(shù)實現(xiàn)供電供網(wǎng)二合一。電源通過雙絞線的空閑引腳輸入，網(wǎng)絡(luò)信號通過雙絞線的數(shù)據(jù)線傳輸。到達終端時通過PoE分離器，分離為電源插頭及網(wǎng)絡(luò)接口?；蛘咧苯虞斎耄ㄟ^PoE分離電路分別向SoC等設(shè)備提供電源和網(wǎng)絡(luò)信號。

3.2基于DuerOS對話式AI系統(tǒng)的中心連接控制系統(tǒng)設(shè)計

要實現(xiàn)中心連接控制系統(tǒng)控制不同的設(shè)備開關(guān)，首先是中心連接控制系統(tǒng)能夠訪問不同的設(shè)備的開關(guān)，并借助于電力線以太網(wǎng)傳輸具體的控制指令，其次是中心連接控制系統(tǒng)能夠識別不同設(shè)備的特性，如：“幫我打開廚房的燈?！边@條指令不僅要完成燈的開關(guān)，還是具體到是廚房的燈的開關(guān)。

使用中心連接控制系統(tǒng)，在DuerOS技能開放平臺上開發(fā)，可通過創(chuàng)建的技能，使用聲音控制智能家居設(shè)備，或者是控制遠程可控電源設(shè)備網(wǎng)關(guān)。當用戶發(fā)出語音指令時，DuerOS會解析出用戶的意圖，然后使用技能發(fā)送該意圖相對應(yīng)的指令， 技能收到指令時，對設(shè)備進行相應(yīng)的操作。

3.3基于LEDE系統(tǒng)路由器的智能家居網(wǎng)絡(luò)中心設(shè)計

要實現(xiàn)多網(wǎng)融合，首先就需要規(guī)定網(wǎng)絡(luò)使用的協(xié)議。網(wǎng)絡(luò)接口層使用以太網(wǎng)協(xié)議，物理介質(zhì)可以使用無線、有線、電力線，這就要求融合方案能夠同時訪問這幾種介質(zhì)。

使用LEDE開發(fā)板稍加改造即可滿足要求，還有足夠的性能運行智能家居聯(lián)動控制平臺，將二合一適配器提供的網(wǎng)絡(luò)信號直接送給soc內(nèi)置的以太網(wǎng)交換機，電源直接驅(qū)動整個設(shè)備。

網(wǎng)絡(luò)層采用IP協(xié)議，使用IP進行尋址、管理和路由，為聯(lián)動控制提供基礎(chǔ)的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。多網(wǎng)融合采用路由器作為中心，通過USB擴展Zigbee及藍牙等不以以太網(wǎng)作為二層標準的連接協(xié)議。

3.4聯(lián)動控制功能的設(shè)計

由于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備計算能力不一，不適合分布式計算。因此需要確定控制核心。該核心應(yīng)該具有低功耗，24小時無人值守，能聯(lián)網(wǎng)的特性。在計算能力不足時交由云計算進行處理。

聯(lián)動控制分為三個主要部分：

主動上報：設(shè)備將自己的狀態(tài)定期發(fā)送至集中控制端，由集中控制端處理、分析后，下發(fā)控制指令，控制相關(guān)設(shè)備。

事件觸發(fā)：設(shè)備檢測到狀態(tài)變化時，將產(chǎn)生一個事件，設(shè)備將觸發(fā)的事件發(fā)送給集中控制端，集中控制端根據(jù)觸發(fā)規(guī)則，控制關(guān)聯(lián)設(shè)備。

主動控制：設(shè)備將功能及控制方法上傳至集中控制端，用戶訪問控制界面操作集中控制端發(fā)出控制指令以控制被控設(shè)備。

各模塊通過WebSocket進行通信，它是基于TCP對瀏覽器支持友好的協(xié)議，具有SSL與TCP的安全可靠性，同時能夠兼容瀏覽器訪問，不論是集群管理還是獨立運行都能夠很好地兼容。

4 實現(xiàn)方案

在本系統(tǒng)中，感知層由傳感器和效應(yīng)器組成。傳感器用于采集信息，效應(yīng)器用于對命令做出響應(yīng)，也會產(chǎn)生反饋結(jié)果。

系統(tǒng)各部分連接方式如圖5所示：

4.1 感知層

感知層采用GPIO（General Purpose I/O Ports）或USB（Universal Serial Bus）來連接智能家居設(shè)備的傳感器模塊，來進行信息的感知和設(shè)備的控制，智能家居設(shè)備的傳感器模塊包含距離傳感器、光傳感器、溫度傳感器、紅外傳感器、煙霧傳感器等。

4.2 控制層

高端應(yīng)用使用樹莓派 Raspberry Pi 3，低端應(yīng)用使用Orange Pi Zero。兩者都能運行Linux操作系統(tǒng)，并能通過GPIO控制傳感器及效應(yīng)器，方便開發(fā)復(fù)雜智能家居應(yīng)用。

4.3 傳輸層

電力線以太網(wǎng)傳輸模塊：電力線以太網(wǎng)傳輸模塊使用slinglink turbo w1 85M電力貓，支持HomePlug1.0協(xié)議，可將電力線上的網(wǎng)絡(luò)信號分離出來，并將收到的網(wǎng)絡(luò)信號在電力線上傳播。

以太網(wǎng)轉(zhuǎn)USB模塊：以太網(wǎng)轉(zhuǎn)USB模塊使用RD9700 USB接口以太網(wǎng)控制電路，可為不具備網(wǎng)口的機器提供以太網(wǎng)接口。

5 結(jié)論

本文基于電力載波通信技術(shù)，研究開發(fā)基于電力線以太網(wǎng)的智能家居，并結(jié)合AI語音控制系統(tǒng)進一步提高智能家居生態(tài)環(huán)境的可用性、安全性、方便些等，充分利用電力載波通信的特點，將其特點應(yīng)用到電力載波通信的智能家居生態(tài)環(huán)境中。解決了現(xiàn)有常用智能家居中依靠無線通信方式帶來的信息泄露、滲透攻擊、惡意登陸等安全問題，電力載波技術(shù)在智能家居生態(tài)環(huán)境的應(yīng)用中有著信息安全、方便快捷、成本控制等諸多方面的優(yōu)勢，結(jié)合更智能的AI語音助手，大大提升了智能家居的使用體驗，也為未來的智能家居和物聯(lián)網(wǎng)方向提供了新的思路。

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