智能家居應用技術開發(fā)與實踐
作者：鄭曉敏
1 引言
通信及物聯(lián)網(wǎng)技術的飛速發(fā)展為智能家居終端接入互聯(lián)網(wǎng)提供了便利條件，Android、iOS等智能終端的普及使得用戶操控智能家居應用的條件也逐漸成熟。越來越多的電子、通信、互聯(lián)網(wǎng)等行業(yè)巨頭相繼涉足智能家居行業(yè)，使得智能家居產(chǎn)業(yè)在近期內必將進入一個高速發(fā)展的階段。
然而目前智能家居應用的開發(fā)技術和標準各不相同，國內外的很多企業(yè)和標準組織都推出了自己的解決方案及標準規(guī)范。國際上的ZigBee、Z-wave應用較多；國內的閃聯(lián)也發(fā)布了IGRSl.0。另外，國內普遍采用的是基于Wi-Fi的無線快速連接實現(xiàn)技術，但不同廠商的實現(xiàn)方案各不相同。由于現(xiàn)有智能家居實現(xiàn)技術的不統(tǒng)一，各廠商的技術水平和平臺提供能力參差不齊，導致目前智能家居的應用可運營性差、開發(fā)成本高、用戶體驗不統(tǒng)一，不利于產(chǎn)業(yè)鏈的健康發(fā)展。因此需要對可運營的智能家居應用開發(fā)技術進行研究。本文提出了一種基于Wi-Fi智能連接模塊的智能家居應用開發(fā)技術方案，該方案可實現(xiàn)智能家居的統(tǒng)一運營和管理，同時可兼容現(xiàn)有的智能家居技術方案，達到統(tǒng)一運營智能家居設備、降低智能家居開發(fā)成本和門檻的目的。
2 需求分析與方案研究
2.1 需求分析
隨著通信、物聯(lián)網(wǎng)技術的發(fā)展及智能終端的普及，人們通過智能終端遠程操控家用電器已經(jīng)成為現(xiàn)實，且逐漸進入普通百姓的生活。近年來，智能家居已成為產(chǎn)業(yè)界關注的熱點，國外的蘋果公司、高通公司、三星集團以及國內的海爾集團、BAT、小米公司等行業(yè)巨頭都相繼涉足該領域。從現(xiàn)有智能家居系統(tǒng)家庭聯(lián)網(wǎng)的實現(xiàn)方式上看，可分為兩類：一類是基于Wi-Fi網(wǎng)絡的連接實現(xiàn)方式，即Wi-Fi終端或智能家居專用網(wǎng)關（也稱控制中心）通過Wi-Fi網(wǎng)絡與家庭寬帶網(wǎng)絡中的家庭網(wǎng)關進行連接：另一種是基于有線網(wǎng)絡的連接實現(xiàn)方式，即智能家居專用網(wǎng)關先通過ZigBee、Z-wave等私有協(xié)議與智能家居應用終端進行連接，然后再通過以太網(wǎng)與家庭網(wǎng)關進行連接。因在智能家居系統(tǒng)中，Wi-Fi網(wǎng)絡的連接實現(xiàn)方式可提供更大的便利性、靈活性，并且易于模塊化，而且基于Wi-Fi通信技術的家庭網(wǎng)絡已成為當前的一種主流趨勢，故基于Wi-Fi連接模塊的智能家居開發(fā)技術必將會有很大的發(fā)展空間。
2.2技術方案
常見的智能家居系統(tǒng)主要包括智能家居應用終端、家庭網(wǎng)關、手機App、智能家居管理平臺以及運營商的寬帶有線網(wǎng)和移動蜂窩網(wǎng)，智能家居系統(tǒng)架構如圖1所示。
智能家居應用終端（也稱智能家居設備）可分為兩類：基于Wi-Fi的智能家居終端以及非Wi-Fi智能家居終端。非Wi-Fi的智能家居終端通常采用ZigBee、Z-wave等其他無線通信技術，該類終端通常需要一個專用的智能家居網(wǎng)關（控制中心），以達到匯聚智能家居終端和網(wǎng)絡通信的目的，智能家居專用網(wǎng)關通過Wi-Fi與家庭網(wǎng)關連接。
因手機App、智能家居管理平臺都是為了滿足管理和控制智能家居的需求而開發(fā)的，功能大同小異，運營商的寬帶接入／移動蜂窩網(wǎng)絡的技術標準也是全球統(tǒng)一的，所以已參與智能家居的各大行業(yè)巨頭的關注重點都放在了智能家居終端的無線聯(lián)網(wǎng)及終端與平臺的交互技術上。
其中，高通公司提出了AlUoyn源框架，用來解決具有不同操作系統(tǒng)和二層通信協(xié)議設備之間的發(fā)現(xiàn)和互操作問題：蘋果公司提出的Homekit智能家居平臺規(guī)范了智能家居產(chǎn)品通過iOS終端連接和通信的方式；三星集團推出了SmartHome平臺，希望通過一個平臺統(tǒng)一管理；谷歌旗下的Nest則聯(lián)合三星集團和ARM公司等力推Thread；國內的海爾集團組建了U+聯(lián)盟，通過開放的接口協(xié)議，力圖打造一個開放的平臺；美的集團與阿里巴巴集團合作計劃對外開放協(xié)議，使用阿里巴巴集團的云計算平臺進行智能家居設備的接入：騰訊公司微信平臺的人機對話能力及App加載運行能力（公眾號）也為其在智能家居領域謀得了一席之地。這些技術方案都有各自的無線快速連接機制、專用的通信協(xié)議以及與其配套的手機App SDK等，沒有統(tǒng)一的技術標準。
3基于Wi-Fi智能連接模塊的應用開發(fā)技術方案
相比傳統(tǒng)的家居應用終端，智能家居的主要功能都有所提升，智能家居應用終端可以快速聯(lián)網(wǎng)，能夠與云平臺進行通信，而終端的聯(lián)網(wǎng)功能模塊和終端與云平臺的通信功能模塊均集成在智能家居的智能模塊上，因此智能模塊是智能家居的核心。因為Wi-Fi已成為家庭無線聯(lián)網(wǎng)的主流趨勢，且被越來越多的智能家居應用廠商采用，所以提出了集無線聯(lián)網(wǎng)與通信功能于一體的Wi-Fi智能連接模塊技術解決方案。
3.1 Wi-Fi智能連接模塊在智能家居系統(tǒng)中的位置
Wi-Fi智能連接模塊內置于智能家居終端或者智能家居專用網(wǎng)關（控制中心），能夠實現(xiàn)智能家居應用終端的聯(lián)網(wǎng)和與智能家居管理平臺的通信。從模塊的邏輯功能上可分為快速接入、管理和應用3個層次的協(xié)議，分別用于滿足智能家居應用終端的快速聯(lián)網(wǎng)、終端設備的管理和業(yè)務控制的需要。Wi-Fi智能連接模塊在智能家居系統(tǒng)中的位置如圖2所示。
3.2基于Wi-Fi智能連接模塊的終端設計
Wi-Fi智能連接模塊內置于智能家居應用終端，可作為客戶端接人家庭網(wǎng)關，滿足智能家居應用終端的聯(lián)網(wǎng)及控制需求。Wi-Fi智能連接模塊在智能家居設備中的應用實現(xiàn)如圖3所示。
Wi-Fi智能連接模塊與家電主控制器之間通過UART或CPROs進行數(shù)據(jù)通信，從而實現(xiàn)對家電的外圍或者整體控制。UART用于可靠的數(shù)據(jù)傳輸：PWM調控主要用于燈光調節(jié)、三色LED調節(jié)、電機調速等；GPIO控制用于控制開關、繼電器等。Wi-Fi智能連接模塊通過I/O標志電平來選擇通信方式，低電平表示使用I/O方式通信，高電平表示選擇串口方式通信。
4關鍵技術
Wi-Fi智能連接模塊主要實現(xiàn)了智能家居應用終端的快速聯(lián)網(wǎng)、與管理平臺的通信以及設備控制指令的解析功能。為了滿足上述需求，定義了通用、高效、便捷的快速聯(lián)網(wǎng)技術方案，選擇了合理、安全的通信協(xié)議，并設計了通用的關鍵流程。
4.1 無線快速連接
因WPS是IEEE 802.11定義的標準協(xié)議，也是Wi-Fi終端與AP具備的通用功能模塊，故設計的Wi-Fi智能連接模塊與家庭網(wǎng)關的無線快速連接協(xié)議采用了WPS。通過定義家庭網(wǎng)關與手機App的接口．實現(xiàn)了對當前所連家庭網(wǎng)關的WPS開啟、關閉和狀態(tài)查詢；通過智能終端的WPS按鍵開啟智能連接模塊WPS；通過手機App的UI操作提示實現(xiàn)智能家居應用的快速連接。
4.2通信協(xié)議
智能家居應用終端與智能家居管理平臺的通信協(xié)議可以選擇TCP、UDP、HTTP、XMPP等，但各協(xié)議間存在較大的差異，側重點也各不相同，智能家居應用系統(tǒng)的成功與否，很大程度上取決于通信協(xié)議的選擇及連接規(guī)則的設計。
4.2.1 通信協(xié)議的選擇
(1)TCP
TCP是一種面向連接的、可靠的、端到端的傳輸層協(xié)議。在數(shù)據(jù)傳輸之前，TCP模塊在運行于不同主機上的兩個應用程序之間建立直接連接，隨后TCP報文在該連接上進行傳輸。TCP連接的建立與斷開都需要經(jīng)過嚴格的多次握手機制，TCP連接一旦建立，在通信雙方中的任何一方主動關閉連接之前，TCP連接都將一直保持下去。
(2)UDP
UDP是一種無連接的協(xié)議，沒有應答和確認，也沒有錯誤反饋機制。UDP在發(fā)送數(shù)據(jù)前并不需要與對方事先建立連接，對接收到的數(shù)據(jù)也不用發(fā)送確認消息，發(fā)送端不知道數(shù)據(jù)是否會被正確接收，也無需重發(fā)，故UDP也稱作無連接的、不可靠的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議。
(3)HTTP
HTTP主要用于Web模式的聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議，是建立在TCP之上的一種應用層協(xié)議。HTTP連接最顯著的特點是客戶端的每次請求都需要服務器發(fā)送響應，在請求結束后，會主動釋放。
(4)XMPP
XMPP是一種基于可擴展標記語言(XML)的協(xié)議，它繼承了在XML環(huán)境中靈活的發(fā)展性。因此基于XMPP的應用具有超強的可擴展性。經(jīng)過擴展以后的XMPP可以通過發(fā)送擴展信息來處理用戶需求以及在XMPP的頂端建立內容發(fā)布系統(tǒng)和基于地址的服務程序。
(5)Socket協(xié)議
Socket連接的建立至少需要一對套接字，分別運行于客戶端與服務器端。創(chuàng)建Socket連接時，可以指定傳輸層協(xié)議(TCP或UDP)，當使用TCP進行連接時，該Socket連接就是一個TCP連接。Socket連接一旦建立，服務器可以直接將數(shù)據(jù)傳送給客戶端。
4.2.2協(xié)議比較
各通信協(xié)議的比較詳見表1。
考慮到智能家居是為了滿足人們健康、安全、便捷、節(jié)能環(huán)保等需求，智能家居設備采用的通信協(xié)議必須具備高可靠性和實時性：另外，為了盡可能多地讓家居終端加入智能家居的隊伍中且不過多增加開發(fā)和硬件成本，智能家居設備所采用通信協(xié)議不能對終端的要求太高。綜上所述，選擇TCP作為可運營智能家居開發(fā)技術方案的通信協(xié)議。
4.2.3連接機制
為了保證智能家居應用終端與智能家居管理平臺之間的正常通信，制定了一套同時適用于終端與平臺的通信連接規(guī)則。主要包括連接的建立、連接的維持和連接的斷開。
(1)連接的建立
智能家居設備與智能家居管理平臺的數(shù)據(jù)日常連接采用TCP方式，智能家居設備復位后應盡快與平臺建立連接，連接建立后立即向平臺發(fā)送智能家居設備鑒權消息進行鑒權。
(2)連接的維持
在連接建立且鑒權成功后，智能家居設備周期性地向平臺發(fā)送心跳消息，平臺收到后向智能家居設備發(fā)送平臺通用應答消息，發(fā)送周期由智能家居設備指定。如智能家居設備未指定心跳周期，默認心跳消息的周期為60 s。
(3)連接的斷開
平臺和智能家居設備均可根據(jù)TCP主動斷開連接，雙方都應主動判斷TCP連接是否斷開。平臺判斷TCP連接斷開的方法如下：
·根據(jù)TCP判斷出智能家居設備主動斷開；-相同身份的智能家居設備建立新連接，表明原連接已斷開：
·在3個心跳周期內未收到智能家居設備發(fā)出的消息或心跳。智能家居設備判斷TCP連接斷開的方法如下：
·根據(jù)TCP判斷平臺主動斷開；
·數(shù)據(jù)通信鏈路斷開；
·數(shù)據(jù)通信鏈路正常，達到重傳次數(shù)后仍未收到應答。
4.3關鍵流程
為了滿足智能家居應用終端的快速聯(lián)網(wǎng)和遠程控制功能需求，基于Wi-Fi智能連接模塊的智能家居應用終端必須具備設備注冊、智能家居設備與用戶賬號綁定和平臺下發(fā)操控指令的能力。
4.3.1設備注冊
為了保證所接入智能家居管理平臺終端的合法性，對首次聯(lián)網(wǎng)接人管理平臺的智能家居應用終端需要進行注冊認證，其實現(xiàn)流程如圖4所示。
·應用終端首次上電連接網(wǎng)絡后，向智能家居管理平臺發(fā)送設備ID、注冊鑒權碼進行應用終端注冊鑒權：
·智能家居管理平臺根據(jù)存儲的設備ID和注冊鑒權碼的對應關系，對應用終端進行鑒權：
·智能家居管理平臺向應用終端返回注冊結果，若鑒權成功，則同時返回登錄鑒權碼：
·若注冊鑒權通過，智能家居管理平臺需要向業(yè)務平臺報備應用終端注冊通過信息;
·完成首次上電注冊的應用終端，每次重新連接網(wǎng)絡后，利用登錄鑒權碼請求登錄。
4.3.2設備綁定
為了保證家庭用戶對自有智能家居應用終端的控制和管理，防止被別人操控，需要綁定已接入智能家居管理平臺的應用終端和智慧家庭用戶賬號，其實現(xiàn)流程如圖5所示。
·用戶在手機App中使用用戶賬號登錄后，通過掃碼或者輸入應用終端設備ID的方式要求綁定應用終端;
·手機App向業(yè)務平臺發(fā)送用戶設備綁定請求；
·業(yè)務平臺判斷應用終端的合法性（應用終端必須已經(jīng)完成注冊，并且尚未被綁定，才能請求綁定），若應用終端符合要求，則業(yè)務平臺將用戶設備綁定請求發(fā)送給平臺進行進一步驗證;
·平臺驗證用戶賬號的合法性（必須是已注冊用戶才能進行設備綁定），平臺同時進一步驗證應用終端的合法性（在平臺中該應用終端的狀態(tài)屬性為已注冊），若均合法，則向業(yè)務平臺返回驗證結果;
·業(yè)務平臺將用戶賬號和應用終端進行綁定；
·業(yè)務平臺向手機App返回綁定結果，若綁定成功且應用終端為應用網(wǎng)關，需要同時向手機App返回該應用網(wǎng)關下掛的終端信息（包括下掛終端類型、下掛終端ID等）：
·業(yè)務平臺將用戶設備綁定信息報備給平臺，若該應用終端為應用網(wǎng)關，需要報備該應用網(wǎng)關下掛的終端信息，平臺保存信息。
4.3.3設備控制
為了實現(xiàn)用戶對已綁定智能家居應用的遠程控制，智能家居應用終端需要執(zhí)行平臺下發(fā)的操控指令，其流程如圖6所示。
·用戶通過手機App對應用終端進行操控；
·業(yè)務平臺接收到用戶操作請求，對用戶合法性以及終端可操作性進行判斷，若均合法，則向平臺下發(fā)設備操控指令;
·智能家居管理平臺對接收到的消息進行初步解析，發(fā)現(xiàn)消息類型為透傳消息，將消息體進行重新封裝，路由轉發(fā)至相應的應用終端；
·應用終端接收到設備操控指令后，執(zhí)行設備操控指令;
·設備操控指令執(zhí)行完畢，應用終端業(yè)務狀態(tài)發(fā)生變化時，應用終端需要向業(yè)務平臺上報其業(yè)務狀態(tài)更新信息，該消息通過智能家居管理平臺透傳：
·智能家居管理平臺對接收到的消息進行初步解析，發(fā)現(xiàn)消息類型為透傳消息，將消息體進行重新封裝，路由轉發(fā)至相應的業(yè)務平臺：
·業(yè)務平臺接收到消息后，對消息體進行解析，更新應用終端的業(yè)務狀態(tài)信息：
·業(yè)務平臺將解析后的應用終端的業(yè)務狀態(tài)信息報備給智能家居管理平臺，智能家居管理平臺更新應用終端業(yè)務狀態(tài)信息，并同步至智能家居終端和手機App。
5結束語
基于本方案的原型智能家居終端、智能家居管理平臺一階段、手機App的開發(fā)階段及智能家居管理平臺與第三方業(yè)務平臺的對接階段已經(jīng)完成。端到端的全流程測試驗證了本方案的可行性，且終端與家庭網(wǎng)關無線快速連接的接入速度和用戶通過手機App操控智能家居的用戶體驗都比較令人滿意。一階段智能家居管理平臺的主要功能是智能家居設備的注冊、設備的綁定激活與軟件管理等功能，業(yè)務控制功能是通過第三方業(yè)務平臺實現(xiàn)的：為了滿足不具備提供業(yè)務平臺能力廠商的接人，后續(xù)會重點完成智能家居管理平臺業(yè)務控制功能模塊的開發(fā)，屆時本方案將既支持新加入智能家居隊伍中的終端廠商，又兼容已具備自有業(yè)務平臺的智能家居終端廠商。
6摘 要：
分析了現(xiàn)有智能家居應用開發(fā)技術的現(xiàn)狀，提出了一種基于Wi-Fi智能連接模塊的智能家居應用開發(fā)技術方案。對方案中的關鍵技術進行了深入分析，并對基于本方案的智能家居應用開發(fā)技術進行了可行性驗證。
