家庭物联网标准协议需求分析

刘威 李威 胡耀宸

摘 要：家庭自动化是智能家居的重要组成部分，家庭自动化设备常常使用各种不同的通信技术，但是由于标准繁多，不同技术不能互联。文章总结了以往的智能家居研究以及相关技术，分析了其在实际应用中的优缺点，从应用和通信两方面分析变量安全操作协议的设计需求，认为当前家庭物联网标准协议设计应满足精简高效、资源共享要求，适应安全可靠、互联互通的需求，能够使不同技术在应用层实现互联互通。

关键词：家庭自动化；应用协议；标准化；资源共享；互联互通

中图分类号：TU855 文献标志码：A 文章编号：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

家庭自動化是物联网技术在智能家居中的重要应用，是自动化、网络化和智能化的整体应用[1]。在实践创新的过程中发现，用户体验成为该科技产物的重中之重。目前存在的主要问题是自动化设备间的互联互通不足，设备的安装和使用不够简单可靠，从而造成系统整体价格昂贵和使用方法繁杂等问题。当前各种自动化网络技术已较为成熟，消除这些问题的主要方法离不开标准化的研究和实施[2]。统一的技术标准体系可以为产业的发展提供规范和引导，有利于实现产品的互操作和产业规模化[3]。因此，研究设计一种在家庭多网络环境下，实现智能家居自动化设备资源共享、互联互通的应用协议具有重要现实意义。

2 相关技术分析

家庭自动化系统的关键是对家庭网络的引入，因为家庭自动化的实现离不开家庭网络[4，5]，本节将从家庭自动化相关的主流家庭局域网络的应用层技术进行分析。

2.1 Modbus协议分析

在自动化设备中常用的Modbus协议已经成为一种通用工业标准[6]，也被大量应用于家庭自动化中。Modbus在串行链路中使用时，根据主从模式直接进行通信，当在TCP/IP上进行通讯时，根据映射规则嵌入到每个网络数据包应用层中的Modbus协议提供了设备间能够交换数据的公共的语言，如图1所示。

Modbus协议具有复杂度低、网络嵌入能力强、技术成熟、配套设备丰富因此被广泛使用，作为家庭自动化技术的一种应用层通信规范。但由于主从模式通信效率低，自适应性差，需合理组态，造成其在智能家居传感网设备中应用的阻碍[7]。

2.2 ZigBee应用层分析

ZigBee[8]是一种基于IEEE 802.15.4的低速短距离传输的无线传感器网络协议，早期主要用于大规模低功耗无线网络控制和传感检测。随着智能家居的发展，ZigBee以其稳定性强、高保密性、低功耗、低成本的优势在家庭自动化中大量应用。ZigBee应用层由三个部分组成，APS子层、ZDO和制造商定义的应用对象。ZigBee设备是依赖于模板的，模板定义了设备的应用环境、设备类型、用于设备间通信的簇，公共模板保证不同供应商的互操作，如图2所示。

ZigBee技术的主要特点是支持大规模组网，自组网能力强，自恢复能力强，因此，对于工业、室外等应用非常具有吸引力[9]。然而对于智能家居的应用场景中，自组网的优点不明显，但是所耗费的时间和资源却依旧存在[9]。总之ZigBee相对于智能家居系统来说协议栈过于庞大，造成开发难度高，功能过剩等缺点。

2.3 Z-Wave应用层分析

Z-Wave由Sigma Design公司独立开发，是一种专门为智能家居而设计的通信标准，信号可以穿过墙壁将家庭中所有的电子产品组建成一个网络进行集中管理，也可以进行远程控制，介于拥有众多优势，其应用已开始向公共场所照明、民用安防等领域延伸，但其频段不能在中国合法使用。

Z-Wave技术标准关注设备的互操作性以及厂商开发的方便性，在应用层中引入了标准化的方法以实现这一点，包括设备集、指令集、节点信息帧、节点添加和控制器失败恢复等的相关规范。其应用层负责网络中的译码和指令的执行，主要功能包括曼彻斯特译码、指令识别、分配Home ID和Node ID、实现网络中控制器的复制以及对于传送和接收帧的有效荷载进行控制等。

3 家庭自动化需求分析

根据相关技术分析可知，满足智能家居自动化应用的通信技术种类繁多，但在实际应用中又各有优缺点，家庭自动化需要不同技术能够在应用层实现互联互通的技术方案。本节从应用和通信两方面分析变量安全操作协议的设计需求。

3.1 应用需求分析

根据典型的家庭自动化应用场景，其功能应用通过自动化的变量抽象描述可以归为四类：

（1）输入型开关量，如磁感应、接近开关、玻璃破碎等。

（2）输出型开关量，如开关、报警器等。

（3）采集型数值量，如温湿度、电压电流型传感器等。

（4）设置型数值量，如PWM占空比、频率、脉冲个数、电压电流型控制器等。

虽然这些典型功能具有自动化操作的特点且工业技术应用成熟，但是，由于家庭应用环境不同于工业环境，用户不仅希望产品物美价廉、安全可靠，还要求设备在安装、维护、互联和使用上要简便和容易理解，这需要研究针对性的技术来满足这些应用需求。

3.2 通信需求分析

常用的自动化数据模型有分离数据块模型、单一数据块模型[6]，常用变量类型有开关型变量、寄存器型变量。用户根据定义的数据模型和其变量的操作方法来实现设备状态的设置和读取。但是由于不同自动化设备的操作虽然相似，但是细节仍然不同，需要设计对应的变量描述方法去解决设备互操作的问题。

当前物联网安全问题越来越严重，家庭自动化设备的信息和运行安全也是需要考慮的内容。安全的内涵广泛，基本的安全包括加密操作、入网认证和异常检测等内容。

家庭自动化的系统常常集成基于TCP/IP协议，设备之间使用客户机/服务器模型自主协作，通过报文传输信息用于实时交互服务。与Modbus TCP相似，不支持TCP/IP协议的自动化网络，需要通过网络适配器实现报文封装和协议转换传输。

典型的家庭自动化系统拓扑结构依据集成方式分为：汇入路由器式、汇入家庭网关式。在汇入路由器式的家庭自动化系统中，不能接入路由器的家庭自动化设备通过转换协议汇入路由器的以太网或Wi-Fi，客户端和服务器通过路由器与设备通信。在汇入家庭网关式的家庭自动化系统中，家庭网关内集成多种通信功能，且可直接接入家用电子设备并与客户端和服务器通信。

总之，设计的协议方案应支持多种通信方式，具备基于TCP/IP的集成能力，根据变量描述和协议格式可以生成控制指令和进行信息解析，提供变量化的设备控制、数据采集等应用，最终实现家庭自动化设备的互联互通。

4 结束语

当前家庭自动化发展的最大障碍是缺乏统一的技术规范作为依据，不同厂家设备间不能互联互通，无法实现系统整合以降低成本。而且家庭自动化作为智能家居的重要组成部分和基础内容之一，具有重要的研究意义和现实意义。随着相关技术的成熟和市场的需要，家庭自动化技术的标准化受到了行业和国家有关部门的高度重视，制定了相关的标准编制计划。本文在标准编制要求的基础上，从应用和通信两方面分析变量安全操作协议的设计需求，认为当前家庭物联网标准协议设计应依据精简高效、适用范围广、满足互联互通、具备可靠安全措施、平台结构简单灵活等原则，能够使不同技术在应用层实现互联互通。

参考文献：

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[3]柳宏.智能家居标准化发展现状研究[C].市场践行标准化——第十一届中国标准化论坛，国家标准化管理委员会，2014：455-459.

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[5]中国国家标准化管理委员会，等.GB-T19582.3-2008.基于Modbus协议的工业自动化网络规范第3部分：Modbus协议在TCP/IP上的实现指南[S].北京：中国标准出版社，2008.

[6]Huang Q F， Yang J W， Chen Z C. The Application and Design of the Smart Home Wireless Bus Protocol Based on the NRF24L01[J]. Advanced Materials Research， 2011，271-273：991-994.

[7]Martins R D J， Schaurich V G， Knob L A D， et al. Performance analysis of 6LoWPAN and CoAP for secure communications in smart homes[C].2016 IEEE 30th International Conference on Advanced Information Networking and Applications （AINA），IEEE Press，2016：1027-1034.

[8]Han D M， Lim J H. Design and Implementation of Smart Home Energy Management Systems Based on Zigbee[J]. Consumer Electronicsb IEEE Transaction on， 2010，56（3）：1417-1425.

[9]刘晗.基于Z-Wave技术的智能家居系统设计[D].上海：复旦大学，2012.