智能家庭網(wǎng)關研究現(xiàn)狀分析

王瑩瑩，王詠梅

（蘇州高博軟件技術職業(yè)學院，蘇州 215163）

1 引言

隨著全球智能化戰(zhàn)略的推廣，萬物互聯(lián)時代的開啟，以及人們對于居住環(huán)境的舒適性、智能性以及安全性等要求的不斷提高，家庭環(huán)境中需要接入網(wǎng)絡的設備越來越多。家庭網(wǎng)關不再只是一個將內部網(wǎng)絡連接到外部網(wǎng)絡的一種物理接口，更嚴格意義上來說家庭網(wǎng)關是家庭的控制中心，其正在成為一種平臺，通過這個平臺家庭用戶可以獲取各種家庭服務；通過這個平臺用戶可以通過公網(wǎng)實現(xiàn)對家庭網(wǎng)絡的訪問和控制，進而實現(xiàn)對家庭內部設備的控制。越來越多的家庭、工廠、企業(yè)辦公室等需要網(wǎng)關來進行各種信息的轉發(fā)與控制，智能網(wǎng)關市場潛力巨大，經(jīng)濟效益可觀。

在十二五規(guī)劃中，國家已經(jīng)明確將無線智能家居產(chǎn)業(yè)列為戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)。2017年12月工信部發(fā)布的《促進新一代人工智能產(chǎn)業(yè)發(fā)展行動計劃》中提出要加大智能產(chǎn)品的研發(fā)力度，優(yōu)先推動智能家居產(chǎn)品的突破。2018年9月中共中央、國務院發(fā)文指出要重點發(fā)展智慧家庭產(chǎn)品。

2 智能家居體系架構

典型的智能家居系統(tǒng)的系統(tǒng)架構主要分為應用層、網(wǎng)絡層和感知層，其體系架構圖如圖1所示。其中，感知層由各種具備短距離通信能力的傳感器設備或RFID 設備、攝像頭等組成，主要用于采集室內的溫濕度、CO 濃度、PM2.5指數(shù)、光照強度等各項環(huán)境物理參數(shù)以及視頻信息等，主要用于預防家庭隱患的發(fā)生、控制家居設備，提高家居環(huán)境的自動化程度。感知層采集的數(shù)據(jù)經(jīng)網(wǎng)關轉發(fā)至網(wǎng)絡層。網(wǎng)絡層負責傳輸各類數(shù)據(jù)及指令。應用層負責海量數(shù)據(jù)的存儲、分析、處理與決策并同時為用戶提供服務。用戶可以通過手機或其他終端設備查看家庭中的各項數(shù)據(jù)，控制家庭中的設備。

3 家庭網(wǎng)關的研究熱點分析

在智慧家庭中，家庭網(wǎng)絡是基礎，而家庭網(wǎng)關是整個家庭網(wǎng)絡的核心，也是整個智慧家庭系統(tǒng)中最關鍵的部分。網(wǎng)關需要將終端節(jié)點采集的數(shù)據(jù)進行收集、識別、分類與處理，實現(xiàn)對終端節(jié)點的統(tǒng)一管理。

國內外眾多學者從不同的角度對智能家居系統(tǒng)中的家庭網(wǎng)關進行了分析研究與設計，其研究內容主要集中在以下幾個方面：

圖1 智能家居體系架構圖

（1）家庭網(wǎng)關的軟硬件平臺設計，硬件平臺的設計，嵌入式操作系統(tǒng)的選擇影響著網(wǎng)關的硬件處理能力以及產(chǎn)品的性價比。目前眾多學者提出采用ARM 系統(tǒng)芯片作為網(wǎng)關的控制器，搭載嵌入式Linux 操作系統(tǒng)，外接各種通信接口如Wi-Fi、Zigbee、GPRS 等與終端節(jié)點進行通信，典型的網(wǎng)關的硬件體系架構如圖2所示。另外眾多學者針對網(wǎng)關的擴展性、應用多樣性展開進一步的研究[1]。

圖2 網(wǎng)關硬件體系架構圖

（2）異構網(wǎng)絡的互聯(lián)互通，網(wǎng)關解決異構網(wǎng)絡的互聯(lián)互通問題，實現(xiàn)協(xié)議的轉換。主要研究家庭網(wǎng)關多協(xié)議的轉換問題，如有線與Wi-Fi 或zigbee 的互聯(lián)互通，Wi-Fi 與Zigbee 的互聯(lián)互通以及實現(xiàn)協(xié)議的轉換等。目前市面上已經(jīng)存在多個品牌的智能家庭網(wǎng)關可以實現(xiàn)多種異構網(wǎng)絡的互聯(lián)互通。

（3）家庭網(wǎng)關的安全問題，由于多協(xié)議家庭網(wǎng)關在連接網(wǎng)絡終端時，有些感知數(shù)據(jù)具有隱私性，所以很多學者就如何實現(xiàn)多協(xié)議家庭網(wǎng)關的安全接入展開了研究，多種應用于家庭網(wǎng)關的訪問控制協(xié)議被提出，文獻[2]提出了一種可以支持RS485、zigbee、藍牙等協(xié)議的基于動態(tài)優(yōu)先級調度算法的異構物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關。文獻[3]通過身份驗證與授權機制來提高數(shù)據(jù)的安全性。文獻[4]提出了一種基于時間自動機的網(wǎng)關安全策略，并驗證了其機密性、可用性、安全性、完整性等特性。

（4）網(wǎng)關的數(shù)據(jù)擁塞與CPU 搶占問題。由于傳感器網(wǎng)絡的低成本、低功耗等特點使得協(xié)調器的處理能力受限，導致網(wǎng)關出現(xiàn)數(shù)據(jù)擁塞，丟包率增大，家庭內部的數(shù)據(jù)不能及時發(fā)送出去。針對該問題有兩種解決方案：一是采用處理能力強的控制器，增強協(xié)調器的性能；二是采用合理的擁塞算法來緩解數(shù)據(jù)擁塞。

3 結束語

智能家居系統(tǒng)實現(xiàn)對家居環(huán)境的監(jiān)測與控制，提供了舒適、智能的居住環(huán)境。網(wǎng)關是連接家庭內外的橋梁，網(wǎng)關軟硬件設計、異構網(wǎng)絡的互聯(lián)互通、網(wǎng)關的安全以及網(wǎng)關的數(shù)據(jù)擁塞問題都影響著家庭數(shù)據(jù)的實時性與安全性，是智能家居系統(tǒng)的關鍵所在。