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用家庭网关打造物联网家庭应用系统

张明杰; 韩建亭; 胡冰松; 刘文超| 家庭物联网,家庭网关,网关中间件| 2010-11-29
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【中心议题】

  • 介绍了中国电信基于家庭网关的物联网家庭应用系统方案
  • 介绍了家庭物联网应用系统的业务扩展方式及技术实现

【解决方案】

  • 家庭网关物联网功能软件包含应用平台接口模块、传感数据分发模块、内网处理模块、传感网接口模块、IP层接口和USB设备接口
  • 电信家庭物联网应用平台提供了家庭物联网的高层应用能力和第三方数据传送能力

1引言

作为世界智能化的技术基础,物联网将改变人们的生活生产方式。物联网对于生产经营活动智能化具有重要作用,通过对生产要素如环境条件、工具状态、原材料情况等进行实时感知并进行相应控制,可优化生产过程,提升产品质量,提高生产率。同样,将物联网应用到家庭环境,可实现居家生活智能化,通过感知生活要素,并根据这些数据为室主提供及时周到的服务,可以在生产与消费之间架设起通畅的桥梁。因此,对于运营商而言,建立起物联网的家庭应用系统是其物联网发展战略的一个重要组成部分。

家庭物联网网关是物联网家庭应用系统的一个核心设备,本文将介绍利用家庭网关构建物联网应用系统的技术方案,包括家庭物联网业务系统架构、家庭网关中间件系统在家庭环境下物联网应用系统中的应用,并介绍家庭物联网应用系统的业务扩展方式及技术实现。

2基于家庭的物联网系统结构

物联网在家庭的应用内容涵盖智能家居、健康服务、生活服务等方面内容,这些应用可以为家庭创造更为人性化、更为及时的服务,同时也可以使家庭用品制造销售商感知其产品在用户家中的状态,及时为用户提供维护保养、按需补充等服务,同时也为其组织生产运输提供精确指导,因此家庭物联网无疑对用户与生产服务商均具有重要意义。

但组建家庭物联网也面临很多技术难题,主要包括以下几个方面。

·数据采集:需要有统一的数据采集方法,在家庭层面形成一个整体,而不是由设备制造商各自为政而形成多个数据出口,难以管理和有效利用。

·数据传送:需要形成有效的公共数据传送基础传输网络,让应用提供者以可控、安全、高效的方式获取数据并发送反馈。

·应用提供:需要有多个层面的应用提供与扩展能力,即随着家庭传感网络的扩展,实现在家庭内部、运营商公共服务和第三方等方面进行应用功能的有效、方便灵活、低成本的扩充。

因此,构建家庭物联网应用系统要从体系架构上解决应用扩展、数据传送、数据采集等面临的问题,将其构造成家庭物联网应用的公共基础设施,有利于业务的可持续发展。

 

基于上述考虑,运营商的家庭物联网系统可以由三个层次组成,如图1所示。第一层是传感网络,包括智能家电、生活用品、家居设备、家用健康设备、RF读写器等,这些设备或带有RF读写器,或带有RFID、传感器,可实现对家庭用品、家居设备的状态监控以及家庭成员的健康数据采集等;第二层是传输网络,由电信家庭网关的物联网传送功能、宽带网络和家庭物联网平台的传送功能组成,实现数据的传输与计算;第三层是应用网络,主要包括家庭网关的物联网应用功能、物联网平台应用功能和由商场、制造商、医疗机构等组成的第三方应用功能。其中第三方应用主要实现对家庭物件的检测、控制、配送,提供商品的售后服务跟踪以及及时为家庭成员提供健康服务等。

1中电信家庭物联网应用平台和家庭网关兼具应用网络和传输网络的功能。其中,家庭网关的传输网络功能指其将来自传感网络中的智能家电、RF读写器的数据传送到电信家庭物联网应用平台,应用平台的传输网络功能则指其根据一定的路由规则将这些数据传送到第三方应用功能。而家庭网关的应用功能是指家庭网关具备物联网的应用能力,例如可以根据室内温度传感器、照度传感器的数据对家具设备进行控制,完成室内闭环控制过程,这部分应用功能主要面向家庭用户,由家庭用户进行功能选择,同时允许家庭用户进行一定程度的编程控制。

电信家庭物联网应用平台的应用网络功能是指电信家庭物联网平台的数据分析与处理功能,如用户健康告警功能、安全告警功能等。电信家庭物联网平台作为应用网络同时面向家庭用户和单位用户提供服务。其中单位用户可以对平台的功能进行编排控制,实现自己的特色服务。

3中国电信家庭网关及家庭物联网应用平台

3.1家庭网关

中国电信家庭网关具有开放性的软件系统,其软件系统结构如图2所示。

 

2中网关固件系统实现家庭网关的基本接入功能,应用与运行环境管理程序负责管理扩展的网关应用程序与应用协议库,包括应用程序与应用协议库的在线加载运行控制、运行参数管理(如应用的模块注册、注销、升级等)以及对网关固件所提供的服务调用等(如控制网关的连接状态等)。

中国电信家庭网关的家庭物联网功能作为一个扩展的应用程序可在线加载到家庭网关中,网关的家庭物联网功能软件结构如图3所示。

家庭网关物联网功能软件包含应用平台接口模块、传感数据分发模块、内网处理模块、传感网接口模块、IP层接口和USB设备接口,这些模块的具体功能如下。

·应用平台接口模块:处理网关与物联网应用平台的接口,包括传感数据的发送和接收,对内网处理模块的指令接收及返回值发送等,是家庭物联网与物联网应用平台的数据通道。

·传感数据分发模块:是家庭物联网数据的中转发送中心。内网处理模块和平台接口模块可以到传感数据分发模块中注册数据,形成数据分发模块的数据处理路由表,传感数据分发模块根据该表决定从传感网获取数据的去向。同时,该模块还负责将来自内部处理模块的指令和数据发送到传感网络。

 

·内网处理模块:处理家庭网关的应用功能。该模块接收来自传感网的数据,并根据数据做出反馈,完成用户室内物联网的闭环控制功能。内网处理模块支持JS脚本控制语言,采用事件处理机制,用户用简单的编程即可实现功能定制,用户也可采用该模块接收来自平台的控制逻辑。该模块还包含一个BS架构的UI界面,用于显示家庭中的设备状态,并处理用户的脚本输入,实现用户层面的应用功能扩展。

·传感网接口模块:与多种协议的智能设备通信,接收其所产生的数据,实现家庭网关与传感网设备之间的数据交互。该模块具备统一的通信协议格式,其与不同智能设备、RF读写设备之间的协议适配由设备适配接口模块完成。

·设备适配接口模块:完成与传感网的协议适配工作。包括与智能家电、RF读写器等设备的基于IP的通信适配接口和采用USB方式的RF读写器的通信适配接口。

上述家庭网关物联网功能软件将家庭内部的物联网与电信物联网平台实现了对接,同时又实现了家庭内部的自治功能,并提供给用户进行应用扩展的能力,将家庭网关改造成家庭物联网中心控制设备,有效地对物联网的家庭应用提供了支撑。

3.2电信家庭物联网应用平台

电信家庭物联网应用平台则提供了家庭物联网的高层应用能力和第三方数据传送能力,以便第三方实现基于家庭的物联网应用。电信家庭物联网的高层应用能力是由电信提供的家庭物联网应用功能。如用户健康服务,平台利用通用医学专家系统对用户的身体指标进行分析,适时发出健康告警信息与生活医学指导。电信家庭物联网的第三方数据传送能力是指电信对第三方提供的相关家庭物联网数据接口,第三方通过该接口可以获得符合系统安全要求的数据,根据这些数据可以指导产品的生产、销售以及售后服务等。如某种食品生产商可以从家庭物联网应用平台获取其产品在某个城市家庭的分布与消耗情况,从而为其生产、运输、产品宣传提供最为可靠的数据,为企业精细化经营提供技术可能。

电信家庭物联网应用平台的系统构成如图4所示。电信家庭物联网应用平台由传感数据路由处理网络、第三方应用数据接口、第三方应用自助服务Portal、家庭物联网应用专家系统、家庭网关传感网络数据与控制接口组成。各部分功能具体如下。

·第三方应用数据接口:是电信家庭物联网应用平台的应用扩展接口,将家庭传感网所产生的数据发送到合适的接收者。数据发送一般遵守电子编码匹配原则,确保数据不被滥用。

·传感数据路由处理网络:接收来自家庭网关的传感数据,根据内部数据路由表将数据发送到相应的应用系统,如第三方应用数据接口或家庭物联网应用专家系统。同时,也可将来自第三方或家庭物联网应用专家系统的控制指令发送到家庭网关。其核心部分路由表受第三方应用自助服务Portal和家庭物联网专家系统控制。

·第三方应用自助服务Portal:为第三方提供服务,包括数据发送设置、专家系统功能访问、业务功能开通控制等。

·家庭物联网应用专家系统:是电信家庭物联网应用平台的应用处理单元,为家庭用户提供专业的应用服务。

·家庭网关传感网络数据与控制接口:负责接收来自家庭网关的传感数据,并将数据送入传感数据路由处理网络,将传感数据路由处理网络转发的控制指令发送到家庭网关。

以上介绍的中国电信家庭网关的家庭物联网功能与电信家庭物联网应用平台组成了电信物联网家庭应用系统的核心部分,通过二者配合协调可以实现高效、可扩展性良好、可运营商的家庭物联网公共基础网络。

4结束语

本文介绍的物联网家庭应用网络是中国电信在物联网方面进行的一个尝试,目前家庭物联网应用发展还面临以下问题。

·系统成本较高:各类RFID、传感器等,这些器件除了标识物体之外,还需要具备很多其他功能,如对温度、容量等物理参数的感知与数据发送,技术难度较高,成本下降要有一个阶段过程。

·标准化程度有待提升:这主要包括各类传感器件扫描接口的标准化,智能家电(如智能冰箱等)等RF读写器对外数据传递接口的标准化等,这些基础设备的标准化将有利于降低家庭等环境下的组网复杂度,有利于应用的规模推广,进而降低系统的整体成本。

物联网已经提升为国家发展战略的重要组成部分,进入家庭应用是其成熟与成功的标志。随着技术的成熟与规模应用,核心器件的成本会极大地下降,未来家庭将会成为物联网的最大应用领域。家庭作为经济生活的末端环节,物联网在家庭中的大量应用将为人们提供更为贴心的生活服务,为社会经济高效运行提供有力保障,同时也将为运营商的新业务提供更为广阔的发展空间。

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