智能家庭网关研究现状分析

王莹莹，王咏梅

（苏州高博软件技术职业学院，苏州 215163）

1 引言

随着全球智能化战略的推广，万物互联时代的开启，以及人们对于居住环境的舒适性、智能性以及安全性等要求的不断提高，家庭环境中需要接入网络的设备越来越多。家庭网关不再只是一个将内部网络连接到外部网络的一种物理接口，更严格意义上来说家庭网关是家庭的控制中心，其正在成为一种平台，通过这个平台家庭用户可以获取各种家庭服务；通过这个平台用户可以通过公网实现对家庭网络的访问和控制，进而实现对家庭内部设备的控制。越来越多的家庭、工厂、企业办公室等需要网关来进行各种信息的转发与控制，智能网关市场潜力巨大，经济效益可观。

在十二五规划中，国家已经明确将无线智能家居产业列为战略性新兴产业。2017年12月工信部发布的《促进新一代人工智能产业发展行动计划》中提出要加大智能产品的研发力度，优先推动智能家居产品的突破。2018年9月中共中央、国务院发文指出要重点发展智慧家庭产品。

2 智能家居体系架构

典型的智能家居系统的系统架构主要分为应用层、网络层和感知层，其体系架构图如图1所示。其中，感知层由各种具备短距离通信能力的传感器设备或RFID 设备、摄像头等组成，主要用于采集室内的温湿度、CO 浓度、PM2.5指数、光照强度等各项环境物理参数以及视频信息等，主要用于预防家庭隐患的发生、控制家居设备，提高家居环境的自动化程度。感知层采集的数据经网关转发至网络层。网络层负责传输各类数据及指令。应用层负责海量数据的存储、分析、处理与决策并同时为用户提供服务。用户可以通过手机或其他终端设备查看家庭中的各项数据，控制家庭中的设备。

3 家庭网关的研究热点分析

在智慧家庭中，家庭网络是基础，而家庭网关是整个家庭网络的核心，也是整个智慧家庭系统中最关键的部分。网关需要将终端节点采集的数据进行收集、识别、分类与处理，实现对终端节点的统一管理。

国内外众多学者从不同的角度对智能家居系统中的家庭网关进行了分析研究与设计，其研究内容主要集中在以下几个方面：

图1 智能家居体系架构图

（1）家庭网关的软硬件平台设计，硬件平台的设计，嵌入式操作系统的选择影响着网关的硬件处理能力以及产品的性价比。目前众多学者提出采用ARM 系统芯片作为网关的控制器，搭载嵌入式Linux 操作系统，外接各种通信接口如Wi-Fi、Zigbee、GPRS 等与终端节点进行通信，典型的网关的硬件体系架构如图2所示。另外众多学者针对网关的扩展性、应用多样性展开进一步的研究[1]。

图2 网关硬件体系架构图

（2）异构网络的互联互通，网关解决异构网络的互联互通问题，实现协议的转换。主要研究家庭网关多协议的转换问题，如有线与Wi-Fi 或zigbee 的互联互通，Wi-Fi 与Zigbee 的互联互通以及实现协议的转换等。目前市面上已经存在多个品牌的智能家庭网关可以实现多种异构网络的互联互通。

（3）家庭网关的安全问题，由于多协议家庭网关在连接网络终端时，有些感知数据具有隐私性，所以很多学者就如何实现多协议家庭网关的安全接入展开了研究，多种应用于家庭网关的访问控制协议被提出，文献[2]提出了一种可以支持RS485、zigbee、蓝牙等协议的基于动态优先级调度算法的异构物联网网关。文献[3]通过身份验证与授权机制来提高数据的安全性。文献[4]提出了一种基于时间自动机的网关安全策略，并验证了其机密性、可用性、安全性、完整性等特性。

（4）网关的数据拥塞与CPU 抢占问题。由于传感器网络的低成本、低功耗等特点使得协调器的处理能力受限，导致网关出现数据拥塞，丢包率增大，家庭内部的数据不能及时发送出去。针对该问题有两种解决方案：一是采用处理能力强的控制器，增强协调器的性能；二是采用合理的拥塞算法来缓解数据拥塞。

3 结束语

智能家居系统实现对家居环境的监测与控制，提供了舒适、智能的居住环境。网关是连接家庭内外的桥梁，网关软硬件设计、异构网络的互联互通、网关的安全以及网关的数据拥塞问题都影响着家庭数据的实时性与安全性，是智能家居系统的关键所在。