理論與實踐：家庭網(wǎng)絡(luò)中智能家居設(shè)備無線快速連接技術(shù)
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作者：鄭曉敏
1 引言
寬帶和移動互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展以及智能終端的普及催生了智能家居的蓬勃興起，智能家居業(yè)務(wù)逐漸走進了用戶家庭。冰箱、空調(diào)、洗衣機等各種家電以及燈泡、開關(guān)、電源插座等設(shè)備接人家庭網(wǎng)絡(luò)中，與業(yè)務(wù)平臺以及應用客戶端互通，向用戶提供設(shè)備控制、狀態(tài)查詢、場景聯(lián)動等業(yè)務(wù)功能�？梢钥闯觯彝ヂ�(lián)網(wǎng)是智能家居業(yè)務(wù)開展的基礎(chǔ)，同時考慮到組網(wǎng)的方便及靈活性，無線連接成為智能家居組網(wǎng)的主要方式。然而，這些新的智能家居設(shè)備與傳統(tǒng)的手機、電腦、電視機、Pad等終端不同，大多沒有顯示屏，因此無法采用常用的選擇無線網(wǎng)絡(luò)并輸入密碼的方式接人無線網(wǎng)絡(luò)。為此，業(yè)界提出了各種技術(shù)方案，以解決智能家居設(shè)備首次配置接入無線網(wǎng)絡(luò)以及后續(xù)再次修改無線連接配置的問題，也就是通常所說的無線快速連接技術(shù)。
目前，業(yè)界并無標準的、統(tǒng)一的無線快速連接解決方案，各廠商紛紛宣傳和應用各自的無線快速連接技術(shù)，這些技術(shù)有各自的特點和優(yōu)缺點。本文分析對比了各種無線快速連接技術(shù)的差異，結(jié)合運營商自身的優(yōu)勢和基礎(chǔ)，提出了一種優(yōu)化的無線快速連接技術(shù)方案，可用于智能家居設(shè)備快速接人家庭網(wǎng)關(guān)，有效提高接入效率和用戶體驗。
2智能家居設(shè)備主要采用的網(wǎng)絡(luò)配置方式
目前市場絕大多數(shù)智能家居類設(shè)備均支持Wi-Fi連接，用戶首先要對設(shè)備進行連接配置，下面列出了幾種主流的配置方式。
(1)“先有線，后無線”方式
終端同時支持有線和無線兩種連接方式，先使用有線DHCP連接至家庭網(wǎng)絡(luò)中；在接入同樣家庭網(wǎng)絡(luò)的手機或者Pad上打開應用客戶端程序，通過客戶端中的設(shè)置功能對終端進行Wi-Fi連接配置；完成配置后將設(shè)備的有線連接斷開。
(2)“先AP．后client”方式
終端啟動后首先自動將Wi-Fi模塊設(shè)置為AP模式，用戶使用手機或者Pad搜索該終端的無線AP并進行連接；手機連接至該終端后，打開手機客戶端或配置網(wǎng)頁對其進行Wi-Fi配置，設(shè)置當前家庭網(wǎng)絡(luò)無線的SSID和密碼；設(shè)置完畢后終端自動將Wi-Fi模塊切換為client模式，并連接至設(shè)定的家庭無線網(wǎng)絡(luò)。
(3)“Wi-Fi 一鍵配置”方式
手機或Pad通過Wi-Fi連接無線AP，使用手機向Wi-Fi智能終端發(fā)送無線網(wǎng)絡(luò)配置參數(shù)：終端開啟無線監(jiān)聽功能，收到無線網(wǎng)絡(luò)的配置參數(shù)之后，使用參數(shù)連接至無線AP。
這幾種方式在對硬件的要求、用戶體驗以及應用推廣的產(chǎn)品方面具有明顯的差異，見表1。
從表1可以看出，Wi-Fi -鍵配置的用戶體驗最佳、配置速度最快，因而被通俗地稱為無線快速連接。此項技術(shù)通常需要芯片廠商來配合終端廠商合作聯(lián)調(diào)，目前主要是一些模組廠商以及平臺服務(wù)商在研制和推廣，其協(xié)議均為私有。
3業(yè)界對無線快速連接的支持情況
上述Wi-Fi -鍵配置是一種無線快速連接的方式，從無線快速連接的定義來講，只要是針對智能家居設(shè)備提供快速方便的無線連接解決方案的技術(shù)，都應屬于無線快速連接技術(shù)的范疇。由于智能家居應用的推動，產(chǎn)業(yè)鏈上的許多廠商對無線快速連接投入了一定的研發(fā)資源和人力。
首先，芯片廠商（如TI及MTK等）直接從底層人手，基于Wi-Fi芯片直接提供無線快速連接能力。TI推出SimpleLink Wi-Fi CC3100/3200芯片，采用SmartConfig技術(shù)，Wi-Fi配置程序由TI開發(fā)，只需一步就能讓家用設(shè)備通過智能手機或平板電腦連接到Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)。MTK推出兩款智能家居系統(tǒng)芯片-MT7688和MT7681。MT7688為低功耗系統(tǒng)芯片，采用Linux系統(tǒng)，支持IEEE 802.lln;MT7681則適用于燈泡、門鎖與插座等小型家電。兩款芯片可支持MTK發(fā)布的智能手機應用程序，可實現(xiàn)照明燈具、智慧電視、智慧門鎖等家電的無線網(wǎng)絡(luò)連接。
其次，一些模組廠商面向智能家居設(shè)備提供Wi-Fi模組方案，基于Wi-Fi模組可提供無線快速連接能力，并在硬件層面對不同芯片進行了適配。Broadlink采用了TI芯片方案，并在Wi-Fi快速連接基礎(chǔ)上增加了對應用層的控制，從而實現(xiàn)Broadlink智能終端的快速連接和設(shè)備控制。上海慶科推出EasyLink -鍵聯(lián)技術(shù)，開發(fā)提供搭載其MICO操作系統(tǒng)的模組以及手機App開發(fā)包，實現(xiàn)無線快速連接以及設(shè)備控制。目前已支持Broadcom的Wi-Fi芯片。
另外，微信也在其微信硬件平臺推出了AirKiss技術(shù)，為智能硬件提供了一種快速入網(wǎng)配置技術(shù)，用戶可使用微信客戶端對設(shè)備進行無線配置。微信團隊定義了AirKiss的應用技術(shù)協(xié)議，而具體實現(xiàn)需要由芯片、模組廠商或硬件設(shè)備廠商進行開發(fā)支持，目前已有幾十家芯片和模組廠商的產(chǎn)品通過了AirKiss技術(shù)測試，可以很好地兼容AirKiss技術(shù)。
4 無線快速連接方案的技術(shù)比較
Wi-Fi -鍵配置是業(yè)界采用較多的一種無線快速連接技術(shù)，由于不同廠商對數(shù)據(jù)協(xié)議定義不同導致了存在各種不同的技術(shù)方案，但其核心原理主要包括兩種，分別是IP多播和IP廣播。除此之外，業(yè)界還有其他幾種無線快速連接技術(shù)方案，下面將對這些方案進行分析對比。
4.1 Wi-Fi -鍵配置
Wi-Fi -鍵配置的核心機制，根據(jù)采用多播數(shù)據(jù)分組還是廣播數(shù)據(jù)分組方式有所不同。對于多播方式，主要利用IP多播地址與MAC地址的映射，將信息字節(jié)隱藏于多播IP地址中進行傳輸：而廣播方式，則利用IEEE 802.11協(xié)議數(shù)據(jù)幀長度值的可獲取性，將信息字節(jié)用數(shù)據(jù)分組的長度來表示并傳遞。
4.1.1多播方式
如圖1所示，手機或者Pad首先連接至目標無線AP上，然后作為發(fā)送方按照一定規(guī)則將無線參數(shù)信息轉(zhuǎn)換成特定數(shù)據(jù)分組，并按照具體的發(fā)送要求在該無線AP的局域網(wǎng)內(nèi)向空口周期性地不斷發(fā)送，直至收到終端連接成功的反饋或者超時。
智能家居設(shè)備作為接收方，按照與發(fā)送方約定的規(guī)則，監(jiān)聽手機向AP發(fā)送以及AP向局域網(wǎng)內(nèi)轉(zhuǎn)發(fā)的空口數(shù)據(jù)信息，從捕獲的數(shù)據(jù)分組中提取無線連接參數(shù)信息，進而切換至Wi-Fi client狀態(tài)連接目標無線AP，連接成功后向發(fā)送方反饋連接成功消息。
進行Wi-Fi -鍵快速連接所需要傳遞的必要參數(shù)包括：目標無線AP的SSID和密碼、手機或Pad接收反饋消息的IP地址端口號。這些參數(shù)將按一定規(guī)則組成發(fā)送的數(shù)據(jù)分組。無線配置參數(shù)的數(shù)據(jù)格式見表2。
多播方式：根據(jù)IP多播地址與MAC地址的映射規(guī)則：多播分組的MAC地址的格式01:00:5E:OX:XX:XX。前3位固定，后3位可攜帶數(shù)據(jù)信息，即一個多播分組至多可發(fā)送3 byte的數(shù)據(jù)。每個多播分組的第4字節(jié)表示數(shù)據(jù)索引，即數(shù)據(jù)內(nèi)容在全部數(shù)據(jù)中的索引。該字節(jié)按照多播MAC地址規(guī)則，最高位必須為0，其余7位總共可表示卜128。第5～6字節(jié)表示數(shù)據(jù)內(nèi)容，即一個多播分組攜帶2 byte的有效數(shù)據(jù)，格式見表3。
如圖2所示，假如要傳輸?shù)腟SID和密碼分別為“TEST”和“12345678”，則將其按照每兩個一組，逐一分配到各個多播分組中。
4.1.2廣播方式
利用一個長度在0~255的廣播分組具體表示一個字節(jié)的數(shù)值。例如，一個長度為127的廣播分組，代表一個數(shù)值為127的ASC碼。為了排除其他廣播分組的干擾，提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)某晒β剩褂眠B續(xù)3個廣播分組來攜帶一個字節(jié)的有效數(shù)據(jù)（包含數(shù)據(jù)索引和數(shù)據(jù)內(nèi)容）進行發(fā)送。相應的，在發(fā)送之前需要先將一個字節(jié)的有效數(shù)據(jù)及索引編碼為3 byte。
經(jīng)測試，采用多播方式的無線快速連接，除去用戶輸入密碼的時間，一般需要10~30 s：而廣播方式的效率則相比要低一些，大約需要30～60 s�？傮w來看，采用Wi-Fi -鍵配置的快速連接技術(shù)，其成功率一般在70%~90%．無線干擾導致數(shù)據(jù)丟失分組是影響成功率的主要因素：另外，由于智能家居設(shè)備通常工作在MCS為1～7的速率上，若手機采用IEEE 802.lln雙天線模式，并且無線AP上開啟了IGMP snooping功能，則設(shè)備無法從空口抓取數(shù)據(jù)信息，導致配置失敗。
4.2其他方案
(1)WPS方式
通過手機App方式觸發(fā)，使無線AP進入WPS模式，智能家居終端通過按鍵觸發(fā)，參與WPS連接過程，如圖3所示。
該方案需要無線AP支持WPS功能，并且手機App與無線AP之間需有交互協(xié)議支持WPS軟按鈕觸發(fā)；另外，智能家居終端同時也要支持WPS連接功能，并可通過按鍵觸發(fā)啟動。
(2)Wi-Fi直聯(lián)方式
在手機或Pad上啟動Wi-Fi直聯(lián)(direct)，與智能家居終端建立連接，通過專用的客戶端程序向智能家居終端傳遞SSID和密碼信息，智能家居終端收到后，使用該參數(shù)向無線AP發(fā)起Wi-Fi連接，如圖4所示。
該方案需要手機或Pad支持Wi-Fi直聯(lián)功能，并可通過App程序調(diào)用此功能；智能家居終端同步也需要支持Wi-Fi直聯(lián)功能，并可通過按鍵觸發(fā)啟動。
(3)證書認證方式
智能終端啟動，通過Wi-Fi beacon交互，將預先植入的證書信息發(fā)送給無線AP，無線AP將證書提交云服務(wù)器進行認證，認證通過后允許該智能家居終端Wi-Fi接人，如圖5所示。
該方案需要無線AP對其Wi-Fi模塊進行修改，在IEEE 802.11協(xié)議擴展支持證書信息，并且在云服務(wù)器側(cè)部署證書認證能力；智能家居終端同樣需要擴展支持證書信息，并在終端出廠時預置證書。
4.3方案的對比分析
經(jīng)過上述分析配合實驗室的功能驗證測試，無線快速連接方案對比結(jié)果見表4。
這些方案各有優(yōu)缺點，無法嚴格評價高低，但用戶體驗需作為首要考慮因素，除此之外，作為參與智能家居的產(chǎn)業(yè)鏈各方，需要對開發(fā)改造點、協(xié)議標準性、成功率以及連接時間等進行綜合考慮，選擇適合自身的方案。
5優(yōu)化的無線快速連接方案
通過以上對各種無線快速連接技術(shù)方案的研究和分析，對于提供寬帶服務(wù)的運營商而言，要兼顧到市場上各種智能家居產(chǎn)品，需另外考慮產(chǎn)品的通用性�；诖�，大致有兩種策略可以選擇：一是在自身智能家居應用客戶端中集成各芯片及模組廠商的無線快速連接技術(shù)；二是基于標準協(xié)議方案擴展，通過推廣和引導獲取智能家居終端廠商的支持。
對于第一種策略，運營商需要逐一與各芯片、模組以及設(shè)備廠商進行合作，將對方的無線快速連接SDK逐一整合至智能家居應用客戶端中，這將會導致開發(fā)周期較長、客戶端體積大、方案自動適配以及商務(wù)合作困難等諸多問題，而帶來的優(yōu)點也十分明顯，即支持的完備性。整體來看還是弊大于利，可行性不高。
考慮到運營商在推廣寬帶時已在現(xiàn)網(wǎng)部署了千萬級的家庭網(wǎng)關(guān)設(shè)備，家庭網(wǎng)關(guān)本身就是一個無線AP，且支持基本的Wi-Fi功能，可以說家庭網(wǎng)關(guān)是運營商開展智能家居業(yè)務(wù)的一大優(yōu)勢，因此應選擇第二種策略，重點研究基于家庭網(wǎng)關(guān)及無線標準協(xié)議的無線快速連接技術(shù)。基于WPS的方案應為最合適的選擇：一是家庭網(wǎng)關(guān)已具有WPS能力，可通過遠程升級開啟該功能：二是智能家居設(shè)備的Wi-Fi對WPS具有一定支持程度；三是方案對家庭網(wǎng)關(guān)及智能家居設(shè)備提出的改造要求較小。
為此設(shè)計了基于WPS的無線快速連接的技術(shù)方案。
如圖6所示，手機在家庭網(wǎng)關(guān)的Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)內(nèi)，通過App向家庭網(wǎng)關(guān)發(fā)送指令，啟動家庭網(wǎng)關(guān)WPS功能：然后按下新增智能家居設(shè)備的WPS按鍵，由家庭網(wǎng)關(guān)與設(shè)備進行WPS雙向交互，實現(xiàn)Wi-Fi自動配置，完成后智能家居設(shè)備連接到家庭網(wǎng)關(guān)的Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)，在此過程中可通過手機App跟蹤連接過程并及時更新WPS配置連接狀態(tài)；最后，手機與新增的智能家居設(shè)備進行消息交互。家庭網(wǎng)關(guān)、手機客戶端、智能家居設(shè)備需具備以下功能或能力。
·家庭網(wǎng)關(guān)：支持WPS功能，可通過手機客戶端啟動WPS PBC操作；支持通過手機客戶端查詢WPS自動配置狀態(tài)，支持通過客戶端中止WPS操作：考慮到安全性問題，應關(guān)閉WPS PIN驗證方式。
·手機客戶端：與家庭網(wǎng)關(guān)建立指令連接通道，傳遞交互指令，并可及時在UI界面上更新操作執(zhí)行的信息反饋。增加基于SSDP的設(shè)備發(fā)現(xiàn)流程和數(shù)據(jù)接口，并可周期性地發(fā)送多播指令SSDP報文。
·智能家居設(shè)備：支持WPS功能，可通過硬件按鍵觸發(fā)WPS PBC功能。當完成與家庭網(wǎng)關(guān)的Wi-Fi連接后，能接收來自手機端的多播信息，并主動完成設(shè)備信息（包括類型、名稱、廠商、序列號、IP地址、其他設(shè)備輔助信息等）的上報：為實現(xiàn)上述功能，還需要制定兩個接口協(xié)議。
·手機客戶端與家庭網(wǎng)關(guān)之間的接口：基于HTTP．包括開啟WPS、查詢WPS狀態(tài)、關(guān)閉WPS 3個基本的接口功能。
·手機客戶端與智能家居設(shè)備之間的接口：通過UPNP中基于SSDP的M-Search消息實現(xiàn)設(shè)備查詢請求；智能家居設(shè)備向手機上報設(shè)備信息的響應消息。
6結(jié)束語
基于本技術(shù)方案，選擇市場上幾款智能家居單品（包括智能家居網(wǎng)關(guān)、Wi-Fi音箱、攝像頭等）進行了原型實現(xiàn)和實驗室測試。經(jīng)過測試，無線連接所需時間為10~20 s．連接成功率幾乎為100%，明顯優(yōu)于基于多播或廣播的Wi- Fi一鍵配置技術(shù)，原型系統(tǒng)的功能已達到可商用的水平，可在現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)情況下進行進一步的試點和推廣應用。
綜上所述，無線快速連接是智能家居設(shè)備接入網(wǎng)絡(luò)的第一步。為此業(yè)界研究并推出了多種技術(shù)方案，經(jīng)過實際測試和分析，這些方案均有各自的特點和適用場景。參與智能家居的產(chǎn)業(yè)鏈各方應以用戶體驗為首要考慮因素，對開發(fā)改造點、協(xié)議標準性、成功率以及連接時間等進行綜合考慮，根據(jù)自身資源優(yōu)勢選擇合適的技術(shù)方案。而對于寬帶服務(wù)運營商，則應重點結(jié)合現(xiàn)網(wǎng)已有的家庭網(wǎng)關(guān)優(yōu)勢，以標準協(xié)議為基礎(chǔ)來制定無線快速連接方案，基于智慧家庭來應用和推廣無線快速連接技術(shù)標準，不斷跟蹤技術(shù)演進并進一步優(yōu)化技術(shù)，最終為用戶提供更好的智能家居體驗。
7摘要：
智能家居設(shè)備大多不具備顯示屏，其網(wǎng)絡(luò)設(shè)置成了困擾用戶的使用難點，為此業(yè)界提出了多種應對方案。對目前已有的各種Wi-Fi快速連接技術(shù)進行了分析，對比了它們的特點及優(yōu)缺點。而后針對運營商現(xiàn)有基礎(chǔ)，提出了一種優(yōu)化的適合運營商使用的無線快速連接方案，并對方案進行了技術(shù)驗證。
