面向智能家居的智能网关综述

摘  要 随着物联网技术的发展，智能家居的发展也是如火如荼。然而，在智能家居系统中，由于智能网关是家庭物联网的核心访问和管理设备，因此智能网关起着举足轻重的作用。本文探讨了现有的智能网关的研究现状，分析其中的优缺点，最后给出了下一代智能网关的设计要求。

关键词 家庭物联网;智能家居;智能网关

中图分类号TP39               文献标识码 A           文章编号 1674-6708（2014）128-0163-02

目前，智能家居频繁出现在各大媒体上，成了人们耳熟能详的词汇。智能家居的称谓多种多样，诸如：家庭自动化（Home Automation）、电子家庭（Electronic Home）、智能化家庭（Inte1ligent home）、e-Home、网络家居（Network Home）、数字家园（Digital family）、家庭网络（Home net/Networks for Home）等十余种，尽管其名称是五花八门，但是它们的含义和所要实现的功能大致是相同的[1]。

自从世界上第一幢智能建筑于1984年在美国出现以后，美国、欧洲、澳大利亚等很多国家先后提出了智能家居的解决方案，智能家居在这些国家有着很广泛的应用[2]。然而，在智能家居的发展和实施过程中，起到关键作用的则是其核心设备——智能网关。

现在众多公司和机构正在积极研究和开发家庭智能化的核心设备——智能网关，比如：TI公司提出的UG8框架，Allied Telesis公司的AT-RG656，Inteno公司的EG500，欧盟资助的Figaro和MUSE项目。除此以外，科研人员也从不同的角度对网关或智能网关进行着探索，并给出了各种各样的不同的分类，如图1所示。

Jae-Chul等人提出了一个用于连接家庭内部网络和Internet的机顶盒式HNGS网关架构，基于Java技术做了网关的实时软件研究设计，之后采用X86单板机和Vxworks完成了一个网关原型，但是此网关仅提供一个以太网口，一个IEEE1394口，内部和外部接口单一，且不支持远程管理和多业务服务。相似的，为了互连各类异构网络，Xiaoyun等人也提出了一个嵌入式网关架构，但只是重点讨论了一些数据结构。

Valtchev等人从Web服务的角度基于Java技术给出了一个OSGi（Open Service Gateway Initiative）服务网关架构，尽管该架构集成了当前流行的一些有线和无线协议，但也仅仅是一个服务网关。无独有偶，Bonino等人基于OSGi和语义Web技术研究了一个DOG（Domotic OSGi Gateway）网关，采用轻量级的方法管理不同内部网络，并尝试了通用化和认证服务的设计思想。Arrizabalaga等人在纵观支持多媒体和QoS等功能网关的基础上，研究了一个支持VLAN，安全性和QoS的OSGi MRG（Multi-Residential Gateway）网关。文献[3]研究了基于三网融合的智能型家庭网关，以RTL8196C嵌入式微处理为核心，给出了该网关的设计与实现过程。文献[4]研究并设计了基于ARM技术的异构网络融合多模网关，该网关选用HHS3C6410-R2开发套件，文中主要实现了异构无线网络间的融合。文献[5]采用西门子公司S7-200系列小型PLC研究设计了一个IPv6数字家庭网络的智能控制终端，实现了普通家电的远程监控和智能报警。文献[6]和文献[7]也分别研究、设计和实现了各自的无线异构网络融合网关，只不过前者侧重一般的无线网络，而后者更侧重异构传感器网络的融合。另外，考虑到移动性和交互性，Angove等人研究了一个支持Zigbee和蓝牙技术的移动网关。

图1 网关的分类

与此同时，科研人员也正在探索各类基于网关的智能网络系统，尤其是智能家居。为了适应动态环境和互操作，Wu等人基于OSGi和移动Agent，设计了一个对等的SOA（Service-Oriented Architecture）智能家庭系统。Lan等人在模糊逻辑和模糊神经网络的基础上，从信息获取与融合，无线和有线通信，智能控制技术以及用户界面等方面较全面的设计并实现了一个基于信息融合的智能家庭系统。Grill等人整合通用网关，Zigbee和Wi-Fi技术设计实现了一个无线智能家庭自动化系统。此外，为了节约能源，作为智能家居一部分，一些面向家庭的智能电力系统也被开发和实现，详见文献[8]和[9]。

然而，以上有大部分网关或多或少要么停留在服务网关上，比如：OSGi网关，仅仅是软件架构的设计和实现，要么功能单一，接口类型有限，较少支持多模式和多种服务类型，要么没有考虑安全性和可靠性。因此，下一代新型的多模式多业务的智能融合网关应当被探索，并需综合考虑以下因素：

开放性、灵活性和扩展性：智能网关需要采用开放的思想，灵活裁剪的架构，并且易于管理和维护;同时，需要支持远程管理或Web管理功能。

异构性和兼容性：智能网关可以运行在IPv4和IPv6的网络中，支持流行的网络协议和不同类型设备的接入，尤其是Wi-Fi设备，并提供流行的多类型接口，如表1所示。

表1 下一代智能网关接口

局域网接口 广域网接口

外部接口 · ADSL

· Wired Ethernet

· EPON或GPON

· 3G或LTE

内部接口 · Wireless （802.11，比如：

Wi-Fi）

· Wired Ethernet

· USB

· Zigbee

· 蓝牙

支持业务的多样性：智能网关应能够处理数据、音频和视频等多种业务和服务。

安全性和QoS：智能网关应能够对不同的业务和服务提供不同级别的QoS保障和安全性。

总之，一方面，随着计算机技术、传感技术和嵌入式技术的蓬勃发展，家用电子电器设备将越来越智能化;另一方面，随着人们生活水平和质量的提高，智能家居正备受关注，与此同时，智能网关也将得到更大的发展，而且正在走向成熟。

参考文献

[1]Home automation[EB/OL].2014：http：//en.wikipedia.org/wiki/Home_automation.

[2]智能家居发展历程[EB/OL].2014：http：///text/zt2/index.html.

[3]张琦枫.基于三网融合的智能型家庭网关的研究与实现[D].燕山大学，2012.

[4]詹亮.基于ARM技术的异构网络融合多模网关研究与设计[D].南京邮电大学，2011.

[5]姜凤华.基于IPv6家庭网络智能控制终端的研究与实现[D].贵州大学，2007.

[6]高旭东.物联网（智能家居）中无线异构网络融合网关的设计与应用[D].南京邮电大学，2013.

[7]于晓华.异构WSN网络融合模型研究及网关设计[D].兰州理工大学，2012.

[8] Pal A.，Bhaumik C.，Shukla J.，等. Energy Information Gateway for Home[C]. 2011 Second International Conference on ISMS， 2011：235-240.

[9]Shaowei Liu，Weimin Lei，Xianmin Pan，等. The communication model based on SIP and ZigBee for intelligent home electricity system[C].2011 International Conference on ICMT， 2011：5594-5597.

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