作者：朱嶸良，單位：中國移動智慧家庭運營中心

Labs 導讀

隨著社會發展，智能化給人們生活帶來了很大的便捷性，智能家居的應用越來越廣泛，人們往往只需要一部手機就可以遠程管理家里的各種智能家居設備，那么這些智能設備與平臺間是如何進行數據交互的呢？本文以家庭網關為例，介紹設備與平臺間相關交互控制技術。

1傳統交互控制技術

在介紹設備平臺交互控制技術之前，我們先看下人們較為熟悉的傳統對光貓、路由器設備進行管理的交互方式。配置過路由器的都知道，我們可以通過連接路由器WiFi或插網線的方式，打開路由器的局域網管理頁面（例如：http://192.168.1.1），直接對路由器進行各種參數設置及管理。該方式主要是在路由器上起了一個內網服務，用戶可以通過連上路由器內網，訪問該服務。其缺點是只能在局域網內使用，不便于遠程操作（雖然可以開啟遠程web管理，但增加了路由器暴露到公網的風險），同樣數據基本都在本地處理完成，在功能方面有很多局限性。因此，通常會考慮設備訪問平臺，由平臺對設備進行管理的方式。下面以家庭網關為例，主要介紹基于網關的設備平臺交互控制技術。

2基于網關的設備平臺交互控制技術

要想實現平臺對設備管理，需要在設備上安裝訪問平臺的服務（其表現形式為網關設備操作系統上的一個進程），由設備單向訪問平臺的方式進行數據上傳、獲取指令數據。設備訪問平臺常用協議主要有UDP、TCP兩種方式。其中，UDP是無連接傳輸協議，提供簡單非可靠信息傳送服務，適合應用于數據上報場景。而要想實現對設備的管理需要平臺向設備返回相應的控制指令，往往采用TCP協議來進行控制指令交互。基于TCP協議的交互方式又分為長連接、短連接兩種方式。

2.1 基于TCP長連接的交互

TCP長連接模式下，設備與平臺幾乎一直保持連接（連接斷開時會重連），平臺可隨時向設備推送指令消息。下面以MQTT為例介紹其數據交互原理。MQTT是一個輕量級的發布/訂閱消息傳輸協議，基于TCP長連接進行通信。MQTT最初由Andy Stanford-Clark博士和 Arlen Nipper博士于1999年創建，它最初的用途是將石油管道上的傳感器與衛星相連接，實現數千英里長的石油和天然氣管道的無人值守監控，現已成為國內外各大物聯網平臺最主流的傳輸協議之一[1,2]。

基于網關的設備平臺交互示意圖如圖1。在通訊過程中，MQTT協議中有三種身份：發布者（Publisher）、代理服務器（Broker）和訂閱者（Subscriber）。本案例中，業務平臺為消息發布者，MQTT服務是代理服務器，網關是訂閱者。其交互流程如下：平臺部署MQTT服務，網關基于MQTT協議與平臺保持通信同時向平臺訂閱消息；用戶通過手機上的APP、小程序、WEB服務等載體向業務平臺發起對網關的遠程管理；業務平臺向MQTT服務發起發布消息請求；MQTT服務推送消息到網關，網關收到消息后執行相關指令。其中，消息的發布者和訂閱者都是客戶端，消息代理是服務器，消息發布者可以同時是訂閱者。

圖1

2.2 基于TCP短連接的交互

TCP短連接模式下，設備通過心跳輪詢機制與平臺保持通信,每次請求都會重新建立連接。在該模式下，設備平臺交互示意圖如圖2。交互流程如下：網關通過輪詢的方式（每隔一段時間發起請求）發起TCP心跳與設備平臺保持通信；當用戶通過客戶端向業務平臺發起遠程管理請求時，業務平臺向設備平臺發起指令通知；設備平臺記錄本次指令請求，待網關下一次發起心跳時，返回指令標識；網關根據收到的指令標識發起相應的業務請求或執行指令。

圖2

上述方式中，MQTT具有簡單、穩定、開放、輕量級的特點，但所有設備都需要與平臺維持連接。TCP短連接心跳輪詢機制下，設備與平臺交互有一個輪詢周期，周期太短，平臺壓力很大；周期過長，可以降低平臺壓力，但業務處理不及時，體驗很差。當設備量達到億級以上時，無論是基于TCP長連接的MQTT通信還是基于TCP短連接的心跳輪詢機制，都存在平臺中心化的問題（所有設備都需要直接與平臺保持通信），導致平臺存在巨大的通信壓力。下面介紹一種改進方案“分層模式”。其示意圖如圖3。將對接網關的平臺改造成拆分成一級平臺、二級平臺模式，業務平臺對接一級平臺，一級平臺對接各二級平臺，每個二級平臺與一部分網關維持通信。這樣可以實現分散平臺壓力，但建立過多平臺也導致增加了平臺維護成本。

圖3

3邊緣計算

隨著5G的發展，催生了邊緣計算的發展，同樣上述交互方式可以通過邊緣計算方式實現，其交互示意圖如圖4。主要改造點如下：賦能邊緣節點，原部署在網關上的業務管理服務上移到邊緣節點，由邊緣節點保持與平臺的通信，同時通過邊緣節點對其連接的網關進行管理。通過邊緣計算改造方式，可以大幅緩解云平臺通信壓力，同時能保障消息交互及時性，但需要對邊緣節點進行升級改造。

圖4