作者：郑晓敏
1 引言
宽带和移动互联网的发展以及智能终端的普及催生了智能家居的蓬勃兴起，智能家居业务逐渐走进了用户家庭。冰箱、空调、洗衣机等各种家电以及灯泡、开关、电源插座等设备接人家庭网络中，与业务平台以及应用客户端互通，向用户提供设备控制、状态查询、场景联动等业务功能。可以看出，家庭联网是智能家居业务开展的基础，同时考虑到组网的方便及灵活性，无线连接成为智能家居组网的主要方式。然而，这些新的智能家居设备与传统的手机、电脑、电视机、Pad等终端不同，大多没有显示屏，因此无法采用常用的选择无线网络并输入密码的方式接人无线网络。为此，业界提出了各种技术方案，以解决智能家居设备首次配置接入无线网络以及后续再次修改无线连接配置的问题，也就是通常所说的无线快速连接技术。
目前，业界并无标准的、统一的无线快速连接解决方案，各厂商纷纷宣传和应用各自的无线快速连接技术，这些技术有各自的特点和优缺点。本文分析对比了各种无线快速连接技术的差异，结合运营商自身的优势和基础，提出了一种优化的无线快速连接技术方案，可用于智能家居设备快速接人家庭网关，有效提高接入效率和用户体验。
2智能家居设备主要采用的网络配置方式
目前市场绝大多数智能家居类设备均支持Wi-Fi连接，用户首先要对设备进行连接配置，下面列出了几种主流的配置方式。
(1)“先有线，后无线”方式
终端同时支持有线和无线两种连接方式，先使用有线DHCP连接至家庭网络中；在接入同样家庭网络的手机或者Pad上打开应用客户端程序，通过客户端中的设置功能对终端进行Wi-Fi连接配置；完成配置后将设备的有线连接断开。
(2)“先AP．后client”方式
终端启动后首先自动将Wi-Fi模块设置为AP模式，用户使用手机或者Pad搜索该终端的无线AP并进行连接；手机连接至该终端后，打开手机客户端或配置网页对其进行Wi-Fi配置，设置当前家庭网络无线的SSID和密码；设置完毕后终端自动将Wi-Fi模块切换为client模式，并连接至设定的家庭无线网络。
(3)“Wi-Fi 一键配置”方式
手机或Pad通过Wi-Fi连接无线AP，使用手机向Wi-Fi智能终端发送无线网络配置参数：终端开启无线监听功能，收到无线网络的配置参数之后，使用参数连接至无线AP。
这几种方式在对硬件的要求、用户体验以及应用推广的产品方面具有明显的差异，见表1。
从表1可以看出，Wi-Fi -键配置的用户体验最佳、配置速度最快，因而被通俗地称为无线快速连接。此项技术通常需要芯片厂商来配合终端厂商合作联调，目前主要是一些模组厂商以及平台服务商在研制和推广，其协议均为私有。
3业界对无线快速连接的支持情况
上述Wi-Fi -键配置是一种无线快速连接的方式，从无线快速连接的定义来讲，只要是针对智能家居设备提供快速方便的无线连接解决方案的技术，都应属于无线快速连接技术的范畴。由于智能家居应用的推动，产业链上的许多厂商对无线快速连接投入了一定的研发资源和人力。
首先，芯片厂商（如TI及MTK等）直接从底层人手，基于Wi-Fi芯片直接提供无线快速连接能力。TI推出SimpleLink Wi-Fi CC3100/3200芯片，采用SmartConfig技术，Wi-Fi配置程序由TI开发，只需一步就能让家用设备通过智能手机或平板电脑连接到Wi-Fi网络。MTK推出两款智能家居系统芯片-MT7688和MT7681。MT7688为低功耗系统芯片，采用Linux系统，支持IEEE 802.lln;MT7681则适用于灯泡、门锁与插座等小型家电。两款芯片可支持MTK发布的智能手机应用程序，可实现照明灯具、智慧电视、智慧门锁等家电的无线网络连接。
其次，一些模组厂商面向智能家居设备提供Wi-Fi模组方案，基于Wi-Fi模组可提供无线快速连接能力，并在硬件层面对不同芯片进行了适配。Broadlink采用了TI芯片方案，并在Wi-Fi快速连接基础上增加了对应用层的控制，从而实现Broadlink智能终端的快速连接和设备控制。上海庆科推出EasyLink -键联技术，开发提供搭载其MICO操作系统的模组以及手机App开发包，实现无线快速连接以及设备控制。目前已支持Broadcom的Wi-Fi芯片。
另外，微信也在其微信硬件平台推出了AirKiss技术，为智能硬件提供了一种快速入网配置技术，用户可使用微信客户端对设备进行无线配置。微信团队定义了AirKiss的应用技术协议，而具体实现需要由芯片、模组厂商或硬件设备厂商进行开发支持，目前已有几十家芯片和模组厂商的产品通过了AirKiss技术测试，可以很好地兼容AirKiss技术。
4 无线快速连接方案的技术比较
Wi-Fi -键配置是业界采用较多的一种无线快速连接技术，由于不同厂商对数据协议定义不同导致了存在各种不同的技术方案，但其核心原理主要包括两种，分别是IP多播和IP广播。除此之外，业界还有其他几种无线快速连接技术方案，下面将对这些方案进行分析对比。
4.1 Wi-Fi -键配置
Wi-Fi -键配置的核心机制，根据采用多播数据分组还是广播数据分组方式有所不同。对于多播方式，主要利用IP多播地址与MAC地址的映射，将信息字节隐藏于多播IP地址中进行传输：而广播方式，则利用IEEE 802.11协议数据帧长度值的可获取性，将信息字节用数据分组的长度来表示并传递。
4.1.1多播方式
如图1所示，手机或者Pad首先连接至目标无线AP上，然后作为发送方按照一定规则将无线参数信息转换成特定数据分组，并按照具体的发送要求在该无线AP的局域网内向空口周期性地不断发送，直至收到终端连接成功的反馈或者超时。
智能家居设备作为接收方，按照与发送方约定的规则，监听手机向AP发送以及AP向局域网内转发的空口数据信息，从捕获的数据分组中提取无线连接参数信息，进而切换至Wi-Fi client状态连接目标无线AP，连接成功后向发送方反馈连接成功消息。
进行Wi-Fi -键快速连接所需要传递的必要参数包括：目标无线AP的SSID和密码、手机或Pad接收反馈消息的IP地址端口号。这些参数将按一定规则组成发送的数据分组。无线配置参数的数据格式见表2。
多播方式：根据IP多播地址与MAC地址的映射规则：多播分组的MAC地址的格式01:00:5E:OX:XX:XX。前3位固定，后3位可携带数据信息，即一个多播分组至多可发送3 byte的数据。每个多播分组的第4字节表示数据索引，即数据内容在全部数据中的索引。该字节按照多播MAC地址规则，最高位必须为0，其余7位总共可表示卜128。第5～6字节表示数据内容，即一个多播分组携带2 byte的有效数据，格式见表3。
如图2所示，假如要传输的SSID和密码分别为“TEST”和“12345678”，则将其按照每两个一组，逐一分配到各个多播分组中。
4.1.2广播方式
利用一个长度在0~255的广播分组具体表示一个字节的数值。例如，一个长度为127的广播分组，代表一个数值为127的ASC码。为了排除其他广播分组的干扰，提高数据传输的成功率，使用连续3个广播分组来携带一个字节的有效数据（包含数据索引和数据内容）进行发送。相应的，在发送之前需要先将一个字节的有效数据及索引编码为3 byte。
经测试，采用多播方式的无线快速连接，除去用户输入密码的时间，一般需要10~30 s：而广播方式的效率则相比要低一些，大约需要30～60 s。总体来看，采用Wi-Fi -键配置的快速连接技术，其成功率一般在70%~90%．无线干扰导致数据丢失分组是影响成功率的主要因素：另外，由于智能家居设备通常工作在MCS为1～7的速率上，若手机采用IEEE 802.lln双天线模式，并且无线AP上开启了IGMP snooping功能，则设备无法从空口抓取数据信息，导致配置失败。
4.2其他方案
(1)WPS方式
通过手机App方式触发，使无线AP进入WPS模式，智能家居终端通过按键触发，参与WPS连接过程，如图3所示。
该方案需要无线AP支持WPS功能，并且手机App与无线AP之间需有交互协议支持WPS软按钮触发；另外，智能家居终端同时也要支持WPS连接功能，并可通过按键触发启动。
(2)Wi-Fi直联方式
在手机或Pad上启动Wi-Fi直联(direct)，与智能家居终端建立连接，通过专用的客户端程序向智能家居终端传递SSID和密码信息，智能家居终端收到后，使用该参数向无线AP发起Wi-Fi连接，如图4所示。
该方案需要手机或Pad支持Wi-Fi直联功能，并可通过App程序调用此功能；智能家居终端同步也需要支持Wi-Fi直联功能，并可通过按键触发启动。
(3)证书认证方式
智能终端启动，通过Wi-Fi beacon交互，将预先植入的证书信息发送给无线AP，无线AP将证书提交云服务器进行认证，认证通过后允许该智能家居终端Wi-Fi接人，如图5所示。
该方案需要无线AP对其Wi-Fi模块进行修改，在IEEE 802.11协议扩展支持证书信息，并且在云服务器侧部署证书认证能力；智能家居终端同样需要扩展支持证书信息，并在终端出厂时预置证书。
4.3方案的对比分析
经过上述分析配合实验室的功能验证测试，无线快速连接方案对比结果见表4。
这些方案各有优缺点，无法严格评价高低，但用户体验需作为首要考虑因素，除此之外，作为参与智能家居的产业链各方，需要对开发改造点、协议标准性、成功率以及连接时间等进行综合考虑，选择适合自身的方案。
5优化的无线快速连接方案
通过以上对各种无线快速连接技术方案的研究和分析，对于提供宽带服务的运营商而言，要兼顾到市场上各种智能家居产品，需另外考虑产品的通用性。基于此，大致有两种策略可以选择：一是在自身智能家居应用客户端中集成各芯片及模组厂商的无线快速连接技术；二是基于标准协议方案扩展，通过推广和引导获取智能家居终端厂商的支持。
对于第一种策略，运营商需要逐一与各芯片、模组以及设备厂商进行合作，将对方的无线快速连接SDK逐一整合至智能家居应用客户端中，这将会导致开发周期较长、客户端体积大、方案自动适配以及商务合作困难等诸多问题，而带来的优点也十分明显，即支持的完备性。整体来看还是弊大于利，可行性不高。
考虑到运营商在推广宽带时已在现网部署了千万级的家庭网关设备，家庭网关本身就是一个无线AP，且支持基本的Wi-Fi功能，可以说家庭网关是运营商开展智能家居业务的一大优势，因此应选择第二种策略，重点研究基于家庭网关及无线标准协议的无线快速连接技术。基于WPS的方案应为最合适的选择：一是家庭网关已具有WPS能力，可通过远程升级开启该功能：二是智能家居设备的Wi-Fi对WPS具有一定支持程度；三是方案对家庭网关及智能家居设备提出的改造要求较小。
为此设计了基于WPS的无线快速连接的技术方案。
如图6所示，手机在家庭网关的Wi-Fi网络内，通过App向家庭网关发送指令，启动家庭网关WPS功能：然后按下新增智能家居设备的WPS按键，由家庭网关与设备进行WPS双向交互，实现Wi-Fi自动配置，完成后智能家居设备连接到家庭网关的Wi-Fi网络，在此过程中可通过手机App跟踪连接过程并及时更新WPS配置连接状态；最后，手机与新增的智能家居设备进行消息交互。家庭网关、手机客户端、智能家居设备需具备以下功能或能力。
·家庭网关：支持WPS功能，可通过手机客户端启动WPS PBC操作；支持通过手机客户端查询WPS自动配置状态，支持通过客户端中止WPS操作：考虑到安全性问题，应关闭WPS PIN验证方式。
·手机客户端：与家庭网关建立指令连接通道，传递交互指令，并可及时在UI界面上更新操作执行的信息反馈。增加基于SSDP的设备发现流程和数据接口，并可周期性地发送多播指令SSDP报文。
·智能家居设备：支持WPS功能，可通过硬件按键触发WPS PBC功能。当完成与家庭网关的Wi-Fi连接后，能接收来自手机端的多播信息，并主动完成设备信息（包括类型、名称、厂商、序列号、IP地址、其他设备辅助信息等）的上报：为实现上述功能，还需要制定两个接口协议。
·手机客户端与家庭网关之间的接口：基于HTTP．包括开启WPS、查询WPS状态、关闭WPS 3个基本的接口功能。
·手机客户端与智能家居设备之间的接口：通过UPNP中基于SSDP的M-Search消息实现设备查询请求；智能家居设备向手机上报设备信息的响应消息。
6结束语
基于本技术方案，选择市场上几款智能家居单品（包括智能家居网关、Wi-Fi音箱、摄像头等）进行了原型实现和实验室测试。经过测试，无线连接所需时间为10~20 s．连接成功率几乎为100%，明显优于基于多播或广播的Wi- Fi一键配置技术，原型系统的功能已达到可商用的水平，可在现有网络情况下进行进一步的试点和推广应用。
综上所述，无线快速连接是智能家居设备接入网络的第一步。为此业界研究并推出了多种技术方案，经过实际测试和分析，这些方案均有各自的特点和适用场景。参与智能家居的产业链各方应以用户体验为首要考虑因素，对开发改造点、协议标准性、成功率以及连接时间等进行综合考虑，根据自身资源优势选择合适的技术方案。而对于宽带服务运营商，则应重点结合现网已有的家庭网关优势，以标准协议为基础来制定无线快速连接方案，基于智慧家庭来应用和推广无线快速连接技术标准，不断跟踪技术演进并进一步优化技术，最终为用户提供更好的智能家居体验。
7摘要：
智能家居设备大多不具备显示屏，其网络设置成了困扰用户的使用难点，为此业界提出了多种应对方案。对目前已有的各种Wi-Fi快速连接技术进行了分析，对比了它们的特点及优缺点。而后针对运营商现有基础，提出了一种优化的适合运营商使用的无线快速连接方案，并对方案进行了技术验证。
