Wi-Fi组网技术在智能家居环境中的使用与优化

1 引言

从20世纪90年代至今，随着近距离无线通信技术的快速发展和普及，物联网通信的成本日趋低廉，伴随而来的是物联网市场的蓬勃发展和快速迭代。作为物联网的典型领域，智能家居成为物联网大数据时代最受广大消费者青睐和最具市场前景的重要领域。

本文对无线短距离技术，尤其是Wi-Fi技术在智能家居领域的使用现状展开陈述，通过市场数据统计与实验室验证定向、定量分析Wi-Fi技术在智能家居领域中的热点问题，同时介绍一种新型的Wi-Fi智能家居组网技术的优化方案。

2 Wi-Fi技术在智能家居中的应用

2.1 Wi-Fi技术在智能家居中的使用情况

从2009年Wi-Fi 802.11n无线通信产品正式进入全球市场至今，凭借其低廉的成本以及优秀的组网与覆盖能力成为物联网领域重要的组网技术之一。智能家居作为物联网在家庭单元的典型体现也将Wi-Fi技术作为最重要的组网方案。众多家电、家居设备实现智能化的管理控制以及实施不同复杂程度的联动场景，越来越多地依赖于云数据与云服务。而Wi-Fi技术则是这些智能家居设备接入Internet、云服务实现智能控制以及智能化联动场景的主要途径。截至2017年年底，据Wi-Fi联盟统计，全球的Wi-Fi产品全年出货量已经超过37.7亿，其中家用产品的比例即将超过52%。

在智能家居产品中，家庭娱乐设备如电视、机顶盒、平板电脑、智能手机等，家庭安防类设备如监控摄像头、联网报警装置等；各类传感器网关，家庭环境调节设备如空调、空气净化器、空气质量探测器、智能插座；家庭健康类设备如电子血压计、电子血糖计等均配置Wi-Fi通信模块作为控制多媒体内容传输以及智能家居数据上传云端的组网方法。据统计，当前超过90%的智能家居产品类型配置了Wi-Fi组网通信模块（见图1）。

图1 不同无线技术在智能家居产品中使用比例

2.2 Wi-Fi组网技术在智能家居中的热点问题

目前智能家居产品中多数设备自身缺乏有效的用户配置界面，故而依旧采用在PC或者手机端常用的Wi-Fi检索，用户名密码输入的方式来接入Wi-Fi网络是十分困难的。鉴于此，智能家居企业纷纷制定了一些折中的解决办法来克服这一挑战。但是，鉴于技术方案设计自身缺陷或者应用协议格式定义过于细化导致的兼容性问题等原因，目前智能家居产品的Wi-Fi功能使用以及用户上线激活的比例非常低。这使得智能家居产业承诺给用户的大部分智能化体验不能够得到兑现。

当前在技术领域与实际的智能家居产品实现方案当中使用量最多的方案有SoftAP、QRCode+Wi-Fi、广播或组播配置、BLE+Wi-Fi以及WPS2.0等诸多方案（见图2）。2017年，中国信息通信研究院泰尔终端实验室组织了一批当前智能家居市场中常见的单品设备进行调研并开展验证试验，就目前的集中Wi-Fi配置方案进行了梳理和对比，得出如表1所示的结论。

3 智能家居环境中的Wi-Fi技术优化

作为全球最大的Wi-Fi技术论坛组织，Wi-Fi联盟凭借在芯片、技术方案商、操作系统运营商、设备厂商、消费电子销售业等领域最受认可的技术组织，于2013年成立了物联网领域智能家居组网方案优化的技术工作组，专门针对上文所提到的配网问题为缺乏屏幕或者用户界面的Wi-Fi产品提供无线网络安全配置与接入的解决方案。

3.1 DPP技术简介

Wi-Fi联盟的技术项目名称为Device Provision Protocol（ 简 称DPP）。DPP技术可以有效利用可授信的终端设备，如智能手机，支持通过二维码扫描、蓝牙低功耗技术、NFC近距离感应技术或者Wi-FiAware感应技术发现并引导其他设备接入，新设备添加与网络配置过程操作快速、安全、简单。此外，DPP技术在设备注册、管理、删除等流程中引入有效加密措施以确保用户安全。

图2 智能家居中Wi-Fi组网配置实现方案调研结果

表1 智能家居产业当前可用的Wi-Fi组网方案对比

DPP的技术方案为Wi-Fi网络中的接入点设备（AccessPoint）、终端设备（Station）重新赋予了新的协议角色，在DPP协议中引入了4个新的设备角色：

（1）DPP协议触发端（Initiator）：DPP协议的发起者，通过扫描二维码、蓝牙技术、NFC或者Wi-Fi Aware感应技术主动触发DPP的设备发现协议流程。

（2）DPP协议应答端（Responder）：DPP协议的响应者，通过应答可被其他终端或者组网设备发现并提供该设备的Wi-Fi组网功能等基本响应信息。

（3）DPP连接配置端（Configurator）：用于为待接入网络的终端设备（简称STA）和接入点设备（简称AP）协商并传递网络名称（SSID）、无线模式、工作信道、加密方式以及组网安全凭据等信息。

（4）DPP用户（Enrollee）：DPP的用户（Enrollee）可以是终端STA或AP，在获取配置器提供的WLAN网络连接信息后可以建立WLAN连接，在DPP的连接过程中STA并不需要提前与AP做复杂的协商工作。

DPP的协议流程分为设备发现与引导（Bootstrapping）、设备安全认证（Authentication）、设备配置（Configuration）、设备连接（Connection）4个部分，详情见图3。

图3 DPP设备认证协议流程

（1）在Bootstrap阶段DPP的Initiator将有机会获得Responder提供的设备MAC地址、可支持的无线模式、可工作的无线信道以及一份用于标识设备并为下一段加密处理提供的Bootstrapping公共秘钥（Public Key）。

（2）在Authentication阶段，DPP配置器会根据上一阶段获取的公共秘钥，基于椭圆曲线加密算法生成认证阶段的通信私钥，用以加密认证阶段的DPP配置器和DPP用户的身份与鉴权信息。同样，在认证阶段通信双方会采用RFC7517推荐的JSON Web Key（JWK）加密算法生成下一阶段通信所需的一组DPP Configuration秘钥。

（3）在Configuration阶段，DPP配置器会根据用户提供的Wi-Fi功能的基本信息以及自身掌握的有效范围内的AP信息，经过功能匹配与确认后发起无线组网配置的协议流程，在此期间将被组网配对的AP和STA将获得一套关联所需的SSID、无线信道、工作模式与工作带宽、组网安全凭证（Access Key Management，AKM）；若通过DPP协商配置的AP设备支持DPP功能，AKM机制将会使用WPA2加密技术直接生成可用于AP和STA关联所需的WPA2会话秘钥（Pair Master Key，PMK）以及双方用做加密算子对齐的PMKID；若该APP设备暂无法支持DPP功能，AKM机制可使用WPA2加密技术生成可用于AP和STA关联所需要的预共享秘钥（Pre-SharedKey，PSK），在下一阶段STA与AP的关联过程将通过关联阶段的四次握手协商PMK与PMKID建立连接。

（4）在Connection阶段，获取AP网络配置信息后的STA会向协商好的AP发起关联请求，并通过认证和接入流程实现关联通信，详情见图4。

在DPP的整个协议流程中，DPP的配置器将作为主要角色为缺乏用户界面的终端设备提供网络选择和预设置的工作，且基于不同流程阶段的加密处理，确保网络的设置与配网信息的传递保密。在用户侧，DPP的功能实现可能仅仅是一个虚拟的按钮即可发出对智能家居设备的联网配置。而在功能实现方面，DPP的技术也尽可能减少了对Wi-Fi芯片或者模块硬件重新设计开发的成本，所有DPP的协议都采用IEEE802.11协议规定的一套通用管理帧（Action Frame）来封装，这在协议的兼容性以及与老旧设备的兼容性方面也有良好的保障。

3.2 DPP使用场景概述

在Wi-Fi联盟的DPP技术方案中也定义了丰富的应用场景以供开发者和用户能够更好地理解这项技术所带来的便利。图5所示是DPP技术最常见的适用场景，其中STA1是一部智能手机，且支持DPP功能；AP是一台支持DPP功能的无线接入设备；STA2是一台缺乏用户界面的智能家居设备。在通信初期，STA1将通过DPP的方式快速接入AP网络，并通过DPP的Bootstrapping发现所处位置区域的智能家居设备STA2。接下来通过DPP的认证和配置流程将所知的AP网络信息告知STA2。STA2在获取这些信息后可以主动或者自动发起组网的关联请求，并接入该AP。为了更好地支持与用户市场已有Wi-Fi网关设备的兼容性，DPP协议也实现了在老旧AP布网环境下的快速配网场景。如图6所示，STA1是一部智能手机，且支持DPP功能；AP是一台普通的无线接入设备；STA2是一台缺乏用户界面的智能家居设备。STA1与AP之间可以提前建立普通的Wi-Fi连接，甚至STA1不需接入AP，只作为授信设备得到该AP的SSID、预共享秘钥以及获得AP的工作模式和工作信道即可为STA2提供DPP的快速配网服务。在完成DPP的配网后，STA2将通过现行的WPA2-PSK的方式与AP进行关联。此外，基于对用户需求的预估、网络配置效率的考虑和组网体验的进一步优化等多方面的考虑，DPP的技术方案也同时支持对于终端设备快速配置的批量处理场景。图7所示案例与以上两个案例有所不同的是在此场景中AP将作为DPP组网的配置端通过蓝牙或者NFC的方式主动获取不同终端设备的信息屏予以集中的接入与配置。

3.3 DPP标准化进程

图4 DPP设备Wi-Fi连接简化协议流程

图5 DPP使用场景范例1

图6 DPP使用场景范例1

DPP是目前Wi-Fi联盟针对物联网以及智能家居领域主要推进的技术方案。Wi-Fi联盟在2013年12月启动DPP的市场工作组并在北美、欧洲和中国区域启动市场调研，2015年DPP的技术工作组正式成立，并于2017年完成技术方案在多家芯片厂商以及方案厂商测试的实现，目前Wi-Fi联盟正在紧密组织DPP产品与技术方案的互联互通调试工作，截至目前，DPP的互联互通调试已经完成了6轮。预期该技术项目将于2018年第一季度正式公布。目前，该项目在Wi-Fi联盟中收到来自芯片供应商、运营商、软件服务商、消费类电子产品制造商、组网方案供应商等多家成员企业的积极参与。DPP技术在国内也受到了广泛的关注，以海尔、华为、小米、WinnerMicro为代表的家电厂商、通信设备厂商和Wi-Fi模组厂商都在积极参与Wi-Fi联盟DPP的技术工作组活动并在积极筹备下一代产品的DPP功能实现。

图7 DPP使用场景范例3

DPP技术的推出无疑会极大程度地改善当前智能家居产品在组网配置方面的用户体验，为进一步推动智能家居产业升级提供助力。

4 结束语

Wi-Fi技术以其低廉的组网成本和高效优质的组网特性，在未来一段较长的时间内将作为智能家居产品组网以及加入移动互联网的重要方案。而Wi-Fi技术本身需要针对智能家居环境、产品特性、功耗、链路安全等诸多方面的诉求不断优化改良，进而能够为国内、国际广大消费市场提供优质的、用户体验良好的智能家居产品以及整体方案。

参考文献

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