樊蓉 蔣翊生 贠靖洋 胡佳怡

【摘 要】針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)智能家居場(chǎng)景，介紹了智能家居系統(tǒng)的基本架構(gòu)，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)分析了智能家居系統(tǒng)控制中的通信耗用情況，并根據(jù)智能家居需求響應(yīng)調(diào)度應(yīng)用，對(duì)智能家居用戶(hù)通信耗用成本的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了分析。分析結(jié)果表明采用終端感知控制單元和云端直接互聯(lián)的智能家居系統(tǒng)架構(gòu)時(shí)，在當(dāng)前運(yùn)營(yíng)商物聯(lián)網(wǎng)資費(fèi)套餐的情況下，用戶(hù)通信耗用成本還相對(duì)較高。針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)于不同的物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)應(yīng)用場(chǎng)景，電信運(yùn)營(yíng)商可進(jìn)一步豐富物聯(lián)網(wǎng)通信計(jì)費(fèi)方式，增加物聯(lián)網(wǎng)資費(fèi)套餐的多樣性和合理性。

【關(guān)鍵詞】物聯(lián)網(wǎng)；智能家居；通信耗用；經(jīng)濟(jì)性

Communication Consumption Analysis in IoT Smart Home Scenario

FAN Rong1， JIANG Yisheng1， YUN Jingyang2， HU Jiayi2

[Abstract] For the smart home application scenario in Internet of Things （IoT）， the basic architectures of smart home systems are introduced. The communication consumption in the control of smart home systems is analyzed according to experiments. Combined with the response of smart home requirements， applications are to scheduled， and then the economic efficiency of communication consumption cost for smart home users is analyzed. Analysis results demonstrate that， when the smart home architecture with terminal perception control unit and direct cloud connection is used， the communication consumption cost is relatively high in the case of current operators IoT communication tariff packages. According to the developmental trend， telecommunication operators should further enrich the charge modes of IoT communications and increase the versatility and feasibility of IoT communication tariff packages for different IoT service application scenarios.

[Key words]Internet of Things （IoT）； smart home； communication consumption； economic efficiency

1 引言

據(jù)2017年6月至2017年8月公開(kāi)發(fā)布的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，2017年中國(guó)移動(dòng)、中國(guó)電信和中國(guó)聯(lián)通的物聯(lián)網(wǎng)連接（用戶(hù)）數(shù)分別達(dá)到1.3億、0.28億和0.5億。據(jù)GSMA移動(dòng)智庫(kù)與中國(guó)信息通信研究院發(fā)布的研究報(bào)告預(yù)測(cè)，到2020年中國(guó)物聯(lián)網(wǎng)的連接總數(shù)將達(dá)到10億，具備廣闊的發(fā)展前景。2017年1月工信部發(fā)布的《信息通信行業(yè)發(fā)展規(guī)劃物聯(lián)網(wǎng)分冊(cè)（2016—2020年）》中明確指出“十三五”期間物聯(lián)網(wǎng)重點(diǎn)領(lǐng)域應(yīng)用示范工程包括智能制造、智慧農(nóng)業(yè)、智能家居、智能交通和車(chē)聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域。中國(guó)移動(dòng)也推出了面向企業(yè)客戶(hù)的交通物流、節(jié)能環(huán)保和智慧城市及面向個(gè)人客戶(hù)的車(chē)聯(lián)網(wǎng)、智能家居和智能穿戴等物聯(lián)網(wǎng)解決方案。

傳統(tǒng)的用戶(hù)側(cè)用電家居主要包括空調(diào)、冰箱和照明等電氣設(shè)備，作為物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的重點(diǎn)領(lǐng)域，智能家居通過(guò)將用戶(hù)所需的冷熱電等進(jìn)行耦合，根據(jù)居住者的生活習(xí)慣、電網(wǎng)電壓及其他信息進(jìn)行運(yùn)行管理，可以實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗、電網(wǎng)友好和參與需求管理等[1]。智能家居作為家庭使用的終端單元，也成為了智能電網(wǎng)的重要組成部分。從電能使用的角度來(lái)看，智能家居系統(tǒng)通過(guò)與智能電網(wǎng)系統(tǒng)互動(dòng)，使得用戶(hù)可以依據(jù)自己的需求及電價(jià)因素等主觀(guān)地控制電能使用[2]。

文獻(xiàn)[3]介紹了智能家居系統(tǒng)中不同感知和控制設(shè)備的具體通信速率要求，但當(dāng)前對(duì)智能家居系統(tǒng)控制過(guò)程中通信耗用的研究鮮有涉及。本文針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)智能家居場(chǎng)景，基于物聯(lián)網(wǎng)智能開(kāi)關(guān)設(shè)備，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)對(duì)智能家居系統(tǒng)控制中的通信耗用進(jìn)行分析。

2 智能家居系統(tǒng)基本架構(gòu)

圖1為在文獻(xiàn)[3]和文獻(xiàn)[4]的基礎(chǔ)上建立的包含家庭節(jié)點(diǎn)（Home Node，HN）的智能家居系統(tǒng)示意圖。如圖1所示，智能家居系統(tǒng)可以劃分為感知層、網(wǎng)絡(luò)及平臺(tái)層（云端）、應(yīng)用層等三個(gè)層次[5]。家庭區(qū)域內(nèi)感知控制單元和HN間可采用Zigbee、LTE和NB-IoT等無(wú)線(xiàn)連接方式[3，5]。家庭區(qū)域外云端與HN和應(yīng)用間可采用LTE和NB-IoT等連接方式[4]。

中國(guó)移動(dòng)根據(jù)客戶(hù)對(duì)速率的不同要求提供不同的物聯(lián)網(wǎng)解決方案，如針對(duì)高、中速率的TD-LTE網(wǎng)絡(luò)和針對(duì)低速率的NB-IoT網(wǎng)絡(luò)[6]。NB-IoT網(wǎng)絡(luò)具有傳輸效率高、覆蓋范圍廣、連接能力強(qiáng)、組網(wǎng)靈活等優(yōu)勢(shì)，同時(shí)擁有成熟的產(chǎn)業(yè)鏈，模組和芯片等硬件價(jià)格低廉，建設(shè)及運(yùn)行成本低。由于智能家居系統(tǒng)內(nèi)對(duì)感知控制單元的通信速率要求不高，峰值速率為200 kb/s的NB-IoT網(wǎng)絡(luò)理論上能夠滿(mǎn)足智能家居系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信需求[3]。

包含家庭中繼網(wǎng)關(guān)（如圖1中的HN）的智能家居系統(tǒng)架構(gòu)可以節(jié)省移動(dòng)通信信道容量需求，但會(huì)影響家居單元間的不同通信需求[7]。隨著NB-IoT網(wǎng)絡(luò)的全面部署，考慮NB-IoT網(wǎng)絡(luò)海量連接等優(yōu)勢(shì)，作為未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)，可以通過(guò)NB-IoT網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)智能家居系統(tǒng)內(nèi)感知控制單元和云端的直接互聯(lián)，使得信息可以通過(guò)蜂窩網(wǎng)絡(luò)直接上傳到云端的管理平臺(tái)上，可以避免中繼網(wǎng)關(guān)帶來(lái)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜和連接可靠性等方面的問(wèn)題，增加了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和靈活性，并能降低系統(tǒng)安裝部署和維護(hù)的成本[7-8]。

3 智能家居系統(tǒng)通信耗用實(shí)驗(yàn)分析

圖2是為智能家居系統(tǒng)通信耗用分析而搭建的實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)。測(cè)試系統(tǒng)中采用市售某型智能開(kāi)關(guān)作為感知控制單元，通過(guò)手機(jī)控制應(yīng)用可以實(shí)現(xiàn)智能開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)控制（開(kāi)通、關(guān)斷和點(diǎn)動(dòng)）及開(kāi)關(guān)狀態(tài)感知。圖2中的智能開(kāi)關(guān)采用中國(guó)移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)卡實(shí)現(xiàn)云端與智能開(kāi)關(guān)的連接，云端與智能開(kāi)關(guān)間和云端與手機(jī)控制應(yīng)用間通過(guò)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)。

圖2 智能家居實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)

針對(duì)圖2中的智能家居實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)，2017年9月11日設(shè)計(jì)并進(jìn)行了3組實(shí)驗(yàn)以分析智能家居系統(tǒng)控制過(guò)程中的通信耗用。3組實(shí)驗(yàn)的具體實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、日期、時(shí)間段和實(shí)驗(yàn)時(shí)間段內(nèi)智能開(kāi)關(guān)的流量耗用如表1所示。為方便統(tǒng)計(jì)實(shí)驗(yàn)時(shí)間段內(nèi)智能開(kāi)關(guān)流量耗用情況，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中智能開(kāi)關(guān)使用一張歸屬地為上海的中國(guó)移動(dòng)SIM卡（IMSI：460022166515541），并通過(guò)查詢(xún)?cè)攩蔚姆绞将@得實(shí)驗(yàn)時(shí)間段內(nèi)的流量耗用。通過(guò)對(duì)表1中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，圖2測(cè)試系統(tǒng)中智能開(kāi)關(guān)的每次開(kāi)關(guān)控制的平均通信耗用為0.295 kB/次操作。

本章通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方法得到了智能家居測(cè)試系統(tǒng)控制過(guò)程中的通信耗用情況。除本文考慮的智能家居場(chǎng)景外，文獻(xiàn)[9]列出了遠(yuǎn)程醫(yī)療、智慧農(nóng)業(yè)、車(chē)聯(lián)網(wǎng)等其它典型物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)感知或控制操作的數(shù)據(jù)傳輸頻率和數(shù)據(jù)包大小，不同物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中單向數(shù)據(jù)包大小范圍為0.026～0.146 kB/次操作?？紤]到本章智能家居通信耗用實(shí)驗(yàn)結(jié)果中統(tǒng)計(jì)了雙向流量，和文獻(xiàn)[9]列出的數(shù)據(jù)相比，本章實(shí)驗(yàn)結(jié)果具備合理性。隨著未來(lái)物聯(lián)網(wǎng)連接數(shù)的不斷增加，通過(guò)實(shí)驗(yàn)等方法得到更加精確的物聯(lián)網(wǎng)內(nèi)不同用戶(hù)（設(shè)備）的通信耗用模型能夠?yàn)镹B-IoT網(wǎng)絡(luò)的部署規(guī)劃設(shè)計(jì)及運(yùn)營(yíng)策略提供重要的參考。

4 智能家居場(chǎng)景通信耗用成本經(jīng)濟(jì)性分析

在分時(shí)電價(jià)環(huán)境下，滿(mǎn)足用戶(hù)的生活習(xí)慣及用能需求，將家庭范圍內(nèi)的電器等用能負(fù)荷設(shè)施參與電網(wǎng)需求響應(yīng)調(diào)度，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗并減少用戶(hù)電費(fèi)支出是物聯(lián)網(wǎng)智能家居的重要目標(biāo)。本章將在上一章實(shí)驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上，結(jié)合當(dāng)前國(guó)內(nèi)主要電信運(yùn)營(yíng)商物聯(lián)網(wǎng)卡資費(fèi)情況，對(duì)智能家居需求響應(yīng)調(diào)度應(yīng)用中的通信耗用成本及經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行分析。

2017年6月，中國(guó)電信率先推出了全球首個(gè)NB-IoT套餐[10]。緊接著，德國(guó)電信也發(fā)布了其N(xiāo)B-IoT業(yè)務(wù)套餐。表2中為國(guó)內(nèi)主要電信運(yùn)營(yíng)商物聯(lián)網(wǎng)卡資費(fèi)情況（2017年10月）。目前，我國(guó)主要運(yùn)營(yíng)商物聯(lián)網(wǎng)卡的計(jì)費(fèi)方式分為兩類(lèi)：一類(lèi)為流量套餐，按流量計(jì)費(fèi)；另一類(lèi)為連接服務(wù)費(fèi)和高頻功能費(fèi)相結(jié)合，可以理解為按連接次數(shù)計(jì)費(fèi)。

表3列出了智能家居參與需求響應(yīng)調(diào)度的用戶(hù)通信流量耗用和電費(fèi)收益估算情況。表3中，參考文獻(xiàn)[11]中考慮的家庭用能負(fù)荷設(shè)施種數(shù)和每種設(shè)施個(gè)數(shù)（1～2個(gè)），設(shè)置智能家居系統(tǒng)戶(hù)均感知控制單元數(shù)為10個(gè)/戶(hù)。文獻(xiàn)[12]至文獻(xiàn)[14]，需求響應(yīng)調(diào)度時(shí)間步長(zhǎng)一般在15分鐘至1小時(shí)，因此智能家居參與需求響應(yīng)調(diào)度的通信連接頻次一般為1～4次/小時(shí)。

取通信連接頻次的中間值2次/小時(shí)，表3中還列出了含家庭中繼網(wǎng)關(guān)（如圖1所示）和不含中繼網(wǎng)關(guān)（感知控制單元和云端直接互聯(lián)）這兩種智能家居系統(tǒng)架構(gòu)中，家庭中繼網(wǎng)關(guān)和每個(gè)與云端直接互聯(lián)的感知控制單元的平均通信次數(shù)、單次連接流量耗用和月度流量耗用估算情況。其中，感知控制單元單次連接流量耗用取上一章實(shí)驗(yàn)結(jié)果值，中繼網(wǎng)關(guān)單次連接流量耗用近似取家庭范圍內(nèi)所有感知控制單元流量耗用需求之和。

對(duì)參與需求響應(yīng)調(diào)度的智能家居用戶(hù)電費(fèi)收益的估算，參照《上海市居民年度賬單繳費(fèi)白皮書(shū)（2016）》，上海居民家庭2016年度戶(hù)均繳納電費(fèi)2 099.52元（174.96元/月×12月），將該數(shù)值取為表3中戶(hù)均年度電費(fèi)參數(shù)值。智能家居參與需求響應(yīng)調(diào)度用戶(hù)電費(fèi)下降率一般為5%～15%[15]，因此表3中估算的智能家居參與需求響應(yīng)調(diào)度的用戶(hù)年度電費(fèi)收益范圍為104.98～314.93元/年。

表4為根據(jù)表3中相關(guān)參數(shù)值得到的智能家居參與需求響應(yīng)調(diào)度用戶(hù)通信耗用成本的估算情況。其中，按流量計(jì)費(fèi)和按連接次數(shù)計(jì)費(fèi)分別參照表2中運(yùn)營(yíng)商1和運(yùn)營(yíng)商3的資費(fèi)情況。對(duì)按流量計(jì)費(fèi)的方式，根據(jù)表3中月度流量耗用情況，智能家居系統(tǒng)考慮家庭中繼網(wǎng)關(guān)時(shí)，中繼網(wǎng)關(guān)處選擇運(yùn)營(yíng)商1的流量套餐為2元/月（5 MB）；不考慮中繼網(wǎng)關(guān)，采用直接互聯(lián)的系統(tǒng)架構(gòu)時(shí)，感知控制單元處選擇的流量套餐為1元/月（2 MB）。為分析智能家居參與需求響應(yīng)調(diào)度中用戶(hù)通信耗用成本占電費(fèi)收益的比重，在表3的基礎(chǔ)上進(jìn)一步取平均電費(fèi)下降率為10%（如文獻(xiàn)[16]中的結(jié)果9.99%），用戶(hù)平均年度電費(fèi)收益為209.95元/年。

對(duì)于表4中的智能家居參與需求響應(yīng)調(diào)度用戶(hù)的通信耗用成本，當(dāng)采用包含家庭中繼網(wǎng)關(guān)的智能家居系統(tǒng)架構(gòu)時(shí)，按流量計(jì)費(fèi)和按連接次數(shù)計(jì)費(fèi)兩種計(jì)費(fèi)方式下用戶(hù)通信耗用成本占用戶(hù)平均年度電費(fèi)收益比例分別為11.43%和6.25%～9.53%，較為合適。

表4 智能家居參與需求響應(yīng)調(diào)度用戶(hù)通信耗用成本的估算情況

序號(hào) 智能家居系統(tǒng)架構(gòu) 計(jì)費(fèi)方式 用戶(hù)年度通信耗用

成本

1 包含中繼網(wǎng)關(guān) 按流量計(jì)費(fèi) 24元/年

2 包含中繼網(wǎng)關(guān) 按連接次數(shù)計(jì)費(fèi) 13.13元～20元/年

3 不包含中繼網(wǎng)關(guān) 按流量計(jì)費(fèi) 120元/年

4 不包含中繼網(wǎng)關(guān) 按連接次數(shù)計(jì)費(fèi) 131.25元～200元/年

當(dāng)不考慮中繼網(wǎng)關(guān)，采用感知控制單元和云端直接互聯(lián)的智能家居系統(tǒng)架構(gòu)時(shí)，在當(dāng)前運(yùn)營(yíng)商資費(fèi)套餐的情況下，用戶(hù)通信耗用成本相對(duì)較高。參照表3，對(duì)按流量計(jì)費(fèi)，單個(gè)感知控制單元月度流量耗用并不高（424.80 kB/月）；對(duì)按連接次數(shù)計(jì)費(fèi)，感知控制單元單次連接的流量耗用較?。?.295 kB/次）。針對(duì)感知控制單元流量耗用的特點(diǎn)，運(yùn)營(yíng)商可以考慮更加具有針對(duì)性的物聯(lián)網(wǎng)通信計(jì)費(fèi)方式，如按流量計(jì)費(fèi)方式下的小流量套餐或者按連接次數(shù)計(jì)費(fèi)方式下進(jìn)一步降低流量連接的單次連接費(fèi)用，均可進(jìn)一步降低用戶(hù)的通信耗用成本，使得通信耗用成本占用戶(hù)收益比例下降到相對(duì)合理的范圍內(nèi)。

表5中列出了部分典型物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)應(yīng)用通信連接頻次情況[9，12，13，14]，包括智能家居需求響應(yīng)調(diào)度、遠(yuǎn)程醫(yī)療健康指標(biāo)檢測(cè)、智慧農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理和車(chē)聯(lián)網(wǎng)自動(dòng)駕駛控制等。根據(jù)本章智能家居場(chǎng)景通信耗用成本及經(jīng)濟(jì)性分析，針對(duì)智能家居需求響應(yīng)調(diào)度應(yīng)用，包含家庭中繼網(wǎng)關(guān)的智能家居系統(tǒng)架構(gòu)可以顯著地降低用戶(hù)的通信耗用成本。但隨著未來(lái)智能家居系統(tǒng)中設(shè)備多樣性的進(jìn)一步增加（如小型風(fēng)機(jī)、屋頂光伏等分布式電源在用戶(hù)側(cè)的投入運(yùn)行）和柔性負(fù)荷在家庭用電設(shè)備比重的進(jìn)一步提升[17]，包含中繼網(wǎng)關(guān)的系統(tǒng)架構(gòu)并不能有效適應(yīng)未來(lái)智能家居系統(tǒng)的需求。

表5 部分典型物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)應(yīng)用通信連接頻次情況

序號(hào) 物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)名稱(chēng) 應(yīng)用 連接頻次

1 智能家居 需求響應(yīng)調(diào)度 1～4次/小時(shí)

2 遠(yuǎn)程醫(yī)療 健康指標(biāo)檢測(cè) 0.2～4次/秒

3 智慧農(nóng)業(yè) 農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理 1次/分鐘

4 車(chē)聯(lián)網(wǎng) 自動(dòng)駕駛控制 約12.5次/秒

根據(jù)不同物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)應(yīng)用的特點(diǎn)和需求，通過(guò)NB-IoT等通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)終端設(shè)備和云端的直接互聯(lián)是未來(lái)物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展趨勢(shì)。根據(jù)本章對(duì)智能家居需求響應(yīng)調(diào)度應(yīng)用的分析結(jié)果，當(dāng)采用直接互聯(lián)的系統(tǒng)架構(gòu)時(shí)，在當(dāng)前國(guó)內(nèi)主要運(yùn)營(yíng)商物聯(lián)網(wǎng)通信資費(fèi)的情況下，包括按流量和按連接次數(shù)的計(jì)費(fèi)方式，用戶(hù)的通信耗用成本占用戶(hù)收益的比例還相對(duì)較高。對(duì)按流量計(jì)費(fèi)方式，運(yùn)營(yíng)商可以考慮根據(jù)用戶(hù)的流量耗用特性，進(jìn)一步豐富物聯(lián)網(wǎng)資費(fèi)套餐的多樣性；對(duì)按連接次數(shù)計(jì)費(fèi)方式，不同的物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)應(yīng)用，可以考慮差異化不同連接頻次特性和流量耗用特性連接的單次連接費(fèi)用，進(jìn)一步提高計(jì)費(fèi)的合理性。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)智能家居場(chǎng)景，介紹了智能家居系統(tǒng)的基本架構(gòu)，搭建了智能家居實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)并設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)對(duì)智能家居系統(tǒng)控制中的通信耗用進(jìn)行了分析。第四章介紹了當(dāng)前國(guó)內(nèi)主要電信運(yùn)營(yíng)商物聯(lián)網(wǎng)卡資費(fèi)情況，并針對(duì)智能家居需求響應(yīng)調(diào)度應(yīng)用，對(duì)智能家居用戶(hù)通信耗用成本的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了分析。分析結(jié)果表明，當(dāng)采用包含家庭中繼網(wǎng)關(guān)的智能家居系統(tǒng)架構(gòu)時(shí)，不同計(jì)費(fèi)方式下用戶(hù)通信耗用成本占用戶(hù)電費(fèi)的比例較為合適。當(dāng)不考慮中繼網(wǎng)關(guān)時(shí)，對(duì)終端感知控制單元和云端直接互聯(lián)的智能家居系統(tǒng)架構(gòu)，在當(dāng)前的運(yùn)營(yíng)商資費(fèi)套餐的情況下，用戶(hù)通信耗用成本還相對(duì)較高。針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展趨勢(shì)，不同的物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)應(yīng)用場(chǎng)景，電信運(yùn)營(yíng)商可進(jìn)一步豐富物聯(lián)網(wǎng)通信計(jì)費(fèi)方式，增加物聯(lián)網(wǎng)資費(fèi)套餐的多樣性和合理性。

參考文獻(xiàn)：

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