開源家庭自動化解決方案

一個無縫集成，開源軟件，基于軟件，可重新配置和可擴(kuò)展的智能家居自動化系統(tǒng)，使用Raspberry Pi 2。

各種各樣的家庭自動化解決方案正在開發(fā)中 - 但其中大多數(shù)需要專業(yè)人員和熟練的員工來安裝和/或操作它們。此外，這些解決方案中的大多數(shù)都缺乏無縫集成到已經(jīng)正常運(yùn)行的家庭環(huán)境中的潛力。為了彌合消費(fèi)者和專家之間的差距，并允許集成到任何現(xiàn)有的家庭環(huán)境中，而無需對建筑物進(jìn)行物理更改，需要一個具有無縫集成潛力的模塊化家庭自動化解決方案。

擬議的系統(tǒng)使用開源軟件和硬件，允許在現(xiàn)有的開源社區(qū)內(nèi)繼續(xù)進(jìn)行開發(fā)。由于其模塊化設(shè)計和靈活性，這種類型的系統(tǒng)無需專業(yè)技能或?qū)Νh(huán)境本身進(jìn)行物理更改即可進(jìn)行安裝和配置。

根據(jù)定義，智能家居自動化系統(tǒng)是通過智能系統(tǒng)或用戶通過通信介質(zhì)（如藍(lán)牙或Wi-Fi）并由計算機(jī)協(xié)調(diào)來集成電氣設(shè)備（包括致動百葉窗等非電氣設(shè)備）和家庭環(huán)境的監(jiān)視和控制。

在這種互聯(lián)環(huán)境中，任務(wù)可以變得更加直觀和有效。家庭網(wǎng)絡(luò)處理所有通信，用戶可以通過個人計算機(jī)，智能手機(jī)或平板電腦從家庭內(nèi)部或通過Internet從遠(yuǎn)程位置訪問系統(tǒng)。將信息技術(shù)集成到家庭環(huán)境中，使系統(tǒng)和電器能夠以便利、節(jié)能和安全優(yōu)勢運(yùn)行。因此，整個智能家居架構(gòu)由家庭中連接到家庭網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備和電器、用戶和行業(yè)服務(wù)提供商組成。

現(xiàn)有的智能家居自動化系統(tǒng)經(jīng)過獨(dú)特設(shè)計，可滿足特定消費(fèi)者的家庭環(huán)境和要求。這些系統(tǒng)設(shè)計復(fù)雜，不夠靈活，無法滿足定制要求，并且通常嵌入到家庭的物理結(jié)構(gòu)中 - 它們也很昂貴，這阻止了普通消費(fèi)者的采用，并限制了重新配置和擴(kuò)展的潛力，以滿足消費(fèi)者不斷變化的需求。此外，排除開源軟件也阻礙了智能家居自動化系統(tǒng)的增長和擴(kuò)展。

為了解決這些問題，提出了一種無縫集成，開源軟件為基礎(chǔ)，可重新配置和可擴(kuò)展的智能家居自動化系統(tǒng)。為了作為一個可以繼續(xù)研究的平臺，它應(yīng)該最大限度地利用開源硬件和軟件。它還應(yīng)該允許傳感器和執(zhí)行器的多種配置，并且易于修改，從而實現(xiàn)模塊化設(shè)計。這將允許第三方社區(qū)和每個客戶重新配置系統(tǒng)，使其適合每個獨(dú)特家庭的要求。

從所考慮的概念來看，決定系統(tǒng)將在樹莓派2開發(fā)板上運(yùn)行。許多不同的操作系統(tǒng)可以加載到Pi 2上，包括Linux和Android，這兩個操作系統(tǒng)都是開源操作系統(tǒng)。

系統(tǒng)的其余部分圍繞 Pi 2 設(shè)計，Pi 2 采用模塊化從站/主站系統(tǒng)設(shè)計。主節(jié)點(diǎn)和所有從節(jié)點(diǎn)都連接到家庭Wi-Fi路由器并通過其進(jìn)行通信。用戶可以通過Wi-Fi本地或通過互聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程訪問系統(tǒng)。在此概念中，每個從站都包含某些環(huán)境傳感器和電子執(zhí)行器。用戶界面開發(fā)為本地托管的Web服務(wù)器或通過智能手機(jī)上安裝的任何應(yīng)用程序開發(fā)，允許從幾乎任何配備瀏覽器的設(shè)備控制系統(tǒng)。

圖 2 中顯示了一個簡單的圖表表示形式。紅色箭頭表示僅在主節(jié)點(diǎn)和用戶設(shè)備之間傳輸?shù)挠脩舳送ㄐ?，而藍(lán)色箭頭表示僅在主節(jié)點(diǎn)和從節(jié)點(diǎn)之間傳輸?shù)膹膶俣送ㄐ拧?/p>

本研究分為以下幾個領(lǐng)域：

系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)

系統(tǒng)硬件和軟件

硬件和用戶接口

系統(tǒng)架構(gòu)

所提出的架構(gòu)僅使用兩種類型的模塊：監(jiān)控引擎（SE）和控制引擎（CE），它們通過通信網(wǎng)絡(luò)互連。

如圖 3 所示，該系統(tǒng)具有分布式特性，并按兩級層次結(jié)構(gòu)進(jìn)行組織。SE 是高級模塊，它們實質(zhì)上執(zhí)行監(jiān)督任務(wù)。CE 是通過輸入和輸出設(shè)備與物理世界交互的低級模塊。

［圖2 |描述整個系統(tǒng)布局的圖表］

［圖3|系統(tǒng)架構(gòu)］

系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)

所提出的架構(gòu)的一個關(guān)鍵要素是互連各種系統(tǒng)模塊的通信網(wǎng)絡(luò)。該網(wǎng)絡(luò)至關(guān)重要，因為它可能會影響系統(tǒng)的幾個特征，例如性能，靈活性和成本。但是，我們決定使用 MQTT，這是一種 M2M/物聯(lián)網(wǎng)連接協(xié)議。

我們希望網(wǎng)絡(luò)簡單，允許在CE上實現(xiàn)，而無需添加任何特定硬件或顯著增加這些模塊的處理和內(nèi)存要求。如果沒有這種照顧，它們的成本可能會急劇增加，整個系統(tǒng)也會發(fā)生同樣的情況，因為CE很多。

系統(tǒng)硬件和軟件

CE非常簡單，每個CE都執(zhí)行一項專用任務(wù)（照明控制，數(shù)字輸入/輸出，紅外遠(yuǎn)程接收器等）。從本質(zhì)上講，它們具有基本的微控制器（PIC）和I / O硬件。這與以前版本的原型形成鮮明對比，在之前版本中，所有智能都構(gòu)建在 SE 中，而 CE 只是 I/O 卡。這節(jié)省了微控制器，但使SE中的軟件非常復(fù)雜（因為一些任務(wù)是硬實時的，因此排除了操作系統(tǒng)內(nèi)核的使用，并迫使任務(wù)調(diào)度通過嚴(yán)格的中斷時序來完成）。這個新組織通過將基本功能從 SE 分離到 CE 中，使軟件開發(fā)變得更加簡單。

SE 具有更復(fù)雜和更強(qiáng)大的控制器（80x86，ARM 兼容微處理器）。它們的功能是實現(xiàn)系統(tǒng)智能，如PC接口編程的那樣，與處理低級任務(wù)的CE相反。我們使用樹莓派作為SE，這是一款小巧且價格合理的計算機(jī)，具有博通片上系統(tǒng)（SOC），其中包括與ARM兼容的CPU。

對于CE，我們決定選擇ESP8266，這是一款低成本的Wi-Fi芯片，具有完整的TCP/IP堆棧和微控制器功能，可控制通過輸入和輸出設(shè)備與物理世界交互的低級模塊。

此外，專用的開源Arduino軟件IDE使編寫代碼并將其上傳到CE變得容易。它可以在視窗、Mac OS X 和 Linux 上運(yùn)行。該環(huán)境是用Java編寫的，并且基于處理和其他開源軟件。

硬件和用戶接口

建議的系統(tǒng)硬件包括一個具有 Wi-Fi 功能的 Pi 2 和 ESP8266、連接到數(shù)字輸出以進(jìn)行切換的繼電器以及一部支持 Wi-Fi 的電話。硬件易于使用和實施，并且也隨時可用。

在這里，我們提出了一個系統(tǒng)，其中Raspberry Pi 2，專用的主節(jié)點(diǎn)和專用的從節(jié)點(diǎn)用于與家中的設(shè)備集成。Pi 2 用作數(shù)據(jù)庫、接口和 Web 服務(wù)器。它控制從屬節(jié)點(diǎn)。每個從屬節(jié)點(diǎn)都連接到一個或多個類似類型的設(shè)備，并將根據(jù)來自主節(jié)點(diǎn)的命令對這些設(shè)備進(jìn)行控制。主站和從站之間的通信是使用射頻無線的。

由于網(wǎng)絡(luò)中涉及各種設(shè)備，傳感器和執(zhí)行器，家庭自動化基礎(chǔ)設(shè)施通常非常復(fù)雜。在用戶和系統(tǒng)之間設(shè)計界面的挑戰(zhàn)之一是，用戶可以輕松地將其家庭中的物理設(shè)備與用戶界面中的適用元素相關(guān)聯(lián)。

幾十年來，智能手機(jī)的興起為我們考慮如何與互聯(lián)網(wǎng)交互開創(chuàng)了新的移動先例，但專門設(shè)計的物聯(lián)網(wǎng)用戶界面設(shè)計為用戶提供了最佳體驗。

結(jié)論

由此產(chǎn)生的系統(tǒng)是靈活的，并且有可能集成所有家用設(shè)備。由于其開源軟件和模塊化設(shè)計，該設(shè)計還能夠無縫集成到任何家庭環(huán)境中。但是，此解決方案仍有許多方面需要評估，例如安全性、使此解決方案更具可擴(kuò)展性的更多連接選項、CE 模塊的電源管理、穩(wěn)定性和自適應(yīng)用戶界面。

審核編輯：郭婷