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)正常運行的家庭環(huán)境中的潛力。為了彌合消費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)進行開發(fā)。由于其模塊化設計和靈活性，這種類型的系統(tǒng)無需專業(yè)技能或?qū)Νh(huán)境本身進行物理更改即可進行安裝和配置。

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)（如藍牙或Wi-Fi）并由計算機協(xié)調(diào)來集成電氣設備（包括致動百葉窗等非電氣設備）和家庭環(huán)境的監(jiān)視和控制。

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

現(xiàn)有的智能家居自動化系統(tǒng)經(jīng)過獨特設計，可滿足特定消費者的家庭環(huán)境和要求。這些系統(tǒng)設計復雜，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構中 - 它們也很昂貴，這阻止了普通消費者的采用，并限制了重新配置和擴展的潛力，以滿足消費者不斷變化的需求。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，可重新配置和可擴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，它應該最大限度地利用開源硬件和軟件。它還應該允許傳感器和執(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 設計，Pi 2 采用模塊化從站/主站系統(tǒng)設計。主節(jié)點和所有從節(jié)點都連接到家庭Wi-Fi路由器并通過其進行通信。用戶可以通過Wi-Fi本地或通過互聯(lián)網(wǎng)遠程訪問系統(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服務器或通過智能手機上安裝的任何應用程序開發(fā)，允許從幾乎任何配備瀏覽器的設備控制系統(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)點和用戶設備之間傳輸?shù)挠脩舳送ㄐ?，而藍色箭頭表示僅在主節(jié)點和從節(jié)點之間傳輸?shù)膹膶俣送ㄐ拧?/p>

本研究分為以下幾個領域：

系統(tǒng)架構

系統(tǒng)網(wǎng)絡

系統(tǒng)硬件和軟件

硬件和用戶接口

系統(tǒng)架構

所提出的架構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，并按兩級層次結構進行組織。SE 是高級模塊，它們實質(zhì)上執(zhí)行監(jiān)督任務。CE 是通過輸入和輸出設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］

系統(tǒng)網(wǎng)絡

所提出的架構的一個關鍵要素是互連各種系統(tǒng)模塊的通信網(wǎng)絡。該網(wǎng)絡至關重要，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（照明控制，數(shù)字輸入/輸出，紅外遠程接收器等）。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中的軟件非常復雜（因為一些任務是硬實時的，因此排除了操作系統(tǒng)內(nèi)核的使用，并迫使任務調(diào)度通過嚴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 具有更復雜和更強大的控制器（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，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)點和專用的從節(jié)點用于與家中的設備集成。Pi 2 用作數(shù)據(jù)庫、接口和 Web 服務器。它控制從屬節(jié)點。每個從屬節(jié)點都連接到一個或多個類似類型的設備，并將根據(jù)來自主節(jié)點的命令對這些設備進行控制。主站和從站之間的通信是使用射頻無線的。

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

幾十年來，智能手機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，但專門設計的物聯(lián)網(wǎng)用戶界面設計為用戶提供了最佳體驗。

結論

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備。由于其開源軟件和模塊化設計，該設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)定性和自適應用戶界面。

審核編輯：郭婷