开源家庭自动化解决方案

一个无缝集成，开源软件，基于软件，可重新配置和可扩展的智能家居自动化系统，使用Raspberry Pi 2。

各种各样的家庭自动化解决方案正在开发中 - 但其中大多数需要专业人员和熟练的员工来安装和/或操作它们。此外，这些解决方案中的大多数都缺乏无缝集成到已经正常运行的家庭环境中的潜力。为了弥合消费者和专家之间的差距，并允许集成到任何现有的家庭环境中，而无需对建筑物进行物理更改，需要一个具有无缝集成潜力的模块化家庭自动化解决方案。

拟议的系统使用开源软件和硬件，允许在现有的开源社区内继续进行开发。由于其模块化设计和灵活性，这种类型的系统无需专业技能或对环境本身进行物理更改即可进行安装和配置。

根据定义，智能家居自动化系统是通过智能系统或用户通过通信介质（如蓝牙或Wi-Fi）并由计算机协调来集成电气设备（包括致动百叶窗等非电气设备）和家庭环境的监视和控制。

在这种互联环境中，任务可以变得更加直观和有效。家庭网络处理所有通信，用户可以通过个人计算机，智能手机或平板电脑从家庭内部或通过Internet从远程位置访问系统。将信息技术集成到家庭环境中，使系统和电器能够以便利、节能和安全优势运行。因此，整个智能家居架构由家庭中连接到家庭网络的设备和电器、用户和行业服务提供商组成。

现有的智能家居自动化系统经过独特设计，可满足特定消费者的家庭环境和要求。这些系统设计复杂，不够灵活，无法满足定制要求，并且通常嵌入到家庭的物理结构中 - 它们也很昂贵，这阻止了普通消费者的采用，并限制了重新配置和扩展的潜力，以满足消费者不断变化的需求。此外，排除开源软件也阻碍了智能家居自动化系统的增长和扩展。

为了解决这些问题，提出了一种无缝集成，开源软件为基础，可重新配置和可扩展的智能家居自动化系统。为了作为一个可以继续研究的平台，它应该最大限度地利用开源硬件和软件。它还应该允许传感器和执行器的多种配置，并且易于修改，从而实现模块化设计。这将允许第三方社区和每个客户重新配置系统，使其适合每个独特家庭的要求。

从所考虑的概念来看，决定系统将在树莓派2开发板上运行。许多不同的操作系统可以加载到Pi 2上，包括Linux和Android，这两个操作系统都是开源操作系统。

系统的其余部分围绕 Pi 2 设计，Pi 2 采用模块化从站/主站系统设计。主节点和所有从节点都连接到家庭Wi-Fi路由器并通过其进行通信。用户可以通过Wi-Fi本地或通过互联网远程访问系统。在此概念中，每个从站都包含某些环境传感器和电子执行器。用户界面开发为本地托管的Web服务器或通过智能手机上安装的任何应用程序开发，允许从几乎任何配备浏览器的设备控制系统。

图 2 中显示了一个简单的图表表示形式。红色箭头表示仅在主节点和用户设备之间传输的用户端通信，而蓝色箭头表示仅在主节点和从节点之间传输的从属端通信。

本研究分为以下几个领域：

系统架构

系统网络

系统硬件和软件

硬件和用户接口

系统架构

所提出的架构仅使用两种类型的模块：监控引擎（SE）和控制引擎（CE），它们通过通信网络互连。

如图 3 所示，该系统具有分布式特性，并按两级层次结构进行组织。SE 是高级模块，它们实质上执行监督任务。CE 是通过输入和输出设备与物理世界交互的低级模块。

［图2 |描述整个系统布局的图表］

［图3|系统架构］

系统网络

所提出的架构的一个关键要素是互连各种系统模块的通信网络。该网络至关重要，因为它可能会影响系统的几个特征，例如性能，灵活性和成本。但是，我们决定使用 MQTT，这是一种 M2M/物联网连接协议。

我们希望网络简单，允许在CE上实现，而无需添加任何特定硬件或显着增加这些模块的处理和内存要求。如果没有这种照顾，它们的成本可能会急剧增加，整个系统也会发生同样的情况，因为CE很多。

系统硬件和软件

CE非常简单，每个CE都执行一项专用任务（照明控制，数字输入/输出，红外远程接收器等）。从本质上讲，它们具有基本的微控制器（PIC）和I / O硬件。这与以前版本的原型形成鲜明对比，在之前版本中，所有智能都构建在 SE 中，而 CE 只是 I/O 卡。这节省了微控制器，但使SE中的软件非常复杂（因为一些任务是硬实时的，因此排除了操作系统内核的使用，并迫使任务调度通过严格的中断时序来完成）。这个新组织通过将基本功能从 SE 分离到 CE 中，使软件开发变得更加简单。

SE 具有更复杂和更强大的控制器（80x86，ARM 兼容微处理器）。它们的功能是实现系统智能，如PC接口编程的那样，与处理低级任务的CE相反。我们使用树莓派作为SE，这是一款小巧且价格合理的计算机，具有博通片上系统（SOC），其中包括与ARM兼容的CPU。

对于CE，我们决定选择ESP8266，这是一款低成本的Wi-Fi芯片，具有完整的TCP/IP堆栈和微控制器功能，可控制通过输入和输出设备与物理世界交互的低级模块。

此外，专用的开源Arduino软件IDE使编写代码并将其上传到CE变得容易。它可以在视窗、Mac OS X 和 Linux 上运行。该环境是用Java编写的，并且基于处理和其他开源软件。

硬件和用户接口

建议的系统硬件包括一个具有 Wi-Fi 功能的 Pi 2 和 ESP8266、连接到数字输出以进行切换的继电器以及一部支持 Wi-Fi 的电话。硬件易于使用和实施，并且也随时可用。

在这里，我们提出了一个系统，其中Raspberry Pi 2，专用的主节点和专用的从节点用于与家中的设备集成。Pi 2 用作数据库、接口和 Web 服务器。它控制从属节点。每个从属节点都连接到一个或多个类似类型的设备，并将根据来自主节点的命令对这些设备进行控制。主站和从站之间的通信是使用射频无线的。

由于网络中涉及各种设备，传感器和执行器，家庭自动化基础设施通常非常复杂。在用户和系统之间设计界面的挑战之一是，用户可以轻松地将其家庭中的物理设备与用户界面中的适用元素相关联。

几十年来，智能手机的兴起为我们考虑如何与互联网交互开创了新的移动先例，但专门设计的物联网用户界面设计为用户提供了最佳体验。

结论

由此产生的系统是灵活的，并且有可能集成所有家用设备。由于其开源软件和模块化设计，该设计还能够无缝集成到任何家庭环境中。但是，此解决方案仍有许多方面需要评估，例如安全性、使此解决方案更具可扩展性的更多连接选项、CE 模块的电源管理、稳定性和自适应用户界面。

审核编辑：郭婷