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，使用Raspberry Pi 2。

各種各樣的家庭自動化解決方案正在開發中 - 但其中大多數需要專業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都缺乏無縫集成到已經正常運行的家庭環境中的潛力。為了彌合消費者和專家之間的差距，并允許集成到任何現有的家庭環境中，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。

擬議的系統使用開源軟件和硬件，允許在現有的開源社區內繼續進行開發。由于其模塊化設計和靈活性，這種類型的系統無需專業技能或對環境本身進行物理更改即可進行安裝和配置。

根據定義，智能家居自動化系統是通過智能系統或用戶通過通信介質（如藍牙或Wi-Fi）并由計算機協調來集成電氣設備（包括致動百葉窗等非電氣設備）和家庭環境的監視和控制。

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

現有的智能家居自動化系統經過獨特設計，可滿足特定消費者的家庭環境和要求。這些系統設計復雜，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。為了作為一個可以繼續研究的平臺，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行器的多種配置，并且易于修改，從而實現模塊化設計。這將允許第三方社區和每個客戶重新配置系統，使其適合每個獨特家庭的要求。

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

系統的其余部分圍繞 Pi 2 設計，Pi 2 采用模塊化從站/主站系統設計。主節點和所有從節點都連接到家庭Wi-Fi路由器并通過其進行通信。用戶可以通過Wi-Fi本地或通過互聯網遠程訪問系統。在此概念中，每個從站都包含某些環境傳感器和電子執行器。用戶界面開發為本地托管的Web服務器或通過智能手機上安裝的任何應用程序開發，允許從幾乎任何配備瀏覽器的設備控制系統。

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點和用戶設備之間傳輸的用戶端通信，而藍色箭頭表示僅在主節點和從節點之間傳輸的從屬端通信。

本研究分為以下幾個領域：

系統架構

系統網絡

系統硬件和軟件

硬件和用戶接口

系統架構

所提出的架構僅使用兩種類型的模塊：監控引擎（SE）和控制引擎（CE），它們通過通信網絡互連。

如圖 3 所示，該系統具有分布式特性，并按兩級層次結構進行組織。SE 是高級模塊，它們實質上執行監督任務。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 |描述整個系統布局的圖表］

［圖3|系統架構］

系統網絡

所提出的架構的一個關鍵要素是互連各種系統模塊的通信網絡。該網絡至關重要，因為它可能會影響系統的幾個特征，例如性能，靈活性和成本。但是，我們決定使用 MQTT，這是一種 M2M/物聯網連接協議。

我們希望網絡簡單，允許在CE上實現，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，整個系統也會發生同樣的情況，因為CE很多。

系統硬件和軟件

CE非常簡單，每個CE都執行一項專用任務（照明控制，數字輸入/輸出，紅外遠程接收器等）。從本質上講，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內核的使用，并迫使任務調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）。它們的功能是實現系統智能，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（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

建議的系統硬件包括一個具有 Wi-Fi 功能的 Pi 2 和 ESP8266、連接到數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，其中Raspberry Pi 2，專用的主節點和專用的從節點用于與家中的設備集成。Pi 2 用作數據庫、接口和 Web 服務器。它控制從屬節點。每個從屬節點都連接到一個或多個類似類型的設備，并將根據來自主節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。

由于網絡中涉及各種設備，傳感器和執行器，家庭自動化基礎設施通常非常復雜。在用戶和系統之間設計界面的挑戰之一是，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。

幾十年來，智能手機的興起為我們考慮如何與互聯網交互開創了新的移動先例，但專門設計的物聯網用戶界面設計為用戶提供了最佳體驗。

結論

由此產生的系統是靈活的，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、穩定性和自適應用戶界面。

審核編輯：郭婷