隨著智能音箱的熱賣，各種各樣的智能家庭解決方案也如雨后春筍，但大多數(shù)都需要專業(yè)人員和熟練工作人員來(lái)安裝/部署這些解決方案。此外，這些解決方案大多無(wú)法順利融入已有的家庭環(huán)境(所謂的后裝市場(chǎng))。為了彌合消費(fèi)者和專家之間的差距，并允許在不對(duì)建筑物進(jìn)行實(shí)際改動(dòng)的情況下融入任何現(xiàn)有的家庭環(huán)境，需要一個(gè)具有無(wú)縫集成潛力的模塊化智能家居方案。

本文的嘗試是使用開(kāi)源軟件和硬件，使開(kāi)發(fā)能夠在現(xiàn)有的開(kāi)源社區(qū)內(nèi)繼續(xù)進(jìn)行。基于模塊化設(shè)計(jì)和靈活性，這種系統(tǒng)可以在沒(méi)有專業(yè)技能或環(huán)境改變的情況下安裝和配置。

簡(jiǎn)單定義一下，智能家居系統(tǒng)是電子設(shè)備的集成(包括驅(qū)動(dòng)非電子裝置，例如百葉窗)并通過(guò)智能系統(tǒng)或用戶通過(guò)藍(lán)牙或Wi-Fi等通信媒介對(duì)家庭環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制，并由計(jì)算機(jī)進(jìn)行協(xié)調(diào)工作。

在這種相互關(guān)聯(lián)的環(huán)境中，任務(wù)可以變得更加直觀和有效。家庭網(wǎng)絡(luò)處理所有的通信，用戶可以通過(guò)個(gè)人電腦、智能手機(jī)或平板電腦在家中或遠(yuǎn)程地點(diǎn)通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)訪問(wèn)該系統(tǒng)。信息技術(shù)與家庭環(huán)境的融合使得系統(tǒng)和設(shè)備能夠在便捷、能源效率和安全方面發(fā)揮作用。因此，智能家居的整體架構(gòu)包括與家庭網(wǎng)絡(luò)、用戶和行業(yè)服務(wù)提供商相連的家庭設(shè)備。

現(xiàn)有的智能家居系統(tǒng)是一種特殊的設(shè)計(jì)，以適應(yīng)特定的消費(fèi)者家庭環(huán)境和需求。這些系統(tǒng)在設(shè)計(jì)上很復(fù)雜，不夠靈活，無(wú)法滿足習(xí)慣要求，而且往往嵌入家庭的物理結(jié)構(gòu)。它們也很貴，阻礙了普通消費(fèi)者的采用，并限制了重新配置和擴(kuò)大的可能性，以滿足消費(fèi)者不斷變化的需求。此外，開(kāi)源軟件被排除開(kāi)外也阻礙了智能家居系統(tǒng)的發(fā)展和擴(kuò)展。

為了解決這些問(wèn)題，這里提出了一種基于無(wú)縫集成、開(kāi)源軟件、可重構(gòu)和可擴(kuò)展的智能家居系統(tǒng)。為了作為一個(gè)可以繼續(xù)進(jìn)行研究的平臺(tái)，它應(yīng)該最大限度地利用開(kāi)放源碼的硬件和軟件，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，從而形成模塊化設(shè)計(jì)。這將使第三方社區(qū)和每一個(gè)客戶能夠重新配置系統(tǒng)，使之符合每個(gè)獨(dú)特家庭的要求。

根據(jù)這些考慮，可以嘗試在樹莓派2代開(kāi)發(fā)板上運(yùn)行(圖1)。許多不同的操作系統(tǒng)可以被加載到樹莓派2代上，其中包括Linux 和 Android，這兩個(gè)系統(tǒng)都是開(kāi)源操作系統(tǒng)。

圖1 | 一個(gè)樹莓派2代開(kāi)發(fā)板

系統(tǒng)的其余部分是圍繞個(gè)樹莓派2代設(shè)計(jì)的，它使用了模塊化的主/從系統(tǒng)設(shè)計(jì)。主節(jié)點(diǎn)和所有從節(jié)點(diǎn)通過(guò)家庭 Wi-Fi 路由器連接和通信。用戶可以通過(guò) wifi 在本地訪問(wèn)該系統(tǒng)，或者通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行遠(yuǎn)程訪問(wèn)。 在這里，某些環(huán)境傳感器和電子執(zhí)行器與每個(gè)從節(jié)點(diǎn)保含在一起。用戶界面是作為本地托管的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器開(kāi)發(fā)的，或者時(shí)安裝在智能手機(jī)上的某些應(yīng)用程序，使得系統(tǒng)可以在幾乎所有裝有瀏覽器的設(shè)備中進(jìn)行控制。

圖2中可以看到一個(gè)簡(jiǎn)單的對(duì)角線表示。紅色箭頭表示只在主節(jié)點(diǎn)和用戶設(shè)備之間傳輸通信，而藍(lán)色箭頭表示的是只在主節(jié)點(diǎn)和從節(jié)點(diǎn)之間傳輸通信。

圖2 | 整個(gè)系統(tǒng)布局示意圖

開(kāi)源嘗試分為以下幾個(gè)方面:

• 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)

系統(tǒng)架構(gòu)只使用兩種類型的模塊: 主管引擎(SE)和控制引擎(CE) ，這兩種模塊通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)相互連接。

圖3 | 系統(tǒng)架構(gòu)

如圖3所示，該系統(tǒng)具有分布式的特性，并且是在兩個(gè)層次的組織結(jié)構(gòu)中。 SE是上層模塊，它們基本上執(zhí)行監(jiān)督任務(wù)。 CE是通過(guò)輸入和輸出設(shè)備與物理世界互動(dòng)的底層模塊。

系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)

架構(gòu)的一個(gè)關(guān)鍵要素是連接各種系統(tǒng)模塊的通信網(wǎng)絡(luò)。這個(gè)網(wǎng)絡(luò)是至關(guān)重要的，因?yàn)樗赡軙?huì)影響系統(tǒng)的幾個(gè)特性，例如性能、靈活性和成本。這里使用 MQTT，一個(gè) m2m/IoT的連接協(xié)議。

我們希望網(wǎng)絡(luò)能夠簡(jiǎn)單地實(shí)現(xiàn)在CE上的實(shí)現(xiàn)，而不需要添加任何特定的硬件或大大增加這些模塊的處理和內(nèi)存需求。 如果沒(méi)有這種關(guān)注，它們的成本就會(huì)大幅增加，整個(gè)系統(tǒng)也會(huì)發(fā)生同樣的情況，因?yàn)镃E數(shù)量很多。

系統(tǒng)硬件和軟件

CE非常簡(jiǎn)單，每個(gè)都執(zhí)行一個(gè)專門的任務(wù)(照明控制，數(shù)字輸入 / 輸出，紅外遙控等)。 基本上，他們是有著基本的微控制器(PIC)和 I/O的硬件。這與之前的原型形成了鮮明對(duì)比，在這個(gè)版本中，所有的智能都是在SE中建立起來(lái)的，而CE只不過(guò)是 I/O相關(guān)硬件。這節(jié)省了微控制器，但在SE中的軟件非常復(fù)雜(因?yàn)橛袔讉€(gè)任務(wù)是實(shí)時(shí)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(guò)嚴(yán)格的中斷時(shí)間來(lái)完成)。 這個(gè)新的結(jié)果通過(guò)將軟件的基本功能從SE解耦到CE中，使軟件開(kāi)發(fā)變得相對(duì)簡(jiǎn)單。

SE擁有一個(gè)更復(fù)雜更強(qiáng)大的控制器(80x86，ARM 兼容微處理器)。它們的功能是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的智能，正如在PC界面中編程的那樣，這里使用樹莓派作為SE，它是一個(gè)小巧而且價(jià)格實(shí)惠的計(jì)算機(jī)，其特點(diǎn)是在芯片上的Broadcom 系統(tǒng)(SOC)中包括了一個(gè)ARM-compatible 的 CPU。

對(duì)于CE來(lái)說(shuō)，可以使用ESP8266，這是一個(gè)低成本的 Wi-Fi 芯片，具有完整的TCP/IP堆棧和微控制器功能，可以通過(guò)輸入和輸出設(shè)備來(lái)控制與物理世界互動(dòng)的底層模塊。

此外，一個(gè)專門的開(kāi)源 Arduino 軟件IDE使得編寫代碼并上傳到CE會(huì)很容易。它運(yùn)行在 Windows、 Mac OS x 和 Linux上。 環(huán)境是用Java 編寫的，基于 Processing 和其他開(kāi)源軟件。

硬件和用戶接口

這里所嘗試的系統(tǒng)硬件包括了具有Wi-Fi功能的樹莓派2代和ESP8266、連接到數(shù)字輸出以供切換的繼電器和一部能夠使用Wi-Fi的電話。這些硬件易于使用和實(shí)現(xiàn)，并且也很容易獲得。

這個(gè)系統(tǒng)使用一個(gè)樹莓派2代作為一個(gè)專門構(gòu)建的主節(jié)點(diǎn)，以及專門構(gòu)建的從節(jié)點(diǎn)與家中的電器整合。樹莓派2代作為數(shù)據(jù)庫(kù)、接口和web服務(wù)器。 它控制著從節(jié)點(diǎn)。每個(gè)從節(jié)點(diǎn)連接到一個(gè)或多個(gè)類似類型的設(shè)備，并將根據(jù)主節(jié)點(diǎn)的命令對(duì)這些設(shè)備進(jìn)行控制。 主從之間的通信是無(wú)線通信。

由于網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備、傳感器和執(zhí)行器種類繁多，家庭自動(dòng)化基礎(chǔ)設(shè)施通常相當(dāng)復(fù)雜。 在用戶和系統(tǒng)之間設(shè)計(jì)一個(gè)界面的挑戰(zhàn)之一是如何使用戶能夠很容易地將其家庭中的物理設(shè)備與用戶界面中的適用元素聯(lián)系起來(lái)。

智能手機(jī)的崛起為思考如何與互聯(lián)網(wǎng)互動(dòng)開(kāi)創(chuàng)了一個(gè)新的移動(dòng)先例，但是專門設(shè)計(jì)的物聯(lián)網(wǎng)用戶界面可以為用戶提供最好的體驗(yàn)。

小結(jié)

本文嘗試的系統(tǒng)具有靈活性，有可能整合所有家用設(shè)備。基于開(kāi)源軟件和模塊化設(shè)計(jì)，這種設(shè)計(jì)能夠無(wú)縫地集成到任何家庭環(huán)境中。 然而，這個(gè)解決方案中仍然有許多領(lǐng)域需要評(píng)估，比如安全性，更多的連接選項(xiàng)，更具可擴(kuò)展性，對(duì)CE模塊的電源管理，穩(wěn)定性，以及一個(gè)自適應(yīng)的用戶界面等等。

【本文來(lái)自51CTO專欄作者“老曹”的原創(chuàng)文章，作者微信公眾號(hào)：喔家ArchiSelf,id:wrieless-com】

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