智能家居系統的開源嘗試
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，但大多數都需要專業人員和熟練工作人員來安裝/部署這些解決方案。此外，這些解決方案大多無法順利融入已有的家庭環境(所謂的后裝市場)。為了彌合消費者和專家之間的差距，并允許在不對建筑物進行實際改動的情況下融入任何現有的家庭環境，需要一個具有無縫集成潛力的模塊化智能家居方案。
本文的嘗試是使用開源軟件和硬件，使開發能夠在現有的開源社區內繼續進行。基于模塊化設計和靈活性，這種系統可以在沒有專業技能或環境改變的情況下安裝和配置。
簡單定義一下，智能家居系統是電子設備的集成(包括驅動非電子裝置，例如百葉窗)并通過智能系統或用戶通過藍牙或Wi-Fi等通信媒介對家庭環境進行監測和控制，并由計算機進行協調工作。
在這種相互關聯的環境中，任務可以變得更加直觀和有效。家庭網絡處理所有的通信，用戶可以通過個人電腦、智能手機或平板電腦在家中或遠程地點通過互聯網訪問該系統。信息技術與家庭環境的融合使得系統和設備能夠在便捷、能源效率和安全方面發揮作用。因此，智能家居的整體架構包括與家庭網絡、用戶和行業服務提供商相連的家庭設備。
現有的智能家居系統是一種特殊的設計，以適應特定的消費者家庭環境和需求。這些系統在設計上很復雜，不夠靈活，無法滿足習慣要求，而且往往嵌入家庭的物理結構。它們也很貴，阻礙了普通消費者的采用，并限制了重新配置和擴大的可能性，以滿足消費者不斷變化的需求。此外，開源軟件被排除開外也阻礙了智能家居系統的發展和擴展。
為了解決這些問題，這里提出了一種基于無縫集成、開源軟件、可重構和可擴展的智能家居系統。為了作為一個可以繼續進行研究的平臺，它應該最大限度地利用開放源碼的硬件和軟件，還應該允許傳感器和執行器的多種配置，并且易于修改，從而形成模塊化設計。這將使第三方社區和每一個客戶能夠重新配置系統，使之符合每個獨特家庭的要求。
根據這些考慮，可以嘗試在樹莓派2代開發板上運行(圖1)。許多不同的操作系統可以被加載到樹莓派2代上，其中包括Linux 和 Android，這兩個系統都是開源操作系統。
圖1 | 一個樹莓派2代開發板
系統的其余部分是圍繞個樹莓派2代設計的，它使用了模塊化的主/從系統設計。主節點和所有從節點通過家庭 Wi-Fi 路由器連接和通信。用戶可以通過 wifi 在本地訪問該系統，或者通過互聯網進行遠程訪問。 在這里，某些環境傳感器和電子執行器與每個從節點保含在一起。用戶界面是作為本地托管的網絡服務器開發的，或者時安裝在智能手機上的某些應用程序，使得系統可以在幾乎所有裝有瀏覽器的設備中進行控制。
圖2中可以看到一個簡單的對角線表示。紅色箭頭表示只在主節點和用戶設備之間傳輸通信，而藍色箭頭表示的是只在主節點和從節點之間傳輸通信。
圖2 | 整個系統布局示意圖
開源嘗試分為以下幾個方面:
- 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
系統架構只使用兩種類型的模塊: 主管引擎(SE)和控制引擎(CE) ，這兩種模塊通過通信網絡相互連接。
圖3 | 系統架構
如圖3所示，該系統具有分布式的特性，并且是在兩個層次的組織結構中。 SE是上層模塊，它們基本上執行監督任務。 CE是通過輸入和輸出設備與物理世界互動的底層模塊。
系統網絡
架構的一個關鍵要素是連接各種系統模塊的通信網絡。這個網絡是至關重要的，因為它可能會影響系統的幾個特性，例如性能、靈活性和成本。這里使用 MQTT，一個 m2m/IoT的連接協議。
我們希望網絡能夠簡單地實現在CE上的實現，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存需求。 如果沒有這種關注，它們的成本就會大幅增加，整個系統也會發生同樣的情況，因為CE數量很多。
系統硬件和軟件
CE非常簡單，每個都執行一個專門的任務(照明控制，數字輸入 / 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比，在這個版本中，所有的智能都是在SE中建立起來的，而CE只不過是 I/O相關硬件。這節省了微控制器，但在SE中的軟件非常復雜(因為有幾個任務是實時的，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間來完成)。 這個新的結果通過將軟件的基本功能從SE解耦到CE中，使軟件開發變得相對簡單。
SE擁有一個更復雜更強大的控制器(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，它是一個小巧而且價格實惠的計算機，其特點是在芯片上的Broadcom 系統(SOC)中包括了一個ARM-compatible 的 CPU。
對于CE來說，可以使用ESP8266，這是一個低成本的 Wi-Fi 芯片，具有完整的TCP/IP堆棧和微控制器功能，可以通過輸入和輸出設備來控制與物理世界互動的底層模塊。
此外，一個專門的開源 Arduino 軟件IDE使得編寫代碼并上傳到CE會很容易。它運行在 Windows、 Mac OS x 和 Linux上。 環境是用Java 編寫的，基于 Processing 和其他開源軟件。
硬件和用戶接口
這里所嘗試的系統硬件包括了具有Wi-Fi功能的樹莓派2代和ESP8266、連接到數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現，并且也很容易獲得。
這個系統使用一個樹莓派2代作為一個專門構建的主節點，以及專門構建的從節點與家中的電器整合。樹莓派2代作為數據庫、接口和web服務器。 它控制著從節點。每個從節點連接到一個或多個類似類型的設備，并將根據主節點的命令對這些設備進行控制。 主從之間的通信是無線通信。
由于網絡中的設備、傳感器和執行器種類繁多，家庭自動化基礎設施通常相當復雜。 在用戶和系統之間設計一個界面的挑戰之一是如何使用戶能夠很容易地將其家庭中的物理設備與用戶界面中的適用元素聯系起來。
智能手機的崛起為思考如何與互聯網互動開創了一個新的移動先例，但是專門設計的物聯網用戶界面可以為用戶提供最好的體驗。
小結
本文嘗試的系統具有靈活性，有可能整合所有家用設備。基于開源軟件和模塊化設計，這種設計能夠無縫地集成到任何家庭環境中。 然而，這個解決方案中仍然有許多領域需要評估，比如安全性，更多的連接選項，更具可擴展性，對CE模塊的電源管理，穩定性，以及一個自適應的用戶界面等等。
【本文來自51CTO專欄作者“老曹”的原創文章，作者微信公眾號：喔家ArchiSelf,id:wrieless-com】
