本文的嘗試是使用開源軟件和硬件，使開發(fā)能夠在現(xiàn)有的開源社區(qū)內(nèi)繼續(xù)進行?；谀K化設(shè)計和靈活性，這種系統(tǒng)可以在沒有專業(yè)技能或環(huán)境改變的情況下安裝和配置。

簡單定義一下，智能家居系統(tǒng)是電子設(shè)備的集成（包括驅(qū)動非電子裝置，例如百葉窗）并通過智能系統(tǒng)或用戶通過藍牙或Wi-Fi等通信媒介對家庭環(huán)境進行監(jiān)測和控制，并由計算機進行協(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(lián)網(wǎng)訪問該系統(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，以適應(yīng)特定的消費者家庭環(huán)境和需求。這些系統(tǒng)在設(shè)計上很復(fù)雜，不夠靈活，無法滿足習(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(tǒng)的發(fā)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(gòu)和可擴展的智能家居系統(tǒng)。為了作為一個可以繼續(xù)進行研究的平臺，它應(yīng)該最大限度地利用開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。這將使第三方社區(qū)和每一個客戶能夠重新配置系統(tǒng)，使之符合每個獨特家庭的要求。

根據(jù)這些考慮，可以嘗試在樹莓派2代開發(fā)板上運行。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，這兩個系統(tǒng)都是開源操作系統(tǒng)。

系統(tǒng)的其余部分是圍繞個樹莓派2代設(shè)計的，它使用了模塊化的主/從系統(tǒng)設(shè)計。主節(jié)點和所有從節(jié)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(tǒng)，或者通過互聯(lián)網(wǎng)進行遠程訪問。 在這里，某些環(huán)境傳感器和電子執(zhí)行器與每個從節(jié)點保含在一起。用戶界面是作為本地托管的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器開發(fā)的，或者時安裝在智能手機上的某些應(yīng)用程序，使得系統(tǒng)可以在幾乎所有裝有瀏覽器的設(shè)備中進行控制。

開源嘗試分為以下幾個方面：

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是通過輸入和輸出設(shè)備與物理世界互動的底層模塊。

系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)

架構(gòu)的一個關(guān)鍵要素是連接各種系統(tǒng)模塊的通信網(wǎng)絡(luò)。這個網(wǎng)絡(luò)是至關(guān)重要的，因為它可能會影響系統(tǒng)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(xié)議。

我們希望網(wǎng)絡(luò)能夠簡單地實現(xiàn)在CE上的實現(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。 如果沒有這種關(guān)注，它們的成本就會大幅增加，整個系統(tǒng)也會發(fā)生同樣的情況，因為CE數(shù)量很多。

系統(tǒng)硬件和軟件

CE非常簡單，每個都執(zhí)行一個專門的任務(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(guān)硬件。這節(jié)省了微控制器，但在SE中的軟件非常復(fù)雜（因為有幾個任務(wù)是實時的，因此排除了操作系統(tǒng)內(nèi)核的使用，并迫使任務(wù)調(diào)度通過嚴格的中斷時間來完成）。 這個新的結(jié)果通過將軟件的基本功能從SE解耦到CE中，使軟件開發(fā)變得相對簡單。

SE擁有一個更復(fù)雜更強大的控制器（80x86，ARM 兼容微處理器）。它們的功能是實現(xiàn)系統(tǒng)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(tǒng)（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(shè)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(huán)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(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現(xiàn)，并且也很容易獲得。

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

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)計一個界面的挑戰(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。

智能手機的崛起為思考如何與互聯(lián)網(wǎng)互動開創(chuàng)了一個新的移動先例，但是專門設(shè)計的物聯(lián)網(wǎng)用戶界面可以為用戶提供最好的體驗。

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?；陂_源軟件和模塊化設(shè)計，這種設(shè)計能夠無縫地集成到任何家庭環(huán)境中。 然而，這個解決方案中仍然有許多領(lǐng)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(wěn)定性，以及一個自適應(yīng)的用戶界面等等。