閱讀有關如何使用 IoT 實施家庭自動化的教程博客。它涵蓋了軟體、硬體、感測器、協議、架構和平台。
是什麼真正會迫使某人，實際開發一種基於物聯網的完整家庭自動化系統的產品？是否是需要提高你家的安全性，是否是渴望過上千禧一代夢寐以求的類似 Jetson 的生活。
很難說，建構家庭自動化平台所需的技術，通常更加難以可視化。
由於軟體、硬體和網路生態系統帶來的複雜性，為你的智慧家庭產品學習、理解，和使用正確的家庭自動化技術變得極為重要。
我們希望透過這篇報導解決一些問題。
物聯網家庭自動化：入門
家庭自動化包含三個主要部分：
- 硬體
- 軟體/應用 app
- 通訊協議
這些部分中的每一個對於為你的客戶，打造真正的智慧家居體驗同樣重要。擁有合適的硬體能夠迭代開發你的 IoT 原型，並輕鬆響應技術關鍵點。
選擇經過正確測試和仔細考慮的協議，可幫助你避免性能瓶頸，否則會限制技術和設備與感測器和物聯網 Gateway 的整合能力。
另一個重要的考慮因素，是駐留在硬體中的韌體，用於管理數據、管理數據傳輸、韌體 OTA 更新，以及執行其他關鍵操作以使事情說話。
家庭自動化的應用
重建消費者的期望，家庭自動化預計將針對新的數位消費者的廣泛應用。消費者可以期望看到家庭自動化主導的物聯網連接的一些領域是：
- 照明控制
- 暖通空調
- 草坪/園藝管理
- 智慧家電
- 改善家庭安全和保全
- 家庭空氣品質和水質監測
- 基於自然語言的語音助手
- 更好的資訊娛樂交付
- 人工智慧驅動的數位體驗
- 智慧開關
- 智慧門鎖
- 智慧電錶
該列表仍然不是詳盡無遺的，並且會隨著時間的發展而發展，以適應新的物聯網用例。
現在你已經熟悉了家庭自動化的應用，讓我們詳細了解建構典型的家庭自動化原型所涉及的組件。
家庭自動化組件
我們之前已經討論過它們，但是，讓我們清楚地將它們分成組件，最終幫助你建構一個真實的模型，了解建構智慧家庭所涉及的主要組件。主要組件可以分為：
- 物聯網感測器
- 物聯網閘道器（Gateway）
- 物聯網協議
- 物聯網韌體
- 物聯網雲和數據庫
- 物聯網韌體（如果需要）
涉及家庭自動化的物聯網感測器數以千計，還有數百個家庭自動化 Gateway。大多數韌體是用 C、Python、Node.Js 或任何其他編程語言編寫的。
物聯網雲中最大的參與者，可以分為平台即服務（PaaS）和基礎設施即服務（LaaS）。
作為服務提供商的主要物聯網平台：
- AWS 物聯網
- Azure 聯網
- Thingworx
- Ubidots
- Thingspeak
- Carriots
- Konekt
- TempoIQ
- Xively
- IBM Bluemix
物聯網平台的特點
同樣，這些平台在物聯網應用，和它們提供的安全相關功能方面，存在極大分歧。其中一些平台是開源的。
讓我們看看你應該對典型的物聯網平台有什麼期望：
- 設備安全和身份驗證
- 消息代理和消息隊列
- 設備管理
- 支持 CoAP、MQTT、HTTP 等協議
- 數據收集、可視化和簡單分析功能
- 與其他 Web 服務的可整合性
- 水平和垂直可擴展性
- WebSocket APIs for real time 即時資訊流
除了我們上面提到的之外，越來越多的平台建構者，正在將他們的庫開源給開發者。以用於 Arduino 的 DS18B20 的 Dallas 溫度庫為例，由於開源開發，它很快被移植到新版本，幫助開發人員將 DS18B20 與 Linkit One 整合。了解這些事情變得非常重要，因為物聯網往往會不斷發展，並且擁有一個同樣響應迅速的平台，可以讓業務安全地繼續進行。
現在讓我們深入評估每個組件，從物聯網感測器開始
家庭自動化感測器
可能有數千個這樣的感測器可以成為這個列表的一部分。由於這是對智慧家庭技術的介紹，我們將保持簡短。我們將透過其感測能力，分解用於家庭自動化的物聯網感測器：
- 溫度感測器
- 照度感測器
- 水位感測器
- 空氣成分感測器
- 用於監控的攝像機
- 語音/聲音感測器
- 壓力感測器
- 濕度感測器
- 加速度計
- 紅外線感測器
- 振動感測器
- 超音波感測器
根據你的需要，你的可以使用其中的一種或多種，來建構真正的智慧家庭物聯網產品。讓我們來看看一些最常用的家庭自動化感測器。
溫度感測器
市場上到處都是，但著名的溫度感測器是 TI 的 DHT11/22、DS18B20、LM35 和 MSP430 系列。MSP430 系列比其他系列更準確，但同時也是原型設計或初始產品測試最昂貴的系列之一。MSP430 在所有溫度感測器中名列前茅，因為它們的精度和電池消耗最小。
MSP430 在所有溫度感測器中名列前茅，因為它們的精度和電池消耗最小。
DHT11 的溫度範圍非常有限，並且存在精度問題。另一方面，DHT22 更準確一些，但仍然不是首選。
另一方面，DS18B20 的精度更高，與 DHT22 和 11 等數位溫度感測器相比，Dallas 溫度感測器是類比的，精度可低至 0.5 度。
請注意，你從這些感測器直接感應到的溫度，通常可能不是很準確，無論從在做什麼，偶爾都會看到 1000 °F 或更高的值。
建構溫度感測器有一個完整的邏輯，我們將在另一篇報導中討論。
照度感測器
勒克斯感測器測量亮度，可用於觸發各種功能，從交叉驗證運動到在太暗時打開燈。一些最流行的光感測器是 TSL2591 和 BH1750。
最近將 TSL2591 和 BH1750 納入低功耗物聯網設備的測試發現，它們在大多數用例中運行良好。
這是 Robert 和 Tomas 進行的一項研究，展示了這兩者如何與光譜儀和光電二極管進行比較。
為了更好地了解這兩個感測器是否滿足你的需求，我們建議進行照度測試，然後對數據進行標準化，以觀察各種情況下的偏差。
用於家庭自動化的水位感測器
在建構原型時，你可以考慮使用固態 eTape 液位感測器，或者像其他僅使用 HC-SR04 超音波感測器來測量水位感測器的人一樣。
另一方面，在這兩者都不夠用的其他情況下，必須使用可以提供更高性能的東西。
浮子液位感測器和 LM1830 等其他 IC 為物聯網開發人員，提供了更精確的測量能力。雖然，它們比其他的要貴得多。
空氣成分感測器
開發人員使用幾個特定的感測器，來測量空氣中的特定成分：
- 透過 MiCS-5525 監測 CO
- MQ-8 測量氫氣水準
- MiCS-2714 用於測量氮氧化物
- MQ135 感應有害氣體水準（NH3、NOx、酒精、苯、煙霧、CO2
其中大多數感測器都有加熱時間，這也意味著它們需要一定的時間，才能真正開始提供準確的值。
這些感測器主要依靠其表面來檢測氣體成分。當它們最初開始感知時，它們的表面上總會有一些東西，某種需要加熱才能消失的沉積物。
因此，在表面被加熱後，足夠的真實值開始出現。
用於監控和分析的攝影機
在這種情況下，通常會使用一系列特定於硬體開發套件的網路攝影機，和其他各種攝影機。帶有 USB 端口的硬體提供整合和攝影機模組來建構功能。
但是，使用 USB 端口效率不高，尤其是在即時影像傳輸，或任何類型的影像處理的情況下。
以 RaspberryPi 為例，它帶有一個攝影機模組（Pi cam），它使用柔性連接器直接連接到電路板，而不使用 USB 接口。這使得 Pi cam 非常高效。
家庭自動化的聲音檢測
聲音檢測起著極為重要的作用，從監控嬰兒到自動打開和關閉燈光，再到自動檢測你的狗在門口發出的聲音，並為它們打開聲音。
一些常用的聲音檢測感測器，包括用於快速原型製作的 SEN-12462 和 EasyVR Shield。
這些感測器不如 3DSignals 之類的工業級感測器好，後者甚至可以檢測到超低水準的噪聲，並在各種噪聲水準之間進行微調，以建構均勻的機器故障模式。
用於家庭自動化的濕度感測器
這些感測器為智慧家庭帶來了感知空氣中，濕度/相對濕度水準的能力。準確度和感測精度在很大程度上取決於多種因素，包括整體感測器設計和放置。
但與 HIH6100 和 Dig RH 等高品質感測器相比，為快速原型製作而建構的某些感測器（如 DHT22 和 11）總是表現不佳。
在建構產品以檢測濕度水準時，請確保沒有局部的濕度層會掩蓋實際結果。此外，請記住，在某些小空間中，與其他地方相比，一端的濕度可能太高。
當你查看空氣成分，可以自由移動的自由和開放空間時，可以預期感測器周圍的分佈是均勻的，因此需要非常少的糾正措施，來進行正確的校準。
家庭自動化協議
建構家庭自動化產品最重要的部分之一是考慮協議，你的設備將使用這些協議與 Gateway、伺服器和感測器進行通信。幾年前，這樣做的唯一方法是使用藍牙、WiFi 或 GSM。但是由於蜂窩 sim 卡的額外費用，以及 WiFi 的低性能，大多數此類解決方案都不起作用。
藍牙倖存下來，後來演變為智慧藍牙或低功耗藍牙。這有助於在「行動伺服器驅動的經濟」中帶來大量連接，在這種情況下，你的手機將充當中間件，從 BLE 驅動的感測器獲取數據，並將其發送到網路。
在查看主要的家庭自動化協議時，以下是最重要的：
- 低功耗藍牙或智慧藍牙：具有網狀網路功能、安全性、數據加密算法等的無線協議。非常適合用於智慧家庭的物聯網產品。
- Zigbee：用於物聯網的低成本、網狀網路和低功耗射頻協議。不同的 Zigbee 版本不相互通信。
- X10：一種利用電力線佈線進行信號和控制的傳統協議
- Insteon：透過無線和有線方式與設備通信
- Z-wave：專注於以安全為重點的家庭自動化
- WiFi：無需解釋
- UPB：使用安裝在家庭中的現有電源線，降低成本
- Thread：智慧家庭自動化的免版稅協議，使用 6lowpan
- ANT：一種超低功耗協議，可幫助開發人員建構具有網狀分佈功能的低功耗感測器。
- 6lowpan
家庭自動化：哪種協議最好？
雖然有些協議顯然比其他協議提供的更多，但從你的智慧家庭開發需求開始，然後縮小解決方案的範圍始終很重要。
通常首選的協議是低功耗藍牙、Z-wave、Zigbee 和 Thread。現在可以透過以下因素縮小協議選擇範圍：
- 執行身份驗證的能力
- 感測器網路的品質
- 數據傳輸率
- 安全級別
- 需要網路拓撲
- 周圍物體的密度
- 有效覆蓋距離
家庭自動化架構
此架構支持家庭自動化解決方案的以下注意事項：
- 涉及多級身份驗證的端到端安全機制
- 端到端數據加密，包括鏈路層
- 靈活且可配置的存取訪問和授權控制
- 強大的雲基礎設施
- 具有內置反饋迴路的網路不可知論者
- 可配置的基於雲的規則引擎
- API 端點
- 數據可擴展性
- NoSQL 數據庫
家庭自動化閘道器（Gateway）
對於開發家庭自動化產品，通常將數據發送到伺服器的獨立產品是不夠的。通常由於電池和協議的限制，來自家庭中一個或多個感測器的數據，已透過物聯網 Gateway 路由。
要為你的物聯網家庭自動化選擇完美的 Gateway，請考慮以下因素：
- 支持的通信協議
- 即時能力
- MQTT、CoAP、HTTPS 支持
- 安全和配置
- 模組化
在建構物聯網 Gateway 時，當產品處於市場推出的早期階段時，模組化和混合物聯網協議支持排在首位。
要將 Gateway 合併到你的家庭自動化堆棧中，你可以考慮以下選項：
使用現有的硬體堆棧進行原型設計（使用 Raspberry Pi、英特爾 Edison 等）從頭開始創建 Gateway。然後，當驗證 PoC 時，你可以創建自己的自定義硬體。
或者，你可以使用現有的 Gateway 模組，例如 Ingins BLE gateway。這些 Gateway 非常容易客製化，並與你的雲端服務和設備連接。但是，它們可能會或可能不會提供建構某些功能所需的相同級別的支持。
例如，具有不良網路隊列的 Gateway 可能會導致流量塞車，或者它可能不支持你希望使用的所需協議。
此外，透過這些 Gateway 轉向其他一些技術堆棧，可能會變得非常困難。應該強調的是，它們非常適合強大的原型設計需求。
面向智慧家庭開發人員的家庭自動化編程語言
以下編程語言主導了家庭自動化領域：Python、嵌入式 C、C、Shell、Go、Javascript (node.js)。這主要是由於對類似用例的語言進行了徹底的優化。
家庭自動化架構
如果你認為你可以自己建構家庭自動化（協議、硬體、軟體等）的所有內容，那有點不切實際。從高成長的新創企業，到以消費者為中心的數十億美元的企業，每個人現在都在藉助家庭自動化架構，來建構互聯產品來取悅消費者。
有超過 15 種不同的智慧家庭架構，可供物聯網開發人員使用和建構他們的下一代互聯家居產品。這些架構有些是開源的，有些是閉源的。讓我們在接下來的部分中看一下其中的一些。
用於家庭自動化的開源物聯網平台和架構
期待做一個超快速的原型嗎？沒有必要從頭開始寫下所有內容。多虧了像我們這樣的人做出了很多很棒的貢獻，我們擁有開源平台，可以讓你的家庭自動化產品立即啟動並運行。
我們最喜歡的是：
- Home Assistant
- Calaos
- Domoticz
- OpenHAB：支持用 Java 編寫的 Raspberry Pi，並具有透過調整 UI 來建構你自己的行動應用 app 的設計工具。
- OpenMotics[詢問他們的開發者，等待他們回應（開發者確認）]
- LinuxMCE
- PiDome
- MisterHouse
- Smarthomatic
讓我們來看看主要的家庭自動化物聯網平台。
智慧家庭開發的家庭助手：
支持 RaspberryPi，使用 Python 和 OS 作為 Hassbian。它簡化了開發人員可以用來建構家庭自動化產品的自動化規則，從而節省了數千行代碼。
Home Assistant 支持以下內容：
家庭助理的工作方式涉及以下內容：
- 家庭控制負責收集資訊和儲存設備
- 家庭自動化根據用戶配置觸發命令
- 基於過去用戶行為的智慧家庭觸發器
作為開發人員，了解 Home Assistant 的架構對於我們在其之上建構高性能產品非常重要。
讓我們看一下使控制和資訊流成為可能的 Home control 的架構。
家庭控制由五個部分組成：
- 組配件（Components）
- 狀態機（State Machine）
- 事件總線（Event Bus）
- 服務註冊
- 定時器
Home Assistant 的核心架構
所有這些組件一起工作，為智慧家庭物聯網創建了一個無縫的異步系統。在較早版本的 Home Assistant 核心中，核心在尋找新的設備資訊時經常不得不停下來。
但是，隨著新版本的家庭助手、向後相容的 API 和 ansyn 核心的引入，物聯網應用的運行速度大大加快。
關於家庭助理核心架構的最佳部分，是它經過精心設計和開發，以支持家庭物聯網。
用於智慧家庭自動化的 OpenHAB
OpenHAB 是用於智慧家庭的家庭自動化和物聯網 Gateway 架構。與 Home Assistant 類似，OpenHAB 可以與 Raspberry Pi 很好地配合使用，並帶有自己的設計工具，來為你的家庭自動化產品創建 UI。
OpenHAB 的理解架構：
- 模組化：透過捆綁概念實現
- 運行時動態：使軟體組件可以在運行時進行管理
- 服務導向：有服務讓各個組件互相對話，交換資訊
進一步依賴 OGSi 架構，它利用了以下堆疊在一起的層：
- 模組化層：管理捆綁包之間的依賴關係
- 生命週期層：控制 bundle 的生命週期
- 服務層：定義各種模組之間通信的動態模型
- 實際服務：這是應用層，使用所有其他層
- 安全層：可選，利用 Java 2 安全架構，並管理來自不同模組的權限
OpenHAB 特點：
- 插件架構
- 規則引擎
- 記錄機制
- UI 抽象：UI 小組件、項目 UI 提供程序和動態 UI 配置的樹結構
- UI 實現適用於 Web、Android 和 iOS
- 設計師工具可用性
OpenHAB 主要只是作為業餘程序員的項目被觀察到，甚至 openhab.org 的許多部分都傳達了相同的內容。但是，我們觀察到最近從 OpenHAB 為建構物聯網智慧家庭的開發者經濟做出了不同的努力。
以這個關於 OpenHAB 雲的緩慢成長的Github 儲存庫為例。
根據儲存庫，OpenHAB 雲端架構將如下所示：
令人印象深刻的是，一些開放平台正在考慮系統服務、Cron 作業、日誌記錄等。
此外，查看 openHAB 將支持的架構和技術：Node.Js、Express.Js、Nginx、MongoDB、Redis、Socket.IO
與 Home Assistant 的巨大可整合性不同，openHAB 目前僅限於：
- IFTTT
- Amazon Alexa
- AWS EC2 [AWS Multi-AZ 不相容多時區可用性]
- AWS IoT 與 openHAB
- MQTT 支持
OpenHAB 非常強大，但同時在整合方面非常有限。openHAB 背後的團隊非常有前途，並且已經很快傳達了他們將 openHAB 開放給其他整合功能的計劃。
用於家庭自動化的 Calaos
Calaos 最初是由一家於 2013 年關閉的公司開發的，但從那時起，家庭自動化一直存在，並且正在由開發人員維護和升級。雖然現在是開源的，但它有助於預製源代碼：
- 營造溫馨的家居環境
- 控制音樂
- 專注於時間、情緒或氛圍的自動化規則
- 易於配置
Calaos 支持以下硬體：
- 前板
- 立方體板
- 樹莓派
- 基於 Intel 的機器
他們缺乏對開發私有物聯網應用的支持，這限制了開發人員使用它們為消費者建構高品質的解決方案。
用於家庭自動化的 Domoticz
Domoticz 允許你以最簡單的設計，監控和配置你的設備和感測器。令人印象深刻的是，整個項目非常輕巧，它進一步得到了與第三方的高度整合，以及自動學習開關等功能的支持。
該平台目的在與 Linux 和 Windows 等操作系統一起使用。
Domoticz 的協議能力包括：Z-wave、藍牙、Apple Homekit、X10 和 MQTT
Domoticz的硬體整合能力：
- RFXCOM 收發器
- ESP2866 無線模組
- P1智慧電錶
- Youless meter
- 脈衝計數器
- 1-Wire
- 飛利浦 Hue
- Essent E 恆溫器
Domiticz 可用於創建你能想到的任何類型的服務，從智慧天氣設備到 Telegram 機器人。
Domoticz 架構
目前，很少有人知道 Domoticz 的架構，因此很難在其上建構應用，而不冒不必要的風險來建構產品本身。
例如，當你查看感測器以控制執行器的概念時，通用架構的整個設計感覺有點奇怪。它似乎不見了。
可以使用 C++、lula、PHP、shell 等來使用 Domoticz 建構高級應用。
物聯網中的區塊鏈用於互聯家庭
消費者，尤其是在數位時代長大的消費者，比千禧一代更了解隱私和安全的重要性。隨著物聯網的發展，安全性已成為現實佈署場景的中心。
只需 35 美元的樹莓派，就可以輕鬆地將區塊鏈佈署到家庭網路中。設備和網關之間的區塊鏈安全層，可以在不大規模修改現有代碼庫的情況下實現。
簡而言之，區塊鏈作為一種技術，將成為大多數用戶甚至不知道的實施方式，但在未來將發揮巨大作用，以透過 Airbnb 的動態租賃等革命性和新的商業模式讓他們放心。
到目前為止，互操作性問題和損壞的協議，似乎阻礙了基於物聯網的智慧家庭的發展。
但是，隨著技術的進步，越來越多的運算能力，可以透過非常低功耗的設備產生，家庭自動化將逐漸成為一種，我們每天都可以輕鬆建構和開發的技術。
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