· 使用物聯網 (IoT) 的家庭自動化

使用 NodeMCU ESP8266（手動 + 語音）的帶有 Google Assistant 和 Alexa 的智慧家庭 

SIMFORM

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

推薦閱讀： 物聯網的家庭自動化協議

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。

不只是縮時，還有粉塵、噪音、位移偵測

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