Overview and Comparative Analysis Of Smart Home Systems

آبان 24, 1400
ارسال شده توسط شرکت مهندسین هوشمند سازی کارن

22 آبان

Abstract

Smart Home Systems have achieved great interest in the recent years to make people’s life easier and more comfortable. Smart home system offers people to control home environment in efficient and comfortable manner. Technological advancement in recent years resulted in producing a large number of smart and sophisticated systems which promoted smart living technology. This paper presents complete analysis of various smart and intelligent home automation systems. Comparative analysis of existing smart home system has been made which provides a clear idea of the pros and cons of the existing systems. Working principle of different types of smart home systems such as Dual Tone Multi Frequency based, Global System for Mobile based, voice recognition based, Zigbee based, Bluetooth based, Internet and Wi-fi based, and Gesture based smart home systems has been studied. Comments according to different aspects and features have been made for the studied smart home systems which enable users to select suitable technology according to budget and needs.

INTRODUCTION

Smart Home System or Intelligent Home means automation and control of electrical appliance of our house. Recent technological advancement in electronic devices resulted in producing a huge number of user-friendly and flexible systems which promoted smart living technology. Domestic appliances can be remotely controlled by our electronic devices such as smart phones, Personal Device Assistant (PDA) and laptops which makes our life easier and comfortable. Smart Home System can be applied to control a great deal of activities in our home [1]. Depending on these activities, various sort of intelligent and automated systems has been developed. The idea of remote control of household appliances started with Dual Tone Multi Frequency (DTMF) based systems [2]-[3]. However, with the advancement of wireless technologies, the use of DTMF systems for SMS has been reduced by great deal. People nowadays find it easier to use systems comprised of user-friendly Graphical User Interface (GUI), wireless sensors and remote controlling devices. Recent smart phone technology allows researchers to develop such sort of flexible and user-friendly systems using smart phone application that has impressive GUI [4]. Recently, Global System for Mobile (GSM) communication has become a popular way of home automation [5]-[6]. Smart Home Systems based on voice recognition based control have gained a great importance for physically handicapped people [7]. Small and portable wireless electronic devices such as Bluetooth based smart home systems are also rapidly gaining importance which generally incorporates a microcontroller board to control household appliance [8]-[9]. The user sends the command to the microcontroller board using smart phone application. Internet has opened a new dimension in case of creating advanced and sophisticated Smart Home Systems [10]. Internet of Things (IoT) is playing an important role in making intelligent home automation systems which uses broadband internet connection to share information and data among the electronic devices and sensors [11]-[12]. Smart Home Systems are not only limited to internet based, smart phone based, GSM based and voice- recognition based systems. Many researchers are constantly working on gesture based home appliance automation system which allows user to control appliances using their different parts of the body [13]. Since different sorts of smart home systems have been developed over the years, it is necessary to have a complete overview and comparative analysis of these systems.

In this paper, a comparative analysis and discussion on various sort of smart home systems has been done. Moreover, Design and implementation methods of different smart home systems have been described. In addition, comparison of performance, cost and various other issues have been described so that users do not find it difficult to select their desired smart home system.

II. VARIOUS SMART HOME SYSTEM METHODOLOGIES AND THEIR WORKING PRINCIPLE

Depending on numerous functions, gadgets and hardware software combinations, popular Smart Home Systems are categorized into the following sub-sections.

A. Smart Home System Based on DTMF Technology

The idea of remote control of appliances in home environment began with DTMF tone by using mobile phone [2]. The system used specific signal from mobile phone digit to perform specific task. The signal generated from a DTMF keypad consists of two frequencies: column frequency and row frequency. The column frequency level is high and the row frequency level is low. The unique signal (tone) generated by the digit of a DTMF keypad enables the system to perform previously specified task automatically.
The system requires a mobile phone and a DTMF transmitter to send signal. The signal gets transmitted through a channel to the receiver. As the signal travels through the medium, it gets weak. So, the signal needs to be amplified before decoding. Therefore, the receiver circuit is followed by a condenser microphone and an amplifier. The signal is then decoded and send to microcontroller to perform its specified operation.

Fig. 1. Block diagram of smart home system based on DTMF technology

Fig. 2. Block diagram of smart home system based on GSM technology.

Fig. 3. Block diagram of smart home system based on voice recognition (ZigBee).

DTMF based home automation presented in [2] is vulnerable to noise. Hence, noise reduction is quite important in such kind of automation system to get rid of false data transfer which may result in false switching of appliances.

B. Smart Home System Based on GSM

GSM based home automation requires a mobile phone, GSM module, microcontroller board and control circuit to control appliances [5]-[6]. Commands are sent as SMS to GSM module which receives the message and send it to microcontroller board to implement the command. With the help of relay module, the microcontroller board turns on/off the specific appliances. In this way, remote switching of home appliances can be done using GSM module.

Smart Home presented in [5] achieved more than 98% accuracy and the entire processing of sending and receiving message (command) was done within 2 seconds. Smart Home based on GSM technology presented in [6] comprised of an LCD which displayed important messages. Moreover, it comprised of a smart app which provided flexible GUI to the user.

C. Smart Home System Based on Voice Recognition

In case of voice recognition-based automation, Zigbee based smart home systems are most popular [7]. Zigbee based systems can be divided into 3 major modules- microphone module, Zigbee coordinator (central controller) and Terminals (appliance controller). The system requires a smart phone/a desktop computer/ a smart Tablet/ a laptop which is connected to Zigbee coordinator module. The Zigbee coordinator module is branched into different terminals. The terminals can perform different specified task such as monitoring and control of temperature, gas, humidity, appliance switching and so on. To perform these tasks, different sort of sensors and appliance control circuit are needed to be installed. For voice recognition, ZigBee uses Microsoft Speech Application Programming Interface (API). RF Zigbee modules are being used for establishing wireless network. ZigBee based automated home presented in [14] achieved 79.8% accuracy for voice recognition.

Voice controlled Smart Home System was also developed using different method other than Zigbee [15]. The system in [15] used General Packet Radio Service (GPRS) technology. For speech recognition, Support Vector Machine (SVM) which is based on machine learning had been used.

D. Smart Home Based on Bluetooth Module, Smart Phone App and Microcontroller

This sort of smart home system is easy to install and operate. The system consists of a smart app with user-friendly and easy to use GUI, Bluetooth module to transfer command from smart phone to microcontroller board and appliance control circuit to control appliances [8]-[9].

Fig. 4. Block Diagram of Bluetooth, smart phone app and microcontroller based smart home system.

Fig. 5. Block diagram of Internet and Wi-fi based smart home system.

Fig. 6. Hand Gesture Based Smart Home System.

Smart phone application enables user to send command.
The commands get transmitted wirelessly from smart phone to Bluetooth module. The Bluetooth module transfers the command to a microcontroller board connected to it. The microcontroller board plays the role of central controller unit. Different sort of sensors having different functions can be incorporated with such sort of smart home system for different purposes which make this system versatile and compatible [16]-[17].

E. Smart Home System Based on Wi-fi and Internet

Home Automation System based on Internet is rapidly gaining importance due to its wide range of functions [10]- [12]. IoT Based Smart Home System developed in [12] incorporates smart control of lighting, intelligent appliance control, intrusion alarm system and gas/smoke detection.

Home appliance monitoring and controlling system based on IoT developed in [18] used smart phone, software app, controlling devices and micro web server. This system is divided into 3 major parts: remote environment, home gateway and home environment. For monitoring and controlling appliances remotely, remote environment is used. The system supports 3G and 4G internet, Wi-fi system and can be controlled by android app. The user sends command from android app which gets transferred through internet. The system is protected by firewall which ensures security. The data gets to the router through internet and then it gets transferred to ethernet shield. The home gateway provides data translation among internet, router and ethernet shield.

F. Gesture Controlled Smart Home System

Control of home appliances can be done by moving our body parts [13]. Such sort gesture based smart home systems are rapidly becoming popular. Hand gesture-controlled automation technique is most popular. Gesture controlled smart home systems generally requires a camera to record human gestures. Then, the images of gesture go through the process of image training. Based on a particular gesture, the system performs the pre-defined task.

III. PROS AND CONS DIFFERENT OF SMART HOME SYSTEMS

Different types of smart home systems have different advantages over the others. Some systems may appear quite user friendly, but have higher installation and operating cost. Response time of some smart home systems are fast, but have lower accuracy level. This section analyzes the pros and cons of different smart home system based on various aspects.

DTMF based Smart Home Systems are quite simple and easy to use [2]-[3] However, the system is vulnerable to noise which may result in false switching of appliances. Therefore, accuracy of DTMF based systems is not quite good. Moreover, the user does not receive any sort of feedback from the system.

Hence, the system is not quite user-friendly and reliable. GSM based smart home systems are more reliable and user friendly compared to DTMF based systems. GSM systems are comprised of user interface which make the system userfriendly [6]. The operating range of GSM systems is world wide. The user can control household appliance by sending SMS from any part of the world. However, sending SMS costs the user money and SMS cost depends on the global position of the user. If the user wants to control appliances from outside of his country boarder, SMS cost would be higher. Therefore, the operating cost of GSM based systems are higher. Moreover, the system is completely depended on mobile sim network. Hence, the system will not work properly if sim card network is down/very slow.

Voice recognition based smart home systems are quite easy to use. The user needs to send voice command to the system in order to control appliances [7], [15]. Such kind of smart home systems are quite useful for elderly and physically handicapped people. Processing speed of voice controlled smart home systems are also satisfactory. Installation cost of such kind of systems are also low since smart phones have built-in systems for voice recognition. Installation cost of Zigbee based voice controlled smart home systems are a bit higher than the other voice controlled smart home systems because it requires Zigbee protocols [7]. Operating range of voice controlled smart home systems can be 10-20 meters. But, Zigbee based systems can be stretched up-to a range of 150 meters. The major disadvantage of voice based smart home systems is accuracy. It is not possible for everyone to speak exactly in the same way which the systems can understand and process. Therefore, it is not possible for voice-controlled systems to process every command. Moreover, Signal- Noise Ratio (SNR) is quite important in case of accuracy of this sort of systems. As a result, accuracy of voice-controlled systems greatly decreases in noisy environments. Zigbee based system presented in [7] had an accuracy of 79.8%. Hence, the system is not reliable for all the cases.

Bluetooth based smart home systems are user friendly and easy to install [8]-[9]. Installation cost is low and operation cost is very low. Smart phone application allows user to easily control home appliances with just a touch from the smart phone. Accuracy level is very high and the system is quite fast. It only takes fraction of seconds to implement the command.
Hence the system is quite reliable due to its accuracy and speed. However, operating range of such kind of systems are around 10-20 meters which is the major disadvantage. Bluetooth based smart home systems are good choice for people having less budget.

IoT and Wi-fi based smart home systems are considered as most user friendly and flexible systems due to their wide range of smart functions and features [10]-[12], [18]. Due to internet, operating range is world-wide. However, due to complexity of functions and smart features, this sort of systems has very high initial cost. Moreover, due to usage of internet, operating cost is also high. This sort of smart home system is applicable for people having good budget for smart living.

Gesture controlled smart home systems requires complex coding to distinguish among numerous gestures [19]. This sort of system requires expensive hardware in addition to the appliance control circuit. For instance, hand gesture based smart home system presented in [20] requires camera to capture human gestures. Such kind of hardware adds extra cost towards installation. However, operating cost of gesture based systems are generally low. The major drawback of this sort of system is accuracy. Gesture might not be recognized by the system for certain cases. Gesture recognition accuracy for paper presented in [20] was 92%. Gesture based automation is greatly helpful for handicapped people.

IV. COMPARATIVE ANALYSIS AND DISCUSSION

A. Cost Analysis

Cost of smart home systems can be categorized into two parts: installation cost and operating cost. Installation and operating cost for DTMF based system is the lowest. Zigbee based systems have moderate cost. Gesture controlled and Internet controlled systems have comparative higher installation and operation cost compared to the other systems.

TABLE I. COST ANALYSIS OF SMART HOMES

B. Speed, Range and Accuracy Analysis

Performance of different smart home system according to speed, range of operation and accuracy are different. Analytical based comments on speed, range and accuracy of smart home systems are stated in Table II.

TABLE II. SPEED, RANGE AND ACCURACY ANALYSIS OF SMART HOME SYSTEMS

C. Reliability Analysis of Smart Home Systems

Based on different issues such as cost, range, speed, accuracy, flexibility, GUI and many other stuffs, it is important to determine whether a smart home system is reliable or not.
Reliability of smart home systems is quite important to determine because consumers need to have a clear idea of the product before buying it. According to our analysis, DTMF and GSM based home automation systems are found to be unreliable. Reliability of Smart Home Systems are listed in Table III.

TABLE III. RELIABILITY ANALYSIS OF SMART HOME SYSTEMS

V. CONCLUSION

In this research, an extensive study on various types of smart home system has been conducted and working principle of the smart home systems is clearly stated. Comparative analysis of smart home systems has been done to determine the pros and cons of different smart home system. Since there are numerous smart home technologies available in market, in quite necessary for users to have a strong guideline on different smart home systems so that the user can select the best type of system based on budget. Therefore, analysis on cost, speed, range, accuracy, complexity and reliability is quite important for users. This paper has clearly analyzed these issues for different sort of smart homes so that consumer find it easier to choose among various smart home methodologies. We believe that this paper will be greatly useful to consumers to buy their desired product and aid researchers to conduct further experiments on smart home technologies.

جدیدتر Review Of Building Energy Management System

قدیمی‌تر بررسی اجمالی و تحلیل مقایسه ای سیستم های خانه هوشمند

دیدگاهتان را بنویسید لغو پاسخ

خانه هوشمند

بررسی اجمالی و تحلیل مقایسه ای سیستم های خانه هوشمند

آبان 24, 1400
ارسال شده توسط شرکت مهندسین هوشمند سازی کارن

22 آبان

چکیده

سیستم‌های خانه‌های هوشمند در سال‌های اخیر به علاقه زیادی دست یافته‌اند تا زندگی مردم را آسان‌تر و راحت‌تر کنند. سیستم خانه هوشمند به افراد اجازه می دهد تا محیط خانه را به شیوه ای کارآمد و راحت کنترل کنند. پیشرفت تکنولوژی در سال های اخیر منجر به تولید تعداد زیادی سیستم هوشمند و پیچیده شده است که فناوری زندگی هوشمند را ارتقا می دهد. این مقاله تجزیه و تحلیل کاملی از سیستم‌های مختلف اتوماسیون خانگی هوشمند و هوشمند ارائه می‌کند. تجزیه و تحلیل مقایسه ای سیستم خانه های هوشمند موجود انجام شده است که ایده روشنی از جوانب مثبت و منفی سیستم های موجود ارائه می دهد. اصول کار انواع مختلف سیستم‌های خانه هوشمند مانند سیستم‌های خانه هوشمند مبتنی بر Dual Tone Multi Frequency، سیستم جهانی برای موبایل، مبتنی بر تشخیص صدا، مبتنی بر Zigbee، مبتنی بر بلوتوث، مبتنی بر اینترنت و Wi-Fi و سیستم‌های خانه هوشمند مبتنی بر ژست بررسی شده است. نظراتی با توجه به جنبه‌ها و ویژگی‌های مختلف برای سیستم‌های خانه هوشمند مورد مطالعه ارائه شده است که کاربران را قادر می‌سازد تا با توجه به بودجه و نیاز، فناوری مناسب را انتخاب کنند.

معرفی

سیستم خانه هوشمند یا خانه هوشمند به معنای اتوماسیون و کنترل لوازم الکتریکی خانه ما است. پیشرفت‌های اخیر فناوری در دستگاه‌های الکترونیکی منجر به تولید تعداد زیادی از سیستم‌های کاربرپسند و انعطاف‌پذیر شد که فناوری زندگی هوشمند را ارتقا داد. لوازم خانگی را می توان از راه دور توسط دستگاه های الکترونیکی ما مانند تلفن های هوشمند، دستیار دستگاه شخصی (PDA) و لپ تاپ ها کنترل کرد که زندگی ما را راحت تر و راحت تر می کند. سیستم خانه هوشمند می تواند برای کنترل تعداد زیادی از فعالیت ها در خانه ما اعمال شود [1]. بسته به این فعالیت ها، انواع مختلفی از سیستم های هوشمند و خودکار توسعه یافته است. ایده کنترل از راه دور لوازم خانگی با سیستم های مبتنی بر Dual Tone Multi Frequency (DTMF) [2]-[3] آغاز شد. با این حال، با پیشرفت فناوری های بی سیم، استفاده از سیستم های DTMF برای پیام کوتاه بسیار کاهش یافته است. امروزه مردم استفاده از سیستم‌های متشکل از رابط کاربری گرافیکی کاربرپسند (GUI)، حسگرهای بی‌سیم و دستگاه‌های کنترل از راه دور را آسان‌تر می‌دانند. فن آوری اخیر تلفن های هوشمند به محققان اجازه می دهد تا با استفاده از برنامه تلفن هوشمند که دارای رابط کاربری گرافیکی چشمگیر است، چنین سیستم های انعطاف پذیر و کاربر پسندی را توسعه دهند [4]. اخیراً ارتباطات سیستم جهانی موبایل (GSM) به روشی محبوب برای اتوماسیون خانگی تبدیل شده است [5]-[6]. سیستم های خانه هوشمند مبتنی بر کنترل مبتنی بر تشخیص صدا اهمیت زیادی برای افراد معلول جسمی پیدا کرده است [7]. دستگاه‌های الکترونیکی بی‌سیم کوچک و قابل حمل مانند سیستم‌های خانه هوشمند مبتنی بر بلوتوث نیز به سرعت اهمیت پیدا می‌کنند که عموماً از یک برد میکروکنترلر برای کنترل لوازم خانگی استفاده می‌کنند [8]-[9]. کاربر با استفاده از اپلیکیشن تلفن هوشمند دستور را به برد میکروکنترلر ارسال می کند. اینترنت در صورت ایجاد سیستم های پیشرفته و پیچیده خانه هوشمند، ابعاد جدیدی را گشوده است [10]. اینترنت اشیا (IoT) نقش مهمی در ساخت سیستم‌های اتوماسیون خانگی هوشمند دارد که از اتصال اینترنت پهن باند برای به اشتراک گذاشتن اطلاعات و داده‌ها بین دستگاه‌های الکترونیکی و حسگرها استفاده می‌کند [11]-[12]. سیستم‌های خانه هوشمند تنها به سیستم‌های مبتنی بر اینترنت، تلفن هوشمند، مبتنی بر GSM و سیستم‌های مبتنی بر تشخیص صدا محدود نمی‌شوند. بسیاری از محققان به طور مداوم بر روی سیستم اتوماسیون لوازم خانگی مبتنی بر ژست کار می کنند که به کاربر اجازه می دهد وسایل را با استفاده از قسمت های مختلف بدن خود کنترل کند [13]. از آنجایی که انواع مختلفی از سیستم‌های خانه هوشمند در طول سال‌ها توسعه یافته‌اند، بررسی اجمالی و تحلیل مقایسه‌ای این سیستم‌ها ضروری است.

در این مقاله، تجزیه و تحلیل مقایسه ای و بحث در مورد انواع سیستم های خانه هوشمند انجام شده است. همچنین روش‌های طراحی و پیاده‌سازی سیستم‌های مختلف خانه هوشمند شرح داده شده است. علاوه بر این، مقایسه عملکرد، هزینه و مسائل مختلف دیگر شرح داده شده است تا کاربران در انتخاب سیستم خانه هوشمند مورد نظر خود دچار مشکل نشوند.

II. روش های مختلف سیستم خانه های هوشمند و اصول کار آنها

بسته به عملکردهای متعدد، ابزارها و ترکیبات نرم افزاری سخت افزاری، سیستم های خانه هوشمند محبوب در زیر بخش های زیر دسته بندی می شوند.

A. سیستم خانه هوشمند مبتنی بر فناوری DTMF

ایده کنترل از راه دور لوازم خانگی در محیط خانه با صدای DTMF با استفاده از تلفن همراه آغاز شد [2]. این سیستم از سیگنال خاصی از رقم تلفن همراه برای انجام کار خاصی استفاده می کرد. سیگنال تولید شده از صفحه کلید DTMF از دو فرکانس تشکیل شده است: فرکانس ستون و فرکانس ردیف. سطح فرکانس ستون بالا و سطح فرکانس ردیف پایین است. سیگنال (تن) منحصر به فرد تولید شده توسط رقم صفحه کلید DTMF، سیستم را قادر می سازد تا وظایف مشخص شده قبلی را به طور خودکار انجام دهد.
این سیستم برای ارسال سیگنال به یک تلفن همراه و یک فرستنده DTMF نیاز دارد. سیگنال از طریق یک کانال به گیرنده منتقل می شود. همانطور که سیگنال از طریق رسانه حرکت می کند، ضعیف می شود. بنابراین، سیگنال باید قبل از رمزگشایی تقویت شود. بنابراین مدار گیرنده توسط یک میکروفون خازنی و یک تقویت کننده دنبال می شود. سپس سیگنال رمزگشایی شده و به میکروکنترلر ارسال می شود تا عملیات مشخص شده خود را انجام دهد.

شکل 1. بلوک دیاگرام سیستم خانه هوشمند مبتنی بر فناوری DTMF.

شکل 2. بلوک دیاگرام سیستم خانه هوشمند مبتنی بر فناوری GSM.

شکل 3. بلوک دیاگرام سیستم خانه هوشمند بر اساس تشخیص صدا (Zigbee).

اتوماسیون خانگی مبتنی بر DTMF ارائه شده در [2] در برابر نویز آسیب پذیر است. از این رو، کاهش نویز در چنین سیستم های اتوماسیونی برای خلاص شدن از انتقال داده های نادرست که ممکن است منجر به سوئیچینگ کاذب دستگاه ها شود، بسیار مهم است.

ب. سیستم خانه هوشمند مبتنی بر GSM

اتوماسیون خانگی مبتنی بر GSM به تلفن همراه، ماژول GSM، برد میکروکنترلر و مدار کنترل برای کنترل لوازم خانگی نیاز دارد [5]-[6]. دستورات به صورت SMS به ماژول GSM ارسال می شود که پیام را دریافت می کند و برای اجرای دستور به برد میکروکنترلر ارسال می کند. با کمک ماژول رله، برد میکروکنترلر وسایل خاص را روشن/خاموش می کند. به این ترتیب سوئیچینگ از راه دور لوازم خانگی با استفاده از ماژول GSM قابل انجام است.

خانه هوشمند ارائه شده در [5] بیش از 98 درصد دقت را به دست آورد و کل پردازش ارسال و دریافت پیام (فرمان) در عرض 2 ثانیه انجام شد. خانه هوشمند مبتنی بر فناوری GSM ارائه شده در [6] متشکل از یک LCD است که پیام های مهمی را نمایش می دهد. علاوه بر این، از یک برنامه هوشمند تشکیل شده است که رابط کاربری گرافیکی انعطاف پذیری را در اختیار کاربر قرار می دهد.

ج. سیستم خانه هوشمند مبتنی بر تشخیص صدا

در مورد اتوماسیون مبتنی بر تشخیص صدا، سیستم های خانه هوشمند مبتنی بر Zigbee محبوب ترین هستند [7]. سیستم های مبتنی بر Zigbee را می توان به 3 ماژول اصلی تقسیم کرد: ماژول میکروفون، هماهنگ کننده Zigbee (کنترل کننده مرکزی) و پایانه ها (کنترل کننده لوازم خانگی). این سیستم به یک تلفن هوشمند / یک رایانه رومیزی / یک تبلت هوشمند / یک لپ تاپ نیاز دارد که به ماژول هماهنگ کننده Zigbee متصل باشد. ماژول هماهنگ کننده Zigbee به پایانه های مختلف منشعب می شود. ترمینال ها می توانند وظایف مشخص شده مختلفی مانند نظارت و کنترل دما، گاز، رطوبت، سوئیچینگ دستگاه و غیره را انجام دهند. برای انجام این کارها، انواع مختلفی از سنسورها و مدار کنترل دستگاه مورد نیاز است تا نصب شوند. برای تشخیص صدا، Zigbee از رابط برنامه نویسی برنامه گفتار مایکروسافت (API) استفاده می کند. ماژول های RF Zigbee برای ایجاد شبکه بی سیم استفاده می شوند. خانه خودکار مبتنی بر Zigbee ارائه شده در [14] به 79.8 درصد دقت برای تشخیص صدا دست یافت.

سیستم خانه هوشمند کنترل‌شده صوتی نیز با استفاده از روش‌های متفاوتی غیر از Zigbee توسعه داده شد [15]. سیستم در [15] از فناوری خدمات رادیویی بسته های عمومی (GPRS) استفاده می کرد. برای تشخیص گفتار از ماشین بردار پشتیبان (SVM) که مبتنی بر یادگیری ماشینی است استفاده شده است.

D. خانه هوشمند مبتنی بر ماژول بلوتوث، برنامه تلفن هوشمند و میکروکنترلر

نصب و راه اندازی این نوع سیستم خانه هوشمند آسان است. این سیستم از یک برنامه هوشمند با رابط کاربری گرافیکی کاربرپسند و آسان برای استفاده، ماژول بلوتوث برای انتقال فرمان از تلفن هوشمند به برد میکروکنترلر و مدار کنترل دستگاه برای کنترل لوازم خانگی تشکیل شده است [8]-[9].

شکل 4. بلوک دیاگرام بلوتوث، برنامه تلفن هوشمند و سیستم خانه هوشمند مبتنی بر میکروکنترلر.

شکل 5. بلوک دیاگرام سیستم خانه هوشمند مبتنی بر اینترنت و Wi-Fi.

شکل 6. سیستم خانه هوشمند مبتنی بر اشاره دست.

برنامه تلفن هوشمند کاربر را قادر می سازد تا دستور ارسال کند.
دستورات به صورت بی سیم از تلفن هوشمند به ماژول بلوتوث منتقل می شوند. ماژول بلوتوث فرمان را به برد میکروکنترلر متصل به آن منتقل می کند. برد میکروکنترلر نقش واحد کنترل مرکزی را ایفا می کند. انواع مختلفی از سنسورها با عملکردهای متفاوت را می توان با چنین سیستم خانه های هوشمند برای اهداف مختلف ترکیب کرد که این سیستم را همه کاره و سازگار می کند [16]-[17].

E. سیستم خانه هوشمند مبتنی بر Wi-Fi و اینترنت

سیستم اتوماسیون خانگی مبتنی بر اینترنت به دلیل طیف گسترده ای از توابع خود به سرعت اهمیت می یابد [10]- [12]. سیستم خانه هوشمند مبتنی بر اینترنت اشیا توسعه یافته در [12] شامل کنترل هوشمند روشنایی، کنترل هوشمند لوازم خانگی، سیستم هشدار نفوذ و تشخیص گاز/دود است.

سیستم نظارت و کنترل لوازم خانگی مبتنی بر اینترنت اشیا در [18] تلفن هوشمند مورد استفاده، برنامه نرم افزاری، دستگاه های کنترل و سرور میکرو وب توسعه یافته است. این سیستم به 3 قسمت اصلی محیط راه دور، دروازه خانه و محیط خانه تقسیم می شود. برای نظارت و کنترل وسایل از راه دور از محیط راه دور استفاده می شود. این سیستم از اینترنت 3G و 4G، سیستم Wi-Fi پشتیبانی می کند و توسط برنامه اندروید قابل کنترل است. کاربر دستوری را از برنامه اندروید ارسال می کند که از طریق اینترنت منتقل می شود. سیستم توسط فایروال محافظت می شود که امنیت را تضمین می کند. داده ها از طریق اینترنت به روتر می رسد و سپس به سپر اترنت منتقل می شود. دروازه خانه ترجمه داده ها را بین اینترنت، روتر و سپر اترنت فراهم می کند.

F. سیستم خانه هوشمند کنترل شده با اشاره

کنترل لوازم خانگی را می توان با حرکت دادن اعضای بدن ما انجام داد [13]. چنین سیستم‌های خانه هوشمند مبتنی بر ژست مرتب‌سازی به سرعت در حال محبوب شدن هستند. روش اتوماسیون کنترل شده با ژست دست بسیار محبوب است. سیستم‌های خانه هوشمند کنترل‌شده با ژست عموماً به دوربینی برای ضبط حرکات انسان نیاز دارند. سپس تصاویر ژست مراحل آموزش تصویر را طی می کنند. بر اساس یک حرکت خاص، سیستم وظیفه از پیش تعریف شده را انجام می دهد.

III. مزایا و معایب مختلف سیستم های خانه های هوشمند

انواع مختلف سیستم های خانه هوشمند دارای مزایای متفاوتی نسبت به سایرین هستند. برخی از سیستم ها ممکن است کاملا کاربر پسند به نظر برسند، اما هزینه نصب و راه اندازی بالاتری دارند. زمان پاسخگویی برخی از سیستم های خانه هوشمند سریع است، اما از دقت پایین تری برخوردار است. این بخش، مزایا و معایب سیستم های مختلف خانه هوشمند را بر اساس جنبه های مختلف تجزیه و تحلیل می کند.

سیستم‌های خانه هوشمند مبتنی بر DTMF بسیار ساده و آسان برای استفاده هستند [2]-[3] با این حال، سیستم در برابر نویز آسیب‌پذیر است که ممکن است منجر به سوئیچینگ نادرست وسایل شود. بنابراین، دقت سیستم های مبتنی بر DTMF چندان خوب نیست. علاوه بر این، کاربر هیچ نوع بازخوردی از سیستم دریافت نمی کند.

از این رو، سیستم کاملا کاربر پسند و قابل اعتماد نیست. سیستم‌های خانه هوشمند مبتنی بر GSM در مقایسه با سیستم‌های مبتنی بر DTMF قابل اعتمادتر و کاربر پسندتر هستند. سیستم های GSM از رابط کاربری تشکیل شده اند که سیستم را کاربر پسند می کند [6]. محدوده عملیاتی سیستم های GSM در سراسر جهان است. کاربر می تواند لوازم خانگی را با ارسال پیامک از هر نقطه ای از جهان کنترل کند. اما ارسال پیامک برای کاربر هزینه دارد و هزینه پیامک بستگی به موقعیت جهانی کاربر دارد. اگر کاربر بخواهد وسایل را از خارج از مرز کشور خود کنترل کند، هزینه پیامک بالاتر خواهد بود. بنابراین، هزینه عملیاتی سیستم های مبتنی بر GSM بالاتر است. علاوه بر این، سیستم کاملاً به شبکه سیم کارت تلفن همراه وابسته است. از این رو، اگر شبکه سیم‌کارت قطع یا بسیار کند باشد، سیستم به درستی کار نخواهد کرد.

استفاده از سیستم های خانه هوشمند مبتنی بر تشخیص صدا بسیار آسان است. کاربر برای کنترل لوازم خانگی نیاز به ارسال فرمان صوتی به سیستم دارد [7]، [15]. چنین سیستم‌های خانه هوشمند برای افراد مسن و معلول جسمی بسیار مفید است. سرعت پردازش سیستم‌های خانه هوشمند با کنترل صوتی نیز رضایت‌بخش است. هزینه نصب این نوع سیستم ها نیز پایین است زیرا تلفن های هوشمند دارای سیستم های داخلی برای تشخیص صدا هستند. هزینه نصب سیستم‌های خانه هوشمند کنترل‌شده صوتی مبتنی بر Zigbee کمی بالاتر از سایر سیستم‌های خانه هوشمند کنترل‌شده صوتی است زیرا به پروتکل‌های Zigbee نیاز دارد [7]. برد عملیاتی سیستم های خانه هوشمند با کنترل صوتی می تواند 10-20 متر باشد. اما، سیستم های مبتنی بر Zigbee می توانند تا برد 150 متر کشیده شوند. نقطه ضعف اصلی سیستم های خانه هوشمند مبتنی بر صدا دقت است. این امکان وجود ندارد که همه دقیقاً به همان روشی صحبت کنند که سیستم ها بتوانند آن را بفهمند و پردازش کنند. بنابراین، پردازش هر فرمان برای سیستم های کنترل صدا امکان پذیر نیست. علاوه بر این، نسبت سیگنال به نویز (SNR) در مورد دقت این نوع سیستم ها بسیار مهم است. در نتیجه دقت سیستم های کنترل صدا در محیط های پر سر و صدا به شدت کاهش می یابد. سیستم مبتنی بر Zigbee ارائه شده در [7] دارای دقت 79.8٪ بود. از این رو، سیستم برای همه موارد قابل اعتماد نیست.

سیستم‌های خانه هوشمند مبتنی بر بلوتوث کاربر پسند هستند و به راحتی نصب می‌شوند [8]-[9]. هزینه نصب کم و هزینه عملیات بسیار کم است. اپلیکیشن تلفن هوشمند به کاربر این امکان را می دهد تا تنها با یک لمس تلفن هوشمند به راحتی لوازم خانگی را کنترل کند. سطح دقت بسیار بالا است و سیستم بسیار سریع است. اجرای دستور فقط کسری از ثانیه طول می کشد.
از این رو سیستم به دلیل دقت و سرعت کاملاً قابل اعتماد است. با این حال، برد عملیاتی این نوع سیستم ها در حدود 10-20 متر است که عیب اصلی آن است. سیستم‌های خانه هوشمند مبتنی بر بلوتوث برای افرادی که بودجه کمتری دارند، انتخاب خوبی هستند.

سیستم‌های خانه‌های هوشمند مبتنی بر اینترنت اشیا و Wi-Fi به دلیل طیف گسترده‌ای از عملکردها و ویژگی‌های هوشمند، به عنوان کاربرپسندترین و انعطاف‌پذیرترین سیستم‌ها در نظر گرفته می‌شوند [10]-[12]، [18]. با توجه به اینترنت، محدوده عملیاتی در سراسر جهان است. با این حال، به دلیل پیچیدگی عملکردها و ویژگی های هوشمند، این نوع سیستم ها هزینه اولیه بسیار بالایی دارند. علاوه بر این، به دلیل استفاده از اینترنت، هزینه عملیاتی نیز بالا است. این نوع سیستم خانه هوشمند برای افرادی که بودجه خوبی برای زندگی هوشمند دارند قابل استفاده است.

سیستم‌های خانه هوشمند کنترل‌شده با اشاره به کدگذاری پیچیده برای تمایز بین حرکات متعدد نیاز دارند [19]. این نوع سیستم علاوه بر مدار کنترل دستگاه، به سخت افزار گران قیمت نیز نیاز دارد. به عنوان مثال، سیستم خانه هوشمند مبتنی بر ژست دست ارائه شده در [20] به دوربین برای گرفتن حرکات انسان نیاز دارد. چنین سخت افزاری هزینه اضافی را برای نصب اضافه می کند. با این حال، هزینه عملیاتی سیستم‌های مبتنی بر ژست معمولاً پایین است. اشکال عمده این نوع سیستم دقت است. ممکن است برای موارد خاص، اشاره توسط سیستم شناسایی نشود. دقت تشخیص ژست برای کاغذ ارائه شده در [20] 92 درصد بود. اتوماسیون مبتنی بر ژست برای افراد معلول بسیار مفید است.

IV. تجزیه و تحلیل مقایسه ای و بحث

A. تجزیه و تحلیل هزینه

هزینه سیستم های خانه هوشمند را می توان به دو بخش هزینه نصب و هزینه عملیاتی طبقه بندی کرد. هزینه نصب و راه اندازی برای سیستم مبتنی بر DTMF کمترین است. سیستم های مبتنی بر Zigbee هزینه متوسطی دارند. سیستم‌های کنترل‌شده با ژست و کنترل‌شده با اینترنت در مقایسه با سایر سیستم‌ها هزینه نصب و راه‌اندازی نسبتاً بالاتری دارند.

جدول I. تجزیه و تحلیل هزینه خانه های هوشمند

ب. تجزیه و تحلیل سرعت، برد و دقت

عملکرد سیستم های مختلف خانه هوشمند با توجه به سرعت، محدوده عملکرد و دقت متفاوت است. نظرات مبتنی بر تحلیل در مورد سرعت، برد و دقت سیستم های خانه هوشمند در جدول 2 بیان شده است.

جدول II. تجزیه و تحلیل سرعت، برد و دقت سیستم های خانه هوشمند

ج. تجزیه و تحلیل قابلیت اطمینان سیستم های خانه هوشمند

بر اساس مسائل مختلف مانند هزینه، برد، سرعت، دقت، انعطاف پذیری، رابط کاربری گرافیکی و بسیاری موارد دیگر، تعیین اینکه آیا یک سیستم خانه هوشمند قابل اعتماد است یا خیر، مهم است.
تعیین قابلیت اطمینان سیستم های خانه هوشمند بسیار مهم است زیرا مصرف کنندگان باید قبل از خرید محصول، ایده روشنی از آن داشته باشند. طبق تحلیل ما، سیستم‌های اتوماسیون خانگی مبتنی بر DTMF و GSM غیرقابل اعتماد هستند. قابلیت اطمینان سیستم های خانه هوشمند در جدول III آمده است.

جدول III. تجزیه و تحلیل قابلیت اطمینان سیستم های خانه های هوشمند

نتیجه گیری

در این تحقیق، مطالعه گسترده ای بر روی انواع سیستم های خانه هوشمند انجام شده و اصول کارکرد سیستم های خانه هوشمند به وضوح بیان شده است. تجزیه و تحلیل مقایسه ای سیستم های خانه هوشمند برای تعیین مزایا و معایب سیستم های مختلف خانه هوشمند انجام شده است. از آنجایی که فناوری‌های خانه‌های هوشمند متعددی در بازار موجود است، برای کاربران ضروری است که یک دستورالعمل قوی در مورد سیستم‌های مختلف خانه هوشمند داشته باشند تا کاربر بتواند بر اساس بودجه بهترین نوع سیستم را انتخاب کند. بنابراین، تجزیه و تحلیل هزینه، سرعت، برد، دقت، پیچیدگی و قابلیت اطمینان برای کاربران بسیار مهم است. این مقاله به وضوح این مسائل را برای انواع مختلف خانه‌های هوشمند تجزیه و تحلیل کرده است تا مصرف‌کننده انتخاب آسان‌تر از میان روش‌های مختلف خانه هوشمند را پیدا کند. ما معتقدیم که این مقاله برای مصرف‌کنندگان برای خرید محصول مورد نظرشان بسیار مفید خواهد بود و به محققان کمک می‌کند تا آزمایش‌های بیشتری بر روی فناوری‌های خانه هوشمند انجام دهند.

جدیدتر Overview and Comparative Analysis Of Smart Home Systems

قدیمی‌تر Bluetooth Smart Home