https://www.researchgate.net/publication/372406470

A Comprehensive Review of Smart Home Automation Systems  , July2023

یک سیستم هوشمند اتوماسیون خانگی، یک راه‌حل مبتنی بر فناوری است که به صاحبان خانه‌ها اجازه می‌دهد تا دستگاه‌ها و سیستم‌های مختلف خانگی را با استفاده از یک هاب مرکزی از طریق گوشی هوشمند، فرمان صوتی و اینترنت اشیا کنترل و اتوماتیک کنند. این سیستم معمولاً شامل تجهیزاتی مانند ترموستات‌های هوشمند، روشنایی هوشمند، قفل‌های هوشمند، سیستم‌های امنیتی و سیستم‌های سرگرمی می‌شود. با افزایش شیوع اینترنت اشیا، خانه‌های هوشمند به طور فزاینده‌ای محبوب شده‌اند و سیستم‌های اتوماسیون به عنوان یک فناوری کلیدی برای کنترل و مدیریت دستگاه‌ها و سیستم‌های مختلف خانگی ظاهر شده‌اند. این مقاله به بررسی دقیق وضعیت فعلی سیستم‌های اتوماسیون برای خانه‌های هوشمند می‌پردازد و هدف آن شناسایی حوزه‌های تحقیق و توسعه آینده همراه با راحتی، بهره‌وری انرژی، حریم خصوصی و دسترسی است که یک سیستم اتوماسیون خانگی هوشمند می‌تواند به کاربران ارائه دهد تا زندگی آنها را به طور کلی بهبود بخشد. این مقاله همچنین به اجزای سیستم اتوماسیون خانگی هوشمند می‌پردازد و به کاربردها و چالش‌های مرتبط با آن نیز اشاره می‌کند.

1. مقدمه

یک طراحی عملی خانه که به عنوان “خانه هوشمند” شناخته می‌شود، امکان کنترل از راه دور دستگاه‌ها و وسایل خانگی از طریق اینترنت را از هر مکانی با استفاده از گوشی هوشمند یا دستگاه‌های شبکه‌ای دیگر فراهم می‌کند . خانه‌های هوشمند دارای امنیت پیشرفته، نظارت از راه دور، محیط هوشمند، ردیابی سلامت و وسایل خانگی هوشمند هستند .

فناوری‌های سیستم اتوماسیون خانگی بی‌سیم شامل GSM، بلوتوث، ZigBee، مبتنی بر وای‌فای و غیره می‌باشند. دستیارهای فعال شده با صدا ، حسگرها ، کنترل‌کننده‌های برنامه‌پذیر و سیستم اتوماسیون خانگی بی‌سیم همه با هم سیستم اتوماسیون برای خانه‌های هوشمند را تشکیل می‌دهند. مدیریت انرژی، مدیریت امنیت، مدیریت سرگرمی، مدیریت خنک‌کننده و دیگر کاربردهای سیستم اتوماسیون در خانه‌های هوشمند استفاده می‌شوند. قابلیت همکاری که امکان یکپارچه‌سازی ساده با اینترنت فعلی دستگاه‌های هوشمند مختلف را فراهم می‌کند نیز یک چالش است.

2. اجزای سیستم‌های اتوماسیون برای خانه‌های هوشمند

2.1 فناوری بی‌سیم

2.1.1 سیستم‌های اتوماسیون مبتنی بر GSM

سیستم جهانی برای ارتباطات موبایل، به اختصار GSM، نوعی ارتباط بلندمدت است اما نسبتاً کند است. یک ماژول GSM می‌تواند در تحقق سیستم‌های اتوماسیون خانه که به نوبه خود یک پیشنهاد ارزان‌قیمت است، استفاده شود. این سیستم همچنین به میکروکنترلر و رله‌ها نیاز دارد. فناوری GSM همچنین برای ارسال پیامک و اعطای دسترسی از راه دور استفاده می‌شود و نشان می‌دهد که فناوری GSM می‌تواند برای امنیت و ایمنی خانه‌هایمان استفاده شود. برای دستیابی به امنیت خانه‌های هوشمند نیز از رویکرد مبتنی بر GSM استفاده می‌شود.

2.1.2 بلوتوث

در سال‌های اخیر، امکان دستیابی به سیستم‌های اتوماسیون خانه هوشمند با هزینه کم و مبتنی بر بلوتوث فراهم شده است. این فناوری دقت و صحت بیشتری نسبت به GSM دارد و معادل Wi-Fi است اما از نظر سرعت برتری دارد. این نوع ارتباط کوتاه‌برد است. همچنین از نظر هزینه و انرژی کارآمد است.

2.1.3 زیگ‌بی

استاندارد شبکه‌های بی‌سیم IEEE 802.15.4 زیگ‌بی از نرخ‌های پایین قدرت و داده پشتیبانی می‌کند و به طور عمده برای ارتباط دوطرفه بین حسگرها و سیستم‌های کنترلی استفاده می‌شود. هزینه‌های نصب و اجرا حداقل است.

2.1.4 وای‌فای

فناوری “Wireless Fidelity” امکان اتصال تجهیزات و دستگاه‌ها به اینترنت را فراهم می‌کند. سیستم‌های اتوماسیون مبتنی بر وای‌فای همچنین می‌توانند به صورت از راه دور عمل کنند و قابلیت‌های رمزگذاری (امنیت) بهتری دارند.

2.1.5 اینترنت اشیا (IoT)

کوین اشتون اصطلاح “اینترنت اشیا” را در اولین ارائه‌اش در سال 1998 مطرح کرد. سیستم کنترل و نظارت IoT برای لوازم خانگی با استفاده از مینی وب سرور، گوشی هوشمند، برنامه‌های نرم‌افزاری و سخت‌افزار کنترل ایجاد شد. به دلیل ویژگی‌ها و قابلیت‌های هوشمند متعدد، سیستم‌های خانه هوشمند مبتنی بر IoT و وای‌فای به عنوان راه‌حل‌های متنوع و کاربرپسند شناخته می‌شوند.

2.2 حسگرها

2.2.1 حسگر دما

حسگر دمای LM35 یک مدار مجتمع بسیار دقیق است و اختلاف پتانسیل خروجی آن به صورت خطی با دما در درجه سلسیوس همبستگی دارد. LM35 به طور گسترده‌ای در سیستم‌های اتوماسیون برای تشخیص دما استفاده می‌شود.

2.2.2 حسگر رطوبت

میزان رطوبت یا محتوای آب در هوا به عنوان رطوبت شناخته می‌شود. حسگر چهار‌پین DHT11 یک حسگر رطوبت معروف است.

2.2.3 حسگر گاز

حسگر گاز MQ2 یک حسگر رایج برای شناسایی گازهای مختلف مانند پروپان، متان و دود است. این حسگر ارزان‌قیمت با حساسیت گسترده به گازهاست و به طور مکرر در تشخیص نشت گاز استفاده می‌شود. Arduino UNO می‌تواند به آن متصل شود و استفاده از آن ساده است.

2.2.4 حسگر نور

فتورزیستورها، که به عنوان مقاومت‌های وابسته به نور (LDR) نیز شناخته می‌شوند، رایج‌ترین نوع حسگر نور هستند که در مدارهای حسگر نور استفاده می‌شوند. فتورزیستورها سطوح نسبی نور را در طول روز ارزیابی می‌کنند و تعیین می‌کنند که یک چراغ روشن یا خاموش باشد.

2.2.5 حسگر حرکت

حسگر حرکت و حسگر تشخیص بدن انسان با استفاده از حسگر مادون قرمز غیرفعال (PIR) به دست می‌آید.

2.2.6 حسگر تماس

برای اهداف امنیتی درب‌ها و پنجره‌ها، حسگرهای تماس مغناطیسی به طور گسترده‌ای استفاده می‌شوند.

2.2.7 حسگر اشغال

استفاده از حسگر اشغال برای صرفه‌جویی در انرژی در خانه‌ها نیز پیشنهاد شده است. سیستم HVAC زمانی که هیچ کس در خانه نیست برای صرفه‌جویی در انرژی خاموش می‌شود

2.3 کنترل‌کننده‌های قابل برنامه‌ریزی برای سیستم اتوماسیون

کنترل‌کننده‌های پرکاربرد برای سیستم‌های اتوماسیون خانه هوشمند عبارتند از Arduino، Raspberry Pi و Node MCU.

2.3.1 Arduino

میکروکنترلر ATmega328P در Arduino UNO تعبیه شده است. این یک پلتفرم متن‌باز است که برای ساخت پروژه‌های الکترونیکی طراحی شده است. این برد دارای دکمه ریست، هدر ICSP، اتصال USB، جک برق، کریستال کوارتز و پین‌های آنالوگ و دیجیتال است. برد می‌تواند با استفاده از زبان برنامه‌نویسی Arduino که بر پایه C و ++C است و محیط یکپارچه توسعه (IDE) برنامه‌ریزی شود. Arduino Uno به طور گسترده‌ای در حوزه‌های مختلفی مانند رباتیک، اتوماسیون، اینترنت اشیا و بسیاری دیگر استفاده می‌شود. برخی روش‌ها از Arduino Uno پایه برای کارهای خود استفاده می‌کنند.

میکروکنترلر ATmega2560 در Arduino Mega تعبیه شده است. این یکی از قدرتمندترین بردها در خانواده Arduino است و برای ارائه تعداد بیشتری پین‌های ورودی/خروجی (I/O)، حافظه بیشتر و قدرت پردازش بیشتر نسبت به بردهای استاندارد Arduino طراحی شده است. برد Arduino Mega دارای پین‌های ورودی و خروجی دیجیتال، ورودی‌های آنالوگ و چهار پورت سریال است. همچنین دارای کریستال کوارتز، اتصال USB برای برنامه‌ریزی و تغذیه، هدر ICSP و دکمه ریست است. این برد با اکثر شیلدهای طراحی شده برای این بردها سازگار است و می‌تواند با استفاده از محیط یکپارچه توسعه برنامه‌ریزی شود.

2.3.2 Raspberry Pi

Raspberry Pi یک کامپیوتر چندمنظوره است که می‌تواند برای انواع مختلف وظایف، از جمله به عنوان یک کنترل‌کننده برای دستگاه‌ها و سیستم‌های هوشمند مختلف، استفاده شود. این یک CPU چند هسته‌ای با کارایی انرژی است که به عنوان یک سیستم روی تراشه (SoC) ساخته شده است، وزن آن 50 گرم است و دارای ولتاژ 5 ولت و 700 میلی‌آمپر است.

2.3.3 Node MCU

این یک میکروکنترلر است که بر روی پلتفرم Arduino ساخته شده و همچنین شامل چیپ‌ست وای‌فای ESP8266 است. این میکروکنترلر دارای ظرفیت ذخیره‌سازی 4 مگابایت و حافظه 128 کیلوبایت است. اغلب برای یک برنامه منفرد اینترنت اشیا (IoT) یا برای حذف نیاز به واحد پردازش مرکزی (CPU) به کار می‌رود. Node MCU دارای مزیت اقتصادی قابل توجهی نسبت به رقبا است زیرا می‌تواند بدون استفاده از تجهیزات یا ماژول‌های اضافی از طریق وای‌فای به شبکه جهانی متصل شود.

2.4 دستیارهای فعال شده با صدا

عوامل نرم‌افزاری که به عنوان دستیارهای صوتی شناخته می‌شوند، می‌توانند زبان گفتاری را درک کنند و با صداهای غیرواقعی پاسخ دهند. معروف‌ترین مثال‌ها عبارتند از Alexa آمازون، Cortana مایکروسافت، Siri اپل و Google Assistant. این دستگاه‌ها در گوشی‌های هوشمند یا بلندگوهای خانگی تعبیه شده‌اند. این دستگاه‌ها می‌توانند به سؤالات پایه اطلاعاتی و ریاضی پاسخ دهند و مهم‌تر از همه، دستگاه‌های اینترنت اشیا (IoT) را کنترل کنند. این دستگاه‌ها حتی می‌توانند پیام‌های متنی و ایمیل‌ها را بخوانند و ارسال کنند و تماس‌های تلفنی برقرار کنند.

3. راحتی سیستم‌های اتوماسیون خانه هوشمند

انواع مختلفی از نیازهای راحتی برای افراد در خانه‌های هوشمندشان وجود دارد، مانند لذت دمایی و رطوبتی، لذت نوری مرتبط با نورها و رنگ‌ها و لذت هوای مطبوع مرتبط با کیفیت هوا. با استفاده از مفهوم یادگیری ماشینی، اینترنت اشیا و هوش مصنوعی، در خانه هوشمند می‌توان به راحتی راحتی را مشاهده و تجسم کرد.

4. بهره‌وری انرژی در سیستم اتوماسیون خانه هوشمند

خانه‌های هوشمند با بهره‌وری انرژی به خانه‌هایی اطلاق می‌شوند که از فناوری برای کاهش مصرف انرژی و بهبود عملکرد انرژی استفاده می‌کنند، در حالی که راحتی و آسایش را برای ساکنان خود فراهم می‌کنند. سیستم مدیریت انرژی خانه نیز نقش حیاتی در صرفه‌جویی انرژی در خانه‌های هوشمند دارد.

با توجه به تحقیقات گشترده در مورد بهره وری انرژی در سیستم اتوماسیون خانه هوشمند چند نکته قابل استخراج است:

• سیستم اتوماسیون خانه هوشمند برای مسکن کارآمد انرژی: تحقیقات نشان می‌دهد که سیستم های اتوماسیون خانه هوشمند کم‌هزینه و کارآمد انرژی می‌توانند با ترکیبی از فناوری‌های مانند کنترلرهای منطقی برنامه‌پذیر (PLC)، CPU و شبکه حسگر بی‌سیم توسعه داده شوند.
• اتوماسیون خانه هوشمند مبتنی بر اینترنت اشیا: استفاده از فناوری های اینترنت اشیا (IoT) امکان دستیابی به اتوماسیون خانه هوشمند کارآمد انرژی را فراهم می‌کند [39]. IoT امکان کنترل و نظارت یکپارچه بر سیستم های مختلف خانه را فراهم می‌کند.
• اتوماسیون کارآمد انرژی مبتنی بر Raspberry Pi: از Raspberry Pi می‌توان به عنوان کنترلر اصلی برای پیاده‌سازی سیستم های امنیت و اتوماسیون خانه هوشمند کم‌هزینه و کارآمد انرژی استفاده کرد .
• جابجایی بار برای یکپارچه‌سازی منابع انرژی تجدیدپذیر: تکنیک ها و الگوریتم های جابجایی بار می‌توانند در خانه‌های هوشمند برای صرفه‌جویی در انرژی به کار گرفته شوند، به خصوص هنگام یکپارچه‌سازی منابع انرژی تجدیدپذیر . این امر امکان مدیریت و بهینه‌سازی بهتر مصرف انرژی خانگی را فراهم می‌کند.

به طور کلی، تحقیقات نشان می‌دهند که فناوری‌های اتوماسیون خانه هوشمند با بهره‌گیری از IoT، PLC و Raspberry Pi می‌توانند راه‌حل‌های اتوماسیون خانگی کارآمد انرژی و مقرون به‌صرفه را فراهم کنند. همچنین، یکپارچه‌سازی منابع انرژی تجدیدپذیر و کاربرد الگوریتم‌های جابجایی بار می‌تواند کارایی انرژی خانه‌های هوشمند را بیشتر افزایش دهد.

5. جنبه‌های حریم خصوصی در سیستم اتوماسیون خانه هوشمند

حریم خصوصی نگرانی‌ای است که افراد برای حفظ فضای خصوصی خود و مستقل از دخالت دیگر کاربران و جامعه دارند. داده‌ها همچنین توسط دوربین‌ها، آشکارسازهای حرکتی و حسگرهای نوری جمع‌آوری می‌شوند. بیشتر این داده‌ها شامل اطلاعات خصوصی و/یا حساس، از جمله آدرس‌ها، موقعیت‌ها، تصاویر و جزئیات دسترسی به شبکه هستند.

6. دسترسی به سیستم اتوماسیون خانه هوشمند

خانه هوشمند باید برای همه اعضای خانواده از جمله افراد دارای معلولیت قابل دسترسی باشد. افراد دارای معلولیت بینایی نیز می‌توانند با استفاده از دستگاه‌های ردیابی سر به خانه هوشمند دسترسی پیدا کنند. دستگاه‌های ردیابی سر، دستگاه‌های تشخیص حرکت هستند و با کمک حرکات صورت می‌توانیم در آن‌ها حرکت کنیم.

7. چالش‌های مرتبط با سیستم اتوماسیون خانه هوشمند

7.1 اتصال چند دستگاه به شبکه

چندین مورد یا دستگاه هوشمند جدید به طور خودکار به شبکه متصل می‌شوند. برای مدیریت مشکلاتی مانند آدرس‌دهی، مدیریت اطلاعات و مدیریت خدمات، اینترنت اشیا باید بتواند از محیط‌های کوچک و بزرگ پشتیبانی کند.

7.2 قابلیت هم‌خوانی

در اینترنت اشیا، تعداد زیادی از موارد هوشمند متصل هر کدام دارای قابلیت‌های جمع‌آوری، پردازش و ارتباط اطلاعات خود هستند. باید یک استاندارد ارتباطی مشترک برای همکاری و ارتباط بین اشیای هوشمند از انواع مختلف وجود داشته باشد.

7.3 ارائه امنیت

ارائه امنیت و حریم خصوصی در یک شبکه مبتنی بر اینترنت که از اشیای هوشمند تشکیل شده، یک مسئله بزرگ است. در اینترنت اشیا، کاربران گاهی اوقات از دسترسی سایر کاربران به اطلاعات خاص در زمان‌های معین جلوگیری می‌کنند، یا ارتباطات یا تراکنش‌ها را برای حفاظت از اطلاعات حساس از رقبا مسدود می‌کنند. بنابراین، مدیریت این سناریو واقعاً دشوار است.

8. آینده سیستم‌های اتوماسیون خانه هوشمند

برخی از پیشرفت‌هایی که می‌توانیم در آینده در سیستم‌های اتوماسیون خانه هوشمند ببینیم به شرح زیر است:

8.1 افزایش یکپارچگی

با در دسترس قرار گرفتن دستگاه‌های هوشمند بیشتر، می‌توانیم انتظار داشته باشیم که یکپارچگی بیشتری بین سیستم‌های مختلف در خانه مشاهده کنیم. به عنوان مثال، یک ترموستات هوشمند ممکن است با یک سیستم پنجره هوشمند برای تنظیم دما و نور طبیعی برای بهینه‌سازی بهره‌وری انرژی همکاری کند.

8.2 قابلیت‌های پیشرفته AI

با پیشرفت‌های هوش مصنوعی، سیستم‌های اتوماسیون خانه هوشمند قادر خواهند بود به عادات و ترجیحات کاربران یاد بگیرند و خود را تطبیق دهند، که آنها را حتی راحت‌تر و کارآمدتر می‌کند. به عنوان مثال، یک خانه هوشمند ممکن است بتواند ورود کاربر به خانه را پیش‌بینی کرده و نور و دما را به تنظیمات ترجیحی او تنظیم کند.

8.3 کنترل بیشتر از طریق دستگاه‌های پوشیدنی

ساعت‌های هوشمند و دیگر دستگاه‌های پوشیدنی ممکن است بیشتر با سیستم‌های اتوماسیون خانه هوشمند یکپارچه شوند و به کاربران امکان کنترل خانه خود را از هر جایی با چند ضربه روی مچ دستشان بدهند.

8.4 تاکید بیشتر بر پایداری

با افزایش نگرانی‌ها در مورد تغییرات آب و هوایی، سیستم‌های اتوماسیون خانه هوشمند ممکن است حتی بیشتر بر پایداری و بهره‌وری انرژی متمرکز شوند. به عنوان مثال، پنل‌های خورشیدی و سیستم‌های ذخیره‌سازی انرژی ممکن است در خانه‌های هوشمند بیشتر رایج شوند.

8.5 تمرکز بیشتر بر سلامت و رفاه

خانه‌های هوشمند ممکن است حتی بیشتر بر بهبود سلامت و رفاه کاربران متمرکز شوند، با ویژگی‌هایی مانند تصفیه‌کننده‌های هوا و نورپردازی هوشمند که بر اساس زمان روز و سطح فعالیت کاربران تنظیم می‌شوند.