物联网产品开发之路： 智能家庭

为了演示产品边缘物联网解决方案（使用云数据分析）的智能家庭垂直快速路径，我们使用英特尔® 物联网开发人员套件和 Grove* 物联网商业开发人员套件创建了概念验证，并使用英特尔® 物联网网关、工业传感器、英特尔® 物联网网关软件套件、英特尔® XDK 物联网版和 IBM Bluemix* 云服务扩展为一款工业解决方案。 这款解决方案可监控家庭前门和车库门的状态，从而提高安全性。 网关可收集来自门铃、门锁、步进电机和车库门应用的数据，以进行边缘数据分析。

物联网 (IoT) 的承诺是提供连接，让我们控制和意识到始终无处不在的无数存在点。 作为每个消费者世界的中心，家庭可能是呈现这一愿景的最重要的场所。 总之，当我们离开家时，我们希望确保家中的安全，而技术则可以在其中发挥丰富的作用。

每个人都曾有过这样的疑虑：离开家时是否没锁门或没关车库门。而当人们想起这些时往往已经为时过晚，无法进行检查。 在一个能够随时随地即时访问各种信息的世界中，这是人们难以接受的。 我们当中的许多人都已经准备采用（和购买）可帮助消除这一烦恼的解决方案。

虽然市场中有许多用于支持智能家庭的产品，但这一领域仍处于初级阶段，并且不同厂商的产品和组件之间的互操作性不足。 英特尔已经确定了使用基于标准的开放式平台构建解决方案的价值。 这一方法支持在整个家庭中轻松实施智能设备，具有出色的安全性，并通过云监控。 这些产品和服务的相应商业潜力是巨大的。

英特尔开展了一个开发项目，以研究这一问题以及与构建智能家庭系统相关的其他机遇。 这一项目的灵感在很大程度上来源于 Yoga Systems 的智能家庭平台解决方案蓝图。 本文描述了这一项目开发工作的过程。 文本从介绍结构化项目方法开始（分为多个阶段），然后按阶段详细介绍项目开发过程。

有意者可以用本文来回顾英特尔项目团队在开发产品的智能家庭之路方面所采取的步骤。 或许更重要的是，本文可被概括为一套指导方针，以满足其他项目类型的需求。 英特尔免费提供这一文档，鼓励使用这一方法和流程推动物联网的探究、发明和创新。

本文概述了产品的物联网开发之路： 智能家庭。 若要查看项目教程，请参见产品的物联网开发之路： 如何构建智能家庭原型。

如欲获取这一项目的最新代码示例和文档，请访问 GitHub。

方法

从本质上讲，物联网包含开放式创新，支持各种项目，为从简单到复杂、从普通到独特的各种对象添加智能特性。 与此同时，每个项目都基于行业从以前的物联网项目中获取的经验，最佳实践表明了物联网项目之间的共同结构元素。

为了充分利用这些共性并帮助提高开发的成功机会，英特尔开发了一种结构化的物联网项目开发方法。 这种方法包含一个六阶段模型，指导着从灵感的灵光一现到最终解决方案进行商业部署的整个产品开发流程。 这个六阶段模型旨在具有通用性，以便满足任何物联网项目的需求。

起始阶段 (1-3)

项目方法的前三个阶段是调查， 着重于构思和评估项目解决特定问题的潜力，为产品的最终商业化实施做准备。 因此，相比严格处理更精细的设计点，这些阶段更注重集思广益和概念验证。

Grove 物联网商业开发人员套件包含一个英特尔® NUC 系统、英特尔® 物联网网关软件套件和 Grove Starter Kit Plus（由 Seeed 制造），可帮助实现快速原型开发。 该项目还使用了 Arduino* 101 开发板。

注：这一开发板在美国称为“Arduino 101”，在其他地方称为“Genuino* 101”。 在本文中称为“Arduino 101”开发板。

第一阶段

定义项目将利用的机会。 物联网项目的第一步是确定项目将处理的问题或机会。 这一阶段的文档应确定机会本身、解决方案（对于用户以及构建和实施的机构）的价值以及项目概念的限制，包括设计挑战和限制。

第二阶段

设计一个概念验证，以充分利用机会。 最初的解决方案设计提出了一种实用的解决方案构建方法，包括硬件、软件和网络元素。 设计必须尽可能在构建原型之前解决第一阶段中确定的设计挑战和限制，包括适当考虑成本和安全性等因素。

第三阶段

构建和完善概念验证。 解决方案原型基于第二阶段中创建的设计，根据需要进行变更并记录下来。 在这一阶段中，基于缺点的设计变更和测试期间发现的其他机会也应该记录下来。

完成阶段 (4 – 6)

项目方法的最后三个阶段只有在决定进行解决方案产品化之后才进行。 因此，这些阶段明确涉及稳定性、安全性和可管理性方面的增强，准备产品的大规模生产以及从中盈利以实现其商业潜力。

项目的完成阶段包括将解决方案变为工业级传感器和相关组件，使用商业级网关构建并完成功能集。

第四阶段：

生成可靠的测试版。 一旦项目被批准为可行的解决方案进行生产，下一步工作是生成一个专用于完成设计的面向产品的版本。 此版本代表着对资源的大量投资，包括商业级传感器和其他组件以及商业物联网网关。

第五阶段

评估功能并添加功能。 完成的解决方案测试版本进行了测试，以验证其能否根据设计参数正常运行。 作为测试流程的一部分，项目团队还确定了融入解决方案的附加特性和功能，以使其更加强大并对最终用户更有价值。

第六阶段

完成设计并进入生产。 产品具有完整功能后，团队会通过添加高级管理和安全特性来增强解决方案，并根据需要优化设计，以增强制造的适销性和效率等因素。 解决方案的生产用户界面 (UI) 也已完成。 这一阶段的工作还包括在进入全面生产之前进行解决方案销售和营销的最终规划。

第一阶段： 定义机会

用于检测门处于锁定还是解锁状态、门铃是否响起、车库门打开还是关闭的传感器可提供基本数据，这些数据可具有非常深刻的意义。 这种信息的简单性及其意义之间的对立性是这一解决方案的商业价值潜能的基础。

英特尔的项目发起人核心组确定，作为潜在项目的基础，智能家庭可用来展示物联网功能和此处所述的项目方法。 该核心组确定了项目期间可能需要的技能，包括项目管理、编程、云架构和文档。 根据所需技能列表，核心组组成了完整的项目团队，项目人员主要来自于英特尔员工，偶尔加入一些外部人员，以完善团队的专业知识。

整个项目团队的第一件事是量化与项目相关的潜在机会，作为初始原型设计的基础。 这一用例的核心机会被确定为整合与智能家庭的特定功能相关的编程控制和通知，包括以下内容：

• 前门：此项目将锁定和解锁门，并提供有关锁定/解锁状态的状态信息以及实物模型上门的打开/关闭状态。
• 门铃：在模型上按动按铃时，管理应用和移动应用上将显示直观表现效果。
• 车库门：用户可以从移动应用发送命令来升高和降低车库门。 移动应用还将显示门在打开或关闭时的进度，如果门被阻止关闭，则提供警报。

传感器将检测并发送这些信息到云以启用日志记录和分析，并支持远程安全访问，以便用户可以查看上面列出的各种智能家庭元素的事件通知和状态。

该团队还确定了对其指定为不在此项目范围内的解决方案进行进一步扩展的机会。 这些包括面向住宅和商业客户的托管服务，其中包括并入现有解决方案，以丰富家庭安全产品。

第二阶段: 设计概念验证原型

项目团队确定，为了使该项目对开发人员社区尽可能有用，它应基于现有的部件和技术。 根据该决定，团队决定使用行业中广泛采用的低成本或无成本软件技术，并在可行情况下加上免费的开源软件 (FOSS)，将物料清单限定于 Grove 物联网商用开发人员套件、英特尔®物联网开发人员套件和英特尔®物联网网关软件套件 (https://software.intel.com/zh-cn/node/633283)。

为了加速原型阶段并降低其复杂性，该团队选择将原型的局部部分构建为一个工作台模型，这个模型包含计算平台和传感器，而不包含智能家庭的实际比例模型，尽管在项目的未来阶段需要添加这样一个实际比例的模型。

原型硬件选择

此项目选用了英特尔® NUC 套件 DE3815TYKHE 小型 PC。 这个平台如图 1 所示，其高级规范在表 1 中给出。 除了强大的性能以外，该团队认为，作为英特尔最新推出的专门面向物联网的硬件平台，它是这一示范项目的前瞻之选。 英特尔 NUC 基于英特尔® 凌动™ 处理器 E3815，提供一款无风扇散热解决方案、4GB 板载闪存存储（以及用于额外存储的 SATA 连接）以及各种 I/O 端口。 英特尔 NUC 被认为是一款高度紧凑和可定制的设备，可提供台式 PC 规模的功能。

为了简化连接传感器的流程，该团队选择采用使用 Arduino 101 开发板的 Arduino 生态系统，如图 1 所示，其规格如表 1 所示。 这一开发板可让英特尔 NUC 的硬件和针脚与 Arduino 盾板兼容，这符合项目团队的开源理念。 虽然项目的当前迭代中没有使用蓝牙*，但开发板具有该功能，团队正在考虑未来进行使用。

表 1.智能家庭项目中使用的原型硬件

图 1.英特尔® NUC 套件 DE3815TYKHE 和 Arduino* 101 开发板

对于创建原型所需的传感器和其他组件，该团队选择了 Grove Starter Kit for Arduino（由 Seeed Studio 制造），它基于 Grove 物联网商业开发人员套件中所用的 Grove Starter Kit Plus。 这个系列的组件成本较低，由于它是预先选择的一组部件，因此可减少确定和获取物联网原型的材料清单所需的工作量。 为原型选择的传感器和其他组件（在下一部分中详述）由包含以下内容的关键数据引导：

• 前门的锁定/解锁状态
• 前门的打开/关闭状态
• 车库门的打开/关闭状态
• 车库门的阻挡/未阻挡状态
• 事件：门铃响、锁/开前门、开/关前门、开/关车库门、阻挡车库门

原型软件规格

对于原型操作系统，该团队考虑了 Yocto Linux* 和英特尔®物联网网关软件套件。 Yocto Linux 具有很高的灵活性，能够稳定地控制源代码，并可以创建根据系统需求量身定制的轻量级嵌入式操作系统，因而可支持项目团队使用 FOSS 的理想。 另一方面，英特尔®物联网网关软件套件提供即购即用的实施，无需定制。 它还提供了用于开发的 Node- RED 功能。 该团队将这些因素组合作为原型开发的最佳实践，因此选择了英特尔®物联网网关软件套件作为原型的操作系统。

下列应用被确定作为解决方案的一部分进行开发：

• 控制应用将在智能家庭模型上运行，收集来自传感器的数据，处理解决方案机电方面的操作（例如开/关车库门），并与人类用户和云交换数据（即通过管理和移动应用）。
• 管理应用将在 PC 或平板电脑上运行，并允许详细查看智能家庭的操作，包括事件、状态和日志以及访问云数据和分析。
• 移动应用将在智能手机或其他移动设备上运行，支持客户打开和关闭车库门，并监控门在打开、关闭或被阻挡时的进度。

第三阶段： 构建和完善概念验证原型

通过使用英特尔® NUC 套件 DE3815TYKHE、Arduino 101 开发板和 Grove Starter Kit Plus IoT Edition，该团队开发了概念验证原型，如图 2 所示。 原型被构建为一个工作台概念验证，这个工作台未与工作门等机械部件相连，因为项目团队认为目前这个阶段不需要。 例如，旋转角度传感器用于模拟前门的锁定和解锁，步进电机代替车库门，简单的按钮用作智能家庭完整模型中的门铃按钮。

图 2. 智能家庭概念验证原型

原型的物料清单如表 2 所示。

表 2. 智能家庭原型组件

项目团队还确定，智能家庭原型应在云中断或互联网连接不良的情况下提供本地功能。

概念验证原型中使用的控制应用是用 JavaScript* 编写的。 它通过访问 IBM Bluemix 与移动和管理应用来回传输数据，从而支持各种功能，包括开关车库门、锁定和解锁前门以及通知门铃响起等事件。 移动应用是用 JavaScript 编写的（在 web 浏览器中使用），以避免将应用迁移到多个智能手机平台的需要。

用来为这款解决方案开发软件的开发环境是英特尔® XDK IoT Edition，它包含在 Grove 物联网商业开发人员套件中，可以免费下载。 它支持开发人员直接在基于英特尔® 架构的物联网平台中创建和运行 Node.js 应用，包括英特尔® NUC 套件 DE3815TYKHE，以及远程调试功能。 Node-RED 也是一个开发选项。

若要访问英特尔 NUC 上的 I/O，则需要声明 MRAA，它是一个与 JavaScript 和 Python *绑定的 C / C ++ 库，用于与其他平台相连接。 它提供了一个结构化、完善的 API，端口名称和编号与物理硬件相匹配。 如欲了解更多信息，请访问 GitHub。 此外，这款解决方案是用 Firmata 开发的，它支持与 Arduino 开发环境进行编程交互，从而充分利用 Arduino 的硬件提取功能。 使用 Libmraa 提取 Firmata 可以更好地对英特尔 NUC 上的 I/O 进行编程控制，从而简化从传感器收集数据的流程。 UPM 提供用于访问传感器的特定功能调用。

智能家庭概念验证原型包括用于车库门的激活按钮，用于门铃的激活按钮和蜂鸣器，用于确定前门打开/关闭状态的触摸传感器，用于模拟前门锁定和解锁的旋转角度传感器，以及显示车库门和前门打开/关闭状态以及在门铃响起时显示消息的背光 RGB LCD 显示屏。 原型还包括显示车库门打开/关闭状态的 LED 指示灯。

内置在 Node.js 中的智能家庭软件应用收集来自传感器的输入数据并在 LCD 显示屏上显示信息。 如果 LCD 显示屏上显示“门打开”消息，绿色 LED 指示灯将亮起。 如果 LCD 显示屏上显示“门关闭“消息，红色 LED 指示灯将亮起。 应用还可以通过控制步进电机来打开和关闭实际的车库门，但为了简单起见，电动机未在概念验证原型中实施。

第四阶段： 生成可靠的测试版

完成智能家庭的概念验证后，项目团队确定其功能已经足够成功，可以继续构建生产版本。 在这个阶段，整个解决方案被认为包括以下部件：

• 家庭的物理模型：具有可扩展能力，包括解决方案中突出强调的功能部件：门铃、前门、车库门和相关系统。
• 网关：作为基于英特尔架构的商业产品购买，并使用定制开发的软件实现。
• 客户端应用：在 JavaScript 中实施，用于控制整个解决方案，并生成和访问基于云的分析。
• 云分析：基于 IBM Bluemix，可根据自动售货机的使用数据，生成深刻洞察，从而改进业务流程。

选择项目测试版的组件

项目完成阶段的早期成果包括选择将构成最终投产解决方案的特定组件。

智能家庭模型采购

虽然团队选择创建概念验证原型作为智能家庭的板级仿真，但他们决定，生产版本将基于实际房屋的比例模型。 该团队聘请了一位在构建复杂的功能比例模型方面拥有丰富经验的外部制造商。 智能家庭模型的初始规范和一位艺术家对仿真模型的渲染效果如图 3 所示。

在这个阶段要作出的其他关键决策包括：选择工业级传感器、基于英特尔架构的网关、用于数据存储和分析的云服务，以及用于客户端应用的软件技术。

选择传感器和相关组件

表 3 详细列出了概念验证原型中使用的工业级传感器和相关组件（用于替代 Grove Starter Kit 中的传感器和相关组件）。

用金属加固的紧密胶合板（每个维度约为三英尺）以 1/12 的比例构建的定制模型房屋，并具有以下部件：

• 手动打开的前门，配有英特尔提供的传感器，用于检测打开/关闭状态和可操作的门铃按钮。
• 电动操作的车库门，配有英特尔提供的步进电机和传感器，用于检测上行和下行，以及一个小的尼龙剪切螺钉，用于门被阻挡时防止损坏。

图 3. 面向生产解决方案的智能家庭模型的工作草图

门和屋顶将采用模块化结构且可移动，以便在测试和诊断期间完全访问。

表 3. 生产智能家庭组件

网关选择

选择在智能家庭产品版中使用的网关时，请关注以下因素：

• 强大的计算资源，用于确保平稳的性能，消除因操作过程中出现中断而产生的错误。
• 显然需要现成的商业可用性，因此项目可以按计划进行。 网关还必须具有足够的数量，以便实现智能家庭概念的假设产品化。

最后，项目团队选择使用 Dell iSeries Wyse 3290 物联网网关（规格见表 4）在这个项目的产品阶段进行实施。 该网关可为当前功能和可预见的功能提供所需的性能，并为智能家庭产品的假设性商业分销提供现成的可用性（可能大批量）。

该团队一致认为，继续使用英特尔®物联网网关软件套件（原型基于这一套件）是一个简单的决定，特别是因为网关针对操作系统进行了预验证。 此外，英特尔® NUC 和网关均可以运行英特尔®物联网网关软件套件，从而简化将软件元素从原型移植到智能家庭模型产品版的流程。 同样，英特尔® XDK 等其他核心软件组件和原型中使用的库也保持不变，以简化向产品阶段的过渡。

表 5 总结了智能家庭产品阶段的传感器状态。 对于每个传感器，“打开”和“关闭”值提供返回的逻辑电平，“边缘操作”表示要监控的过渡。

表 4.智能家庭产品阶段的网关规格

表 5.智能家庭产品阶段的传感器状态

系统架构

解决方案拓扑如图 4 所示。

图 4.智能家庭解决方案拓扑

第五阶段： 评估功能和添加特性

在评估智能家庭解决方案之前，该团队将硬件和软件组件安装到了模型中，如图 5 所示。

管理应用和移动应用的区别

图 5. 安装在模型中的智能家庭解决方案

该项目团队认为，添加两个用于控制和监控智能家庭解决方案的应用对于该解决方案是有价值的：

• 客户端应用，供系统管理员使用，支持测试/调试功能并提供对云分析数据的访问。
• 移动应用，供最终用户使用，允许控制门铃和车库开门器，并显示两个门的打开/关闭状态。 该团队还决定添加前门锁的状态监控。

实施面向浏览器的管理和移动应用

该团队决定使用英特尔 XDK IoT Edition 在 HTML5 和 JavaScript 中实施管理和移动应用，而非为不同平台提供多个版本的富客户端应用（或承担更复杂的跨平台富客户端开发工作）。 此方法允许使用多个硬件平台的管理员和最终用户使用每个应用的单一版本。 该团队确定的主要平台包括：

• iOS* 设备，包括 iPad* 和 iPhone*
• Android* 设备，包括智能手机和平板电脑
• 笔记本电脑和台式电脑，运行 Windows* 或 Linux

门锁定功能

该团队认为，除了前门和车库门的打开/关闭状态以外，增加显示前门锁定/解锁状态的功能是有价值的。 因此，他们在为制造商提供的模型的规格中添加了门锁。

云警报

添加了以下基于云的功能：

• 当车库门打开时，车库内有一盏灯亮起。 当车库门关闭时，这盏灯将在指定时间后熄灭。
• 如果车库门在指定时间段内保持打开状态，则向用户发送警报。
• 如果前门在某一时间段内保持打开或解锁状态，则向用户发送警报。

进入系统的附加授权方法

有可能通过整合开放式方法，让人们向智能家庭系统证明自己的身份，从而进入前门或车库门。 这些可能包括从智能手机上的近场通信 (NFC) 功能到指纹读取器等生物测定技术的各种技术。 这种功能的扩展尚未实现，但智能家庭设计的模块化性质和额外传感器容量的可用性使得这种功能的未来实施成为可能。

第六阶段： 完成设计并发布到生产

负责开发这一解决方案的项目团队是以工程为核心的，因此为最终产品开发一流的用户界面有些超出了该团队的核心能力。 为此，该团队聘用了一位签订合同的外部人员。 这名负责开发用户界面的人员与核心软件开发团队一起参加定期团队会议和专门会议。

图 6. 智能家庭管理应用用户界面

在讨论过程中，用户界面进行了改进，加入额外的能力和功能。 例如，该团队为车库门和前门添加了更强大的状态指示功能，以表明这些门处于打开、关闭、锁定还是阻挡状态。 移动应用的外观进行了更改，以便更贴近传统车库开门器的外观。

管理应用用户界面

管理应用用户界面（如图 6 所示）专为在平板电脑上操作而设计，并且基于云数据提供面向智能家庭的管理功能。

管理应用用户界面包含以下主要元素：

• 菜单系统包含一个转到主屏幕的主页按钮（如图所示）、一个“关于”界面（包含有关软件的信息）、一个提供硬件设置详细信息（包括传感器的位置和连接）的“设置”按钮，以及一个用于访问事件日志（对每种类型的所跟踪事件的最新实例进行跟踪，包括门铃响起，前门锁定、解锁、打开或关闭，以及车库门打开、关闭或阻挡）的日志按钮。
• 通知面板显示关于门铃响起的事件通知以及前门状态（打开、关闭、锁定和解锁）和车库门状态（打开、关闭或阻挡）的更改。 这些显示信息基于与云交换并保存在云中的数据，而非本地派生的数据。 面板不仅显示事件本身，还显示检测到事件的传感器。
• 状态面板显示系统跟踪的每个事件的最新实例，包括车库门打开、关闭、阻挡，前门打开、关闭、锁定或阻挡，以及门铃响起。 它包括每个事件的时间戳。
• 前门视图显示门的打开或关闭状态，以及一个用于表示门是否锁定或解锁的动画图标。 当门铃响铃时也提供视觉通知。
• 车库门视图提供车库门打开、关闭或被物体阻挡的动画显示。 如果门被阻挡，应用将在动画中直观地显示障碍物，并防止门关闭。

管理应用还提供有关无法完成的所请求操作的弹出通知，如“前门已锁定。 请先解锁。” 如果用户在门打开时试图锁定门，则会出现类似的通知。

移动应用用户界面

图 7. 智能家庭移动应用用户界面

如图 7 所示，移动应用用户界面被设计为在智能手机上操作，允许客户在智能家庭中打开和关闭车库门。 它还会根据每秒一次的云数据轮询报告门的状态。

管理应用用户界面包含以下主要元素：

• 通知面板显示车库门的打开或关闭状态，并用动画显示打开或关闭车库门的动作。 它还在动画内显示障碍物并为用户提供“移除障碍物以继续操作”对话框，以此指示门是否被障碍物阻挡。
• 打开和关闭按钮允许用户远程打开和关闭车库门。 按下按钮时，应用将向云发送数据，接受来自云的响应并根据该响应显示门的状态。 管理应用还会立即响应移动应用所执行的操作。

结论

结构化流程对于一个项目（如本文介绍的智能家庭项目）从构思的早期阶段、原型设计到商用解决方案生产的进展效率至关重要。 本文介绍的六阶段方法旨在提供一个企业可根据自身项目需求进行调整的模型。 通过对与制造商社区所用组件类似的低成本组件进行原型设计，可以在时间和资金都有限的项目早期识别其可行性。 对于有前景的项目，可以进行功能改进，并将解决方案移动到一个基于商业网关和工业级传感器及其他组件的生产就绪平台。

这种逐步式的项目开发方法为具备商业可行性的产品提供了一条途径，可帮助限制风险，同时使项目团队能够自由创新。 本文概述了产品的物联网开发之路： 智能家庭。 如欲获取项目教程，请查看产品的物联网开发之路： 如何构建智能家庭原型。

如欲获取这一项目的最新代码示例和文档，请访问 GitHub。

更多信息

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