Smart Home: Design and Implementation of IoT-Based Reconfigurable Smart Home System

Abstract

Interoperability is a key issue in Internet of Things (IoT). To improve it, this study proposes a system architecture of reconfigurable smart objects for a smart home setting. The architecture consists of the service layer for online services, the management layer for configuring local devices, and the device layer that contains the embedded system for IoT devices. The architecture is designed to fulfill smart object system requirements identified in the literature, and the embedded system component of the proposed architecture was implemented and evaluated in real home environment to confirm the feasibility of the approach. The embedded system has a novel combination of IoT standards and scripting capability to enable direct peer-to-peer connections and local data processing with JavaScript in the local area network. The main implementation was materialized in C language and hardware integration with C++ and Arduino, while using existing libraries where possible.

The system was compiled for ESP32-S2 Wi-Fi-enabled system on a chip and tested successfully in two simple use cases, proving the feasibility of the system. The scripting aspect allows direct connections between IoT devices even when the datatypes are different, as long as an adapter script can be uploaded to the device to convert the values. In addition to interoperability, the proposed system improves reliability, as connections and data processing are local instead of having a round-trip to an Internet service. Furthermore, security and privacy are improved as the user has full visibility and control over all active data connections from the devices. However, the proposal addresses no further security considerations, which can be improved in future work. Also, the system is currently designed only for small LAN networks and could be improved by more advanced device discovery schemes and peer-to-peer communication methods.

Yhteentoimivuus on avainongelma esineiden internetissä. Parantaakseen sitä tämä tutkimus ehdottaa älytaloihin suunnattua uudelleenkonfiguroitavien älylaitteiden järjestelmäarkkitehtuuria. Arkkitehtuuri koostuu kolmesta kerroksesta: palvelukerros Internet-palveluille, hallintakerros paikallisten laitteiden konfigurointiin sekä laitekerros, joka sisältää sulautetun järjestelmän laitteille. Arkkitehtuuri on suunniteltu täyttämään kirjallisuudessa tunnistetut älyesineiden vaatimukset, ja arkkitehtuurin sulautetun järjestelmän komponentti toteutettiin ja testattiin todellisessa kotitaloudessa lähestymistavan käyttökelpoisuuden varmistamiseksi. Sulautettu järjestelmä koostuu uudenlaisesta, esineiden internetin standardien ja skriptausmahdollisuuden yhdistelmästä, joka mahdollistaa lähiverkon vertaisverkkoyhteydet ja datan paikallisen prosessoinnin JavaScriptillä. Toteutus tehtiin pääasiassa C-kielellä ja integrointi laitteistoon C++:lla ja Arduinolla, käyttäen olemassa olevia kirjastoja aina kun mahdollista.

Toteutus käännettiin ESP32-S2 Wi-Fi-järjestelmäpiirille, ja testattiin onnistuneesti kahdessa käyttötapauksessa, todistaen järjestelmän käyttökelpoisuuden. Järjestelmän skriptauspuoli mahdollistaa suorat verstaisverkkoyhteydet laitteiden välille, vaikka ne käyttäisivät eri tietotyyppejä, kunhan tyyppien välillä on muunnosskripti ja se voidaan lähettää laitteille. Yhteen toimivuuden parantamisen lisäksi järjestelmä lisää luotettavuutta, koska yhteydet ja prosessointi voidaan suorittaa paikallisesti, sen sijaan että data kulkisi Internettiin ja takaisin. Myös tietoturva ja yksityisyys parantuvat, koska käyttäjällä on täysi näkyvyys ja hallinta kaikista aktiivisista datayhteyksistä. Ehdotettu järjestelmä ei kuitenkaan sisällä muita tietoturvaominaisuuksia, vaan niitä voidaan käsitellä jatkotutkimuksissa. Lisäksi järjestelmä on suunniteltu toimimaan vain pienissä paikallisverkoissa, mutta sitä voitaisiin laajentaa kehittyneemmillä laitteiden löytötekniikoilla ja vertaisverkkomenetelmillä.