A User-Centred Methodology to Design and Simulate Smart Home Environments and Related Services

The advances in home automation and communication technologies offer several attractive benefits for the modern smart home, such as increased energy efficiency, improved residential comfort and reduced operative costs for the homeowner. Data aggregation and sharing within the networks can be guaranteed by modern Internet of Things (IoT) approaches and supported by available Information and Communication Technologies (ICT) tools. Such technologies are evolving and the private houses are becoming technological places populated by a multitude of devices able to collect a huge quantity of data and to cooperate in an intelligent way to control different domains, from household appliances to lighting or heating and ventilation. On one hand, the rising intelligence of smart devices makes a large amount of data available; on the other hand, data complexity creates difficulties in classifying, transmitting and interpreting essential data. Both aspects may drastically reduce the potential advantages and limit the diffusion smart devices. While in building automation proven solutions already exist, tailored applications for private houses and integration among heterogeneous devices and systems are still challenging due to the lack of standards and the variety of adopted communication protocols and data model schemas. Furthermore, even when the device connection and consolidation are achieved, making them cooperate in an interoperable way is another big challenge due to differences in usage paradigms, operation modes and interface integration. In fact, Smart Homes still lack of high interoperability and researches are often strongly technology-oriented and focused on single sub-system potentialities neglecting the expected benefits for the final users. For this purpose, the presented research defines an information management model for the smart home environment to support design and simulation of its devices as well as the enabled services. Such a model considers different device typologies, their mutual relationships, the information flows and the user interaction modalities in order to properly model the environment and define its behavior. It supports the design of the smart home by simulating the devices’ functionalities and estimating the expected performances.

I progressi nelle tecnologie di automazione e comunicazione all'interno degli edifici residenziali offrono molti interessanti vantaggi per lo sviluppo delle Smart Home, come l'aumento di efficienza energetica, il miglioramento il comfort per gli abitanti e la riduzione dei costi operativi per il proprietario. L'aggregazione e la condivisione dei dati all'interno delle reti possono essere garantite dal moderno approccio denominato Internet delle cose (IoT) e supportati dalle nuove tecnologie dell'informazione e della comunicazione (ICT). Tali tecnologie si stanno evolvendo e le abitazioni stanno diventando luoghi tecnologici popolati da una moltitudine di dispositivi in grado di raccogliere una grande quantità di dati e di cooperare in modo intelligente per controllare tutti i dispositivi connessi, come gli elettrodomestici, l'illuminazione, i sistemi di riscaldamento, ecc. Da un lato, l’intelligenza crescente dei dispositivi connessi produce una grande quantità di dati; dall'altro lato, la complessità di tali dati crea difficoltà di classificazione, trasmissione ed interpretazione delle informazioni utili. Entrambi gli aspetti possono ridurre drasticamente i potenziali vantaggi e limitare la diffusione dei cosiddetti dispositivi “smart”. Mentre a livello aziendale già esistono soluzioni di automazione affermate ed ampiamente utilizzate, le applicazioni per le abitazioni private sono ancora di difficile diffusione a causa della mancanza di standard di comunicazione e della presenza di dispositivi e sistemi altamente eterogenei e quindi di difficile integrazione. Inoltre, anche quando la connessione tra due dispositivi viene stabilita, renderli interoperabili è un’altra grande sfida a causa delle differenze nelle modalità di funzionamento e della difficoltà di integrazione dell'interfaccia. Infatti, le Smart Home non consentono ancora una elevata interoperabilità e gli studi fatti sono spesso fortemente orientati alla tecnologia e concentrati sulle potenzialità dei singoli sottosistemi, trascurando i benefici per gli utenti finali. A tale scopo, questo lavoro definisce un modello di gestione delle informazioni per ambienti domestici intelligenti con lo scopo di supportare la progettazione e la simulazione dei dispositivi “smart” nonché dei servizi sviluppati. Tale modello considera diverse tipologie di dispositivi, le relazioni esistenti tra loro, i flussi informativi e le modalità di interazione dell’utente per modellare correttamente l'ambiente e definirne il comportamento. Il modello sviluppato supporta la progettazione della Smart Home ed è in grado di simulare le funzionalità dei dispositivi con lo scopo finale di valutare i benefici dei servizi forniti.