对智能家居物联网的综述:挑战和解决方案外文翻译资料

A review of Internet of Things for smart home:Challenges and solutions

ABSTRACT

Although Internet of Things (IoT) brings significant advantages over traditional communication technologies for smart grid and smart home applications, these implementations are still very rare. Relying on a comprehensive literature review, this paper aims to contribute towards narrowing the gap between the existing state-of-the-art smart home applications and the prospect of their integration into an IoT enabled environment. We propose a holistic framework which incorporates different components from IoT architectures/frameworks proposed in the literature, in order to efficiently integrate smart home objects in a cloud-centric IoT based solution. We identify a smart home management model for the proposed framework and the main tasks that should be performed at each level. We additionally discuss practical design challenges with emphasis on data processing, as well as smart home communication protocols and their interoperability. We believe that the holistic framework ascertained in this paper can be used as a solid base for the future developers of Internet of Things based smart home solutions.

1. Introduction

With the expected growth in world population, the demand for energy will continuously increase. Current power grids were built decades ago, and despite the fact that they are regularly upgraded, their capability to fulfill future demands is uncertain. Existing reserves of fossil fuels are limited and impose harmful emissions, making social and environmental implications and impact inevitable. The result of this current state is the transition of the traditional centralized grid towards a distributed hybrid energy generation system that heavily relies on renewable energy sources, such as wind and solar systems (Lund et al., 2015), biomass, fuel cells, and tidal power.

Smart grid is a concept that integrates information and communication technologies (ICT) with grid power systems, in order to achieve efficient and intelligent energy generation and consumption (Iyer and Agrawal, 2010). It is characterized by a two-way flow of both electricity and information. Approaches in smart grid include novel solutions that would effectively exploit the existing power grid in order to reduce or eliminate blackouts, voltage sags and overloads. Utilities could benefit, as the load demand in critical situations would decrease. If demand is greater than the total generation, these systems could prevent the grid failure or major blackouts, and increase the reliability, quality, security and safety of the power grid.

Smart grid solutions can be applied in every part of the grid: production, transmission and distribution. Recently, a fourth part of the smart grid, i.e. the smart home has become a major (mainstream) research and application interest in smart grid. Smart home refers to the use of ICT in home control, ranging from controlling appliances to automation of home features (windows, lighting, etc.). A key element of the smart home is the usage of intelligent power scheduling algorithms, which will provide residents with the ability to make optimal, a priori choices about how to spent electricity in order to decrease energy consumption. Another term commonly used is smart house or home automation.

The combination of information technologies and advanced communication and sensing systems, creates a variety of new potential applications. New advanced concepts, such as pervasive or ubiquitous computing (Greenfield, 2006), where computing is made to appear everywhere and anywhere, hold a huge potential for application in smart grid (Parikh et al., 2010). Smart devices or objects, capable of communication and computation, ranging from simple sensor nodes to home appliances and sophisticated smart phones are present everywhere around us. The heterogeneous network composing of such objects comes under the umbrella of a concept with a fast growing pop- ularity, referred to as Internet of Things (IoT).

IoT represents a worldwide network of uniquely addressable inter- connected objects. According to Gubbi et al. (2013), IoT is an lsquo;lsquo;interconnection of sensing and actuating devices providing the ability to share information across platforms through a unified framework, developing a common operating picture for enabling innovative applications. This is achieved by seamless ubiquitous sensing, data analytics and information representation with Cloud computing as the unifying framework” Therefore, the Internet of Things aims to improve ones comfort and efficiency, by enabling cooperation among smart objects.

The standard IoT usually consists of many Wireless Sensor Networks (WSN) and Radio-frequency identification (RFID) devices. Wireless Sensor Network is a paradigm that was tremendously explored by the research community in the last two decades(Oppermann et al., 2014). A WSN consists of smart sensing devices that can communicate through direct radio communication. RFID devices are not as sophisticated. They mainly consist of two parts: an integrated circuit with some computational capabilities and an antenna for communication.

The concept of IoT, combined with smart metering, has the potential to transform residential houses, homes and offices into energy-aware environments. There is an increasing interest in the re- search community to incorporate the IoT paradigm in the smart grid concept, particularly in smart home solutions. The trends of web search popularity for the terms: Internet of Things, Smart Grid and Smart Home since 2004 are shown in Fig. 1. According to these statistics by Google, the trends will further increase for the terms Internet of Things and Smart Home.

In this paper, we present a holistic approach to the integration of state-of-the-art IoT (or near IoT) solutions into the smart home, taking into account both home energy management cons

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对智能家居物联网的综述:挑战和解决方案

摘要

尽管物联网(物联网)在智能电网和智能家居应用方面比传统通信技术带来了巨大的优势，但这些现实中实现仍然非常罕见。这篇论文的目的是为了缩小现有最先进的智能家居应用和将其集成到物联网环境的可能性。我们提出了一个整体框架，该框架融合了文献中提出的物联网架构/框架的不同组件，以便有效地将智能家居对象集成到以云为中心的基于物联网的解决方案中。我们确定一个智能家居管理模型框架和主要任务是能在每个等级中推行。我们另外讨论实际的设计挑战,强调数据处理,以及智能家居和互操作性的通信协议。我们相信,确定本文的整体框架可以作为坚实的基础为未来开发人员基于物联网的智能家居提供解决方案。

1. 介绍

随着世界人口的增长,人们对能源的需求将不断增加。当前电网几十年前建成的,尽管他们经常升级,他们的能力来满足未来的需求是不确定的。现有的化石燃料储备是有限的,对有害物质,使社会和环境的影响和影响不可避免的。结果当前状态的过渡网格传统集中式向分布式混合发电系统,严重依赖于可再生能源,如风能和太阳能系统(隆德et al .,2015),生物质燃料。

智能电网是一个概念,整合信息和通讯技术(ICT)与电网电力系统,以达到高效、智能能源生产和消费(艾耶Agrawal,2010)。它的特点是电能的双向流动和信息。智能电网在这方面的解决方案包括有效地利用现有的电网减少或消除停电,电压凹陷和过载。公用事业可能会从中受益,因为在关键情况下负载的需求会减少。如果需求大于产出,这些系统可以防止电网故障或重大停电,,提高可靠性、质量、安全性和电网的安全。

智能电网解决方案可以应用在每个网格的一部分:生产、传输和分发。最近，智能电网的第四部分，即智能家居已经成为智能电网的主流(主流)研究和应用。智能家居(Smart home)指的是在家庭控制中使用ICT，从控制电器到家庭功能的自动化(窗户、照明等)。智能房屋的一个关键要素是智能电力调度算法的使用，它将为居民提供最优的选择，一个关于如何用电的先天选择，以减少能源消耗。常用的另一个术语是智能房屋或家庭自动化。

信息技术和先进的通讯和传感系统的结合，创造了各种新的潜在应用。新的先进的概念，例如无处不在的或无处不在的计算(Greenfield,2006年)，在哪里都可以出现的计算，在智能电网中有巨大的应用潜力(在2010年的帕里克等)。智能设备或对象，能够进行通讯和计算，从简单的传感器节点到家用电器和先进的智能手机，随处可见。这类对象的异构网络构成，在一个概念的保护伞下，以快速增长的流行，称为物联网(物联网)。

物联网代表了一个世界范围内唯一可寻址的网络对象。根据Gubbi等人(2013年)的说法，IoT是一种“传感和执行装置的互联，提供了通过一个统一的框架跨平台共享信息的能力，开发了一种用于支持创新应用的通用操作图。”这是通过无缝的无处不在的传感、数据分析和云计算作为统一框架来实现的。因此，物联网的目的是通过使智能对象之间的合作来提高一个人的舒适度和效率。

物联网通常包括许多无线传感器网络和射频识别(RFID)设备。无线传感器网络是过去二十年来研究界极大地探索过的一个范例。WSN由智能感应设备组成，可以通过直接的无线电通信进行通信。RFID设备并不复杂。它们主要由两部分组成:一种集成电路，具有一些计算能力和通信天线。

物联网的概念，加上智能计量，有可能把住宅、住宅和办公室改造成节能环保的环境。在智能电网概念中，越来越多的人开始关注重新搜索社区，尤其是在智能家居解决方案中。自2004年以来，根据谷歌的物联网、智能电网和智能家居的网络搜索流行趋势显示和数据统计，这一趋势将进一步增加物联网和智能家居的可行性。

在本文中，我们提出了一个整体的方法来集成最先进的物联网(或接近物联网)解决方案到智能家居中，考虑到家庭能源管理的考虑和架构上的挑战和解决方案，重点是智能家居协议的数据处理问题、联网和互操作性特性。为此，我们调查了文献中的IoT框架，分析了这些最先进的解决方案，并为未来的研究确定了挑战。第二节介绍了本文中所使用的方法，以选出最适合的最新发展，如文献中所涉及的物联网、智能电网和智能家居等。根据我们的方法，对结果进行深入的分析，在第3部分中给出。我们的分析采用了三种方式。本文首先分析了智能电网的不同部分，并对其进行了分析，并将其应用于智能电网。然后，在一种新的通用整体框架中对现有的解决方案进行泛化，这是我们方法论所确定的文献综述中的主要特征。通过对基于物联网的整体框架的综合智能家居管理模型的定义，通过定义它的整体水平及其在分析的最先进的解决方案中所观察到的主要任务，得出了该分析的结论。第四个部分讨论了与物联网约束资源(能量、内存容量和处理能力)相关的挑战，以及网络、互连性问题、大数据分析、安全性和隐私。给出了应对这些挑战所需的有用指南和解决方案的概述。最后，本文在第五部分进行了总结。

1. 审查方法

本节介绍论文中所使用的方法，以选出最合适的最新发展，如文献所载，涵盖物联网、智能电网、智能家居等。这些文献是用在线服务谷歌学者(GS)搜索的。使用GS相对于其他类似的资源，如Scopus和科学网的主要优势是自由、易用性，以及更广泛的引用和引用项目的世界(Franceschet,2010)。谷歌学者对高质量的研究有很高的报道，高度敏感，可能是第一个，甚至是一个独立的选择系统评审或元分析(Gehanno et al .，2013)。只有出版物，不包括专利和引用。所有的结果都根据它们的相关性进行排序。谷歌学者的排名算法主要依赖于一篇文章的引文数，但也对标题中的词汇量给予了很高的权重(Beel和Gipp,2009年)。目前，GS不搜索查询关键字的同义词;因此，所有的同义词都必须被分别重写和查询。

只有2010年和2016年的出版物被考虑。论文在2010年之前的没有考虑是由于大多数在这一领域的进展,是在过去的几年里发生的(GS检索130篇出版物有关键字“物联网”发表在2010年之前,和7650篇发表在2010年之后出版),这是符合谷歌趋势。

允许以下术语:uWireless传感器网络^,“物联网”、“智能电网”、“智能家居”和“家庭自动化”出现在文本的任何地方出版物。我们认为“家庭自动化”和“智能家居”syn -术语,术语“物联网”,“物联网”和“线——更少的传感器网络^(因为无线传感器网络与射频识别是两个主要技术使物联网的发展)。物联网的大多数研究挑战都源自于WSN;因此，一些物联网解决方案只是从WSN(Mainetti et al .，2011)中借用。我们使用的通用查询表单是tttermr，以及ternil =(“Wirdess传感器net - works”或“物联网”)、term2 =(“智能家居”或“家庭自动化”)和tem3 =“智能网格”，从而形成6次搜索的“term3”。在表1中给出了由GS检索到的出版物的查询和总数。

在本文中只考虑了每个查询的前100个结果。不同查询的结果集之间有重叠，因此最终的独特出版物集大约是150。例如，如果我们只考虑前20个结果，那么总共有74个独特的出版物，有多个出版物出现在多个查询的结果中。图2显示了这些重叠部分的数量，并且给出了每个组的平均GS排名(例如，在单个查询结果中出现的论文平均排名为12.54)。

这些独特的出版物是经过进一步过滤的内容，即出版物是否有关于无线传感器网络的相关材料，或者是智能家居和/或智能电网的解决方案/ s的互联网。首先，一些论文被排除在抽象的内容之外。接下来，我们考虑了剩下论文的全部内容，只保留那些与我们的评论一致的论文。最后剩下的论文被深入分析。研究发现，这些论文可以分为两大类:WSN解决方案和物联网概念。

第一类包括在不同领域提供现实工作实现的论文，如栖息地监测、家庭监控等，它们可以被视为未来的物联网应用程序的种子。

论文的第二类围绕物联网范例展开，提供概念、框架、愿景和未来“执行”物联网现状的挑战。

因此，这项工作分别在即将到来的部分(3)中对两类文件进行了详细的阐述。我们首先在WSN实现(3.1)的上下文中进行了详细的阐述，然后我们根据物联网解决方案(3.2和3.3)对文件进行了调查。

1. 方法的深入分析

窗体顶端

本节将对我们的方法所确定的结果进行深入的分析。该分析采用三种方式进行。本文首先分析了智能电网的不同部分，并对其进行了分析，并将其应用于智能电网。然后，在一种新的通用整体框架中对现有的解决方案进行泛化，该框架集成了由我们的方法确定的文献综述中的关键特征。通过对基于IoT的整体框架的综合智能家居管理模型，通过定义它的整体水平，以及在分析的最先进的解决方案中所观察到的主要任务，对其进行了分析。

3.1 在智能电网和智能家居中，最先进的物联网解决方案

智能电网内的物联网集成将为电力管理带来新的视角，对各方都有好处。

表2区分了智能电网(Cardenas et al .，2014;Gungor et al .，2010年;2010年)的潜在IoT应用程序。许多开创性的研究都受到许多挑战的阻碍，特别是在处理智能电网的前三个方面(生成、传输和分布)时。问题主要是由于传感器设备被部署的恶劣环境。基于IEEE 802.15.4的传感器网络的实验结果显示，在智能电网中，无线连接(包括视线(LOS)和非LOS(NLOS))，由于电磁干扰、设备噪声、障碍物等，有较高的数据包错误率和可变连接能力。无线节点施加了额外的约束，即传感器节点的内存和处理限制以及它们有限的电力资源。

幸运的是，这些挑战中的大多数并没有出现在智能电网(即智能家居)的第四、消费者方面。例如，传感器通常与家用电器相连，电池寿命问题变得多余，因为设备有稳定的电源供应。此外，强电磁场与家庭电网基础设施不相关。不过，对于智能家居来说，物联网还面临着诸如可靠性、隐私和安全性等方面的挑战。

现代家庭配备智能电表、智能电器、智能电源插座和传感装置，能使节能智能家居的发展(图3)。尽管智能家居在很长一段时间内都是公用事业和消费者的梦想，但这种实现仍然非常罕见(Monacchi et al .，2013)。另一方面，有很多现有的商业解决方案和先进的需求侧管理系统(DSM)侧重于大型工业消费者(Finn和Fitzpatrick,2014年;Palensky和Dietrich,2011年)。几乎所有这些公司都未能整合小型住宅消费者。

物联网具有克服这一差距的潜力，并提供服务，为普通民众促进智能解决方案的发展。物联网的主要目标是促进一个更好和安全的社会，那里“一切都是服务”(公共安全、环境、卫生保健、生产等)。

在本小节中，我们将根据我们的方法来介绍相关文献。本文讨论了智能家居近物联网解决方案的分类问题，主要来自邻近的无线传感器网络、家庭自动化和智能电网。

在Monacchi等人(2013)和Stojkoska和Davcev(2009年)提出了以国内环境和栖息地监测为重点的最先进的软件技术的新架构。在Monacchi等人(2013)中，作者推广了收集和集成家庭数据的设计指南，从而支持数据的互操作性。在Stojkoska和Davcev(2009)中，开发了一个web接口，以增加部署的WSN及其最终用户之间的交互。Kamilaris等人的作者(2011年)提出了一个基于Web的节能智能家居框架的解决方案，该框架使智能设备能够使用Web。他们开发了一个图形用户界面来简化交互。对他们的解决方案的评估是使用在星形拓扑结构中组织的WSN，以及对于更大的公寓(大约100平方米的智能住宅)的多跳拓扑(向上到3个跃点)。

VillaSmart(加拉加斯等人，2013年)与ECOGRID欧盟(ECOGRID EU,2015)项目有关。作者在一个名为VIL - LASMART的测试和参考家庭中安装了一个模块化和可扩展的WSN。这些作者正在模拟建筑物的能源行为。这些热模型通过室内和室外的WSN读数(空气和水温度、太阳辐射传感器、天气状况和电力消耗信息)得到改进，从而获得更精确的室内温度预测。使用标准电阻-电容(RC)模型，最大预测误差为1.790C。在2.4 GHz中，IEEE 802.15.4标准用于室内交流。模型参数的确定是用灰盒估计方法完成的。在Srbinovska et al(2015)中，为蔬菜温室监测安装了一个WSN，并开发了一个用于农业的控制系统。该系统通过远程控制温室的不同部分，如滴灌和风机设施来帮助农民提高作物产量和质量。在Risteska Stojkoska et al(2014)中，作者提出了商业和行政大楼内部温度调节的框架，重点是在系统内设计和实现具体的网络拓扑和节点定位。

3.2智能家居的基于ios的整体框架

预计未来几年智能物体将在市场上占据主导地位，并将在家庭中无处不在，这将为智能家居(2011年的Kamouskos)带来新的和改进的服务需求。基于这些原因，基于IoT的解决方案的需求将是无可争议的。

最近的大多数出版物都集中在开发一个通用的物联网框架，它适合于更广泛的应用领域。在李和李(2015年)中，作者认同五项物联网技术是构建成功的物联网解决方案的必要条件:无线电频率识别、无线传感器网络、中间件、云计算和软件应用程序开发软件。他们还确定了企业应用程序的三个物联网类别:监视和控制、大数据和业务分析、信息共享和协作。在(中国)2014年的《徐徐》中，启用技术的列表在近场通讯、基于位置的服务和社交网络方面得到了加强。他们提出了一个四层结构:传感、联网、服务和接口。云的作用缺失了;因此，还不清楚如何启用服务。刘et(2014)提供了一个支持命名、寻址、存储和查找服务的中间件。这个想法是在现有系统的顶部开发一个中间件，从而使现有应用程序更容易地集成到IoT环境中。同样，云被省略为支持所有这些服务的支持技术。对工业生产过程进行了监测，并在2015年对其进行了研究。作者提出

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