زیرساخت های خانه هوشمند

موضوعیت این مقاله

•  مروری بر وضعیت اینترنت مدرن برنامه های کاربردی برای شبکه و خانه هوشمند
•  تعریف چارچوب جامع خانه هوشمند با ویژگیهای کلیدی از بررسی ادبیات
•  توصیفی کلی از یک مدل مدیریت خانه هوشمند بر اساس چارچوب جامع
•  بحث و بررسی چالشهای فعلی و آینده برای اینترنت اشیا و راه حلهای آن

چکیده مطلب

اگرچه اینترنت اشیا یا IoT مزایای قابل توجهی نسبت به تکنولوژی های ارتباطی سنتی برای شبکه هوشمند و کاربردهای خانگی هوشمند به ارمغان می آورد ،این پیاده سازی ها هنوز بسیار کمیاب هستند. این مقاله با تکیه بر یک بررسی جامع ادبیات، قصد دارد تا در راستای محدود کردن فاصله بین برنامههای خانگی موجود و چشم انداز ادغام آنها با یک محیط IOT ، مشارکت کند. ما یک چارچوب جامع را که مولفه های مختلفی از معماری IOT چارچوبهای پیشنهادی در ادبیات را ارایه میکند، به منظور ادغام موثر اشیا خانگی هوشمند در یک راه حل مبتنی بر ابر پیشنهاد میکنیم.

ما یک مدل مدیریت خانه هوشمند برای چارچوب پیشنهادی و وظایف اصلی که باید در هر سطح انجام شود را شناسایی میکنیم. ما علاوه بر این در مورد چالشهای طراحی عملی با تاکید بر پردازش داده ها، همچنین پروتکلهای ارتباطی خانگی هوشمند و قابلیت همکاری آنها بحث می کنیم. ما معتقدیم که چارچوب جامع مشخص شده در این مقاله می تواند به عنوان یک پایگاه منسجم برای توسعه دهندگان آینده در اینترنت از راه حلهای خانگی هوشمند استفاده شود.

مقدمه

با رشد پیشبینی شده جمعیت جهانی، تقاضا برای انرژی به طور مداوم افزایش خواهد یافت. شبکه های قدرت کنونی چند دهه نیست که ساخته شده اند، و علی رغم این واقعیت که آنها به طور منظم ارتقا پیدا میکنند، قابلیت آنها برای تحقق خواسته های آینده نامشخص است.

ذخایر موجود سوختهای فسیلی محدود هستند و گازهای گلخانه ای مضر را تحمیل می کنند و پیامدهای اجتماعی و زیست محیطی را اجتناب ناپذیر می سازند. نتیجه این حالت فعلی انتقال شبکه متمرکز سنتی به سمت یک سیستم تولید انرژی ترکیبی توزیع است که به شدت بر منابع انرژی تجدیدپذیر، مانند سیستمهای بادی و خورشیدی ، زیست محیطی ، سلول های سوختی و انرژی جزر و مد تکیه دارد.

شبکه هوشمند

شبکه هوشمند یک مفهوم است که فناوری اطلاعات و ارتباطات را با سیستمهای شبکه برق، به منظور دستیابی به تولید انرژی کارآمد و هوشمند و مصرف ادغام می کند. این سیستم با جریان دو طرفه برق و اطلاعات مشخص میشود. رویکردهای شبکه هوشمند شامل راه حل های جدیدی هستند که به طور موثر از شبکه برق موجود به منظور کاهش یا حذف قطعی، ولتاژ بهره برداری می کنند.

برنامه ها میتوانند از این موقعیت سود ببرند چون تقاضای بار در موقعیت های بحرانی کاهش مییابد. اگر تقاضا بیشتر از تولید کل باشد، این سیستم ها میتوانند از شکست شبکه یا خاموشی های عمده جلوگیری کنند و قابلیت اطمینان، کیفیت، امنیت و ایمنی شبکه برق را افزایش دهند.

راه حل های شبکه هوشمند

راه حل های شبکه هوشمند می تواند در هر بخش از شبکه: تولید، انتقال، و توزیع اعمال شود. اخیرا، بخش چهارم شبکه هوشمند، یعنی خانه هوشمند (که از جریان اصلی موضوعیت اینترنت اشیا است) به یک بحث اصلی و کاربردی در اینترنت اشیا تبدیل شده است. خانه هوشمند با استفاده از ICT در کنترل خانگی، از کنترل وسایل به اتوماسیون وسایل خانگی از پنجره ها، روشنایی و … اشاره دارد.

یک عنصر کلیدی در خانه هوشمند استفاده از الگوریتم های برنامه ریزی توان هوشمند است، که به ساکنین این امکان را می دهد که قابلیت بهینه شدن ، انتخاب های قبلی در مورد چگونگی خرج کردن برق به منظور کاهش مصرف انرژی را داشته باشند. به عبارت دیگر، خانه هوشمند نسل دوم همراه با اتوماسیون خانه است. ترکیب فن آوری های اطلاعاتی و ارتباطات پیشرفته و سیستم های حسی، کاربردهای بالقوه جدیدی را ایجاد میکنند.

خانه هوشمند و مفاهیم پیشرفته تکنولوژی

مفاهیم پیشرفته جدید، مانند محاسبه فراگیر، جایی که محاسبات در همه جا انجام می شود، پتانسیل عظیمی برای کاربرد در شبکه هوشمند دارد  اشیا با دستگاه های هوشمند، قادر به ارتباط و محاسبه، از عملکرد ساده سنسور تا کنترل لوازم خانگی و تلفن های هوشمند پیچیده همه روزه در خدمت بشر امروزی است. شبکه ناهمگن ترکیب این اشیا زیر چتر یک مفهوم با محبوبیت سریع در حال رشد است که به عنوان اینترنت اشیا یا IoT نامیده میشود.

اینترنت اشیا و سیستم های هوشمند ساختمانی

IOT نشان دهنده یک شبکه جهانی از اشیاء آدرس پذیر یا Addressable به طور منحصر به فرد است. با توجه به این یک “اتصال از دستگاه های حسگر و محرک است که توانایی به اشتراک گذاشتن اطلاعات در سراسر پایگاهها از طریق یک چارچوب یکپارچه، توسعه یک تصویر عملیاتی مشترک برای ایجاد کاربردهای نوآورانه را فراهم میکند.

این امر با درک کامل در پیرامون، تجزیه و تحلیل داده ها و نمایش اطلاعات با رایانش ابری به عنوان چارچوب یکپارچه سازی به دست می آید.” بنابراین، هدف اینترنت اشیا بهبود آسایش و بهره وری، با توانمندسازی همکاری بین IoT و استاندارد هوشمندسازی معمولا شامل بسیاری از شبکه های حسگر بی سیم یا WSN و شناسایی فرکانس رادیویی RFID است.

شبکه حسگر بی سیم یک الگو است که در دو دهه گذشته توسط انجمن تحقیقاتی کشف شد. این شبکه شامل ابزارهای حسگری هوشمند است که می توانند از طریق ارتباط رادیویی مستقیم ارتباط برقرار کنند. دستگاه های RFID پیچیده نیستند. آن ها عمدتا شامل دو بخش هستند: یک مدار یکپارچه با برخی قابلیت های محاسباتی و یک آنتن برای ارتباط. 

نسبت علاقه مندی به زمان مطابق با روند جستجو در گوگل از سال ۲۰۰۴ برای شرایط اینترنت ، شبکه هوشمند و خانه هوشمند

 

مفهوم IOT با حسابگر هوشمند، پتانسیل این را دارد که خانه های مسکونی و ادارات، مدارس و زمین های کشاورزی  را به محیط های هوشمند حساس به انرژی را تبدیل کند. علاقه فزاینده ای از سمت جامعه و نیز تحقیقاتی برای ترکیب الگوی IOT در مفهوم شبکه هوشمند به ویژه در راه حل های خانگی هوشمند وجود دارد.

روند محبوبیت جستجوی وب برای موضوعات: اینترنت اشیا، شبکه هوشمند و خانه هوشمند از سال ۲۰۰۴ در تصویر بالا نشان داده شده است. بر طبق این آمار از گوگل، علاقه مندی ها بیشتر برای شرایط اینترنت و خانه هوشمند افزایش خواهند یافت.

در این مقاله، ما یک رویکرد جامع را برای یکپارچه سازی IOT (و مفاهیم نزدیک IOT) به خانه هوشمند و راه حل ها در ساختمان هوشمند و مدیریت انرژی در خانه، ملاحظات و چالش های معماری آن با تاکید بر پردازش مسائل داده ها عنوان میکنیم، شبکه سازی و قابلیت همکاری از پروتکل های خانه هوشمند در نظر میگیریم، برای این منظور، ما چارچوب IOT موجود در ادبیات روزمره را بررسی کردیم.

این راه حل های جدید را تحلیل و چالش هایی را برای تحقیقات آینده تعریف کردیم. در این بخش دو روش مورد استفاده در این مقاله را به منظور انتخاب رایج تری توسعه های اخیر که در ادبیات  روزمره منتشر شده است را بررسی کردیم. این موضوعات در اینترنت، شبکه هوشمند و خانه هوشمند را پوشش میدهد. تحلیل نهایی نتایج، همانطور که با روش ما مشخص کرده است، در بخش ۳ آمده است.

تحلیل ما به شیوه ای سه گانه انجام میشود. در ابتدا، IOT موجود و کاربردهای نزدیک به IOT با توجه به بخشهای مختلف شبکه هوشمند تجزیه و تحلیل می شوند و در آخر راه حل هایی بررسی میشود که میتواند با تمرکز بر روی خانه هوشمند صورت عملی به خود بگیرد.

پس از آن، راه حل ها موجود در یک چارچوب جامع عمومی جدید ارائه میشود که ویژگیهای کلیدی را از از منظر دقدقه ها در سطح اینترنت شناسایی و بررسی میشود. این تجزیه و تحلیل و یک مدل عمومی مدیریت خانه هوشمند جامع مبتنی بر بر چارچوب IOT و وظایف اصلی آن ها در راه حل های پیشرفته تحلیل، و به پایان میرسد.

بخش چهارم چالشهای مرتبط با منابع محدود IOT انرژی، ظرفیت حافظه و قابلیتهای پردازش مبتنی بر شبکه، مسائل مبتنی بر امکان یکسان سازی این اکوسیستم، تجزیه و تحلیل داده های بزرگ، امنیت و حریم خصوصی را مورد بحث قرار میدهیم. در بخش پنجم مروری بر دستورالعملهای مفید و راه حل های مورد نیاز برای مواجهه با این چالشها را نیز بیان خواهین کرد. پس تا آخر این مقاله با ما باشید.

روش بازبینی

در این بخش روش تحقیق مورد استفاده ما را به منظور انتخاب مناسب ترین تحقیقات اخیر منتشر شده در مقالات در حوزه زمینه اینترنت، شبکه هوشمند و خانه هوشمند بررسی و میکند. با استفاده از خدمات سرویس های تحقیقی آنلاین بزرگی چون گوگل اسکالر و دیگر سرویس هایی چون scopus و Web of Science ، راه را برای ما آسانتر نمود و دنیای وسیعی از مفاهیم پیرامون IoT و خانه هوشمند را پیش روی ما گذاشت.

گوگل اسکالر بستری برای مطالعات با کیفیت بالا، بسیار حساس است و می تواند اولین و حتی یک انتخاب مستقل برای بازبینی های نظام مند یا فراتحلیل باشد .این سرویس فقط نشریات و اسناد مورد جستجو قرار میدهد. همه نتایج ارائه شده توسط اسکالر مطابق با ارتباط آنها مرتب میشوند.

الگوریتم رتبه بندی محقق گوگل به شدت به دقت یک مقاله وابسته است، اما یک معیار را روی کلمات قرار می دهد، در حال حاضر اسکالر به دنبال همه لغات مترادف با کلمات کلیدی سوال نشده است؛ از این رو همه لغات مترادف باید دوباره بازنویسی شوند و به طور جداگانه سوال شوند. تنها نشریات سال های ۲۰۱۰ و ۲۰۱۶ در نظر گرفته شدند. مقالات قبل از سال ۲۰۱۰ در نظر گرفته نشده اند زیرا بیشتر پیشرفت ها در حوزه  اینترنت اشیا و خانه هوشمند و مفهیم مرتبط با آن در چند سال اخیر رخ داده است.

در اسکالر موضوعاتی با عنوان “اینترنت چیزها یا اینترنت اشیا” در ۱۳۰ عنوان منتشر شده قبل از سال ۲۰۱۰، و ۷۶۵۰ در بعد از آن منتشر شده که در شکل بالا آن را مشاهده نمودید. 

اصطلاحاتی که برای ما مهم بودند شامل : ” حسگر یا سنسورهای بی سیم “، ” اینترنت اشیا“، ” شبکه هوشمند“، ” خانه هوشمند“، ” اتوماسیون خانه “، در نتایج ظاهر شدند و در هر جای این مقالات میتوانستیم آنرا ببینیم. ما شرایط ” اتوماسیون خانه ” و ” خانه هوشمند ” را برای مترادف بودن و همچنین اصطلاحات ” IOT ” ، “اینترنت اشیا” و ” حسگر بی سیم ” را در نظر گرفتیم.

چون شبکه های حسگر بی سیم همراه با RFID دو تکنولوژی اصلی هستند که امکان توسعه IOT را فراهم می کنند. بیشتر چالشهای تحقیق در IOT منشا آن در WSN فرض گرفته می شوند. فرم پرس و جوی عمومی ما استفاده  از ” ۱ term ” و” term2″ , ” term3 ” است.که در آن ۱ term = “شبکه های حسگر یا اینترنت اشیا” و term2 =”خانه هوشمند “یا” اتوماسیون خانه” و term3 = “شبکه هوشمند ” هستند و در شش جستجو نتایج زیر را تولید میکنند.

جستجوها و تعداد کل نتایج جمع آوری شده توسط اسکالر در جدول ۱ آمده است.

تنها ۱۰۰ نتیجه اول برای پرس و جو در این مقاله برای تحلیل بیشتر در نظر گرفته شد. بین مجموعه نتایج مختلف بسیار با هم همپوشانی وجود دارد بنابراین مجموعه نهایی نتایج منحصر به فرد حدود ۱۵۰ عدد است. مثلا، اگر ما تنها ۲۰ نتیجه برتر را در نظر بگیریم مجموعه ۷۴ نتیجه منحصر به فرد وجود دارد، با چندین نتیجه که در نتایج بیشتر از یک پرس و جو ظاهر می شوند.

شکل ۲ تعداد این همپوشانی را نشان می دهد، و علاوه بر آن، میانگین اسکالر را برای هر گروه داده می شود، به عنوان مثال مقالاتی که در نتایج یک سوال ظاهر می شوند، در رتبه بندی متوسط ۱۲.۵۴ هستند.

مجموعه منحصر به فرد مقالات جستجو شده، محتوای ما را محدود می کنند. یعنی مطالب مربوط به حسگر بی سیم اینترنتی و راه حل برای خانه هوشمند و یا شبکه هوشمند است. ابتدا تعدادی از این مقالات بر اساس میزان محتوای محدود حذف شدند. سپس، کل متون مقالات باقی مانده را در نظر گرفتیم و تنها آنهایی را که در راستای بررسی ما بودند حفظ کردیم. آخرین مقالات باقیمانده در نهایت تحلیل شدند.

این یافته که در مقالات میتوانند به لحاظ معنایی در دو مقوله اصلی تقسیم شوند: راه حلهای WSN و مفاهیم IOT.

اولین دسته شامل مقالاتی است که کاربردهای واقعی آن را در زندگی و در حوزه های مختلف مانند نظارت بر زیستگاه و نظارتی، و غیره را ارائه میدهند. مقالات دسته دوم حول الگوی IOT و مفاهیم آن می چرخند. چارچوب ها، دیدگاه ها، و چالشهای آینده” IOT ” را بررسی میکنند. از این رو، این کار به طور جداگانه مقالات موجود در دو مقوله در بخش آینده را شرح میدهد. ما ابتدا مقالات را در زمینه پیاده سازی WSN به تفصیل شرح می دهیم. مقالات در راستای راه حل های IOT دراین قسمت های بعد بررسی میشوند.

تجزیه و تحلیل نهایی این کلیدواژه ها

این بخش تجزیه و تحلیل نهایی نتایج شناسایی شده توسط روش ما را ارائه می دهد. این تحلیل به شیوهای سه گانه انجام میشود. در ابتدا، IOT و کاربردهای نزدیک به IOT در بخش های مختلف شبکه هوشمند تجزیه و تحلیل شوند، که در آن چنین راه حل هایی را می توان، با تمرکز بر روی خانه هوشمند اعمال کرد. پس از آن، یک تعمیم از راه حلهای موجود در یک چارچوب جامع عمومی جدید ارائه میشود که ویژگی های کلیدی را از بررسی ادبیات به صورت شناسایی شده است. این تجزیه و تحلیل یک مدل مدیریت خانه هوشمند عمومی برای چارچوب جامع مبتنی بر IOT و با تعریف سطوح انتگرال و وظایف اصلی آن ها در راه حل های پیشرفته به پایان می رسد.

State-of-the-art و مسائل اینترنت اشیا در شبکه هوشمند و خانه هوشمند

ادغام IOT در شبکه هوشمند، چشم انداز جدیدی را به مدیریت برق، با سود و منفعت برای همه طرف ها مانند دولت و مردم به ارمغان می آورد. جدول ۲ کاربردهای پتانسیل در رابطه با جنبه های مختلف قطعات شبکه هوشمند را متمایز می کند. بسیاری از تحقیقات پیشگام با چالشهای زیادی به ویژه با سه جنبه: تولید، انتقال و توزیع در شبکه هوشمند سروکار دارند.

مشکلاتی چون شرایط سخت که در آن دستگاه های حسگر مستقر می شوند. نتایج تجربی استفاده از شبکه های حسگر سازگار با IEEE که لینکهای بیسیم آن شامل هر دو خط (LOS) and non-LOS (NLOS) در شبکه هوشمند نرخ خطای بسته های داده و ظرفیت لینک های متغیر به دلیل تداخل الکترومغناطیسی، نویز تجهیزات، انسداد، و غیره بالاتدارند. مشکلات فناوری بی سیم یا وایرلس و این یعنی محدودیت های دیگری که بررسی میشوند محدودیت های پردازش های سنسور و توان محدود منابع  این مشکلات را به ما تحمیل میکنند.

خوشبختانه، بیشتر این چالشها در قسمت چهارم، یعنی مصرف کننده نهایی شبکه هوشمند در حوزه خانه هوشمند وجود ندارد. برای مثال، سنسورها معمولا به لوازم خانگی هوشمند متصل میشوند مشکل عمر باتری به عنوان یک منبع تغذیه ثابت، از بین میرود. علاوه براین، با میدان مغناطیسی قوی یا با زیر ساخت شبکه خانگی مرتبط نیستند. با این حال، IOT برای خانه هوشمند در معرض چالش هایی مانند قابلیت اعتماد بودن، حریم خصوصی و امنیت و مسائلی از این دست است.

خانه های مدرن مجهز به کنتور های هوشمند، لوازم هوشمند، خروجی های برق هوشمند و دستگاه های حسگر باعث ایجاد خانه های هوشمند آگاه از مصرف انرژی میشوند. همانند شکل ۳. اگرچه خانه هوشمند یک رویا برای هر دو طرف تولید کننده و مصرف کنندگان است، اما هنوز حضور سرمایه در این بازار بسیار کم است.

از طرف دیگر، بسیاری از راه حلهای تجاری موجود و سیستمهای مدیریت سمت مصرف کننده DSM روی مصرف کنندگان بزرگ متمرکز شده اند. تقریبا همه آنها نمی توانند مصرف کنندگان کوچک مسکونی را نیز در چالش های بزرگ ادغام کنند.

IOT پتانسیل غلبه بر این شکاف را دارد و خدماتی ارائه می کند که توسعه راه حلهای هوشمند برای مردم عادی را تقویت میکند. هدف اصلی IOT پیشبرد یک جامعه بهتر و امن است که در آن، ” همه چیز یک سرویس است ” از امنیت عمومی گرفته تا محیط زیست، حوزه های بهداشتی، تولید و غیره.

در این بخش ما ارتباط کلیدواژه ها را به صورت عمومی شناسایی توسط روش خودمان ارائه می کنیم. مقالات مورد بحث در اینجا به لحاظ معنایی در دسته مورد نظر راه حل های نزدیک به IOT برای خانه هوشمند، و عمدتا از حوزه های مرتبط با شبکه های حسگر بی سیم، اتوماسیون خانگی و شبکه هوشمند قرار است.

معماری های جدید بر اساس تکنولوژی های نرم افزاری art با تمرکز بر محیط های داخلی و نظارت بر زیست بوم ها نیز در این مقالات پیشنهاد میشود.

نویسندگان دستورالعمل های طرحی برای جمع آوری و ادغام داده های خانگی را ترویج، و در نتیجه امکان همگام سازی این داده ها را فراهم می کنند. واسط های وب برای افزایش تعامل بین WSN مستقر میشوند و کاربرد های نهایی آن توسعه می یابند. نویسندگان این مقالات راه حلی برای چارچوب انرژی هوشمند مبتنی بر وب که لوازم هوشمند را به داینامیک وب مرتبط میسازد را پیشنهاد میدهند.

آنها یک رابط کاربری گرافیکی برای سهولت تعامل ایجاد کرده اند. ارزیابی از راه حل آنها با استفاده از یک WSN سازماندهی شده در توپولوژی ستاره ای و همچنین توپولوژی multihop تا سه جهش را (برای آپارتمانهای بزرگ) در خانه های هوشمند حدود ۱۰۰ متر مربع پیشنهاد میدهند.

VillaSmart با پروژه ECOGRID EU اتحادیه اروپا مرتبط است. نویسندگان یک WSN مدولار و توسعه پذیر در یک تست و مرجع خانگی به نام VLLASMART نصب کرده اند. این سیستم رفتار انرژی ساختمان را مدل سازی میکنند.

این مدل های شبیه سازی شده حرارتی با استفاده از وضعیت  داخلی و خارجی ساختمان WSN، دمای هوا و آب ، تابش اشعه خورشید، شرایط جوی و اطلاعات مصرف انرژی ( بهبود می یابند. با استفاده از مدل مقاومت خازنی- خازن ) RC ( حداکثر خطای پیش بینی بدست آمده C1.790 است. استاندارد IEEE 802.15.4 در ۲.۴ GHz برای ارتباطات داخلی استفاده می شود.تعیین پارامتر مدل با روش تخمین جعبه خاکستری انجام میشود.  برای نظارت بر گلخانه گیاهی نصب شده است و یک سیستم کنترل برای کشاورزی توسعه یافته است.

این سیستم به کشاورزان کمک میکند تا تولید محصول و کیفیت را با کنترل از راه دور قسمت های مختلف ۹ گلخانه مانند آبیاری قطره ای و تجهیزات پنکه افزایش دهند. مولفان چارچوبی برای تنظیم دما درون ساختمان های تجاری و اداری ، با تمرکز بر طراحی و پیاده سازی توپولوژی های شبکه خاص و مکانیابی گره درون سیستم ارائه میدهند.

 چارچوب جامع مبتنی بر IOT برای خانه هوشمند

انتظار می رود که اشیا هوشمند در چند سال آینده در بازار غالب ودر خانوار حاضر شوند ، که نیاز به خدمات جدید و بهبود یافته برای خانه های هوشمند را تحمیل خواهد کرد. به این دلایل ، نیاز به راه حل های مبتنی بر IOT ، عدم قطعیت خواهد بود. بسیاری از نشریات اخیر بر توسعه یک چارچوب کلی IOT که برای طیف گسترده ای از حوزه های کاربردی مناسب است متمرکز هستند.

نویسندگان پنج تکنولوژی IOT برای ساخت راه حل های موفق IOT : شناسایی فرکانس رادیویی، شبکه های حسگر بی سیم ، مین افزار ، رایانش ابری و نرم افزار برای توسعه برنامه بیان می کنند. آن ها همچنین سه دسته IOT را برای کاربردهای شرکت شناسایی می کنند: نظارت و کنترل، داده های بزرگ و تجزیه و تحلیل تجاری، و اشتراک اطلاعات و همکاری.

فهرست فناوری های توانمند سازی با ارتباطات میدان نزدیک، خدمات مبتنی بر مکان و شبکه های اجتماعی افزایش می یابد. آن ها یک معماری چهار لایه ساخته شده از: درک ، شبکه سازی ، خدمات و رابط پیشنهاد میکنند. نقش ابر از بین رفته است.

بنابراین مشخص نیست که چگونه خدمات ممکن است فعال شوند. لیو یک میان افزار را نشان میدهد که از نامگذاری، آدرس دهی ، ذخیره سازی و بالابردن خدمات پشتیبانی میکند. این ایده برای ایجاد یک میان افزار در بالای سیستم های موجود است، بنابراین به یکپارچه سازی آسان تر برنامه های کاربردی موجود در محیط های IOT دست می یابد.

یک بار دیگر ، ابر به عنوان یک تکنولوژی فعال که باید تمام این خدمات را پشتیبانی کند. نظارت بر فرآیندهای تولید در صنعت بررسی شده است. مولفان یک چارچوب مفصل را که بر مدیریت انرژی متمرکز است، با احتمالات در خانه یا داده های مبتنی بر ابر و تصمیم گیری پیشنهاد می کنند. 

نقش طراحان راه حل شخص سوم در چارچوب مشخص نشده است. با توجه به این نشریات، چارچوب ارائه شده در این مقاله می تواند یک نسخه اصلاح شده از عمومی ترین مدلی باشد که ما در ادبیات پیدا کردیم. با ابری در وسط و با یک حوزه کاربردی خاص سازگار است یعنی خانه هوشمند.

این چارچوب سلسله مراتبی چند سطحی مبتنی بر اینترنت، به عنوان پوششی یا تعمیم از تمام ویژگی های کلیدی راه حل های IOT برای خانه های هوشمند که در ادبیات شناسایی شده اند، استفاده می شود. نمایش گرافیکی چارچوب در شکل ۴ نشان داده شده است. در چارچوب داده ها به صورت بی سیم ارسال می شود و با استفاده از خطوط نقطه چین نشان داده شده است. خطوط زرد مربوط به جریان برق دو سویه هستند. پاراگراف های زیر هر سطح از چارچوب را خلاصه میکنند.

 

wsn و خانه هوشمند

در خانه هوشمند تمام وسایل خانگی هوشمند مجهز سیستم های ارتباطی بی سیم ، WSN خانه را تشکیل میدهند. هر خانه دارای یک WSN است و داده های حسی هر دستگاه به یک ایستگاه مرکزی فرستاده میشود، که ما به عنوان سینک خانه یا هاب یا کنترل کننده مرکزی از آن استفاده میکنیم.

هر بخش از یک خانه هوشمند یک ابزار هوشمند محسوب می شود و قابلیت های محاسبات و ارتباطات سطح متوسط دارد. مرکز خانه میتواند هر دستگاهی باشد ( کنتور هوشمند ، کامپیوتر ، تبلت یا گوشی هوشمند) که ظرفیت ذخیره سازی داده ها را دارد، می تواند پردازش محلی را انجام دهد و میتواند با وسایل خارج از WSN خانگی ارتباط برقرار کند. همچنین میتوان این پردازش و ذخیره اطلاعات را در فضای ابری نیز انجام داد.

از طرفی در مورد مجتمع های مسکونی هوشمند یا ساختمان های هوشمند  ، باید یک بخش مجزا به عنوان مرکز مسکونی  تعبیه شود. مرکز در مقایسه با مراکز کنترلی خانه، بخش مرکزی مجتمع های مسکونی باید یک ویژگی اضافی داشته باشد. این ویژگی عبارت از این است که مسئول مدیریت داده ها از منابع تولید توزیع شده / به اشتراک گذاشته شده انرژی بر عهده این مرکز می باشد.

این مساله بسیار مهم است ، چون منابع تجدیدپذیر معمولا بین مصرف کنندگان، برای نمونه، یک ساختمان مسکونی با سیستم پنل فتوولتاییک در سقف، جایی که سیستم PV توسط همه خانوارها در ساختمان مورد استفاده قرار می گیرد. در این چارچوب، هر منبع انرژی تجدیدپذیر توزیع شده یک ابزار هوشمند محسوب میشود.

Cloud

Cloud کل داده ها از منابع مختلف)خانوارها(، در ابر اندازه گیری سنسور از خطوط انتقال/ توزیع یا محل های تولید جمع آوری می شوند. ابر باید ذخیره گسترده اطلاعات و زیرساخت پردازش را تامین کند. این بالاترین سطح از چارچوب (Da Xu et al., 2014; Lee and Lee, 2015). همانطور که در et al., 2013) (Gubbi بیان شد ، ابر “وعدههای بالا، مقیاس پذیری و استقلال ” برای نسل بعدی کاربردهای IOT را بالا میبرد. ابر بخش مرکزی این سیستم است در نتیجه چارچوب ما میتواند به عنوان ” ابر محوری ” یا ” ابر مبتنی بر ابر ” در نظر گرفته شود.

Utility

Utility این سطح با بخش های باقیمانده شبکه هوشمند ، جدا از خانه هوشمند در تولید ، انتقال و توزیع متناظر است. هر بخش به طور مستقل داده ها را مستقیما به ابر ها می فرستد. اطلاعات معمول که میتواند با مطلوبیت مبادله شود عبارتند از : قیمت برق ، پیش بینی آب و هوا ، وضعیت خط توزیع / انتقال ، تولید فعلی و آینده یک ریز شبکه ، تولید فعلی و آینده منابع تولیدی توزیع شده مرتبط با یک ریزشبکه ، و غیره.

Third part

Third part گروه سوم ، با استفاده از داده های ابر, ( باعث توسعه داده می شوند. اصطلاحات دیگر که به جای آن استفاده میشوند کاربردهای تجاری،برنامه های صنعت محور برنامه های کاربردی خاص کاربر هستند. یعنی توسعه دهندگان برنامه سوم ، داده ها را از ابر ) خصوصی و عمومی ( دریافت میکنند و از این داده ها برای ارائه راه حل ها به شکل برنامه های کاربردی مبتنی بر وب یا موبایل استفاده میکنند.

User Interface

User Interface واسط کاربر این سطح نشان دهنده رابط های کاربر است که داده ها را به کاربران نهایی (توصیه ها، کنترل های دستگاه های هوشمند،و غیره) تحویل میدهند. داده های جدولی خام که به مصرف خانوار ماهانه  (یا حتی روزانه)اشاره دارد. ، توسط کاربران تفسیر می شود. یک ابزار تصویر سازی پیچیده تر برای ارایه نه تنها مصرف کلی خانوار مورد نیاز است، بلکه مصرف در سطح دستگاه ها نیز مورد نیاز است.

این به طور ویژه مفید است ،زیرا مصرف کنندگان قادر به یادگیری در مورد وسایل مختلف در خانه هوشمند خود خواهند بود، به ویژه آن هایی که نمی توانند به طور خودکار کنترل شوند ، مثل دستگاه های غیر انعطاف پذیر ، در نتیجه کاربران را قادر می سازد که به طور مستقیم طبیعت مصرف خود را در نظر بگیرند. کاربردهای طرف سوم باید تلاشی برای توسعه واسط های بصری کاربر برای مصرف کنندگان باشد و اغلب آنها را با استفاده از کیفیت تجربه( QOE) ارزیابی میکنند.

سیستم های مدیریت خانه هوشمند

یک سیستم مدیریت انرژی به عنوان یک رابط بین یک شرکت نرم افزاری و دستگاه های هوشمند که انرژی مصرف می کنند تعریف می شود. هدف از این کار ارائه مزایایی برای هر دو طرف ( تولیدکننده همان نیروگاه ها و مصرف کنندگان ) می باشد ، که تا حدی به سمت مصرف کنندگان است.

یکی دیگر از معیارهای معمول استفاده از مدیریت سمت تقاضا (DSM) است. این امر نشان دهنده مجموعه ای از فناوری هایی است که نظارت و کنترل مصرف / تولید را در سطح مصرف کننده به منظور انجام توازن قدرت در سیستم های انرژی آینده قادر میسازد)

در زمینه راه حل های IoT برای خانه هوشمند، مدل DSM سنتی به سمت مدل ابر محور حرکت می کند. رویکرد مبتنی بر ابر. بهینه سازی متمرکز را ارائه میدهد که مجموعه ای عظیم از پارامترها را در نظر میگیرد ; بنابراین انتظار می رود که در مقایسه با رویکرد سنتی. عملکرد بهتری در مدیریت انرژی داشته باشد.

شکل ۵ یک مدل کلی از مدیریت خانه هوشمند که برای چارچوب جامع ما اتخاذ شده است را نشان میدهد. وظایف اصلی که باید در هر سطح انجام شوند به شرح زیر است.

اشیا هوشمند / دستگاه های هوشمند

لوازم خانگی، چراغ های روشنایی هوشمند، سیستم های امنیتی و ایمنی هوشمند، آبیاری هوشمند، سیستم های تهویه هوشمند یا سنسورهای متصل به خطوط تولید یا انتقال در یک سیستم شبکه هوشمند می توانند اشیا هوشمند باشند. آنها می توانند تغییرات را احساس کنند، فعالیت کنند، داده ها را پردازش کنند و ارتباط برقرار کنند. به منظور حس کردن و فعال کردن، آنها نیاز به انجام تبدیلات AD/DA دارند.

این دستگاه ها به صورت دوره ای سنجش می کنند و داده های حس شده (بی سیم از سیم) را به هاب می فرستند. علاوه بر این، اگر پروتکل ها به آن ها اجازه دهند، داده های حس شده را می توانند مستقیما به ابر پردازشگر ارسال کنند.

در صورت امکان، دستگاه های هوشمند باید پردازش داده های پایه را قبل از ارسال داده های حسی انجام دهند.  فعال سازی نیز می تواند از راه دور کنترل شود. در زمینه DSM ، لوازم خانگی را می توان به سه دسته تقسیم کرد: لوازم غیر انعطاف پذیر، انعطاف پذیر و لوازم دوگانه.

لوازم غیر انعطاف پذیر آنهایی هستند که با بارهای اولیه یا کارهای غیر پیشگیرانه مرتبط هستند و نمی توانند توسط سیستم کنترل شوند. وسایل انعطاف پذیر با بارهای منظم یا کارهای پیشگیرانه (مانند گرمایش و تهویه مطبوع)همراه هستند و می توانند به طور خودکار توسط سیستم عمل کنند.در مقابل لوازم دوگانه گاهی می توانند به عنوان انعطاف پذیر عمل کنند، اما گاهی اوقات به عنوان غیر انعطاف پذیر (مانند ماشین لباسشویی، ماشین ظرفشویی یا خشکشویی) عمل می کنند.

به عنوان مثال، گاهی اوقات مصرف کننده در مورد زمان دقیقی که ماشین ظرفشویی کار می کند، اهمیتی نمی دهد، مگر اینکه در یک فریم زمانی مشخص از پیش تعریف شده باشد. این وسایل معمولا یک burst loads را ارائه می دهند. لوازم هوشمند (هر دو ماهیت انعطاف پذیر و دوگانه) مجهز به خروجی های برق هوشمند هستند که قادر به اندازه گیری مصرف توان خود و کنترل عملکرد آنها در زمان واقعی هستند.

Hub یا هاب

هاب دستگاهی است که مسئول جمع آوری داده های خام و یا پردازش شده از دستگاه های هوشمند و ارسال آنها به ابر است. هر زمان که ممکن باشد ، هاب باید پردازش داده های محلی را  به منظور کاهش جریان داده به سمت ابر انجام دهد. علاوه بر این، در یک سناریو خانه هوشمند، هاب می تواند دستورات را به دستگاه های هوشمند که به عنوان یک برنامه ریز، تنظیم کننده یا بار محرک محلی عمل می کنند، ارسال کند. در یک مورد هاب مسکونی، می تواند دستورات را به دستگاه هایی که جریان الکتریکی تنظیم می کنند را به / از نانوگرام ارسال کند، یعنی عملیات خرید یا فروش برق از شبکه را مدیریت کند.

هاب پروتکل های ارتباطی مورد استفاده در دستگاه های هوشمند را درک می کند.هاب ها برای فعال کردن قابلیت همکاری بین اشیا هوشمند مورد نیاز هستند ، زیرا دستگاه ها عموما نمی توانند با یکدیگر ارتباط برقرار کنند. از این رو ، گاهی اوقات یک خانه به بیش از یک هاب نیاز دارد.در آینده، زمانی که قابلیت تعامل کامل میان دستگاه های هوشمند به دست می آید، انتظار میرود که وجود هاب ها در این مدل ها غیرضروری باشند.

Cloud یا ابر

ابر محاسباتی پیچیده ترین بخش مدیریت خانه است. وظیفه اصلی ابر ذخیره داده ها است. به دلیل حجم بالای داده ها، رویکردهای سنتی باید متناسب با الزامات جدید باشند. روشهای جدید و الگوریتم های مبتنی بر تکنیکهای یادگیری ماشین ، پردازش سریهای زمانی و تجزیه و تحلیل پیشرفته باید به کار گرفته شوند.

 برنامه های بخش سوم به طور معمول فرض می کنند که داده های مورد استفاده، بدون تغییر هستند. داده ها توسط برنامه ها در یک مبنای زمانی غیر واقعی در دسترس هستند. در ابر، داده های مبتنی بر رویداد به پردازش مبتنی بر پرس و جو تبدیل می شود. این یک گام حیاتی در جهت برطرف کردن تفاوت های شبکه های IoT در خانه هوشمند و در زمان واقعی و برنامه جهانی  Third party است. داده ها باید به طور مداوم ذخیره شوند و در سطوح مختلف انتزاعی شوند تا بتوان آنها را به راحتی ترکیب، تجدید و یا با داده های ذخیره شده قبلی با احتمال رسیدن داده ها از برخی منابع غیر IoT جمع آوری نمود. مهمتر از همه، سطوح مختلف انتزاع، دسترسی و استفاده از نرم افزار را ساده تر می کند، زیرا داده ها به شیوه مورد نیاز برنامه ها ارائه می شوند.

Third party یا واسط دیگر

گروه سوم باید برنامه های کاربردی برای کاربران نهایی را در قالب برنامه ریزان، تنظیم کننده ها و سیستم های توزیع کننده بار توسعه دهد.

برنامه ریز یک ابزار مسئول برای تعریف فواصل زمانی که لوازم خانگی دوگانه فعال هستند میباشد. یک تنظیم کننده ابزاری است که مسئول مدیریت دستگاههای انعطاف پذیر است. یعنی این سیستم عملیات تهویه مطبوع ، گرمکنها، رطوبت هوا و غیره را تنظیم می کند. با توجه به قیمت فعلی برق در بازار و دسترسی به برق تولید شده توسط منابع تجدید پذیر محلی ، بالانس بار باید مصرف انرژی را بهینه کند.

تمام این ابزارها به الگوریتم های پیشرفته نیاز دارند که از پارامترهای بسیار بیشتری نسبت به ابزارهای خانگی هوشمند استفاده میکنند. آنها باید وظایف پیچیده کاوش و استخراج دانش را از داده های موجود در ابر انجام دهند تا پروفایل های مصرف کننده و خانوار را ایجاد کنند و یا به عبارت ساده تر داده های خانه هوشمند موجود باید منجر به ایجاد توصیه های شخصی سازی شده برای همه کاربران شود.

چالش ها و راه حل ها

در این بخش، برخی از دستورالعمل ها برای توسعه دهندگان آینده IOT راه حل هایی در مورد چگونگی انتخاب های خوب هنگام برخورد با چالش های مختلف مرتبط با مسائل عملی ارائه شده است.

محاسبات fog) Edge)

محاسبات Edge یا مه فرایند پردازش داده ها در لبه شبکه است. در این پارادایم انتظار می رود که فرآیند استخراج اطلاعات از همان زمان که داده ها در آن حس می شوند، یعنی در قسمت حسگر شروع شود. دلایل زیادی برای استفاده از این رویکرد وجود دارد، اما برخی از مهمترین آنها صرفه جویی در انرژی، کاهش حجم داده ها و کاهش تاخیر است. این موضوع نیز یکی از مسائل مهم در به روز رسانی سیستم های خانه هوشمند است.

هر شی / موجودیت در IoT اگر ارتباط آن بهینه نشود می تواند مقدار زیادی انرژی را مصرف کند. برای اشیا هوشمند، به لحاظ مصرف انرژی، محاسبات محلی عملیاتی ارزان تر نسبت به مخابراتی است. این رو، تلاش باید در جهت توسعه الگوریتم های غیر پیچیده و سبک برای پردازش داده های محلی تغییر کند. این رویکرد حجم داده را کاهش می دهد و از ارسال بخش بزرگی از داده های خام جلوگیری می کند. در عوض، فقط ابرداده ها منتقل می شوند. کاهش تعداد انتقال ها در دستگاههای IoT برای جلوگیری از مشکلات تاخیر و اشباع کانال های بی سیم بسیار مهم است.

تکنیک های کاهش حجم داده ها در خانه هوشمند

به همین علت، تکنیک های کاهش داده های مختلف باید برای کم کردن هزینه های ارتباطی مورد استفاده قرار گیرد. سه روش اصلی برای کاهش داده ها وجود دارد: فشرده سازی داده ها، پیش بینی داده ها و پردازش درون شبکه .

به عنوان مثال، اگر داده ها در زمان واقعی مورد نیاز نباشد، فشرده سازی داده ها  می تواند مورد استفاده قرار گیرد. در غیر این صورت ، فیلترهای مختلف میتوانند برای پیش بینی داده های سنسور  استفاده شوند، بیشتر آنها بر اساس تکنیکهای فیلترینگ انطباقی هستند. مانند، میانگین متحرک  ،میانگین مربع  و LMS با اندازه گام متغیر .

پروسس در هر دستگاه و در هاب انجام می شود، یعنی پیش بینی ها به طور همزمان در هر دو طرف انجام می شود. اگر ارزش حس شده از مقدار پیش بینی شده متفاوت باشد. (تفاوت بالاتر از یک آستانه از پیش تعیین شده است) ، دستگاه هوشمند باید اندازه گیری / داده را به مرکز ارسال کند.

در غیر این صورت، مقدار پیش بینی شده “قابل اعتماد” محسوب می شود و برای تغذیه فیلتر برای پیش بینی های آینده استفاده می شود. این پارادایم به عنوان “طرح پیش بینی دوگانه”  در خانه هوشمند شناخته می شود. پردازش درون شبکه ای پردازشی است از پردازش داده های متوالی در راه خود به مقصد است. همانگونه که داده ها از طریق گره های میانی عبور می کنند، برخی عملیات جمع کننده انجام می شود.

Big data یا داده های بزرگ

داده های تولید شده توسط IoT در مقادیر زیاد، از لحاظ ساختار متغیر هستند، اغلب به زمان واقعی می رسند، و ممکن است ناشی از منابع نامشخص باشند.

این حجم، سرعت و تنوع (بدون اشاره به اعتبار متغیر) باعث راه حل ذخیره سازی و تجزیه و تحلیل می شود ، که بینش مفیدی را ایجاد می کند، بسیار پیچیده است. سیستم های مدیریت پایگاه داده رابطه ای سنتی SQL )RDBMSs) برای این کار مناسب نیستند، به همین دلیل است که نیاز به راه حل های داده ای بزرگ (Big Data) است. ابر IoT تجزیه و تحلیل طولانی مدت و پیچیده این داده ها را ممکن میسازد).

کنترل داده های بزرگ

چالش کنترل داده های بزرگ یک مساله مهم است ، زیرا عملکرد کلی مستقیما متناسب با ویژگیهای سرویس مدیریت داده ها است. مجموعه ای از ابزارها به خدمات بازار تبدیل شده است، از جمله Hadoop منبع آشوب سیستم توزیع داده ها را توزیع کرده است، طیف وسیعی از سیستم عامل های هوش تجاری نیز موجود است.

چندین فروشنده وجود دارند که در بخشهای مختلف تجزیه و تحلیل به خوبی کار میکنند، ( ادغام داده ها، ذخیره سازی داده ها، تجزیه و تحلیل هسته و ارائه داده ها) مانند فروشندگان پر ازدحام ‘ full-stack ‘ مثل IBM ، مایکروسافت، اوراکل، SAP و AG.

راه حل های اختصاصی و متن باز از فناوری های پایگاه داده جایگزین برای داده های بزرگ استفاده می کنند : سریهای زمانی، ارزش کلیدی، ذخیره اسناد، ذخیره ستونهای عریض و پایگاه داده های گراف. با این حال، تا به امروز پاسخ سادهای به سوال مدیریت داده بزرگ در ابر وجود ندارد. این مشکل حتی هنگامی که عامل ثبات داده ها به حساب می آید، نه تنها به دلیل تأثیر آن بر کیفیت خدمات، بلکه همچنین در خصوص جنبه های مربوط به امنیت و حفظ حریم خصوصی آن، به ویژه در مورد داده های برون سپاری، حتی دشوارتر می شود.

شبکه سازی

پروتکل های شبکه سازی برای استفاده از راه حل های اینترنت اشیا در شبکه های هوشمند و شبکه های سنتی که عمدتا برای نرخ های بالای داده طراحی شدهاند. تقسیم میشوند. انتظار می رود که پروتکل های شبکه خانگی هوشمند، پروتکل هایی را که قبلا در ارتباطات شبکه های سنسور بی سیم و ماشین آلات به دستگاه (M2M) برقرار شده است، به اتمام برسانند و که تاکنون هیچ برند مشخصی نداشته باشند.

اضافه کردن بسیاری از ویژگی های پیشرفته به پروتکل، هزینه را افزایش می دهد و سهولت استفاده را کاهش می دهد. طراحی یک پروتکل جذاب یک کار بی اهمیت نیست و معمولا یک توافق بین هزینه و عملکرد است. از دیدگاه توپولوژی مورد استفاده، مش به دلیل حضور موانع در خانه، مانند دیوارها، مبلمان و غیره بهترین انتخاب توپولوژی شبکه برای ارتباط بی سیم است. مش دوگانه ، به این معنی است که شبکه به عنوان سیمی و بی سیم عمل می کند که یک راه حل مناسب برای خانوارهایی است که یک سیستم اتوماسیون خانگی سیمی نصب کرده است.

ارتباطات بی سیم در خانه های هوشمند

پروتکل های زیادی برای راه حل های هوشمند طراحی شده اند. برخی از آنها از دوره زمانی که خانه هوشمند با اینترنت اشیا برای خانواده های ثروتمند رزرو شدهاست و بسیاری از آنها که سعی میکنند اصول قدیمی طراحی را با تکنولوژیهای جدید ترکیب کنند ، قرار دارند. X10 قدیمی ترین پروتکل است که در ابتدا سیمی بود، اما تغییرات جدید آن را دوگانه می کند. Insteon نمونه دیگری از پروتکل دوگانه mesh است که اخیرا در گوگل Nest platform ، پلتفرم HomeKit Apple’s و apple Watch ادغام شده است. پروتکل های اخیر بیشتر تنها به صورت بی سیم کار می کنند.

روش های مختلفی برای طبقه بندی پروتکل ها وجود دارد و هیچ یک از آنها به اندازه کافی کامل نیست. با استفاده از Google Scholar ، ما برای نشریاتی که هر کدام از این پروتکل ها را پوشش می دهند، پرسش می کنیم که آمار خلاصه ای از تعداد انتشارات در جدول ۳ ارائه شده است. این اطلاعات از نوامبر ۲۰۱۵ است.

جدول ۳ – تعداد نشریات بر اساس نتایج گوگل 

جدول ۳ نشان می دهد که ZigBee محبوب ترین پروتکل است، اما این فقط برای تحقیقات علمی و دانشگاه ها صادق است. در عمل Z-Wave بیشترین تولید کننده را دارد، که عمدتا به دلیل قابلیت همکاری آنها است. طبق اعلام Z-Wave Alliance ، بیش از ۳۵ میلیون محصول Z-Wave از زمان فروش آنها در سال ۲۰۰۵ فروخته شده است.

ویژگی های اساسی ZigBee ، Z-Wave و Insteon در جدول ۴ نشان داده شده است. به لحاظ نظری، شبکه Z-Wave محدود به حداکثر ۲۳۲ دستگاه Z-Wave است ، اما اکثر فروشندگان به استفاده در حدود ۳۰ الی ۵۰ دستگاه را توصیه می کنند. به عنوان مثال، MiOS LTD با محصولات Vera خود ۵۰ دستگاه برای Vera Lite و ۱۰۰ دستگاه برای Vera 3 را توصیه میکند.

قیمت جنبه دیگری است که می تواند در هنگام انتخاب پروتکل مناسب مورد توجه قرار گیرد. هزینه لایسنس زیگ بی ۳۵۰۰ دلار در سال است، در حالی که Z-Wave تنها ۷۵۰ دلار برای هر مدل دستگاه برای لوگو هزینه می کند. مقایسه دقیق تر پروتکل های خانگی هوشمند در هر سطح از چارچوب IoT باید ویژگیهای خاصی داشته باشد.

ما قابلیت های مورد نیاز دستگاه های IoT را در هر سطح در جدول ۵ شناسایی و خلاصه می کنیم.

جدول ۵ – قابلیتهای بخشهای IoT برای سیستم مدیریت خانه هوشمند 

قابلیت همکاری

در حال حاضر ، مسئله اصلی توسعه جامع خانه هوشمند ، هزینه های مربوط به یکپارچه سازی وسایل خانگی هوشمند است. قابلیت همکاری کلید باز کردن بازار برای راه حل های رقابتی در IoT است. شرکت های پیشرو در جهان که دستگاه های هوشمند تولید می کنند در حال تلاش برای دستیابی به قابلیت همکاری کامل هستند که ادغام آسان با اینترنت موجود را تضمین می کند.

محصولات Z-Wave در حال حاضر با نسخه های قبلی خود سازگار هستند، در حالی که ZigBee Alliance با ZigBee 3.۰ خود اعلام کرده است که این ویژگی تا پایان سال ۲۰۱۵ به اجرا درآید. ZigBee کمیته های بسیاری را تشکیل داده است که هدف آن تعریف ویژگی های محصول مورد نیاز برای فروشندگان مختلف برای ساخت سازگار با قابلیت های مختلف برای پروفایل های مختلف برنامه های عمومی مانند اتوماسیون خانگی، مراقبت های بهداشتی، کنترل از راه دور و غیره است. با این حال، محصولات در سراسر این پروفایل ها و در سراسر تجدید نظر در یک نمایه، الزاما سازگار نیستند. از سوی دیگر، X10 و Insteon کاملا با یکدیگر همکاری می کنند. جدول ۶ ویژگی های قابلیت همکاری این پروتکل های ارتباطی نسل دوم را خلاصه می کند.

جدول ۶ -ویژگی های قابلیت تعامل Insteon ، X10 ، Z-Wave و ZigBee 

امنیت و حریم خصوصی

یکی از مهمترین مسائل در بحث نیازمندی های لازم در مواجه با توسعه شبکه های هوشمند، هم در بخش های بیسیم و هم برای سیستم های سیمی، مربوط به امنیت سایبری است. شبکه هوشمند می تواند هدف تروریست های سایبری باشد که این مسئله به عنوان یک نگرانی مهم برای طراحان سیستم ظاهر میشود. 

به دلیل نحوه انتقال داده ها ، IoT ذاتا در برابر اکثر حملات متداول شبکه های بی سیم آسیب پذیر است. از این رو ، IoT نیازمند یک سیاست امنیتی است ، اما هزینه تامین آن باید تا حد امکان پایین باشد. رویکردهای مختلفی که امنیت ابتدایی را از طریق امنیت رمزنگاری اولیه ارائه می دهند. به منظور ارائه صحت دستگاه که یک شی مخرب نیست (یکپارچگی) داده های ارسال شده با داده های دریافت شده یکسان است و محرمانه است. همچنین امکان ایجاد اطلاعات غیر قابل خواندن برای دیگران باید مورد بررسی قرار گیرد.

در زمینه امنیت خانه های هوشمند مبتنی بر اینترنت اشیا نیز دغدغه های جدی وجود دارد که سیستم های نوین پاسخ های مناسبی برای آن ها ارائه داده اند.

نتیجه گیری برای خانه هوشمند شده به وسیله اینترنت اشیا

در این مقاله به بررسی این دیدگاه پرداختیم که سیستم های ساخت ساختمان های مسکونی به سمت ساختمان های مدرن سوق پیدا نموده اند. این نوع از ساختمان های مدرن یک نوع از سیستم های فعال می باشند. آن ها می توانند پنل های خورشیدی  و توربین های بادی کوچکی را برای تولید انرژی خود داشته باشند، بنابراین آنها قادر به خرید یا فروش انرژی از شبکه برق هوشمند خواهند بود. با گسترش سیستم های هوشمند ساختمانی مبتنی بر اینترنت اشیا، ایجادشغل های خدمات مرتبط با این تکنولوژی به یک نیاز جدی بدل شده است.

 راه حل نهایی برای خانه هوشمند 

راه حل مورد نظر باید تمام داده های خانه هوشمند را در یک موتور خود آموز به منظور ایجاد سناریوهای شخصی برای تمام کاربران ، بدون در نظر گرفتن سطح اتوماسیون موجود در خانه آن ها ، جمع آوری کند. راه حل نباید شامل هزینه اضافی برای مصرف کنندگان باشد چون نباید به هیچ سخت افزار خاصی نیاز داشته باشد.

سهم اصلی این مقاله چارچوب جامع مبتنی بر IoT است که شامل اجزای مختلفی از معماری / چارچوب IoT ارائه شده در این مقاله است. این چارچوب IoT integral مختص حوزه کاربردی خانگی هوشمند است ، با این وجود که ابر عنصر مرکزی در سیستم است که نه تنها برای جمع آوری و ذخیره داده ها ، بلکه به عنوان دروازه ای برای طرف های سوم علاقمند به توسعه برنامه های کاربردی است.

در این زمینه ، ما علاوه بر اینکه سیستم مدیریت خانه هوشمند را بررسی میکنیم همچنین یک مدل را با مجموعه ای از وظایف خاص شناسایی میکردیم که باید در هر سطح به منظور برآورده کردن الزامات سیستم انجام شوند. به عنوان نقش دوم این مقاله با تاکید بر مسائل عملی مانند پردازش داده ها، شبکه سازی و قابلیت همکاری پروتکل های خانگی هوشمند ، در مورد چالش ها برای راه حل های خانگی هوشمند مبتنی بر IoT بحث. Fog ، رویکردهای امیدبخشی برای بهبود صرفه جویی انرژی در داخل شبکه IoT با کاهش تعداد انتقالها بین دستگاههای IoT هستند.

با وجو مقالات فراوان در این حوزه، هنوز پرسش های فراوانی دربراه خانه هوشمند شده به وسیله اینرتنت اشیا وجود دارد. برای مقابله با مقدار بالقوه اطلاعاتی Big data که در IoT تولید می شود، راه حل های جدید داده ها و الگوریتم های بزرگ مورد نیاز است.همچنین شرکت های فراوانی به تولید های صنعتی مرتبط با خانه و به وسیله این تکنولوژی روی آورده اند که خود نشان دهنده اهمیت این موضوع است.

شاید مهمترین مسئله برای پیش برد اهداف تکنولوژی اینترنت اشیا ایجاد قابلیت همکاری میان شرکت های مختلف است. وضعیت فعلی این است که دستگاه ها با پروتکل های مختلف نمی توانند با یکدیگر ارتباط برقرار کنند. این موضوع شاید مهمترین چالش پیش رو برای شرکت های فعال در این زمینه باشد.