زیرساخت‌های خانه هوشمند

موضوعیت این مقاله

• مروری بر وضعیت اینترنت مدرن برنامه‌های 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 تکنولوژی‌های ارتباطی سنتی برای شبکه هوشمند و کاربردهای خانگی هوشمند به ارمغان می‌آورد، این پیاده‌سازی‌ها 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 چشم‌انداز ادغام آن‌ها با یک محیط IOT ، مشارکت کند. ما یک چارچوب جامع را که مولفه‌های 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 داده‌ها، همچنین پروتکل‌های ارتباطی خانگی هوشمند و قابلیت همکاری آن‌ها بحث می‌کنیم. ما معتقدیم که چارچوب جامع مشخص‌شده در این مقاله می‌تواند به عنوان یک پایگاه منسجم برای توسعه‌دهندگان آینده در اینترنت از راه‌حل‌های خانگی هوشمند استفاده شود.

مقدمه

با رشد پیشبینی‌شده جمعیت جهانی، تقاضا برای انرژی به طور مداوم افزایش خواهد یافت. شبکه‌های قدرت کنونی چند دهه نیست که ساخته شده‌اند و علی رغم این واقعیت که آن‌ها به طور منظم ارتقا پیدا می‌کنند، قابلیت آن‌ها برای تحقق خواسته‌های آینده نامشخص است.

ذخایر موجود سوخت‌های فسیلی محدود هستند و گازهای گلخانه‌ای مضر را تحمیل می‌کنند و پیامدهای اجتماعی و زیست‌محیطی را اجتناب‌ناپذیر می‌سازند. 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، زیست‌محیطی، سلول‌های 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 می‌کند. این سیستم با جریان دو طرفه برق و اطلاعات مشخص می‌شود. رویکردهای شبکه هوشمند شامل راه‌حل‌های جدیدی هستند که به طور موثر از شبکه برق موجود به منظور کاهش یا حذف قطعی، ولتاژ بهره‌برداری می‌کنند.

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

راه‌حل‌های شبکه هوشمند

راه‌حل‌های شبکه هوشمند می‌تواند 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 پنجره‌ها، روشنایی و … اشاره دارد.

یک عنصر کلیدی در خانه هوشمند استفاده از الگوریتم‌های برنامه‌ریزی توان هوشمند است که به ساکنین این امکان را می‌دهد که قابلیت بهینه شدن، انتخاب‌های 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 فناوری‌های اطلاعاتی و ارتباطات پیشرفته و سیستم‌های 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 می‌شود، پتانسیل عظیمی برای کاربرد در شبکه هوشمند دارد اشیا با دستگاه‌های هوشمند، قادر به ارتباط و محاسبه، از عملکرد ساده سنسور تا کنترل لوازم خانگی و تلفن‌های 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 سیستم‌های هوشمند ساختمانی

IOT نشان‌دهنده 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 داده‌ها و نمایش اطلاعات با رایانش ابری به عنوان چارچوب یکپارچه‌سازی به دست می‌آید. بنابراین، هدف اینترنت اشیا بهبود آسایش و بهره وری، با توانمندسازی همکاری بین IoT و استاندارد هوشمندسازی معمولا شامل بسیاری از شبکه‌های حسگر بی‌سیم یا WSN و شناسایی فرکانس رادیویی RFID است.

شبکه حسگر بی‌سیم یک الگو است که در دو دهه گذشته توسط انجمن تحقیقاتی کشف شد. این شبکه شامل ابزارهای حسگری هوشمند است که می‌توانند از طریق ارتباط رادیویی مستقیم ارتباط برقرار کنند. دستگاه‌های RFID پیچیده نیستند. آن‌ها عمدتا شامل دو بخش هستند: یک مدار یکپارچه با برخی قابلیت‌های 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 خانه‌های مسکونی و ادارات، مدارس و زمین‌های کشاورزی را به محیط‌های هوشمند حساس به انرژی را تبدیل کند. علاقه فزاینده‌ای از سمت جامعه و نیز تحقیقاتی برای ترکیب الگوی IOT در مفهوم شبکه هوشمند به ویژه در راه‌حل‌های 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، علاقه‌مندی‌ها 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 راه‌حل‌ها در ساختمان هوشمند و مدیریت انرژی در خانه، ملاحظات و چالش‌های معماری آن با تاکید بر پردازش مسائل داده‌ها عنوان می‌کنیم، شبکه‌سازی و قابلیت همکاری از پروتکل‌های خانه هوشمند در نظر می‌گیریم، برای این منظور، ما چارچوب IOT موجود در ادبیات روزمره را بررسی کردیم.

این راه‌حل‌های جدید را تحلیل و چالش‌هایی را برای تحقیقات آینده تعریف کردیم. در این بخش دو روش مورد استفاده در این مقاله را به منظور انتخاب رایج‌تری توسعه‌های 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 شیوه‌ای سه‌گانه انجام می‌شود. در ابتدا، IOT موجود و کاربردهای نزدیک به IOT با توجه به بخش‌های مختلف شبکه هوشمند تجزیه و تحلیل می‌شوند و در آخر راه‌حل‌هایی بررسی می‌شود که می‌تواند با تمرکز بر روی خانه هوشمند صورت عملی به خود بگیرد.

پس از آن، راه‌حل‌ها موجود در یک چارچوب جامع عمومی جدید ارائه میشود که ویژگی‌های کلیدی را از از منظر دغدغه‌ها 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 آن‌ها در راه‌حل‌های 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 یکسان‌سازی این اکوسیستم، تجزیه و تحلیل داده‌های بزرگ، امنیت و حریم خصوصی را مورد بحث قرار می‌دهیم. در بخش پنجم مروری بر دستورالعمل‌های مفید و راه‌حل‌های مورد نیاز برای مواجهه با این چالش‌ها را نیز بیان خواهید 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 می‌تواند اولین و حتی یک انتخاب مستقل برای بازبینی‌های نظام‌مند 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 رتبه‌بندی محقق گوگل به شدت به دقت یک مقاله وابسته است، اما یک معیار را روی کلمات قرار می‌دهد، 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 سال‌های ۲۰۱۰ و ۲۰۱۶ در نظر گرفته شدند. مقالات قبل از سال ۲۰۱۰ در نظر گرفته نشده‌اند زیرا بیشتر پیشرفت‌ها در حوزه اینترنت اشیا و خانه هوشمند و مفاهیم 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 بی‌سیم“، “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 شبکه‌های حسگر بی‌سیم همراه با RFID دو تکنولوژی اصلی هستند که امکان توسعه IOT را فراهم می‌کنند. بیشتر چالش‌های تحقیق در IOT منشا آن در WSN فرض گرفته می‌شوند. فرم پرس‌وجوی عمومی ما استفاده از “۱ term” و “term2” , “term3” است که در آن ۱ term = “شبکه‌های 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 جمع‌آوری‌شده توسط اسکالر در جدول ۱ آمده است.

 جدول ۱ – تعداد نشریات توسط موتور اسکالر برای جستجوهای مختلف

تنها ۱۰۰ نتیجه اول برای پرس‌وجو 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 می‌شوند.

شکل ۲ تعداد این هم‌پوشانی را نشان می‌دهد و علاوه بر آن، میانگین اسکالر را برای هر گروه داده می‌شود، به عنوان مثال مقالاتی که در نتایج یک سوال ظاهر می‌شوند، در رتبه‌بندی متوسط ۱۲.۵۴ هستند.

مجموعه منحصر به فرد مقالات جستجو شده، محتوای ما را محدود می‌کنند. یعنی مطالب مربوط به حسگر بی‌سیم 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: راه‌حل‌های WSN و مفاهیم IOT.

شکل ۲ -تعداد کل نشریات که در ۲۰ نتایج برتر منتشر شده اند.عدد مربوط به هر بار به میانگین رتبه بندی نشریات در گروه اشاره دارد.

اولین دسته شامل مقالاتی است که کاربردهای واقعی آن را در زندگی و در حوزه‌های مختلف مانند نظارت بر زیستگاه و نظارتی و غیره را ارائه می‌دهند. مقالات دسته دوم حول الگوی IOT و مفاهیم آن می‌چرخند. چارچوب‌ها، دیدگاه‌ها 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 پیاده‌سازی WSN به تفصیل شرح می‌دهیم. مقالات در راستای راه‌حل‌های IOT دراین قسمت‌های بعد بررسی می‌شوند.

تجزیه و تحلیل نهایی این کلیدواژه‌ها

این بخش تجزیه و تحلیل نهایی نتایج شناسایی‌شده توسط روش ما را ارائه می‌دهد. این تحلیل به شیوه‌ای سه‌گانه انجام می‌شود. در ابتدا، IOT و کاربردهای نزدیک به IOT در بخش‌های مختلف شبکه هوشمند تجزیه و تحلیل شوند که در آن چنین راه‌حل‌هایی را می‌توان، با تمرکز بر روی خانه هوشمند اعمال کرد. پس از آن، یک تعمیم از راه‌حل‌های موجود در یک چارچوب جامع عمومی جدید ارائه می‌شود که ویژگی‌های کلیدی را از بررسی ادبیات به صورت شناسایی‌شده 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 آن‌ها در راه‌حل‌های پیشرفته به پایان می‌رسد.

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 طرف‌ها مانند دولت و مردم به ارمغان می‌آورد. جدول ۲ کاربردهای پتانسیل در رابطه با جنبه‌های مختلف قطعات شبکه هوشمند را متمایز می‌کند. 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 دستگاه‌های حسگر مستقر می‌شوند. نتایج تجربی استفاده از شبکه‌های حسگر سازگار با IEEE که لینک‌های بی‌سیم آن شامل هر دو خط (LOS) and non-LOS (NLOS) در شبکه هوشمند نرخ خطای بسته‌های داده و ظرفیت لینک‌های متغیر به دلیل تداخل الکترومغناطیسی، نویز تجهیزات، انسداد و غیره بالاتدارند. مشکلات فناوری بی‌سیم یا وایرلس و این یعنی محدودیت‌های دیگری که بررسی می‌شوند محدودیت‌های پردازش‌های سنسور و توان محدود منابع این مشکلات را به ما تحمیل می‌کنند.

جدول ۲ – کاربردهای بالقوه IOT برای شبکه هوشمند

خوشبختانه، بیشتر این چالش‌ها در قسمت چهارم، یعنی مصرف‌کننده 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 بر این، با میدان مغناطیسی قوی یا با زیرساخت شبکه خانگی مرتبط نیستند. با این حال، IOT برای خانه هوشمند در معرض چالش‌هایی مانند قابلیت اعتماد بودن، حریم خصوصی و امنیت و مسائلی از این دست است.

خانه‌های مدرن مجهز به کنتورهای هوشمند، لوازم هوشمند، خروجی‌های برق هوشمند و دستگاه‌های حسگر باعث ایجاد خانه‌های هوشمند آگاه از مصرف انرژی می‌شوند. همانند شکل ۳. اگرچه خانه هوشمند یک رویا برای هر دو طرف تولیدکننده و مصرف‌کنندگان است، اما هنوز حضور سرمایه در این بازار بسیار کم است.

از طرف دیگر، بسیاری از راه‌حل‌های تجاری موجود و سیستم‌های مدیریت سمت مصرف‌کننده DSM روی مصرف‌کنندگان بزرگ متمرکز شده‌اند. تقریبا همه آن‌ها نمی‌توانند مصرف‌کنندگان کوچک مسکونی را نیز در چالش‌های بزرگ ادغام کنند.

IOT پتانسیل غلبه بر این شکاف را دارد و خدماتی ارائه می‌کند که توسعه راهحل‌های 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، حوزه‌های بهداشتی، تولید و غیره.

در این بخش ما ارتباط کلیدواژه‌ها را به صورت عمومی شناسایی و توسط روش خودمان ارائه می‌کنیم. مقالات مورد بحث در اینجا به لحاظ معنایی در دسته مورد نظر راه‌حل‌های نزدیک به IOT برای خانه هوشمند، و عمدتا از حوزه‌های مرتبط با شبکه‌های حسگر بی‌سیم، اتوماسیون خانگی و شبکه هوشمند قرار است.

معماری‌های جدید بر اساس تکنولوژی‌های نرم‌افزاری art با تمرکز بر محیط‌های داخلی و نظارت بر زیست‌بوم‌ها نیز در این مقالات پیشنهاد می‌شود.

نویسندگان دستورالعمل‌های طرحی برای جمع‌آوری و ادغام داده‌های خانگی را ترویج و در نتیجه امکان همگام‌سازی این داده‌ها را فراهم می‌کنند. واسط‌های وب برای افزایش تعامل بین WSN مستقر می‌شوند و کاربردهای نهایی آن توسعه می‌یابند. نویسندگان این مقالات راه‌حلی 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 کرده‌اند. ارزیابی از راه‌حل آن‌ها با استفاده از یک WSN سازماندهی شده در توپولوژی ستاره‌ای و همچنین توپولوژی multihop تا سه جهش را (برای آپارتمان‌های بزرگ) در خانه‌های هوشمند حدود ۱۰۰ متر مربع پیشنهاد می‌دهند.

VillaSmart با پروژه ECOGRID EU اتحادیه اروپا مرتبط است. نویسندگان یک WSN مدولار و توسعه‌پذیر در یک تست و مرجع خانگی به نام VLLASMART نصب کرده‌اند. این سیستم رفتار انرژی ساختمان را مدل‌سازی می‌کنند.

این مدل‌های شبیه‌سازی‌شده 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 می‌شود. 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 قسمت‌های مختلف ۹ گلخانه مانند آبیاری قطره‌ای و تجهیزات پنکه افزایش دهند. مولفان چارچوبی برای تنظیم دما درون ساختمان‌های تجاری و اداری، با تمرکز بر طراحی و پیاده‌سازی توپولوژی‌های شبکه خاص و مکان‌یابی گره درون سیستم ارائه می‌دهند.

شکل ۳ – خانه هوشمند

چارچوب جامع مبتنی بر IOT برای خانه هوشمند

انتظار می‌رود که اشیا هوشمند در چند سال آینده در بازار غالب و در خانوار حاضر شوند، که نیاز به خدمات جدید و بهبود یافته برای خانه‌های هوشمند را تحمیل خواهد کرد. به این دلایل ، نیاز به راه‌حل‌های مبتنی بر IOT ، عدم قطعیت خواهد بود. بسیاری از نشریات اخیر بر توسعه یک چارچوب کلی IOT که برای طیف گسترده‌ای از حوزه‌های کاربردی مناسب است متمرکز هستند.

نویسندگان پنج تکنولوژی IOT برای ساخت راه‌حل‌های موفق IOT: شناسایی فرکانس رادیویی، شبکه‌های حسگر بی‌سیم ، مین‌افزار، رایانش ابری و نرم‌افزار برای توسعه برنامه بیان می‌کنند. آن‌ها همچنین سه دسته IOT را برای کاربردهای شرکت شناسایی می‌کنند: نظارت و کنترل، داده‌های بزرگ و تجزیه و تحلیل تجاری و اشتراک اطلاعات و همکاری.

فهرست فناوری‌های توانمندسازی با ارتباطات میدان نزدیک، خدمات مبتنی بر مکان و شبکه‌های اجتماعی افزایش می‌یابد. آن‌ها یک معماری چهار لایه ساخته شده از: درک، شبکه‌سازی، خدمات و رابط پیشنهاد می‌کنند. نقش ابر از بین رفته است.

بنابراین مشخص نیست که چگونه خدمات ممکن است فعال شوند. لیو یک میان‌افزار را نشان می‌دهد که از نام‌گذاری، آدرس‌دهی ، ذخیره‌سازی و بالابردن خدمات پشتیبانی می‌کند. این ایده برای ایجاد یک میان‌افزار در بالای سیستم‌های موجود است، بنابراین به یکپارچه‌سازی آسان‌تر برنامه‌های کاربردی موجود در محیط‌های IOT دست می‌یابد.

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 داده‌های مبتنی بر ابر و تصمیم‌گیری پیشنهاد می‌کنند.

نقش طراحان راه‌حل شخص سوم در چارچوب مشخص نشده است. با توجه به این نشریات، چارچوب ارائه شده در این مقاله می‌تواند یک نسخه اصلاح شده از عمومی‌ترین 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 ویژگی‌های کلیدی راه‌حل‌های IOT برای خانه‌های هوشمند که در ادبیات شناسایی شده‌اند، استفاده می‌شود. نمایش گرافیکی چارچوب در شکل ۴ نشان داده شده است. در چارچوب داده‌ها به صورت بی‌سیم ارسال می‌شود و با استفاده از خطوط نقطه چین نشان داده شده است. خطوط زرد مربوط به جریان برق دو سویه هستند. پاراگراف‌های زیر هر سطح از چارچوب را خلاصه می‌کنند.

شکل ۴ – چارچوب چند سطحی برای خانه هوشمند

wsn و خانه هوشمند

در خانه هوشمند تمام وسایل خانگی هوشمند مجهز سیستم‌های ارتباطی بی‌سیم، WSN خانه را تشکیل می‌دهند. هر خانه دارای یک WSN است و داده‌های حسی هر دستگاه به یک ایستگاه مرکزی فرستاده می‌شود که ما به عنوان سینک خانه یا هاب یا کنترل‌کننده مرکزی از آن استفاده می‌کنیم.

هر بخش از یک خانه هوشمند یک ابزار هوشمند محسوب می‌شود و قابلیت‌های محاسبات و ارتباطات سطح متوسط دارد. مرکز خانه می‌تواند هر دستگاهی باشد (کنتور هوشمند، کامپیوتر، تبلت یا گوشی هوشمند) که ظرفیت ذخیره‌سازی داده‌ها را دارد، می‌تواند 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 مجتمع‌های مسکونی هوشمند یا ساختمان‌های هوشمند، باید یک بخش مجزا به عنوان مرکز مسکونی تعبیه شود. مرکز در مقایسه با مراکز کنترلی خانه، بخش مرکزی مجتمع‌های مسکونی باید یک ویژگی اضافی داشته باشد. این ویژگی عبارت از این است که مسئول مدیریت داده‌ها از منابع تولید توزیع شده / به اشتراک گذاشته شده انرژی بر عهده این مرکز می‌باشد.

این مساله بسیار مهم است، چون منابع تجدیدپذیر معمولا بین مصرف‌کنندگان، برای نمونه یک ساختمان مسکونی با سیستم پنل فتوولتاییک در سقف، مورد استفاده قرار می‌گیرد. در این چارچوب، هر منبع انرژی تجدیدپذیر توزیع شده یک ابزار هوشمند محسوب می‌شود.

Cloud

Cloud کل داده‌ها از منابع مختلف خانوارها (در ابر اندازه‌گیری سنسور از خطوط انتقال/ توزیع) یا محل‌های تولید جمع‌آوری می‌شوند. 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 بخش‌های باقیمانده شبکه هوشمند ، جدا از خانه هوشمند در تولید ، انتقال و توزیع متناظر است. هر بخش به طور مستقل داده‌ها را مستقیما به ابرها می‌فرستد. اطلاعات معمول که می‌تواند با مطلوبیت مبادله شود عبارتند از: قیمت برق ، پیش‌بینی آب و هوا ، وضعیت خط توزیع / انتقال ، تولید فعلی و آینده یک ریزشبکه، تولید فعلی و آینده منابع تولیدی توزیع شده مرتبط با یک ریزشبکه و غیره.

Third part

Third part گروه سوم، با استفاده از داده‌های ابر, توسعه داده می‌شوند. اصطلاحات دیگر که به جای آن استفاده می‌شوند کاربردهای تجاری، برنامه‌های صنعت‌محور برنامه‌های کاربردی خاص کاربر هستند. یعنی توسعه‌دهندگان برنامه سوم، داده‌ها را از ابر خصوصی و عمومی دریافت می‌کنند و از این داده‌ها برای ارائه راه‌حل‌ها به شکل برنامه‌های کاربردی مبتنی بر وب یا موبایل استفاده می‌کنند.

User Interface

User Interface واسط کاربر این سطح نشان‌دهنده رابط‌های کاربر است که داده‌ها را به کاربران نهایی (توصیه‌ها، کنترل‌های دستگاه‌های هوشمند و غیره) تحویل می‌دهند. داده‌های جدولی خام که به مصرف خانوار ماهانه یا حتی روزانه اشاره دارد، توسط کاربران تفسیر می‌شود. یک ابزار تصویرسازی پیچیده‌تر برای ارایه نه‌تنها مصرف کلی خانوار مورد نیاز است، بلکه مصرف در سطح دستگاه‌ها نیز مورد نیاز است.

این به طور ویژه مفید است ،زیرا مصرف‌کنندگان قادر به یادگیری در مورد وسایل مختلف در خانه هوشمند خود خواهند بود، به ویژه آن‌هایی که نمی‌توانند به طور خودکار کنترل شوند، مثل دستگاه‌های غیرانعطاف‌پذیر، در نتیجه کاربران را قادر می‌سازد که به طور مستقیم طبیعت مصرف خود را در نظر بگیرند. کاربردهای طرف سوم باید تلاشی برای توسعه واسط‌های بصری کاربر برای مصرف‌کنندگان باشد و اغلب آن‌ها را با استفاده از کیفیت تجربه (QOE) ارزیابی می‌کنند.

سیستم‌های مدیریت خانه هوشمند

یک سیستم مدیریت انرژی به عنوان یک رابط بین یک شرکت نرم‌افزاری و دستگاه‌های هوشمند که انرژی مصرف می‌کنند تعریف می‌شود. هدف از این کار ارائه مزایایی برای هر دو طرف (تولیدکننده همان نیروگاه‌ها و مصرف کنندگان) می‌باشد که تا حدی به سمت مصرف‌کنندگان است.

یکی دیگر از معیارهای معمول استفاده از مدیریت سمت تقاضا (DSM) است. این امر نشان‌دهنده مجموعه‌ای از فناوری‌هایی است که نظارت و کنترل مصرف / تولید را در سطح مصرف‌کننده به منظور انجام توازن قدرت در سیستم‌های انرژی آینده قادر می‌سازد.

در زمینه راه‌حل‌های IoT برای خانه هوشمند، مدل DSM سنتی به سمت مدل ابر محور حرکت می‌کند. رویکرد مبتنی بر ابر. بهینه‌سازی متمرکز را ارائه می‌دهد که مجموعه‌ای عظیم از پارامترها را در نظر میگیرد; بنابراین انتظار می‌رود 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.

شکل ۵ – مدل مدیریت خانه هوشمند

اشیا هوشمند / دستگاه‌های هوشمند

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

این دستگاه‌ها به صورت دوره‌ای سنجش می‌کنند و داده‌های حس شده (بی‌سیم از سیم) را به هاب می‌فرستند. علاوه بر این، اگر پروتکل‌ها به آن‌ها اجازه دهند، داده‌های حس شده را می‌توانند مستقیما به ابر پردازشگر ارسال کنند.

در صورت امکان، دستگاه‌های هوشمند باید پردازش داده‌های پایه را قبل از ارسال داده‌های حسی انجام دهند. فعال‌سازی نیز می‌تواند از راه دور کنترل شود. در زمینه DSM ، لوازم خانگی را می‌توان به سه دسته تقسیم کرد: لوازم غیرانعطاف‌پذیر، انعطاف‌پذیر و لوازم دوگانه.

لوازم غیرانعطاف‌پذیر آن‌هایی هستند که با بارهای اولیه یا کارهای غیرپیشگیرانه مرتبط هستند و نمی‌توانند توسط سیستم کنترل شوند. وسایل انعطاف‌پذیر با بارهای منظم یا کارهای پیشگیرانه (مانند گرمایش و تهویه مطبوع) همراه هستند و می‌توانند به طور خودکار توسط سیستم عمل کنند. در مقابل لوازم دوگانه گاهی می‌توانند به عنوان انعطاف‌پذیر عمل کنند، اما گاهی اوقات به عنوان غیرانعطاف‌پذیر (مانند ماشین لباسشویی، ماشین ظرفشویی یا خشکشویی) عمل می‌کنند.

به عنوان مثال، گاهی اوقات مصرف‌کننده به زمان دقیقی که ماشین ظرفشویی کار می‌کند، اهمیتی نمی‌دهد، مگر اینکه در یک فریم زمانی مشخص از پیش تعریف‌شده باشد. این وسایل معمولا یک burst loads را ارائه می‌دهند. لوازم هوشمند (هر دو ماهیت انعطاف‌پذیر و دوگانه) مجهز به خروجی‌های برق هوشمند هستند که قادر به اندازه‌گیری مصرف توان خود و کنترل عملکرد آن‌ها در زمان واقعی هستند.

Hub یا هاب

هاب دستگاهی است که مسئول جمع‌آوری داده‌های خام و یا پردازش شده از دستگاه‌های هوشمند و ارسال آن‌ها به ابر است. هر زمان که ممکن باشد، هاب باید پردازش داده‌های محلی را به منظور کاهش جریان داده به سمت ابر انجام دهد. علاوه بر این، در یک سناریو خانه هوشمند، هاب می‌تواند دستورات را به دستگاه‌های هوشمند که به عنوان یک برنامه‌ریز، تنظیم‌کننده یا بار محرک محلی عمل می‌کنند، ارسال کند. در یک مورد هاب مسکونی، می‌تواند دستورات را به دستگاه‌هایی که جریان الکتریکی تنظیم می‌کنند را به / از نانوگرام ارسال کند، یعنی عملیات خرید یا فروش برق از شبکه را مدیریت کند.

هاب پروتکل‌های ارتباطی مورد استفاده در دستگاه‌های هوشمند را درک می‌کند. هاب‌ها برای فعال‌کردن قابلیت همکاری بین اشیا هوشمند مورد نیاز هستند، زیرا دستگاه‌ها عموما نمی‌توانند 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 دستگاه‌های هوشمند به دست می‌آید، انتظار می‌رود که وجود هاب‌ها در این مدل‌ها غیرضروری باشند.

Cloud یا ابر

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

برنامه‌های بخش سوم به طور معمول فرض می‌کنند که داده‌های مورد استفاده، بدون تغییر هستند. داده‌ها توسط برنامه‌ها در یک مبنای زمانی غیر واقعی در دسترس هستند. در ابر، داده‌های مبتنی بر رویداد به پردازش مبتنی بر پرس‌وجو تبدیل می‌شود. این یک گام حیاتی در جهت برطرف‌کردن تفاوت‌های شبکه‌های IoT در خانه هوشمند و در زمان واقعی و برنامه جهانی Third party است. داده‌ها باید به طور مداوم ذخیره شوند و در سطوح مختلف انتزاعی شوند تا بتوان آن‌ها را به راحتی ترکیب، تجدید و یا با داده‌های ذخیره شده قبلی با احتمال رسیدن داده‌ها از برخی منابع غیر IoT جمع‌آوری نمود. مهم‌تر از همه، سطوح مختلف انتزاع، دسترسی و استفاده از نرم‌افزار را ساده‌تر می‌کند، زیرا داده‌ها به شیوه مورد نیاز برنامه‌ها ارائه می‌شوند.

Third party یا واسط دیگر

گروه سوم باید برنامه‌های کاربردی برای کاربران نهایی را در قالب برنامه‌ریزان، تنظیم‌کننده‌ها و سیستم‌های توزیع‌کننده بار توسعه دهد.

برنامه‌ریز یک ابزار مسئول برای تعریف فواصل زمانی که لوازم خانگی دوگانه فعال هستند می‌باشد. یک تنظیم‌کننده ابزاری است که مسئول مدیریت دستگاه‌های انعطاف‌پذیر است. یعنی این سیستم عملیات تهویه مطبوع، گرم‌کن‌ها، رطوبت هوا و غیره را تنظیم می‌کند. با توجه به قیمت فعلی برق در بازار و دسترسی به برق تولیدشده توسط منابع تجدیدپذیر محلی، بالانس بار باید مصرف انرژی را بهینه کند.

تمام این ابزارها به الگوریتم‌های 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 داده‌های موجود در ابر انجام دهند تا پروفایل‌های مصرف‌کننده و خانوار را ایجاد کنند یا به عبارت ساده‌تر داده‌های خانه هوشمند موجود باید منجر به ایجاد توصیه‌های شخصی‌سازی‌شده برای همه کاربران شود.

چالش‌ها و راه‌حل‌ها

در این بخش، برخی از دستورالعمل‌ها برای توسعه‌دهندگان آینده IOT راه‌حل‌هایی در مورد چگونگی انتخاب‌های خوب هنگام برخورد با چالش‌های مختلف مرتبط با مسائل عملی ارائه شده است.

محاسبات fog) Edge)

محاسبات Edge یا مه فرایند پردازش داده‌ها در لبه شبکه است. در این پارادایم انتظار می‌رود که فرآیند استخراج اطلاعات از همان زمان که داده‌ها در آن حس می‌شوند، یعنی در قسمت حسگر شروع شود. دلایل زیادی برای استفاده از این رویکرد وجود دارد، اما برخی از مهم‌ترین آن‌ها صرفه‌جویی در انرژی، کاهش حجم داده‌ها و کاهش تاخیر است. این موضوع نیز یکی از مسائل مهم در به‌روز‌رسانی سیستم‌های خانه هوشمند است.

هر شی / موجودیت در IoT اگر ارتباط آن بهینه نشود می‌تواند مقدار زیادی انرژی را مصرف کند. برای اشیا هوشمند، به لحاظ مصرف انرژی، محاسبات محلی عملیاتی ارزان‌تر نسبت به مخابراتی است. این رو، تلاش باید در جهت توسعه الگوریتم‌های غیرپیچیده و سبک برای پردازش داده‌های محلی تغییر کند. این رویکرد حجم داده را کاهش می‌دهد و از ارسال بخش بزرگی از داده‌های خام جلوگیری می‌کند. در عوض، فقط ابرداده‌ها منتقل می‌شوند. کاهش تعداد انتقال‌ها در دستگاه‌های IoT برای جلوگیری از مشکلات تاخیر و اشباع کانال‌های بی‌سیم بسیار مهم است.

تکنیک‌های کاهش حجم داده‌ها در خانه هوشمند

به همین علت، تکنیک‌های کاهش داده‌های مختلف باید برای کم‌کردن هزینه‌های ارتباطی مورد استفاده قرار گیرد. سه روش اصلی برای کاهش داده‌ها وجود دارد: فشرده‌سازی داده‌ها، پیش‌بینی داده‌ها و پردازش درون شبکه.

به عنوان مثال، اگر داده‌ها در زمان واقعی مورد نیاز نباشد، فشرده‌سازی داده‌ها می‌تواند مورد استفاده قرار گیرد. در غیر این صورت، فیلترهای مختلف می‌توانند برای پیش‌بینی داده‌های 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 می‌شود، یعنی پیش‌بینی‌ها به طور هم‌زمان در هر دو طرف انجام می‌شود. اگر ارزش حس‌شده از مقدار پیش‌بینی‌شده متفاوت باشد. (تفاوت بالاتر از یک آستانه از پیش تعیین شده است)، دستگاه هوشمند باید اندازه‌گیری / داده را به مرکز ارسال کند.

در غیر این صورت، مقدار پیش‌بینی‌شده “قابل اعتماد” محسوب می‌شود و برای تغذیه فیلتر برای پیش‌بینی‌های آینده استفاده می‌شود. این پارادایم به عنوان “طرح پیش‌بینی دوگانه” در خانه هوشمند شناخته می‌شود. پردازش درون شبکه‌ای پردازشی است از پردازش داده‌های متوالی در راه خود به مقصد است. همان‌گونه که داده‌ها از طریق گره‌های میانی عبور می‌کنند، برخی عملیات جمع‌کننده انجام می‌شود.

Big data یا داده‌های بزرگ

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

این حجم، سرعت و تنوع (بدون اشاره به اعتبار متغیر) باعث راه‌حل ذخیره‌سازی و تجزیه و تحلیل می‌شود که بینش مفیدی را ایجاد می‌کند، بسیار پیچیده است. سیستم‌های مدیریت پایگاه داده رابطه‌ای سنتی SQL )RDBMSs) برای این کار مناسب نیستند، به همین دلیل است که نیاز به راه‌حل‌های داده‌ای بزرگ (Big Data) است. ابر IoT تجزیه و تحلیل طولانی مدت و پیچیده این داده‌ها را ممکن می‌سازد.

کنترل داده‌های بزرگ

چالش کنترل داده‌های بزرگ یک مساله مهم است، زیرا عملکرد کلی مستقیما متناسب با ویژگی‌های سرویس مدیریت داده‌ها است. مجموعه‌ای از ابزارها به خدمات بازار تبدیل شده است، از جمله Hadoop منبع آشوب سیستم توزیع داده‌ها را توزیع کرده است، طیف وسیعی از سیستم عامل‌های هوش تجاری نیز موجود است.

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

راه‌حل‌های اختصاصی و متن باز از فناوری‌های پایگاه داده جایگزین برای داده‌های بزرگ استفاده می‌کنند: سری‌های زمانی، ارزش کلیدی، ذخیره اسناد، ذخیره ستون‌های عریض و پایگاه داده‌های 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 داده‌ها به حساب می‌آید، نه تنها به دلیل تاثیر آن بر کیفیت خدمات، بلکه در خصوص جنبه های مربوط به امنیت و حفظ حریم خصوصی آن، به ویژه در مورد داده‌های برون‌سپاری، حتی دشوارتر می‌شود.

شبکه‌سازی

پروتکل‌های شبکه‌سازی برای استفاده از راه‌حل‌های اینترنت اشیا در شبکه‌های هوشمند و شبکه‌های سنتی که عمدتا برای نرخ‌های بالای داده طراحی شده‌اند، تقسیم می‌شوند. انتظار می‌رود که پروتکل‌های شبکه خانگی هوشمند، پروتکل‌هایی را که قبلا در ارتباطات شبکه‌های سنسور بی‌سیم و ماشین‌آلات به دستگاه (M2M) برقرار شده است، به اتمام برسانند و تاکنون هیچ برند مشخصی نداشته باشند.

اضافه کردن بسیاری از ویژگی‌های پیشرفته به پروتکل، هزینه را افزایش می‌دهد و سهولت استفاده را کاهش می‌دهد. طراحی یک پروتکل جذاب یک کار بی‌اهمیت 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 بی‌سیم است. مش دوگانه، به این معنی است که شبکه به عنوان سیمی و بی‌سیم عمل می‌کند که یک راه‌حل مناسب برای خانوارهایی است که یک سیستم اتوماسیون خانگی سیمی نصب کرده است.

ارتباطات بی‌سیم در خانه‌های هوشمند

پروتکل‌های زیادی برای راه‌حل‌های هوشمند طراحی شده‌اند. برخی از آن‌ها از دوره زمانی که خانه هوشمند با اینترنت اشیا برای خانواده‌های ثروتمند رزرو شده‌ است و بسیاری از آن‌ها که سعی می‌کنند اصول قدیمی طراحی را با تکنولوژی‌های جدید ترکیب کنند، قرار دارند. X10 قدیمی‌ترین پروتکل است که در ابتدا سیمی بود، اما تغییرات جدید آن را دوگانه می‌کند. Insteon نمونه دیگری از پروتکل دوگانه mesh است که اخیرا در گوگل Nest platform، پلتفرم HomeKit Apple’s و apple Watch ادغام شده است. پروتکل‌های اخیر بیشتر تنها به صورت بی‌سیم کار می‌کنند.

روش‌های مختلفی برای طبقه‌بندی پروتکل‌ها 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 پروتکل‌ها را پوشش می‌دهند، پرسش می‌کنیم که آمار خلاصه‌ای 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 می‌دهد که ZigBee محبوب‌ترین پروتکل است، اما این فقط برای تحقیقات علمی و دانشگاه‌ها صادق است. در عمل Z-Wave بیشترین تولیدکننده 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.

ویژگی‌های 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 می‌کنند. 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 می‌تواند در هنگام انتخاب پروتکل مناسب مورد توجه قرار گیرد. هزینه لایسنس زیگ‌بی ۳۵۰۰ دلار در سال است، در حالی که Z-Wave تنها ۷۵۰ دلار برای هر مدل دستگاه برای لوگو هزینه می‌کند. مقایسه دقیق‌تر پروتکل‌های خانگی هوشمند در هر سطح از چارچوب IoT باید ویژگی‌های خاصی داشته باشد.

جدول ۴ – ویژگی های اساسی ZigBee ، Z-Wave و Insteon

ما قابلیت‌های مورد نیاز دستگاه‌های IoT را در هر سطح در جدول ۵ شناسایی و خلاصه می‌کنیم.

جدول ۵ – قابلیت‌های بخش‌های IoT برای سیستم مدیریت خانه هوشمند

قابلیت همکاری

در حال حاضر، مسئله اصلی توسعه جامع خانه هوشمند، هزینه‌های مربوط به یکپارچه‌سازی وسایل خانگی هوشمند است. قابلیت همکاری کلید بازکردن بازار برای راه‌حل‌های رقابتی در IoT است. شرکت‌های پیشرو در جهان که دستگاه‌های هوشمند تولید می‌کنند در حال تلاش برای دستیابی به قابلیت همکاری کامل هستند که ادغام آسان با اینترنت موجود را تضمین می‌کند.

محصولات Z-Wave در حال حاضر با نسخه‌های 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 کمیته‌های بسیاری را تشکیل داده است که هدف آن تعریف ویژگی‌های محصول مورد نیاز برای فروشندگان مختلف برای ساخت سازگار با قابلیت‌های مختلف برای پروفایل‌های مختلف برنامه‌های عمومی مانند اتوماسیون خانگی، مراقبت‌های بهداشتی، کنترل از راه دور و غیره است. با این حال، محصولات در سراسر این پروفایل‌ها و در سراسر تجدید نظر در یک نمایه، الزاما سازگار نیستند. از سوی دیگر، X10 و Insteon کاملا با یکدیگر همکاری می‌کنند. جدول ۶ ویژگی‌های قابلیت همکاری این پروتکل‌های ارتباطی نسل دوم را خلاصه می‌کند.

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

امنیت و حریم خصوصی

یکی از مهم‌ترین مسائل در بحث نیازمندی‌های لازم در مواجه با توسعه شبکه‌های هوشمند، هم در بخش‌های بی‌سیم و هم برای سیستم‌های سیمی، مربوط به امنیت سایبری است. شبکه هوشمند می‌تواند هدف تروریست‌های سایبری باشد که این مسئله به عنوان یک نگرانی مهم برای طراحان سیستم ظاهر می‌شود.

به دلیل نحوه انتقال داده‌ها، IoT ذاتا در برابر اکثر حملات متداول شبکه‌های بی‌سیم آسیب‌پذیر 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 می‌دهند. به منظور ارائه صحت دستگاه که یک شی‌ء مخرب نیست (یکپارچگی) داده‌های ارسال شده با داده‌های دریافت‌شده یکسان است و محرمانه است. همچنین امکان ایجاد اطلاعات غیرقابل خواندن برای دیگران باید مورد بررسی قرار گیرد.

در زمینه امنیت خانه‌های هوشمند مبتنی بر اینترنت اشیا نیز دغدغه‌های جدی وجود دارد که سیستم‌های نوین پاسخ‌های مناسبی برای آن‌ها ارائه داده‌اند.

نتیجه‌گیری برای خانه هوشمندشده به وسیله اینترنت اشیا

در این مقاله به بررسی این دیدگاه پرداختیم که سیستم‌های ساخت ساختمان‌های مسکونی به سمت ساختمان‌های مدرن سوق پیدا نموده‌اند. این نوع از ساختمان‌های مدرن یک نوع از سیستم‌های فعال می‌باشند. آن‌ها می‌توانند پنل‌های خورشیدی و توربین‌های 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 سیستم‌های هوشمند ساختمانی مبتنی بر اینترنت اشیا، ایجاد شغل‌های خدمات مرتبط با این تکنولوژی به یک نیاز جدی بدل شده است.

راه‌حل نهایی برای خانه هوشمند

راه‌حل مورد نظر باید تمام داده‌های خانه هوشمند را در یک موتور خودآموز به منظور ایجاد سناریوهای شخصی برای تمام کاربران، بدون در نظر گرفتن سطح اتوماسیون موجود در خانه آن‌ها‌، جمع‌آوری کند. راه‌حل نباید شامل هزینه اضافی برای مصرف‌کنندگان باشد چون نباید به هیچ سخت‌افزار خاصی نیاز داشته باشد.

سهم اصلی این مقاله چارچوب جامع مبتنی بر IoT است که شامل اجزای مختلفی از معماری / چارچوب IoT ارائه‌شده 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 جمع‌آوری و ذخیره داده‌ها، بلکه به عنوان دروازه‌ای برای طرف‌های سوم علاقمند به توسعه برنامه‌های کاربردی است.

در این زمینه، ما علاوه بر اینکه سیستم مدیریت خانه هوشمند را بررسی می‌کنیم همچنین یک مدل را با مجموعه‌ای از وظایف خاص شناسایی می‌کردیم که باید در هر سطح به منظور برآورده‌کردن الزامات سیستم انجام شوند. به عنوان نقش دوم این مقاله با تاکید بر مسائل عملی مانند پردازش داده‌ها، شبکه‌سازی و قابلیت همکاری پروتکل‌های خانگی هوشمند، در مورد چالش‌ها برای راه‌حل‌های خانگی هوشمند مبتنی بر IoT بحث. Fog، رویکردهای امیدبخشی برای بهبود صرفه‌جویی انرژی در داخل شبکه IoT با کاهش تعداد انتقال‌ها بین دستگاه‌های IoT هستند.

با وجود مقالات فراوان در این حوزه، هنوز پرسش‌های فراوانی درباره خانه هوشمندشده به وسیله اینرتنت اشیا وجود دارد. برای مقابله با مقدار بالقوه اطلاعاتی Big data که در IoT تولید می‌شود، راه‌حل‌های جدید داده‌ها و الگوریتم‌های بزرگ مورد نیاز است. همچنین شرکت‌های فراوانی به تولیدهای صنعتی مرتبط با خانه و به وسیله این تکنولوژی روی آورده‌اند که خود نشان‌دهنده اهمیت این موضوع است.

شاید مهم‌ترین مسئله برای پیشبرد اهداف تکنولوژی اینترنت اشیا ایجاد قابلیت همکاری میان شرکت‌های مختلف است. وضعیت فعلی این است که دستگاه‌ها با پروتکل‌های مختلف نمی‌توانند با یکدیگر ارتباط برقرار کنند. این موضوع شاید مهم‌ترین چالش پیش‌رو برای شرکت‌های فعال در این زمینه باشد.