Journal of Cleaner Production 140 (2017) 1454e1464

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Journal of Cleaner Production

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Review

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

Biljana L. Risteska Stojkoska^*, Kire V. Trivodaliev

Faculty of Computer Science and Engineering, University “Ss. Cyril and Methodius”, Skopje, Macedonia

a r t i c l e i n f o

Article history:

Received 20 April 2015 Received in revised form 1 October 2016

Accepted 2 October 2016

Available online 5 October 2016

Keywords: Internet of Things Smart home

Holistic framework Smart grid

a b s t r a c t

Although Internet of Things (IoT) brings significant advantages over traditional communication tech- nologies 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.

copy; 2016 Elsevier Ltd. All rights reserved.

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 re- serves of fossil fuels are limited and impose harmful emissions, making social and environmental implications and impact inevi- table. The result of this current state is the transition of the tradi- tional 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 de- mand 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, se- curity 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 (main- stream) research and application interest in smart grid. Smart

home refers to the use of ICT in home control, ranging from con- trolling 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 resi- dents 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 po- tential 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 popularity, referred to as Internet of

Things (IoT).

IoT represents a worldwide network of uniquely addressable interconnected objects. According to Gubbi et al. (2013), IoT is an “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 one#39;s 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) de- vices. Wireless Sensor Network is a paradigm that was tremen- dou

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Review

基于物联网的智能家居应用综述

Biljana L. Risteska Stojkoska^*, Kire V. Trivodaliev

文章信息

文章历史：

2015年4月20日收到修改后的

2016年10月1日收到

2016年10月2日接受

2016年10月5日在线提供供

关键词：

物联网智能家居

整体框架智能电网摘要

为了提供对技术环境的有价值的调查并给研究人员相关辅佐，我们必须了解在这一领域的研究中的已有的选项和各自技术方案的差距。因此，在本研究中，给出了一个综合分析陈述，将研究视角映射为一系列连贯的分类。这些数据库包含的文献，集中在使用物联网的智能家居应用方面。分类给出的方案得出的最终数据集合，包含229篇文章，总的分为四类。第一类包括与智能家居物联网应用相关的评论和调查文章。第二类包括关于物联网应用及其在智能家居技术中的应用的论文。第三类包含开发和操作应用程序的框架建议。最后一部分包括实际尝试开发智能家庭物联网应用的研究。copy;2016 Elsevier Ltd.保留所有权利

一，简介

随着世界人口的预期增长，对能源的需求将不断增加。目前的电网是几十年前建成的，尽管它们经常升级，但它们满足未来需求的能力仍不确定。现有化石燃料的使用受到限制，并产生有害的排放物，从而造成社会和环境影响及其影响。这种现状的结果是传统集中式电网向分布式混合能源发电系统的转变，该系统极大依靠可再生能源，如风能和太阳能系统（Lund等，2015），生物质能，燃料电池和潮汐能。

智能电网是一个集成了信息和概念的概念

通信技术（ICT）和电网电力系统，以实现有效和智能的能源生产和消费（Iyer and Agrawal，2010）。它的特点是电力和信息的双向流动。智能电网的方法包括有效利用现有电网以减少或消除停电，电压骤降和过载的新颖解决方案。公用事业可能会因此受益，因为紧急情况下的负荷需求会下降。如果需求大于总发电量，这些系统可以防止电网故障或突然停电，并提高电网的可靠性，质量和安全性。

智能电网解决方案可应用于电网的每个部分：生产，传输和分配。最近，智能电网的第四部分，即智能家庭已成为智能电网中的主要（主流）研究和应用方向。智能家庭是指在家庭控制中使用ICT技术，从控制家电到家庭功能自动化（窗户，照明等）。智能家居的一个关键要素是使用智能电源调度算法，这将为居住者提供优化的空间，以及如何分配电力来降低能耗的先验选择。常用的另一个术语是智能家居或家庭自动化。信息技术和先进的通信和传感系统的结合创造了各种新的潜在应用。诸如无处不在或者说普遍存在的计算（Greenfield，2006）等新的先进概念，使得计算可以随处显示，并且在智能电网中具有巨大的应用潜力（Parikh et al，2010）。能够进行通信和计算的智能设备或对象，从简单的传感器节点到家用电器和复杂的智能手机，都遍布于我们的身边。而由这些对象组成的异构网络属于一种快速增长的流行概念，被称为物联网（IoT）。

IoT代表了一个独特的可寻址互联对象的全球网络。据Gubbi等人称。 （2013年），物联网是“传感和致动设备的互连，通过统一的框架提供跨平台信息共享的能力，为创新应用开发通用操作系统。这是通过无缝综合感知、数据分析和以云计算为统一框架的信息来实现的。因此，物联网旨在通过实现智能对象之间的合作来提高人们的舒适度和效率。

标准IoT通常由许多无线传感器网络（WSN）和射频识别（RFID）设备组成。无线传感器网络是研究界在过去二十年中进行了大量探索的典范（Oppermann等，2014）。无线传感器网络由可通过直接无线电通信进行通信的智能传感设备组成。 RFID设备并不复杂。它们主要由两部分组成：具有一定计算能力的集成电路和用于通信的天线。

物联网概念与智能计算相结合，有可能将住宅，家庭和办公室转变为对能源可控的环境空间。研究界人士越来越有兴趣将智能电网概念纳入到物联网范围，特别是智能家居解决方案。自2004年以来，物联网，智能电网和智能家居这些条款的网络搜索流行趋势如图1所示。根据Google的这些统计数据，物联网和智能家居的趋势将进一步增加本文中，我们提出了一种综合的方法，将最先进的物联网（IoT）解决方案整合到智能家居中，同时考虑到家庭能源管理必要因素和架构挑战以及解决方案，把重点放到了数据处理问题，智能家庭协议的网络和互操作性功能上。为此，我们调查了文献中存在的物联网框架，分析了这些最新的解决方案并为未来的研究方向定义了突破点。第二部分介绍了本文中使用的方法，以便选择文献中发表的最适合的最新发展，包括物联网，智能电网和智能家居等主题。正如我们的方法所确定的，对结果的深入分析在第3节中给出。我们的分析是以三种方式进行的。最初，针对智能电网中可能和/或可应用此类解决方案的不同部分，分析可能和现有的物联网和近IoT应用，重点关注智能家庭。之后，在一个新的通用整体框架中对现有解决方案进行了概括，该整体框架包含了我们的方法论确定的文献综述中的关键特征。通过定义分析最先进的解决方案中观察到的整体水平和主要任务，总结了基于物联网的整体框架的一般智能家居管理模型。第四部分讨论与IoT受限资源（能源，内存容量和处理能力）以及网络，互操作性问题，大数据分析，安全和隐私相关的挑战。给出了面对这些挑战所需的有用指导方针和解决方案的概述。最后，本文在第五部分总结。

1.审查方法

本节介绍了本文中使用的方法，以选择文献中发布的最适合的最新发展，包括物联网，智能电网和智能家居等主题。使用在线服务Google Scholar（GS）（https://scholar.google.com/）搜索文献。使用GS相对于Scopus和Web of Science等其他类似资源的主要优点是自由，易用性，以及更广泛的引用和引用项目（Franceschet，2010）。 Google学术搜索对高质量研究具有很高的覆盖率，高度敏感并且可能是第一个，甚至是系统评价或元分析的独立选择（Gehanno et al。，2013）。只搜索出版物，不包括专利和引文。GS提供的所有结果都根据其相关性排序。 Google Scholar的排名算法在很大程度上依赖于文章的引用次数，但也对标题中的文字提出了很高的评价（Beel and Gipp，2009）。目前GS不搜索查询关键字的同义词;因此，所有同义词都必须单独重写和查询。

只有2010年到2016年的出版物才被纳入考察范围。 2010年以前的论文未被考虑，因为该领域的大部分进展都是在过去几年中发生的（GS在2010年之前发布的标题中检索了130个关键词为“物联网”的出版物，2010年之后发布了7650个出版物），其中符合Google的趋势。

允许使用以下术语：“无线传感器网络”，“物联网”，“智能网”，“智能电网”，“智能家居”和“家庭自动化”出现在出版物文本的任何地方。我们认为术语“家庭自动化”和“智能家居”是同义词，以及术语“物联网”，“物联网”和“无线传感器网络”（因为无线传感器网络与RFID一起是两种主要技术这使得物联网的发展成为可能）。物联网的大部分研究挑战都源于无线传感器网络;因此，一些物联网解决方案只是从WSN中借用（Mainetti et al。，2011）。 term1（“无线传感器网络”或“物联网”或“IoT”），term2（“智能家居”或“家庭自动化”）中使用的通用查询表格为“term1”和“term2”和“term3” ）和term3“智能电网”，从而执行六次搜索。表1给出了由GS检索的查询和出版物总数。

每个查询只有前100个结果被进一步考虑，分析在本文中。不同查询的结果集之间存在重叠，因此最终的唯一出版物集合大约为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，并且出现多个出版物多个查询的结果。图2显示了这些重叠的数量，并且另外给出了每个组的平均GS排名（例如，出现在单个查询的结果中的论文的平均排名为12.54）。

即该出版物是否具有关于用于智能家庭和/或智能电网的无线传感器网络或物联网解决方案的相关材料。首先根据摘要的内容排除了一些论文。接下来，我们考虑了其余论文的全部内容，并保留仅与我们的评论一致的内容。最后的剩余文件进行了深入分析。研究结果是论文可以在语义上分为两大类：无线传感器网络解决方案和物联网概念。

第一类包括在不同领域提供WSN实际工作实现的论文，例如栖息地监测，家庭监测等。它们可以被视为未来物联网应用的种子。

第二类文件围绕物联网范例展开，提供未来“即将实施”的物联网解决方案的概念，框架，愿景和挑战。

因此，这项工作在即将出版的第（3）节中分别阐述了这两类文件。我们首先阐述无线传感器网络实现方面的论文（3.1），然后根据物联网解决方案（3.2和3.3）分析论文。

1.深入分析文献

本节将对我们的方法论确定的结果进行深入分析。分析是在a中进行的

Table 1

Number of publications found by GS engine for different queries.

最初，针对智能电网中可能和/或可应用此类解决方案的不同部分，分析可能和现有的物联网和近IoT应用，重点关注智能家庭。之后，在一个新的通用整体框架中对现有的解决方案进行了概括，该整体框架结合了我们方法所确定的文献综述中的关键特征。通过定义分析最先进的解决方案中观察到的整体水平和主要任务，总结了基于物联网的整体框架的一般智能家居管理模型。

1.1。智能电网和智能家居中最先进的（近）物联网解决方案

物联网在智能电网中的整合将为电力管理带来新的视角，让所有相关方都受益。

表2区分了智能电网不同方面（部分）的潜在IoT应用（Cardenas et al。，2014; Gungor et al。，2010; Parikh et al。，2010）。许多开创性研究受到很多挑战的阻碍，尤其是在处理智能电网的前三个方面（发电，输电和配电）时。这些问题主要是由于传感器设备部署的严酷环境。使用符合IEEE 802.15.4的传感器网络的实验结果表明，智能电网中的无线链路（包括视距（LOS）和非LOS（NLOS）情景）具有高误包率和可变链路容量由于电磁干扰，设备噪声，阻塞等（Gungor and Korkmaz，2012）。无线节点施加了额外的限制，即传感器节点的存储器和处理限制及其有限的功率资源。

幸运的是，这些挑战中的大部分都不存在于

第四，智能电网的消费者方面，即智能家居。例如，传感器通常连接到家用电器，由于设备具有稳定的电源，电池寿命问题变得非常严重。此外，强大的电磁场与家庭电网基础设施无关。尽管如此，智能家居的物联网仍面临诸如可靠性，隐私和安全性等挑战（Iyer，2011）。配备智能电表，智能家电，智能电源插座和传感设备的现代家庭使能源智能家居的发展成为可能（图3）。尽管智能家居长期以来一直是公用事业和消费者的梦想，但这样的实施仍然非常罕见（Monacchi et al。，2013）。另一方面，大量现有的商业解决方案和先进的需求

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