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智能家居物联网综述：挑战与挑战解决方案
摘要:
虽然物联网（IoT）与智能电网和智能家居应用的传统通信技术相比具有显著的优势，但真正实现却很少。本文通过综合文献综述，旨在缩小现有最新智能家居应用程序之间的差距以及将其融入到物联网的环境中。我们提出了一个整体框架，其中纳入了文献中提出的物联网体系结构/框架的不同组件，以便将智能家居对象有效集成在以云为中心的基于IoT的解决方案中。我们确定了拟议框架的智能家居管理模式以及应在每一级执行的主要任务。我们另外讨论实际的设计，其中的重点是数据处理，以及智能家庭通信协议及其互操作性。我们认为本文确定的整体框架可以作为物联网智能家居解决方案未来开发商的坚实基础。
1、介绍
随着世界人口的预期增长，能源需求将不断增加。目前的电网建立在几十年前，尽管它们经常升级，但是其满足未来需求的能力还不确定。化石燃料现有储量有限，并施加有害排放，造成社会和环境影响不可避免。这种现状的结果是传统的集中式电网向可再生能源（如风力和太阳能系统）过渡，如生物质能，燃料电池和潮汐发电。
智能电网是将信息和通信技术（ICT）与电网电力系统相结合的概念，以实现高效智能的能源发电和消费。它的特点是电力和信息的双向流动。智能电网中的方法包括可以有效利用现有电网的新颖解决方案，以减少或消除停电，电压骤降和过载。公用事业可以受益，因为危急情况下的负载需求将会减少。如果需求大于总发电量，这些系统可以防止电网故障或停电，提高电网的可靠性，质量，安全性和安全性。
智能电网解决方案可应用于电网的各个部分：生产，输配电。最近，智能电网的第四部分，即智能家居已成为智能电网的主要研究和应用。智能家居是指在家庭控制中使用ICT，从控制家电到家庭功能的自动化（窗户，照明等）。智能家居的一个关键因素是使用智能功率调度算法，这将为居民提供最佳的先决选择，以便如何耗电以降低能耗。通常使用的另一个术语是智能房屋或家庭自动化。
信息技术与先进的通信和传感系统相结合，创造出各种新的潜在应用。新的先进概念，如无处不在或普遍存在的计算，其中计算在任何地方出现，在智能电网中具有巨大的应用潜力。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在我们周围。构成这种物体的异构网络处于一种具有快速增长的人气概念的保护伞，被称为物联网（IoT）。
IoT代表了一个可独立寻址的互连对象的全球网络。根据Gubbi等，IoT是一个“互联的感知和驱动设备，通过统一的框架提供跨平台共享信息的能力，开发了一个共同的操作图片，实现创新应用。这是通过无缝遍布的传感，数据分析和云计算的信息表示来实现的，因为它是统一的框架”。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里极力探索的范例。 AWSN由可以通过直接无线电通信进行通信的智能感测设备组成。 RFID设备并不复杂。它们主要由两部分组成：具有一些计算能力的集成电路和用于通信的天线。
物联网的概念，结合智能计量，有可能将住宅，家庭和办公室转变为能源感知环境。研究界越来越关注将智能电网概念中的物联网模式纳入智能家居解决方案中。从2004年起，物联网，智能电网和智能家居的网页搜索流行度趋势如图1所示。根据谷歌的这些统计数据，物联网和智能家居的趋势将进一步增加。
在本文中，我们提出了将最先进的IoT（或近IoT）解决方案集成到智能家居中的整体方法，同时考虑到家庭能源管理考虑和架构挑战和解决方案，重点是数据处理智能家居协议的问题，网络和互操作性特征。为此，我们对文献中存在的物联网框架进行了调查，分析了这些最先进的解决方案，为今后的研究确定了挑战。第二部分介绍了本文中使用的方法，以便选择文献中最广泛的最新动态，包括物联网，智能电网和智能家居等。第三部分对根据我们的方法所确定的结果的深入分析。我们的分析以三重方式进行。最初，鉴于智能电网的不同部分，可以和现有的IoT和近IoT应用进行分析，这些解决方案和/或可应用于智能电网，重点是智能家居。之后，将新概念整体框架中的现有解决方案归纳为一个整合，其中包含了我们的方法论所确定的文献综述的关键特征。分析的结论是通过概述基于物联网整体框架的一般智能家居管理模型，通过定义其分析的状态解决方案中观察到的积分水平及其主要任务。第四部分讨论与物联网约束资源（能源，内存容量和处理能力）相关的挑战，以及网络，互操作性问题，大数据分析，安全性和隐私。给出了面对这些挑战所需的指导方针和解决方案的概述。最后，本文在第五节得出结论。
2.审查方法
本节介绍了本文中使用的方法，以便选择最新的最新动态，如文献中介绍的物联网，智能电网和智能家居等。使用在线服务Google学术搜索（GS）搜索文献。使用GS而不是像Scopus和Web of Science这样的其他类似资源的主要优点就是自由，易于使用以及更广泛的引用和引用项目。 Google学者对高质量研究的覆盖率很高，是高度敏感的，可能是第一个，甚至是系统评价或荟萃分析的独立选择。只搜索专利和引用的出版物。 GS提供的所有结果根据其相关性进行排序。 Google学者的排名算法在很大程度上依赖于文章的引用次数，而且对标题中的单词给予了高度的重视。目前GS不搜索查询关键字的同义词;因此，所有同义词必须单独重写和查询。
仅考虑了2010年至2016年的出版物。 2010年以前的论文没有被考虑，因为这一领域的大部分进展都是在过去几年内发生的（GS在2010年之前出版的标题中检索了130个关键词“物联网”的出版物，2010年后出版了7650份出版物），其中符合Google趋势，如图1所示。
以下条款被允许：出版物的任何地方出现“无线传感器网络”，“物联网”，“IoT”，“智能电网”，“智能家居”和“家庭自动化”。我们认为这些术语“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是促成开发的两个主要技术的IoT）。物联网的大部分研究挑战来自于WSN;因此，一些IoT solutions只是从WSN借来。我们使用的一般查询形式是“term1”AND“term2”AND“term3”，其中术语1（“无线传感器网络”或“物联网”或“IoT”），术语2（“智能家居”或“家庭自动化”）和术语3“智能电网”，从而进行六次搜索。查询和由GS检索的出版物总数在表1中给出。
本文仅考虑每个查询的前100个结果进行进一步分析。不同查询的结果集之间存在重叠，因此最终的独特出版物大约为150个。例如，如果我们仅考虑前20个结果，共有74个独特的出版物，多个出版物出现在多个查询。图2给出了这些重叠的数量，另外给出了每个组的平均GS等级（例如，在单个查询的结果中出现的论文的平均排名为12.54）。
独特的出版物集合进一步被过滤，即出版物是否涉及无线传感器网络或物联网解决方案的智能家居和智能电网的相关材料。首先根据摘要的内容排除了一些论文。接下来，我们考虑了剩下的文件的全文，只保留了我们的审查。最后剩下的论文深入分析。发现这些论文可以在语义上分为两大类：WSN解决方案和IoT概念。
第一类包括在不同领域（如栖息地监测，家庭监测等）提供无线传感器网络的实时工作的文档。它们可以被视为未来IoT应用的种子。
第二类论文围绕着物联网范式，提供未来“待实施”的物联网解决方案的概念，框架，愿景和挑战。
因此，这项工作分别阐述了即将到来的第三部分的两类文件。我们首先在WSN实现（3.1）的背景下阐述论文，然后根据IoT解决方案（3.2和3.3）来调查论文。
3.深入分析
本节介绍了我们的方法所确定的结果的深入分析。分析以三重方式进行。最初，鉴于智能电网的不同部分，可以和现有的IoT和近IoT应用进行分析，这些解决方案可应用于智能电网，重点是智能家居。之后，在一个新的通用整体框架中给出了现有解决方案的概括，其中包含了我们的方法论所确定的文献综述的关键特征。通过概述基于物联网整体框架的一般智能家居管理模型，通过定义其分析的最新技术解决方案中观察到的积分水平及其主要任务，得出结论。
3.1智能电网和智能家居中的最先进的（接近）物联网解决方案
表2区分了智能电网不同方面（部分）的潜在IoT应用。许多开创性的研究受到很多挑战的阻碍，特别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部署传感器设备的恶劣条件。使用符合IEEE 802.15.4标准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）具有高的分组错误率和由于电磁干扰，设备噪音，阻塞等。无线节点施加额外的约束，即传感器节点及其有限功率资源的存储器和处理限制。
幸运的是，这些挑战中的大多数并不存在于智能电网的第四个消费方，即智能家居。例如，传感器通常连接到家用电器，并且由于设备具有稳定的电源，电池寿命问题变得多余。此外，强大的电磁场与家庭电网基础设施无关。尽管如此，智能家居的物联网也受到可靠性，隐私和安全性的挑战。
配有智能电表，智能电器，智能电源插座和感应装置的现代家庭能够开发能源智能家居（图3）。虽然智能家居长久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。另一方面，现有的大量商业解决方案和先进的需求侧管理（DSM）系统集中在大型工业消费者。几乎所有的人都不能整合小住宅消费者。
IoT有潜力克服这个差距，并提供服务，促进为普通人开发智能解决方案。物联网的主要目标是推进一个更好，更安全的社会，“一切都是服务”（公共安全，环境，保健，生产等）。
在本小节中，我们提供了我们的方法论所确定的文献的相关尝试。这里讨论的论文语义上属于智能家居的近IoT解决方案，主要来自无线传感器网络，家庭自动化和智能电网的相邻领域。
Monacchi等人提出了关于国内环境和栖息地监测的最先进的软件技术的新型架构。作者提出收集和整合家庭数据的设计指南，从而实现数据互操作性。在Stojkoska和Davcev中，开发了一个Web界面，以增加部署的WSN与其最终用户之间的交互。 Kamilaris等人的作者提出了一个基于Web的能源智能家居框架的解决方案，使智能家电成为网络。他们开发了一个图形用户界面来简化交互。他们的解决方案的评估是使用组织在星形拓扑中的WSN和大型公寓（大约100平方米的智能家居）的多跳拓扑（最多三跳）完成的。
VillaSmart（Caracascedil;等，2013）与ECOGRID欧盟（EcoGrid EU，2015）项目有关。作者已经在称为VILLASMART的测试和参考家庭中安装了可扩展的WSN。这些作者正在建模建筑物的能量行为。这些热模型使用室内和室外WSN读数（空气和水温，太阳辐射传感器，天气条件和功耗信息）得到改进，从而更准确地预测室内温度。使用标准电阻电容（RC）模型，实现的最大预测误差为1.790℃。 2.4 GHz的IEEE 802.15.4标准用于室内通信。模型参数确定采用灰盒估计方法进行。在Srbinovska等（2015年）中，安装了用于蔬菜温室监测的WSN，开发了农业控制系统。该系统通过远程控制温室的不同部分，如滴灌和风机设施，帮助农民增加作物生产和质量。在Risteska Stojkoska等（2014年）中，作者提出了商业和行政建筑中温度调节的框架，重点是系统中特定网络拓扑和节点本地化的设计和实现。
3.2整体的基于IoT的智能家居框架
预计未来几年，智能家居市场将占主导地位，家庭将无处不在，这将为智能家居带来新的改善服务的需求。由于这些原因，对基于IoT的解决方案的需求将是无可争辩的。
最近的出版物着重于开发适用于更广泛的应用领域的通用物联网框架。在Lee和Lee（2015）中，作者将五种物联网技术作为构建成功的物联网解决方案的基础：射频识别，无线传感器网络，中间件，云计算和应用开发软件。他们还为企业应用程序确定了三个物联网类别：监控和控制，大数据和业务分析以及信息共享和协作。在（Da Xu等人，2014年）中，使用近场通信，基于位置的服务和社交网络来增强启用技术的列表。他们建议一个四层架构，包括：传感，网络，服务和接口。云缺失了；因此，不清楚如何启用服务。 Liu et al.（2014）提出了一个支持命名，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中间件，从而实现将现有应用程序更轻松地集成到物联网环境中。再次，云被忽略为支持所有这些服务的支持技术。在Shrouf和Miragliotta（2015年）中对使用物联网的工业生产过程进行了监测。作者提出了一个侧重于能源管理的详细框架，其中包括内部或云端数据挖掘和决策的可能性。框架中没有指定第三方解决方案设计师的角色。读者还可以参考（Gubbi等人，2013; He等人，2014; Xu等人，2014），了解有关物联网体系结构的有趣工作。
对于这些出版物，本文提出的框架可以被认为是我们在文献中发现的最通用模型的修改版本（Da Xu et al.，2014），在中间增加了云，并适应于特定的应用领域，即智能家居。这种基于物联网的多层次分层整体框架被用作文献中确定的智能家居方案的所有关键特征的包装或泛化。框架的图形表示如图4所示。在框架内，数据被无线发送，并用虚线显示。黄线对应于双向电流。以下段落总结了框架的各个层次。
3.2.1智能家居
所有配备无线通信接口的家用设备组成了家庭无线传感器网络。每个家庭都有一个WSN，并且来自每个设备的感测数据被转发到一个中心站，我们称之为家庭宿机或家庭中心。
家庭WSN中的每个节点被认为是智能设备，具有适度的计算和通信能力。家庭中心可以是具有一些数据存储容量的任何一个设备（智能电表，PC，平板电脑或智能电话），可以执行本地处理并
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