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智能家居物联网评价：目前的挑战与解决方案
摘要
尽管物联网为智能电网和智能家的居应用带来了优势且明显优于传统通信技术，但很难将其实现。回顾以往文献，本文旨在缩小现有最先进的智能家居应用并将其融入物联网启用环境的前景之间的差距做出贡献。为了有效地将智能家居对象集成到以云为中心的物联网的解决方案中，我们提出了一个整合框架，该框架结合了文献中提出的来自物联网架构。我们为拟议框架和每个级别应执行的主要任务确定智能家庭管理模式。我们还将重点讨论数据处理方面的实际设计挑战，以及智能家居通信协议及其互操作性。相信本文确定的整体框架可以作为未来基于物联网智能家居解决方案开发商的坚实基础。
关键词：物联网，智能家居，整体框架，智能电网
目录
背景介绍
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，但满足未来需求的能力仍不确定。化石燃料的现有储量是有限的，会产生有害的排放物，使社会和环境影响和影响不可避免。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，该系统严重依赖可再生能源，如风能和太阳能系统，生物质能、燃料电池和潮汐能。
智能电网是一种将信息和通信技术与电网电力系统集成的概念，以实现高效和智能的能源生产和消耗。它的特点是电力和信息的双向流动。智能电网通过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。随着危急情况下的负荷需求将下降，公用事业可能会受益。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，并提高电网的可靠性、质量、安全性。
智能电网解决方案可应用于电网的诸多部分：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主要的（主流）研究和应用兴趣。智能家居是指在家庭控制中使用信息和通信技术，从控制家电到自动化家庭功能。智能家庭的一个关键要素是使用智能功率调度算法，这将为居民提供优化的先决条件，通过降低用电量以减少能耗。常用的另一个术语是智能家居或家庭自动化。
信息技术与先进的通信和传感系统的结合，创造了各种新的潜在应用。新的概念如普及的计算，计算可以随处显示，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我们身边。这种对象构成的异构网络属于快速发展的概念，被称为物联网。
物联网代表了一个独特的可寻址互联对象的全球网络。物联网是“传感和执行设备的互连，通过统一的框架提供跨平台信息共享的能力，为开发创新应用程序开发通用操作画面。这是通过无缝普遍感知、数据分析和以云计算为统一框架的信息表示实现的。“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。
标准物联网通常由许多无线传感器网络（无线传感器网络）和射频识别（射频识别技术）设备组成。无线传感器网络是学者在过去二十年中进行了空前探索的范例。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。射频识别设备并不复杂。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量相结合，有可能将住宅，家庭和办公室转变为能源意识环境。研究界人士越来越有兴趣将物联网范例融入智能电网概念中，特别是在智能家居解决方案中。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，我们提出了一种全面的方法，将最先进的物联网（或接近物联网）解决方案集成到智能家居中，同时考虑到家庭能源管理考虑事项以及架构挑战和解决方案，重点放在数据处理问题、智能家居协议的网络和互操作性功能。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，并为未来的研究确定了挑战。第二部分介绍本文使用的方法，以便选择文献中发表的最适合的最新发展，涉及物联网、智能电网和智能家居等主题。我们的方法确定的结果的深入分析在第三部分中给出。我们的分析以三种方式进行。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物联网应用，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，该整体框架结合了我们的方法论确定的文献综述中的关键特征。分析的结论是通过定义其分析现状解决方案中观察到的整体水平和主要任务，概述基于物联网的整体框架的一般智能家居管理模型。第四部分讨论与物联网受限资源（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、安全和隐私。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。
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问题# |
项目一 |
项目二 |
项目三 |
结果总数 |
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问题1 |
无线传感网络 |
智能家居 |
智能电网 |
919 |
|
问题2 |
无线传感网络 |
家庭自动化 |
智能电网 |
775 |
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问题3 |
物联网 |
智能家居 |
智能电网 |
1430 |
|
问题4 |
物联网 |
家庭自动化 |
智能电网 |
1000 |
|
问题5 |
物联网 |
智能家居 |
智能电网 |
1050 |
|
问题6 |
物联网 |
家庭自动化 |
智能电网 |
747 |
表1：谷歌针对不同查询发现的出版物数量。
2.分析方法
图1：自2004年以来谷歌根据物联网、智能电网和智能家居的发展趋势势态
本节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，涉及物联网、智能电网和智能家居等主题。使用在线服务谷歌学术搜索文献。使用谷歌学术与Scopus和网络of Science等其他类似资源相对的主要优点是自由，易用性和更广泛的引用和引用项目。谷歌学术搜索对高质量研究有很高的覆盖率，非常敏感可能是第一个也是更独立的系统评估或Meta分析选择。只搜索出版物，不包括专利和引文。谷歌学术提供的所有结果都根据其相关性排序。谷歌学术搜索的排名算法在很大程度上依赖于文章的引用次数，但也对标题中的单词加以高度评价。目前谷歌学术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。
只考虑2010年至2016年的出版物。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（谷歌学术在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），其中符合谷歌的趋势，如图1所示。
允许使用以下术语：“无线传感器网络”、“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”，和“无线传感器网络”（因为无线传感器网络与射频识别技术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无线传感器网络中借用。我们使用的一般查询形式是“项目一”和“项目二”和“项目三”，其中项目一 =（“无线传感器网络”或“物联网”），项目二=（“智能家居”或“自动化“）和项目三”智能电网“，从而执行六次搜索。表1给出了由谷歌学术检索的查询和出版物总数。
本文仅考虑每个查询的前100个结果进行进一步分析。在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，则总共有74个独特出版物，并且在结果中出现多个出版物多个查询。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谷歌学术排名（例如，出现在单个查询的结果中的论文的平均排名为12.54）。
图2.出现在六个查询的前20个结果中的出版物总数与每个栏相关的编号是指该组中出版物的平均排名
独特的一套出版物进一步在内容上过滤，即该出版物是否具有关于用于智能家庭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，并仅保留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。发现是这些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无线传感器网络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、愿望和挑战。
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）调查论文。
3.深入分析
本节将对我们的方法确定的结果进行深入分析。分析以三重方式进行：最初，针对智能电网中可能和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物联网应用，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，该整体框架结合了我们的方法论确定的文献综述的关键特征。通过定义分析的最新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。
3.1．智能电网和智能家居中最先进的物联网解决方案
物联网在智能电网中的整合将为电力管理带来新的视角，对所有相关方都有利。
表2区分了智能电网不同方面的潜在物联网应用。许多开创性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传感器设备部署的严酷条件。使用符合IEEE802.15.4的传感器网络的实验结果表明，智能电网中的无线链路（包括视距和非视距情景）具有高误包率和可变链路容量，这归因于电磁干扰、设备噪声、障碍物等。无线节点施加附加限制，即传感器节点的存储器和处理限制及其有限的功率资源。
幸运的是大多数这些挑战并没有出现在智能电网的第四方消费者方面，即智能家居。例如，传感器通常连接到家用电器，并且随着设备具有稳定的电源，电池寿命问题变得多余。此外强电磁场与
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