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2022-08-08
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智能家居物联网云框架
摘要——智能家电和可再生能源正在成为智慧家庭的组成部分。现在，家用电器通过家庭网关相互通信，使用现
有的短程家庭局域网通信协议，如 ZigBee、蓝牙、RFID 和 WiFi。网关允许房主和公用事业单位通过远程通信网
络（如 GPRS、WiMax、LTE 和电力线载波）与设备进行远程通信。本文利用物联网的概念对家用电器进行跟踪和
控制。此外，本文还提出了一个能够实现人与机器、工具与机器和机器与机器的集成和协调的框架。利用物联网
的概念，产生了一种标准的通信协议 TCP/IPV6，它克服了许多不同的家庭区域网和邻域网协议。这项工作提出了
一个支持物联网集成、支持设备之间的协调以及设备与人的交互基于云的框架。设计、实施和测试原型，以验证
提议的解决方案。
索引词——物联网（IoT）、物联网（IoT）云框架、智能家居、智能家电。
1 介绍
随着智能化的发展，智能家居的环境正成为构建智能监控家电系统以及管理住宅区可再生能源和储能设备集成的
重点领域。
许多家用电器监控系统使用短距离和长距离通信协议。[1]-[4]中报告了利用 ZigBee、蓝牙、射频识别（RFID）和
WiFi 通信协议的智能家用电器监控系统，这些系统在相同房屋内使用多个短距离家庭区域网络通信协议。此外,
基于 ZigBee 和 WiFi 开发了一些智能家庭能源管理系统，包括可再生能源和存储能源设备[5]-[7]。这些系统也基
于短程通信协议。
另一方面，远程通信协议被用来进一步扩展跟踪和控制的范围。例如，微波接入（WiMax）[8]、电力线载波
（PLC）[5],[9]，和通用分组无线业务（GPRS）[10],[11]的全球互操作性被用于上传设备和设备状态，以及从一个
遥远的公用服务中心或遥远的房主手机上下载控制命令。这些系统使用不同的通信协议进行远程跟踪和控制。这
个混合的、数量多的通信协议使用多个标准。这种多标准体系结构引入了与服务质量相关的挑战和问题[12]，以
及跨技术干扰[13]、频率许可证[14]、可扩展性[15]和成本[16]。图 1 描绘了现有的具有不同通信协议的智能家居
监控系统。
为了克服上述的一些挑战和局限性，一个家庭和邻域网的通信协议将是最佳解决方案。这种协议应该能够处理家
用电器和可再生能源设备的短距离和长距离接入。
如今，利用物联网（IoT）的概念，一种家庭自动化和能源管理的通信协议正在成为可能。每一个家用电器、可
再生能源和存储能源设备都可以被视为对象（物），而房主的移动电话以及公用事业应用服务器也可以被视为对
象（物）。
每个对象都可以被分配一个独一无二的 IP 地址，能够通过因特网接收命令和传输数据。有了这些功能，这些对
象相就组成了物联网。一旦一个对象成为物联网设备或装置，它就可以与其他连接的设备（物）交换数据和命令，
例如智能电表、公用服务设施和其他设备，即机器对机器和人对机器或公用服务设施对机器。这个架构将通过在
低功耗无线个人区域网（6LowPAN）上使用 IPv6 通信协议[15]-[17]。6LowPAN 是限制版的 IPv6 协议，它可以有
多达 65-75 字节的有效装载量，足以处理智能家电和可再生能源和存储能源设备的操作[15],[17]。利用 IPv6 将唯
一的地址的数量从 232 增加到 2128[17]，即从寻址角度消除了可伸缩性问题。
智能家居有三大特点：
•能够感知和监测不断变化的情况。
•设备和装置能够与人、系统和其他对象进行通信和交互。
•根据确定的知识做出一定数量决策的能力。
文献中提出的一些框架旨在实现智能家居环境中设备之间的协调，[18]中提出的框架能够实现智能家居系统的执
行和智能家居中不同元素之间的协调。该方法使用简单对象访问协议（SOAP）技术，该技术提供异构系统之间
独立于平台的互操作系统。此外，图 2 中的另一个提出，使用[19]中基于规则的框架来管理智能家居环境中的系
统架构的高级视图。它基于事件条件操作（ECA）规则机制和 SOAP 技术，提供了这些系统之间的互用性。文献
中提出的框架解决了智能家居环境中物联网设备的异构性问题，但是它仅限于单个家庭瞬间。在智能家居环境中，
没有基于业主偏好和标准的自动决策，以及与特定设备紧密结合的手动配置。回想一下，智能家居环境中的每个
设备都可能具有不同的功能和接口。因此，在框架内进行手动配置是不可行的。
本工作的目标是创建一个智能家庭云框架，能够处理上述的智能家居环境特征，并实现物联网装置/设备在智能
家居环境中的无缝集成。
将拟议的智能家居框架部署到云端，解决了在家庭设备中使用不同标准、操作和接口的互用性问题。这种互用性
是通过为家庭采用通用的设备和基于网络的服务来实现的。因此，设备使用基于网络的标准与云中的服务进行通
信，而不管使用的接入网络技术或其他标准是怎样的，不同的服务可以使用网络服务标准在云中进行互操作。如
图 2 所示是使用 IP 通信协议的拟议系统架构的高级视图；每个家用电器具有唯一的 IP 地址。
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