خانه هوشمند مبتنی بر اینترنت اشیاء IOT

سیستم‌های خانه هوشمند در دهه‌های گذشته به دلیل افزایش راحتی و کیفیت زندگی به محبوبیت زیادی دست یافته‌اند. اکثر سیستم های خانه هوشمند توسط گوشی های هوشمند و میکروکنترلرها کنترل می شوند. یک برنامه تلفن هوشمند برای کنترل و نظارت بر عملکردهای خانه با استفاده از تکنیک های ارتباط بی سیم استفاده می شود. ما مفهوم خانه هوشمند را با ادغام خدمات اینترنت اشیاء IOT و رایانش ابری به آن، با تعبیه هوشمندی در حسگرها و محرک‌ها، شبکه‌سازی اشیاء هوشمند با استفاده از فناوری مربوطه، تسهیل تعامل با چیزهای هوشمند با استفاده از رایانش ابری برای دسترسی آسان در مکان‌های مختلف بررسی می‌کنیم. ، افزایش قدرت محاسباتی، فضای ذخیره سازی و بهبود کارایی تبادل داده ها. در این فصل ما ترکیبی از سه جزء را برای ایجاد یک رویکرد قوی از مفهوم و اجرای خانه هوشمند پیشرفته ارائه می‌کنیم.

معرفی اینترنت اشیاء IOT و خانه هوشمند

خانه هوشمند کلاسیک، اینترنت اشیاء IOT، محاسبات ابری و پردازش رویدادهای مبتنی بر قوانین، بلوک‌های سازنده ترکیب یکپارچه خانه هوشمند پیشرفته پیشنهادی ما هستند. هر جزء ویژگی ها و فناوری های اصلی خود را به ترکیب پیشنهادی کمک می کند. اینترنت اشیاء IOT به اتصال به اینترنت و مدیریت از راه دور لوازم موبایل کمک می کند که با انواع حسگرها ترکیب شده است. سنسورها ممکن است به لوازم خانگی مانند تهویه مطبوع، چراغ ها و سایر وسایل محیطی متصل شوند. و بنابراین، هوش رایانه‌ای را در دستگاه‌های خانگی تعبیه می‌کند تا راه‌هایی برای اندازه‌گیری شرایط خانه و نظارت بر عملکرد لوازم خانگی ارائه دهد. رایانش ابری قدرت محاسباتی مقیاس‌پذیر، فضای ذخیره‌سازی و برنامه‌های کاربردی را برای توسعه، نگهداری، اجرای سرویس‌های خانگی و دسترسی به دستگاه‌های خانگی در هر کجا و در هر زمان فراهم می‌کند. سیستم پردازش رویداد مبتنی بر قانون، کنترل و هماهنگی کل ترکیب خانه هوشمند پیشرفته را فراهم می کند.

ترکیب فن‌آوری‌ها به منظور تولید بهترین محصول نژادی، در ادبیات اخیر به روش‌های مختلف ظاهر شده است. کریستوس استرجیو و همکاران [1] محاسبات ابری و اینترنت اشیاء IOT را ادغام کردند تا نشان دهند چگونه فناوری رایانش ابری عملکرد اینترنت اشیاء IOT را بهبود می بخشد. مجید الکواری [2] بر روی اینترنت اشیاء IOT تعبیه شده برای استفاده از داده های تجزیه و تحلیل شده برای اجرای دستورات لوازم خانگی از راه دور در یک خانه هوشمند تمرکز دارد.

تریشا داتا و همکاران [3] یک کتابخانه حفظ حریم خصوصی برای تعبیه شکل‌دهی ترافیک در لوازم خانگی پیشنهاد می‌کند. ژیان مائو و همکاران [4] الگوریتم‌های یادگیری ماشین را برای ایفای نقش در امنیت در اکوسیستم خانه هوشمند تقویت می‌کند. فیصل سعید و همکاران [5] پیشنهاد استفاده از حسگرها برای تشخیص و ارائه در زمان واقعی، تشخیص آتش با دقت بالا.

در این فصل ادغام خانه های هوشمند کلاسیک، اینترنت اشیاء IOT و محاسبات ابری را توضیح می دهیم. با تجزیه و تحلیل اصول اولیه خانه های هوشمند، اینترنت اشیاء IOT، رایانش ابری و سیستم های پردازش رویداد شروع کنید. ما مکمل و هم افزایی آنها را مورد بحث قرار می دهیم و به جزئیات آنچه در حال حاضر منجر به ادغام آنها می شود، می پردازیم. ما همچنین در مورد آنچه در حال حاضر از نظر پلتفرم‌ها در دسترس است و پروژه‌های پیاده‌سازی پارادایم خانه هوشمند، ابر و اینترنت اشیاء IOT صحبت می‌کنیم. از منظر اتصال، لوازم اینترنت اشیاء IOT و ابر اضافه شده، به اینترنت و در این زمینه به شبکه محلی خانگی متصل هستند. این اتصالات تکمیل کننده راه اندازی کلی به یک ترکیب کامل یکپارچه و به هم پیوسته با قدرت پردازش گسترده، ابزار قدرتمند شخص ثالث، برنامه های کاربردی جامع و فضای ذخیره سازی گسترده است.

در ادامه این فصل به توضیح هر یک از چهار جزء می پردازیم. در بخش 1، خانه هوشمند کلاسیک را توصیف می کنیم، در بخش 2، اینترنت اشیاء IOT را معرفی می کنیم، در بخش 3، محاسبات ابری و در بخش 4، ماژول پردازش رویداد را ارائه می دهیم. در بخش 5، ترکیب یک خانه هوشمند پیشرفته را شرح می دهیم که این چهار جزء را در خود جای داده است. در بخش 6، ما برخی از اطلاعات عملی و ملاحظات انتخاب مربوطه را برای ساخت یک پیاده سازی کاربردی خانه هوشمند پیشرفته ارائه می دهیم. در بخش 7، آزمایش خود را با معرفی سه مثال که جوهر پیشنهاد یکپارچه ما را ارائه می‌کند، شرح می‌دهیم. در نهایت، ما مسائل باز و مسیرهای آینده را در آینده اجزا و برنامه های کاربردی خانه هوشمند پیشرفته شناسایی می کنیم.

نمای کلی خانه هوشمند کلاسیک

خانه هوشمند گسترش مسکونی اتوماسیون ساختمان است و شامل کنترل و اتوماسیون تمام فناوری های تعبیه شده آن است. این اقامتگاهی را تعریف می کند که دارای وسایل برقی، روشنایی، گرمایش، تهویه مطبوع، تلویزیون، رایانه، سیستم های سرگرمی، لوازم خانگی بزرگ مانند ماشین لباسشویی/خشک کن و یخچال/فریزر، سیستم های امنیتی و دوربینی است که قادر به برقراری ارتباط با یکدیگر و کنترل از راه دور هستند. برنامه زمانی، تلفن، موبایل یا اینترنت. این سیستم‌ها شامل سوئیچ‌ها و حسگرهای متصل به هاب مرکزی هستند که توسط ساکنان خانه با استفاده از ترمینال دیواری یا واحد تلفن همراه متصل به خدمات ابری اینترنت کنترل می‌شود.

خانه هوشمند امنیت، بهره وری انرژی، هزینه های عملیاتی کم و راحتی را فراهم می کند. نصب محصولات هوشمند باعث راحتی و صرفه جویی در زمان، پول و انرژی می شود. چنین سیستم هایی سازگار و قابل تنظیم هستند تا نیازهای در حال تغییر ساکنان خانه را برآورده کنند. در بیشتر موارد زیرساخت آن به اندازه کافی انعطاف پذیر است تا با طیف وسیعی از دستگاه ها از ارائه دهندگان و استانداردهای مختلف ادغام شود

معماری پایه امکان اندازه‌گیری شرایط خانه، پردازش داده‌های ابزاردار، استفاده از حسگرهای مجهز به میکروکنترلر را برای اندازه‌گیری شرایط خانه و محرک‌ها برای نظارت بر دستگاه‌های تعبیه‌شده در خانه را ممکن می‌سازد.
محبوبیت و نفوذ مفهوم خانه هوشمند با سرعت خوبی در حال رشد است، زیرا بخشی از روند مدرن سازی و کاهش هزینه ها شد. این امر با تعبیه قابلیت نگهداری یک گزارش رویداد متمرکز، اجرای فرآیندهای یادگیری ماشین برای ارائه عناصر اصلی هزینه، صرفه جویی در توصیه ها و سایر گزارش های مفید به دست می آید.

خدمات خانه هوشمند

اندازه گیری شرایط خانه

یک خانه هوشمند معمولی به مجموعه ای از سنسورها برای اندازه گیری شرایط خانه مانند: دما، رطوبت، نور و مجاورت مجهز است. هر سنسور برای گرفتن یک یا چند اندازه گیری اختصاص داده شده است. دما و رطوبت ممکن است توسط یک سنسور اندازه گیری شود، سنسورهای دیگر نسبت نور را برای یک منطقه معین و فاصله آن تا هر جسمی که در معرض آن قرار می گیرد محاسبه می کنند. همه حسگرها اجازه ذخیره داده ها و تجسم آن را می دهند تا کاربر بتواند آن را در هر مکان و هر زمان مشاهده کند. برای انجام این کار، شامل یک پردازشگر سیگنال، یک رابط ارتباطی و یک میزبان در زیرساخت ابری است.

مدیریت لوازم خانگی

سرویس ابری را برای مدیریت لوازم خانگی ایجاد می کند که در زیرساخت ابری میزبانی می شود. سرویس مدیریت به کاربر اجازه می دهد تا خروجی های محرک های هوشمند مرتبط با لوازم خانگی مانند لامپ ها و فن ها را کنترل کند. محرک های هوشمند دستگاه هایی مانند سوپاپ ها و سوئیچ ها هستند که اقداماتی مانند روشن یا خاموش کردن وسایل یا تنظیم یک سیستم عملیاتی را انجام می دهند. عملگرها عملکردهای مختلفی مانند سرویس شیر روشن/خاموش، موقعیت دهی به درصد باز، تعدیل برای کنترل تغییرات در شرایط جریان، خاموش شدن اضطراری (ESD) را ارائه می دهند. برای فعال کردن یک محرک، دستور نوشتن دیجیتالی برای محرک صادر می شود.

کنترل دسترسی به خانه

فناوری های دسترسی به خانه معمولاً برای درهای دسترسی عمومی استفاده می شود. یک سیستم رایج از یک پایگاه داده با ویژگی های شناسایی افراد مجاز استفاده می کند.
هنگامی که شخصی به سیستم کنترل دسترسی نزدیک می شود، ویژگی های شناسایی فرد فوراً جمع آوری شده و با پایگاه داده مقایسه می شود. اگر با داده های پایگاه داده مطابقت داشته باشد، دسترسی مجاز است، در غیر این صورت، دسترسی ممنوع است. برای یک مؤسسه گسترده، ممکن است از خدمات ابری برای جمع‌آوری مرکزی داده‌های افراد و پردازش آن‌ها استفاده کنیم. برخی از کارت های شناسایی مغناطیسی یا مجاورتی استفاده می کنند، برخی دیگر از سیستم های تشخیص چهره، اثر انگشت و RFID استفاده می کنند.

در یک نمونه پیاده سازی، از کارت RFID و خواننده RFID استفاده شده است. هر شخص مجاز دارای کارت RFID است. شخص کارت را از طریق خواننده RFID واقع در نزدیکی درب اسکن کرد. شناسه اسکن شده از طریق اینترنت به سامانه ابری ارسال شده است. سیستم شناسه را به سرویس کنترلی ارسال کرد که شناسه اسکن شده را با شناسه های مجاز در پایگاه داده مقایسه می کند.

اجزای اصلی

برای فعال کردن تمام فعالیت های توصیف شده در بالا و مدیریت داده ها، سیستم از اجزای زیر تشکیل شده است، همانطور که در شکل 1 توضیح داده شده است.

الف. سنسورها

سنسورهایی برای جمع آوری داده های داخلی و خارجی خانه و اندازه گیری شرایط خانه. این حسگرها به خود خانه و به دستگاه های متصل به خانه متصل می شوند. این سنسورها سنسورهای اینترنت اشیاء IOT نیستند که به لوازم خانگی متصل می شوند. داده های حسگرها جمع آوری شده و به طور مداوم از طریق شبکه محلی به سرور خانه هوشمند منتقل می شود.

ب پردازنده ها

پردازنده هایی برای انجام اقدامات محلی و یکپارچه. همچنین ممکن است برای برنامه هایی که به منابع گسترده نیاز دارند به ابر متصل شود. سپس داده‌های حسگرها توسط فرآیندهای سرور محلی پردازش می‌شوند.

ج نرم افزار

مجموعه‌ای از اجزای نرم‌افزاری که به‌عنوان API پیچیده شده‌اند و به برنامه‌های خارجی اجازه اجرای آن را می‌دهند، با توجه به اینکه از فرمت پارامترهای از پیش تعریف‌شده پیروی می‌کنند. چنین API می تواند داده های حسگرها را پردازش کند یا اقدامات لازم را مدیریت کند.

پارادایم خانه هوشمند

شکل 1. پارادایم خانه هوشمند با اتصال ابری اختیاری.

د. محرک ها

محرک هایی برای تهیه و اجرای دستورات در سرور یا سایر دستگاه های کنترلی. فعالیت مورد نیاز را به دستور دستور ترجمه می کند. دستگاه می تواند اجرا کند. در طول پردازش داده‌های حسگرهای دریافتی، وظیفه بررسی می‌کند که آیا هر قانون درستی است یا خیر. در چنین حالتی سیستم ممکن است دستوری را به پردازنده دستگاه مناسب اجرا کند.

ه. پایگاه داده

پایگاه داده برای ذخیره داده های پردازش شده جمع آوری شده از حسگرها [و خدمات ابری]. همچنین برای تجزیه و تحلیل داده ها، ارائه داده ها و تجسم استفاده خواهد شد. داده های پردازش شده در پایگاه داده پیوست شده برای استفاده در آینده ذخیره می شود.

مروری بر اینترنت اشیاء IOT

پارادایم اینترنت اشیاء IOT به دستگاه های متصل به اینترنت اشاره دارد. دستگاه ها اشیایی هستند مانند حسگرها و محرک ها، مجهز به رابط مخابراتی، واحد پردازش، ذخیره سازی محدود و برنامه های نرم افزاری.
این امکان ادغام اشیاء را در اینترنت فراهم می کند و تعامل بین افراد و دستگاه ها را بین دستگاه ها برقرار می کند. فناوری کلیدی اینترنت اشیاء IOT شامل شناسایی فرکانس رادیویی (RFID)، فناوری حسگر و فناوری هوشمند است. RFID پایه و هسته شبکه ای ساخت اینترنت اشیاء IOT است. قابلیت‌های پردازشی و ارتباطی آن به همراه الگوریتم‌های منحصربه‌فرد به ادغام انواع عناصر اجازه می‌دهد تا به‌عنوان یک واحد یکپارچه عمل کنند، اما در عین حال امکان افزودن و حذف آسان مؤلفه‌ها با حداقل تأثیر را فراهم می‌آورد و اینترنت اشیاء IOT را قوی اما انعطاف‌پذیر برای جذب تغییرات در محیط می‌کند. و ترجیحات کاربر برای به حداقل رساندن استفاده از پهنای باند، از JSON، یک نسخه سبک از XML، برای اجزای داخلی و پیام‌های خارجی استفاده می‌کند.

رایانش ابری و سهم آن در اینترنت اشیاء IOT و خانه هوشمند

رایانش ابری مجموعه ای مشترک از منابع محاسباتی است که آماده ارائه انواع خدمات محاسباتی در سطوح مختلف، از زیرساخت های اولیه تا پیچیده ترین سرویس های کاربردی است که به راحتی با کمترین تلاش یا تعامل با ارائه دهنده خدمات، تخصیص و منتشر می شود [6، 7]. در عمل، منابع محاسباتی، ذخیره سازی و ارتباطی را که توسط چندین کاربر در یک محیط مجازی و ایزوله به اشتراک گذاشته می شود، مدیریت می کند. شکل 2 الگوی کلی ابر را نشان می دهد.

الگوی محاسبات ابری اینترنت اشیا

شکل 2. الگوی محاسبات ابری

اینترنت اشیاء IOT و خانه‌های هوشمند می‌توانند از منابع و قابلیت‌های گسترده ابر برای جبران محدودیت آن در ذخیره‌سازی، پردازش، ارتباطات، پشتیبانی در تقاضای انتخاب، پشتیبان‌گیری و بازیابی بهره ببرند. به عنوان مثال، ابر می‌تواند از مدیریت و اجرای خدمات اینترنت اشیاء IOT پشتیبانی کند و برنامه‌های مکمل را با استفاده از داده‌های تولید شده توسط خود اجرا کند. خانه هوشمند را می توان متراکم کرد و فقط بر روی عملکردهای اساسی و حیاتی تمرکز کرد و بنابراین منابع خانه محلی را به حداقل رساند و به قابلیت ها و منابع ابری تکیه کرد. خانه هوشمند و اینترنت اشیاء IOT بر جمع آوری داده ها، پردازش اولیه و انتقال به ابر برای پردازش بیشتر تمرکز خواهند کرد. برای مقابله با چالش‌های امنیتی، ابر ممکن است برای داده‌های با امنیت بالا خصوصی و برای بقیه عمومی باشد.

اینترنت اشیاء IOT، خانه هوشمند و رایانش ابری تنها ادغام فناوری ها نیستند. بلکه تعادل بین محاسبات محلی و مرکزی همراه با بهینه سازی مصرف منابع. یک کار محاسباتی می‌تواند روی اینترنت اشیاء IOT و دستگاه‌های خانه هوشمند اجرا شود یا به ابر برون سپاری شود. محل محاسبه بستگی به معاوضه های سربار، در دسترس بودن داده ها، وابستگی به داده ها، میزان انتقال داده، وابستگی ارتباطات و ملاحظات امنیتی دارد. از یک طرف، مدل محاسباتی سه گانه که شامل ابر، اینترنت اشیاء IOT و خانه هوشمند است، باید کل هزینه سیستم را به حداقل برساند، معمولاً با تمرکز بیشتر بر کاهش مصرف منابع در خانه. از سوی دیگر، یک مدل خدمات محاسباتی اینترنت اشیاء IOT و خانه هوشمند، باید کاربران اینترنت اشیاء IOT را برای برآورده کردن تقاضای خود در هنگام استفاده از برنامه‌های کاربردی ابری و رفع مشکلات پیچیده ناشی از مدل جدید اینترنت اشیاء IOT، خانه هوشمند و خدمات ابری بهبود بخشد.

چند نمونه از خدمات مراقبت های بهداشتی ارائه شده توسط یکپارچه سازی ابر و اینترنت اشیاء IOT:
مدیریت صحیح اطلاعات، به اشتراک گذاری سوابق الکترونیکی مراقبت های بهداشتی، خدمات پزشکی با کیفیت بالا را امکان پذیر می کند، مدیریت داده های حسگر مراقبت های بهداشتی، دستگاه های تلفن همراه را برای تحویل داده های بهداشتی، امنیت، حفظ حریم خصوصی و قابلیت اطمینان مناسب می سازد، با افزایش امنیت داده های پزشکی و در دسترس بودن خدمات و افزونگی و خدمات زندگی کمکی در اجرای همزمان و ابری خدمات سلامت مبتنی بر چند رسانه ای.

پردازش رویداد متمرکز، یک سیستم مبتنی بر قانون

خانه‌های هوشمند و اینترنت اشیاء IOT سرشار از حسگرهایی هستند که جریان‌های عظیم داده را در قالب پیام‌ها یا رویدادها ایجاد می‌کنند. پردازش این داده ها بالاتر از ظرفیت یک انسان است [8-10]. از این رو، سیستم های پردازش رویداد برای پاسخ سریعتر به رویدادهای طبقه بندی شده توسعه یافته و مورد استفاده قرار گرفته اند. در این بخش، ما بر روی سیستم‌های مدیریت قوانین تمرکز می‌کنیم که می‌توانند رویدادها را حس کرده و ارزیابی کنند تا به تغییرات مقادیر یا وقفه‌ها پاسخ دهند. کاربر می تواند قانون ایجاد شده توسط رویداد را تعریف کند و تحویل مناسب خدمات را کنترل کند. یک قانون از شرایط رویداد، الگوی رویداد و اطلاعات مربوط به همبستگی تشکیل شده است که می تواند برای مدل سازی موقعیت های پیچیده ترکیب شود. این در یک خانه هوشمند معمولی پیاده سازی شد و مناسب بودن خود را برای یک سیستم سرویس گرا ثابت کرد.

این سیستم می تواند مقادیر زیادی از رویدادها را پردازش کند، عملکردهایی را برای نظارت، پیمایش و بهینه سازی فرآیندها در زمان واقعی اجرا کند. ناهنجاری ها یا استثناها را کشف و تجزیه و تحلیل می کند و پاسخ های واکنشی/فعالانه مانند هشدارها و جلوگیری از اقدامات آسیب ایجاد می کند. موقعیت ها توسط یک رابط مدل سازی کاربر پسند برای قوانین ایجاد شده توسط رویداد مدل سازی می شوند. در صورت لزوم، آنها را به عناصر ساده و قابل فهم تقسیم می کند. مدل پیشنهادی را می توان به طور یکپارچه در بستر پردازش رویداد توزیع شده و سرویس گرا ادغام کرد.

فرآیند ارزیابی توسط رویدادهایی آغاز می شود که آخرین وضعیت و اطلاعات را از محیط مربوطه ارائه می دهند. نتیجه یک نمودار تصمیم است که قاعده را نشان می دهد. می تواند موقعیت های پیچیده را به شرایط ساده تقسیم کند و آنها را با یکدیگر ترکیب کند و شرایط پیچیده را بسازد. خروجی یک رویداد پاسخی است که هنگام اجرا شدن یک قانون مطرح می شود. رویدادهای شلیک شده ممکن است به عنوان ورودی برای قوانین دیگر برای ارزیابی بیشتر استفاده شوند. الگوهای رویداد زمانی کشف می شوند که چندین رویداد رخ می دهند و با یک الگوی از پیش تعریف شده مطابقت دارند. با توجه به مدل گرافیکی و رویکرد مدولار برای ساخت قوانین، قوانین را می توان به راحتی با تغییرات دامنه تطبیق داد. شرایط رویداد یا الگوهای رویداد جدید را می توان از مدل قانون اضافه یا حذف کرد. قوانین توسط سرویس‌های رویداد اجرا می‌شوند که رویدادها را به موتور قوانین عرضه می‌کنند و نتیجه ارزیابی را پردازش می‌کنند.

برای اطمینان از در دسترس بودن منابع پردازشی مناسب، سیستم می تواند در یک حالت توزیع شده، روی چندین ماشین اجرا شود و ادغام با سیستم های خارجی را نیز تسهیل کند. تعریف روابط و وابستگی‌ها بین رویدادهایی که برای پردازش قوانین مرتبط هستند، با استفاده از مجموعه‌های توالی ایجاد شده توسط موتور قانون انجام می‌شوند. موتور قانون دنباله‌ای از رویدادهای مربوط به یک شرط قانون خاص را می‌سازد تا امکان ارتباط رویدادها با داده‌های زمینه آنها را فراهم کند. زمانی که شرایط اعلام شده برقرار باشد، قوانین به طور خودکار اقداماتی را در پاسخ انجام می دهند. کنش‌ها رویدادهای پاسخی را ایجاد می‌کنند، که فعالیت‌های پاسخ را آغاز می‌کنند. الگوهای رویداد می‌توانند با توالی رویدادهای زمانی مطابقت داشته باشند، که امکان توصیف موقعیت‌های خانه را فراهم می‌کند که وقوع رویدادها مرتبط هستند. به عنوان مثال، زمانی که درب برای مدت طولانی باز نگه داشته شود.

چالش‌های زیر با این مدل شناخته شده‌اند: ساختار رویدادها و داده‌های پردازش‌شده، پیکربندی سرویس‌ها و آداپتورها برای مراحل پردازش، شامل پارامترهای ورودی و خروجی آن‌ها، رابط‌های سیستم‌های خارجی برای سنجش داده‌ها و پاسخ‌دهی با اجرای تراکنش‌ها، ساختار برای رویدادها و داده های پردازش شده، تبدیل داده ها، تجزیه و تحلیل داده ها و تداوم. این اجازه می دهد تا مدل شود که کدام رویدادها باید توسط سرویس قانون پردازش شوند و چگونه رویدادهای پاسخ باید به سرویس های رویداد دیگر ارسال شوند. فرآیند ساده است: داده‌ها از آداپتورهایی جمع‌آوری و دریافت می‌شوند که رویدادها را به سرویس‌های رویدادی که آنها را مصرف می‌کنند ارسال می‌کنند. در ابتدا رویدادها برای آماده سازی داده های رویداد برای پردازش قوانین غنی می شوند. به عنوان مثال، رویدادهای پاسخ به سرویسی برای ارسال اعلان‌ها به یک نماینده تماس یا به سرویس‌هایی ارسال می‌شوند که اعلان‌های تاخیر رویداد و به‌روزرسانی‌های رویداد را به سیستم مدیریت رویداد ارسال می‌کنند.

زبان های پردازش رویداد

پردازش رویداد مربوط به ثبت و مدیریت رویدادهای از پیش تعریف شده در زمان واقعی است. این کار از مدیریت گیرنده‌های رویدادها درست از زمان وقوع رویداد، حتی شناسایی، جمع‌آوری داده‌ها، ارتباط فرآیند و فعال‌سازی کنش پاسخ آغاز می‌شود. برای اجازه مدیریت سریع و انعطاف‌پذیر رویداد، از زبان پردازش رویداد استفاده می‌شود که به پیکربندی سریع منابع مورد نیاز برای مدیریت توالی مورد انتظار از فعالیت‌ها در هر نوع رویداد اجازه می‌دهد. از دو ماژول ESP و CEP تشکیل شده است. ESP به طور موثر رویداد را مدیریت می کند، آن را تجزیه و تحلیل می کند و رخداد مناسب را انتخاب می کند. CEP رویدادهای جمع آوری شده را مدیریت می کند. زبان‌های رویداد انواع رویدادهای پیچیده اعمال شده در گزارش رویداد را توصیف می‌کنند.

کشف مجدد گردش کار از رویدادها

در برخی موارد، قوانین مربوط به مغایرت در یک توالی از رویدادها در یک گردش کار است. در چنین مواردی، درک دقیق گردش کار و رویدادهای مرتبط با آن الزامی است. برای غلبه بر این موضوع، ما یک فرآیند مهندسی معکوس را پیشنهاد می‌کنیم تا به‌طور خودکار جریان‌های کاری از گزارش رویدادهای جمع‌آوری‌شده در طول زمان را دوباره کشف کنیم، با فرض اینکه این رویدادها مرتب شده‌اند، و هر رویداد به یک وظیفه اشاره دارد که برای یک مورد واحد اجرا می‌شود. فرآیند کشف مجدد می‌تواند برای اعتبارسنجی توالی‌های گردش کار با اندازه‌گیری اختلافات بین مدل‌های تجویزی و اجرای واقعی فرآیند استفاده شود. فرآیند کشف مجدد شامل سه مرحله زیر است: (1) ساخت جدول وابستگی/فرکانس. (2) القای نمودارهای وابستگی/فرکانس. (3) تولید شبکه های WF از نمودارهای D/F.

خانه هوشمند پیشرفته

در این بخش، ما بر ادغام خانه های هوشمند، اینترنت اشیاء IOT و محاسبات ابری برای تعریف یک الگوی محاسباتی جدید تمرکز می کنیم. ما می‌توانیم در بخش ادبیات [11-14] نظرسنجی‌ها و کارهای تحقیقاتی در مورد خانه‌های هوشمند، اینترنت اشیاء IOT و محاسبات ابری را به طور جداگانه پیدا کنیم که بر ویژگی‌ها، ویژگی‌ها، فناوری‌ها و معایب منحصربه‌فرد آن‌ها تأکید می‌کند.
اما رویکرد ما برعکس است. ما به دنبال هم افزایی بین این سه مفهوم هستیم و به دنبال راه هایی برای ادغام آنها در یک پارادایم جامع جدید، با استفاده از مفاهیم زیربنایی مشترک و همچنین ویژگی های منحصر به فرد آن هستیم تا امکان اجرای فرآیندهای جدیدی را فراهم کنیم، که در غیر این صورت نمی توان آنها را پردازش کرد.

خانه هوشمند پیشرفته ادغام با اینترنت اشیاء

شکل 3. خانه هوشمند پیشرفته – ادغام خانه هوشمند، اینترنت اشیاء IOT و محاسبات ابری.

شکل 3 اجزای اصلی خانه هوشمند پیشرفته و قابلیت اتصال آنها را نشان می دهد. در بلوک سمت چپ، محیط خانه هوشمند، می‌توانیم دستگاه‌های معمولی متصل به یک شبکه محلی [LAN] را ببینیم. این امکان ارتباط بین دستگاه ها و خارج از آن را فراهم می کند. به شبکه LAN یک سرور و پایگاه داده آن متصل است. سرور دستگاه ها را کنترل می کند، فعالیت های خود را ثبت می کند، گزارش ها را ارائه می دهد، به پرسش ها پاسخ می دهد و دستورات مناسب را اجرا می کند. برای کارهای جامع یا رایج تر، سرور خانه هوشمند، داده ها را به ابر منتقل می کند و با استفاده از APIها، فرآیندهای رابط برنامه نویسی برنامه، وظایف را از راه دور در آن فعال می کند. علاوه بر این، لوازم خانگی اینترنت اشیاء IOT به اینترنت و شبکه LAN متصل می شوند و بنابراین خانه هوشمند را به اینترنت اشیاء IOT نیز گسترش می دهد. اتصال به اینترنت به کاربر نهایی، ساکن این امکان را می دهد که با خانه هوشمند ارتباط برقرار کند تا اطلاعات فعلی را دریافت کند و وظایف را از راه دور فعال کند.

برای نشان دادن مزایای خانه هوشمند پیشرفته، ما از RSA، یک الگوریتم رمزنگاری نامتقارن قوی استفاده می‌کنیم که یک کلید عمومی و خصوصی تولید می‌کند و پیام‌ها را رمزگذاری/رمزگشایی می‌کند. با استفاده از کلید عمومی، همه می توانند پیامی را رمزگذاری کنند، اما فقط کسانی که کلید خصوصی را در دست دارند می توانند پیام ارسال شده را رمزگشایی کنند. تولید کلیدها و رمزگذاری/رمزگشایی پیام ها مستلزم محاسبات گسترده است که به فضای حافظه و قدرت پردازش قابل توجهی نیاز دارد.

بنابراین، معمولاً روی رایانه های قدرتمندی که برای مقابله با منابع مورد نیاز ساخته شده اند، پردازش می شود. با این حال، به دلیل منابع محدود، اجرای RSA در دستگاه اینترنت اشیاء IOT تقریبا غیرممکن است، و بنابراین، شکاف امنیتی در اینترنت را باز می کند، جایی که مهاجمان ممکن است به راحتی از آن استفاده کنند. برای مقابله با آن، ما قدرت پردازنده‌های خانه هوشمند محلی را برای محاسبه برخی از محاسبات RSA و ارسال وظایف محاسباتی پیچیده‌تر برای پردازش در فضای ابری ترکیب می‌کنیم. سپس نتایج به حسگر اینترنت اشیاء IOT بازگردانده می شود تا با هم کامپایل و مونتاژ شوند تا کد رمزگذاری/رمزگشایی RSA تولید شود و شکاف امنیتی ذکر شده در اینترنت اشیاء IOT بسته شود. این مثال جریان داده را در میان اجزای پیشرفته خانه هوشمند نشان می دهد. جایی که هر جزء، پشته عملیات خود را برای تولید خروجی منحصر به فرد خود انجام می دهد. با این حال، در صورت انجام وظایف پیچیده و طولانی، وظیفه را به وظایف فرعی تقسیم می کند تا توسط اجزای قدرتمندتر اجرا شوند.

با اشاره به مثال RSA، دستگاه IoT نیاز به تولید یک کلید رمزگذاری را آغاز می کند و بنابراین، یک پیام درخواستی را به برنامه RSA ارسال می کند که در رایانه خانه هوشمند اجرا می شود. سپس رایانه خانه هوشمند از برنامه «تولید اعداد اول» که در فضای ابری اجرا می‌شود، می‌خواهد تا اعداد اول p و q را ارائه دهد. هنگامی که p و q پذیرفته شدند، کد رمزگذاری ایجاد می شود. در مرحله بعد، یک دستگاه اینترنت اشیاء IOT با استفاده از کلید رمزگذاری RSA که اخیراً ایجاد شده است، درخواستی را به رایانه خانه هوشمند برای رمزگذاری یک پیام ارسال می کند. سپس پیام رمزگذاری شده برای اجرای بیشتر به دستگاه IoT منتقل می شود. سناریوی مشابهی ممکن است در جهت مخالف باشد، زمانی که یک دستگاه IoT پیامی دریافت می کند ممکن است از خانه هوشمند درخواست کند تا آن را رمزگشایی کند.

به طور خلاصه، سناریوهای RSA استفاده از قدرت رایانش ابری، قابلیت‌های محاسباتی ایمن خانه هوشمند و در پایان قدرت محدود دستگاه اینترنت اشیاء IOT را به تصویر می‌کشند. این ثابت می کند که بدون این همکاری خودکار، RSA نمی تواند در سطح IoT اجرا شود.

یک مثال کاربردی تر، جایی است که چندین وسیله جدا شده مانند اجاق گاز، آرام پز و تابه روی اجاق گاز برای برآورده کردن درخواست ساکنین فعال هستند. ساکن یک تماس تلفنی فوری دریافت می کند و بلافاصله خانه را ترک می کند، بدون اینکه وسایل فعال را خاموش کند. در صورتی که اینترنت اشیاء IOT مربوطه تنظیم شده باشد تا به طور خودکار بر اساس یک قانون از پیش تعریف شده خاموش شود، در سطح اینترنت اشیاء IOT مراقبت می شود. در غیر این صورت، خانه هوشمند متوجه می شود که ساکن خانه را ترک کرده است [درب خانه باز شده و سپس قفل شده، گاراژ باز شده، ماشین ساکن خارج شده، درب اصلی باز شده و سپس بسته شده است، کسی در خانه نبوده است] و خواهد کرد. در صورت عدم وجود، تمام دستگاه های فعال طبقه بندی شده به عنوان خطر را خاموش کنید. این یک پیام مناسب به لیست پستی تعریف شده برای چنین موقعیتی ارسال می کند.

جنبه های عملی و ملاحظات پیاده سازی برای اینترنت اشیاء IOT و خانه هوشمند

خانه هوشمند دارای سه جزء سخت افزار، نرم افزار و پروتکل های ارتباطی است. این دارای طیف گسترده ای از برنامه های کاربردی برای مصرف کننده دیجیتال است. برخی از زمینه‌های اتوماسیون خانگی با قابلیت اتصال اینترنت اشیاء IOT، مانند: کنترل روشنایی، باغبانی، ایمنی و امنیت، کیفیت هوا، نظارت بر کیفیت آب، دستیارهای صوتی، سوئیچ‌ها، قفل‌ها، کنتورهای انرژی و آب.

اجزای پیشرفته خانه هوشمند عبارتند از: حسگرهای اینترنت اشیاء IOT، دروازه ها، پروتکل ها، سیستم عامل، محاسبات ابری، پایگاه های داده، میان افزار و دروازه ها. ابر اینترنت اشیاء IOT را می توان به پلتفرم به عنوان سرویس (PaaS) و زیرساخت به عنوان سرویس (IaaS) تقسیم کرد. شکل 4 اجزای اصلی خانه هوشمند پیشرفته پیشنهادی و اتصال و جریان داده در بین اجزای آن را نشان می دهد.

برنامه خانه هوشمند پایگاه داده خانه را در فضای ابری به روز می کند تا افراد راه دور به آن دسترسی داشته باشند و آخرین وضعیت خانه را دریافت کنند. یک پلت فرم معمولی اینترنت اشیاء IOT شامل موارد زیر است: امنیت دستگاه و احراز هویت، کارگزاران پیام و صف پیام، مدیریت دستگاه، پروتکل ها، جمع آوری داده ها، تجسم، قابلیت های تجزیه و تحلیل، ادغام با سایر سرویس های وب، مقیاس پذیری، API برای جریان اطلاعات بلادرنگ و کتابخانه های منبع باز. سنسورهای اینترنت اشیاء IOT برای اتوماسیون خانگی با قابلیت‌های سنجش خود مانند: دما، لوکس، سطح آب، ترکیب هوا، دوربین‌های ویدئویی نظارتی، صدا/صوت، فشار، رطوبت، شتاب‌سنج‌ها، مادون قرمز، ارتعاشات و فراصوت شناخته می‌شوند. برخی از پرکاربردترین سنسورهای خانه هوشمند سنسورهای دما هستند، بیشتر سنسورهای دیجیتال هستند، اما برخی آنالوگ هستند و می توانند بسیار دقیق باشند. سنسورهای لوکس میزان درخشندگی را اندازه گیری می کنند. سنسورهای اولتراسونیک سطح آب.

حسگرهای سطح شناور قابلیت اندازه گیری دقیق تری را به توسعه دهندگان اینترنت اشیاء IOT ارائه می دهند. سنسورهای ترکیب هوا توسط توسعه دهندگان برای اندازه گیری اجزای خاص در هوا استفاده می شود: نظارت بر CO، اندازه گیری سطح گاز هیدروژن، اندازه گیری اکسید نیتروژن، سطح گازهای خطرناک. اکثر آنها دارای زمان گرمایش هستند، به این معنی که قبل از ارائه مقادیر دقیق به زمان خاصی نیاز دارد. این متکی به تشخیص اجزای گاز روی یک سطح است، تنها پس از اینکه سطح به اندازه کافی گرم شد، مقادیر شروع به نشان دادن می کنند. دوربین های ویدئویی برای نظارت و تجزیه و تحلیل. طیف وسیعی از دوربین ها، با اتصال پرسرعت. استفاده از پردازنده Raspberry Pi توصیه می شود زیرا ماژول دوربین آن به دلیل اتصال فلکس که مستقیماً به برد متصل است بسیار کارآمد است.

ترکیب خانه هوشمند پیشرفته

شکل 4. ترکیب خانه هوشمند پیشرفته.

آشکارسازهای صدا به طور گسترده برای اهداف نظارت، تشخیص صداها و عمل بر اساس آن استفاده می شود. برخی حتی می توانند سطوح بسیار کم نویز را تشخیص دهند و بین سطوح مختلف نویز به خوبی تنظیم شوند.

سنسورهای رطوبت سطوح رطوبت هوا را برای خانه های هوشمند حس می کنند. دقت و دقت آن به طراحی و محل قرارگیری سنسور بستگی دارد. سنسورهای خاصی مانند DHT22 که برای نمونه سازی سریع ساخته شده اند، همیشه در مقایسه با سنسورهای باکیفیت مانند HIH6100 عملکرد ضعیفی دارند. برای فضاهای باز، انتظار می رود توزیع در اطراف حسگر یکنواخت باشد و به اقدامات اصلاحی کمتری برای کالیبراسیون مناسب نیاز دارد.

پروتکل های ارتباطی خانه هوشمند

بلوتوث، Wi-Fi یا GSM. پروتکل های بی سیم هوشمند یا کم انرژی بلوتوث با قابلیت های مش و الگوریتم های رمزگذاری داده ها. Zigbee یک پروتکل شبکه مش و مبتنی بر فرکانس رادیویی کم توان برای اینترنت اشیاء IOT است. پروتکل X10 که از سیم کشی خط برق برای سیگنال دهی و کنترل استفاده می کند.

Insteon، ارتباطات بی سیم و سیمی. Z-wave در اتوماسیون خانه ایمن تخصص دارد. UPB، از خطوط برق موجود استفاده می کند. Thread، یک پروتکل بدون حق امتیاز برای اتوماسیون خانه هوشمند. ANT، یک پروتکل بسیار کم مصرف برای ساخت حسگرهای کم مصرف با قابلیت توزیع مش. پروتکل های ترجیحی بلوتوث کم انرژی، خانه هوشمند Z-wave ،خانه هوشمند Zigbee و Thread هستند. ملاحظات برای ترکیب یک دروازه ممکن است شامل موارد زیر باشد: اتصال ابری، پروتکل های پشتیبانی شده، پیچیدگی سفارشی سازی و پشتیبانی از نمونه سازی. کنترل خانه از موارد زیر تشکیل شده است: دستگاه حالت، اتوبوس رویداد، گزارش سرویس و تایمر

ماژولاریت: مفهوم بسته نرم افزاری را فعال می کند، پویایی زمان اجرا، اجزای نرم افزار را می توان در زمان اجرا مدیریت کرد، جهت گیری سرویس، مدیریت وابستگی ها در بین بسته ها، لایه چرخه عمر: چرخه عمر بسته ها را کنترل می کند، لایه های سرویس: یک مدل پویا از ارتباط بین ماژول های مختلف را تعریف می کند. ، خدمات واقعی: این لایه برنامه است. لایه امنیتی: اختیاری است، از معماری امنیتی جاوا 2 استفاده می کند و مجوزهای ماژول های مختلف را مدیریت می کند.

OpenHAB چارچوبی است که هوشمند سازی خانه و دروازه اینترنت اشیاء IOT را برای خانه های هوشمند ترکیب می کند. ویژگی های آن: موتور قوانین، مکانیسم ورود به سیستم و انتزاع UI. قوانین اتوماسیون که بر زمان، حال و هوا، یا محیط، پیکربندی آسان، سخت افزار رایج پشتیبانی شده تمرکز دارند:

معماری Domoticz: تعداد بسیار کمی از مردم در مورد معماری Domoticz می‌دانند، بنابراین ساخت برنامه‌های کاربردی بر روی آن بدون ریسک‌های غیرضروری در ساخت خود محصول بسیار دشوار است. به عنوان مثال، وقتی به مفهوم یک سنسور برای کنترل به یک محرک نگاه می کنید، کل طراحی معماری عمومی کمی عجیب به نظر می رسد.

ساخت برنامه های پیشرفته با Domoticz را می توان با استفاده از زبان های مبتنی بر OO انجام داد. استقرار بلاک چین در شبکه های خانگی را می توان به راحتی با Raspberry Pi انجام داد. یک لایه ایمن بلاک چین بین دستگاه ها و دروازه ها را می توان بدون تغییر گسترده در پایه کد موجود پیاده سازی کرد. بلاک چین یک فناوری است که در آینده نقشی ایفا خواهد کرد تا با مدل های کسب و کار انقلابی و جدید مانند اجاره پویا برای Airbnb به آنها اطمینان دهد.

نمونه هایی از خانه هوشمند و اینترنت اشیاء IOT

ما می‌توانیم در ادبیات و گزارش‌های عملی، پیاده‌سازی‌های بسیاری از ادغام‌های مختلف را در میان بخشی از سه بلوک اصلی، خانه هوشمند، اینترنت اشیاء IOT و محاسبات ابری بیابیم. برای مثال، به [12-14] مراجعه کنید. در این بخش، سه پیاده‌سازی را شرح می‌دهیم، که نیاز و مزایای اتصال یا یکپارچه‌سازی هر سه جزء را به وضوح نشان می‌دهند، همانطور که در شکل 5 نشان داده شده است. هر جزء 1-6 شماره گذاری شده است. در سمت چپ، ما برای هر پیاده سازی، دنباله ای از پیام ها / دستورات را در بین اجزا، از چپ به راست و از پایین به بالا توضیح می دهیم. به عنوان مثال اجرای سوم را در نظر بگیرید، یک وظیفه کنترلی که دائماً در سرور خانگی اجرا می شود (2) این واقعیت را کشف می کند که همه ساکنان خانه را ترک کرده و به طور خودکار، محرک ها را آغاز می کند تا همه وسایل اینترنت اشیاء IOT را خاموش کنند (3)، سپس پیام هایی را برای کاربران مربوطه ارسال می کند. /ساکنان، به روز رسانی آنها در مورد وضعیت و اقدامات اعمال شده آن (6).

استفاده از (i) در توضیحات پیاده سازی، با اعداد دایره شده در شکل 5 مطابقت دارد.

کشف نشت آب و پیشگیری از آن

گام اول، استقرار سنسورهای آب در زیر هر منبع نشت احتمالی معقول و یک سنسور اصلی خودکار دریچه آب برای کل خانه است، که اکنون به این معنی است که خانه به عنوان یک اینترنت اشیاء IOT در نظر گرفته می شود.

در صورتی که سنسور آب نشت آب (3) را تشخیص دهد، رویدادی را به هاب (2) ارسال می کند، که برنامه “شیر خاموش کردن” را فعال می کند. سپس برنامه کنترل خانگی یک فرمان «خاموش کردن» را به همه لوازم اینترنت اشیاء IOT (3) که به عنوان حساس به توقف آب تعریف شده اند ارسال می کند و سپس دستور «خاموش کردن» را به شیر اصلی آب (1) می فرستد. یک پیام به روز رسانی از طریق سیستم پیام رسانی برای آنها که در لیست اعلان ظاهر می شوند ارسال می شود (6). این تنظیم به دفاع در برابر سناریوهایی که منبع آب از لوله کشی خانه است کمک می کند. پیکربندی اساسی یکپارچگی از طریق پیام ها و دستورات بین خانه هوشمند و سیستم کنترل اینترنت اشیاء IOT را فرض می کند. این وابستگی و مزایای حاصل از ترکیب خانه هوشمند و اینترنت اشیاء IOT را نشان می دهد.

آشکارسازهای دود

اکثر خانه ها در حال حاضر مجموعه معمولی از آشکارسازهای دود (1) را دارند، اما هیچ پلی برای ارسال داده ها از سنسور به هاب خانه هوشمند وجود ندارد. اتصال این سنسورها به یک برنامه خانه هوشمند (2)، یک سیستم جامع تشخیص دود را فعال می کند.

بیشتر گسترش یافته است تا حسگر آسانسور را برای جلوگیری از استفاده از آن به دلیل شرایط آتش سوزی (1) اعلام کند، و بنابراین، حتی بیشتر به هر سنسور IoT (3) که ممکن است به دلیل هشدار دود شناسایی شده فعال شود، گسترش می یابد. در [5] آنها یک شبکه حسگر بی سیم برای تشخیص زودهنگام آتش سوزی در خانه طراحی کردند. آنها با استفاده از شبیه ساز دینامیک آتش و یک برنامه زبان، آتش سوزی را در یک خانه هوشمند شبیه سازی کردند. نتایج شبیه سازی نشان داد که سیستم آتش را زود تشخیص می دهد.

مدیریت حوادث برای کنترل لوازم خانگی

سناریویی را در نظر بگیرید که در آن خانه را ترک می کنید در حالی که برخی از وسایل هنوز روشن هستند. در صورتی که غیبت شما به اندازه کافی طولانی باشد، ممکن است برخی از وسایل گرم شوند و در شرف منفجر شدن باشند. برای جلوگیری از چنین شرایطی، ما همه حسگرهای لوازم اینترنت اشیاء IOT را به برنامه خانگی (2) متصل می کنیم، به طوری که وقتی همه از خانه خارج می شوند، به طور خودکار تمام سنسورهای لوازم خانگی را مطابق با آن تنظیم می کند (3) تا از آسیب جلوگیری شود.

توجه داشته باشید که نشانگر خانه خالی توسط برنامه خانه هوشمند ایجاد می شود، در حالی که نشانگر “روشن” دستگاه توسط اینترنت اشیاء IOT ایجاد می شود. از این رو، این سناریو به دلیل ادغام بین خانه های هوشمند و سیستم های اینترنت اشیاء IOT امکان پذیر است.

نتیجه گیری و خلاصه

در این فصل ما ادغام سه مؤلفه با جفت آزاد، خانه هوشمند، اینترنت اشیاء IOT و محاسبات ابری را توضیح دادیم. برای سازماندهی و مدیریت به موقع جریان گسترده داده ها به روشی کارآمد و متعادل، با استفاده از نقاط قوت هر جزء، ما یک برنامه پردازش رویداد متمرکز در زمان واقعی را پیشنهاد می کنیم.
ما مزایا و مزایای هر جزء مستقل و مکمل‌های احتمالی آن را شرح می‌دهیم، که ممکن است با ادغام آن با اجزای دیگر، مزایای جدیدی را که از کل سیستم ترکیب ایجاد می‌شود، به دست آوریم.
از آنجایی که این مولفه ها هنوز در مرحله توسعه هستند، ممکن است ادغام بین آنها تغییر کند و یک الگوی قوی ایجاد کند که نسل جدیدی از زیرساخت ها و برنامه ها را ایجاد می کند.

همانطور که پیشرفت هر جزء و تأثیر متناظر آن بر ترکیب یکپارچه را دنبال می‌کنیم، به طور مداوم اجزای اضافی را در نظر خواهیم گرفت که در نتیجه مدل‌ها و برنامه‌های سرویس جدید را به‌دست می‌آوریم.