A review on Internet of Things solutions for intelligent energy control in buildings for smart city applications
Abstract
A smart city exploits sustainable information and communication technologies to improve the quality and the performance of urban services for citizens and government, while reducing resources consumption. Intelligent energy control in buildings is an important aspect in this. The Internet of Things can provide a solution. It aims to connect numerous heterogeneous devices through the internet, for which it needs a flexible layered architecture where the things, the people and the cloud services are combined to facilitate an application task. Such flexible IoT hierarchical architecture model will be introduced in this paper with an overview of each key component for intelligent energy control in buildings for smart cities.
Keywords: Internet of Things; smart city; cloud services; smart biulding; IoT applications, energy control; IoT design challenges.
Introduction
In the new configuration for the Internet of Things (IoT), a revision on the traditional concept of the internet is essential. In the traditional version, the internet is an infrastructure which provides the terminals for end users, while within the Internet of Things it provides the interconnection of smart objects within a ubiquitous computing environment [1]. The internet infrastructure will play a vital role as the global platform to enable the communication capability of physical objects. The novelty will be enabled by embedding electronics into objects, making them smart while being integrated into the worldwide physical infrastructure.
The term Internet of Things refers to this internet-based architecture which facilitates the exchange of services, information and data between billions of objects, mostly smart. It was first introduced by Kevin Ashton in 1998 and has obtained a lot of attention in the industry and academia [2]. In some texts, it is addressed as the Internet of Everything (IoE) to emphasize the ubiquitous usage of the internet-enabled objects. IoT provides the connection between all these objects to facilitate and make peoplersquo;s lives more comfortable and efficient in all situations. Within this approach different aspects of both hardware and software solutions work together to realize the Internet- of-Things paradigm.
The IoT should be capable of connecting billions or trillions of heterogeneous devices through the internet, so there is a critical need for a flexible layered architecture. The IoT domain encloses a wide range of standardized or unstandardized technologies, software platforms and diverse applications. Therefore, a single reference architecture cannot be used as a layout for all possible concrete implementations. Though a reference model can be considered for IoT, most likely several reference architectures will coexist [3]. Here, we define the architecture as a framework in which the things, the people and the cloud services are combined to facilitate application tasks. Therefore, the reference model for the IoT can schematically be depicted as in Fig. 1.
IoT Enabling Technologies
(Hardware)
IoT Software Platform
IoT Applications
Cloud Services
IoT
Things
People
Fig. 1. The IoT architecture model.
An overview of each part of the IoT hierarchical architecture will be investigated in the following sections. The IoT applications in smart cities will be presented in Section 2. In Sections 3 and 4 IoT software and hardware infrastructures will be described with focus on intelligent energy control in buildings. In section 5, some IoT challenges are briefly discussed. This will help the reader to understand the IoT beyond the conventional layered networks where the user at the application layer is connected to the hardware. The implementation of an IoT system will offer the ability for smart objects to be identifiable, to communicate and to interact either among themselves, with building networks of interconnected objects, or with end users or other entities in the network. Developing technologies and solutions for enabling such an IoT vision is the main challenge ahead for IoT design engineers [1].
IoT Applications in Smart Cities
The IoT potentialities offer many possible applications. Some of these applications are shown in Fig. 2. Only some of them are currently completely deployed and in the future, there will be more intelligent applications for smarter cities, enterprises and factories. Smart city applications are developed not only to improve the management of urban flows but also to allow a real time response to challenges. Especially in this century, many emerging technological, economical and environmental changes have generated interest in smart cities. These changes include climate change [5], economic restructuring [6], ageing populations, and pressures on public finances [1]. A smart city can be considered as the general application category in which other domains such a smart home, smart grid, smart automotive and traffic management are included.
A smart home can be considered as a subcategory of smart cities. In this subcategory a residencersquo; appliances, lighting, heating and air conditioning systems, video and audio streaming devices and security systems are capable of communicating with each other or through a central control unit in order to bring comfort, security and energy efficiency for home owners.
Fig. 2 Internet of Things application domains.
The research works on smart cities has attracted a lot of attentions in the last decade [7]. From marketrsquo;s point of view, the smart home is expanding rapidly and is expected t
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智能城市应用中物联网智能能源控制解决方案综述
摘要：
智慧城市利用可持续的信息和通信技术来提高公民和政府对城市服务的质量和表现，同时减少资源消耗。建筑智能能源控制是其中的一个重要方面。物联网可以提供解决方案。它旨在通过互联网连接众多异构设备，为此需要灵活的分层架构，将物联网，人员和云服务相结合，以促进应用任务。本文将介绍这种灵活的物联网分层体系结构模型，并概述智能城市建筑智能能源控制的各个关键组件。
关键词：物联网;智慧城市;云服务;智能建筑;物联网应用，能源控制;物联网设计挑战。
1．简介
在物联网（IoT）的新配置中，对互联网传统概念的修订至关重要。在传统的版本中，互联网是为终端用户提供终端的基础设施，而在物联网内，它提供了在普适计算环境中的智能对象互联[1]。互联网基础设施将作为实现物理对象通信能力的全球平台发挥重要作用。这种新颖性将通过将电子设备嵌入物体中来实现，使其在融入全球物理基础设施的同时变得更加智能。
物联网这个术语指的是这种基于互联网的架构，它促进了数十亿物体之间的服务，信息和数据交换，其中大部分是智能的。这是凯文阿什顿于1998年首先提出的，并在业界和学术界获得了很多关注[2]。在一些文章中，它被称为万物互联（IoE），以强调无处不在的互联网使用对象的使用。物联网提供了所有这些对象之间的联系，以促进和使人们的生活在所有情况下更加舒适和高效。在这种方法中，硬件和软件解决方案的不同方面共同实现物联网范例。
物联网应该能够通过互联网连接数十亿或数万亿异构设备，因此对灵活的分层架构有着至关重要的需求。物联网领域包含了广泛的标准化或非标准化技术，软件平台和各种应用程序。因此，单个参考体系结构不能用作所有可能的具体实现的布局。尽管IoT可以考虑参考模型，但很可能有几个参考架构将共存[3]。在这里，我们将体系结构定义为一个框架，将事物，人员和云服务组合起来，以促进应用程序任务。因此，IoT的参考模型可以如图1所示。
图1.物联网架构模型。
以下部分将对物联网层次结构各个部分的概述进行研究。智能城市中的物联网应用将在第2节中介绍。第3节和第4节将介绍物联网软硬件基础设施，重点介绍建筑物中的智能能源控制。在第5节中，简要讨论了一些IoT挑战。这将帮助读者理解超越传统分层网络的应用层用户连接到硬件的IoT。物联网系统的实施将为智能对象提供识别，沟通和相互作用，建立互联对象网络或与网络中的最终用户或其他实体进行交互的能力。开发这种物联网愿景的技术和解决方案是物联网设计工程师面临的主要挑战[1]。
2.智能城市中的物联网应用
物联网潜力提供了许多可能的应用。其中一些应用程序如图2所示。其中一些应用程序目前已完全部署，未来智能城市，企业和工厂将会有更多的智能应用程序。智能城市应用的开发不仅可以改善城市流量管理，还可以实时应对挑战。特别是在本世纪，许多新兴的技术，经济和环境变化引起了智能城市的兴趣。这些变化包括气候变化[5]，经济结构调整[6]，人口老龄化和公共财政压力[1]。一个智能城市可以被视为其中包括智能家居，智能电网，智能汽车和交通管理等其他领域的一般应用类别。
智能家庭可以被视为智能城市的一个子类别。在这个子类别中，住宅的家用电器，照明，暖气和空调系统，视频和音频流设备和安全系统能够相互通信或通过中央控制单元进行通信，以便为房主提供舒适，安全和能源效率
图2物联网应用领域。
对智能城市的研究在过去十年中引起了很多关注[7]。从市场的角度来看，智能家庭正在迅速扩张，预计到2022年将达到超过1000亿美元。在这种应用中，个人和家庭安全是主要消费者的关键采用动机。 [8]一项调查显示，90％的人认为安全是购买智能家居系统的最重要原因之一。下一个动机是节约成本，作为消费者使用智能家居的激动人心的理由。在[9]中预计到2022年，一个典型的家庭住宅可能包含500多个智能设备，而目前对于大多数消费者来说，智能家庭并不是必需品。
在欧洲国家，由于欧盟议会于2002年发布了一项关于使用提高建筑物能效的方法[10]，因此许多国际研究项目已建立使用能源管理系统来减少建筑物的能源消耗。其中一些项目是：SEEMPubS（用于公共空间的智能节能中间件）[11]，DIMMER（节能信息模型和管理）[12]，AIM（用于建模，虚拟化和管理能源消耗的新颖架构）家用电器）[13]，IntUBE（智能建筑能源信息使用）[14]和DEHEMS（数字环境家庭能源管理系统）[15]。其中，SEEMPubS是欧盟成立的项目之一，主要关注公共和历史建筑能源系统的开发。
欧洲的历史建筑每天都有来自世界各地的游客。但是，如果没有大量的建筑工程，提供节能建筑就会很困难。在SEEMPUBS项目中，我们参与开发基于信息通信技术的能源管理控制系统，以避免由于能源管理硬件安装造成的重要建筑干预造成的可能损害[11]，[16]。在这个项目中，一个新的基于计算机的系统控制大型建筑中的照明，加热器，空调和其他环境单元。 SEEMPUBS技术提供了一个软件级的中央控制系统，该系统通过无线方式与位于建筑物不同部分甚至多个建筑物中的能源结构连接。除了硬件之外，最重要的成果还包括为现有建筑和公共空间制定节能模型。这种模式可以应用于许多不同的历史建筑，以避免施工工作，中断和可能的损害，即使部署新兴技术。作为用户应用，加热，通风和空调（HVAC）控制应用包括旨在节约能源的控制策略的产品，系统和服务[17]。 HVAC系统使用物联网软件和硬件基础设施来实现其目标。将在下面的章节中回顾物联网各个组件的内容，介绍应用于IoT家庭能源管理系统的能源控制解决方案。
智能城市中物联网的另一个子类别应用是汽车行业提供智能汽车的地方。从前灯到发动机之间的所有系统都需要现代汽车中的一系列创新技术[18]。物联网将提供联网车辆，以实现遥测，预测性维护，车对车和车对用户的连接。在保持安全和舒适的驾驶的同时，主要希望用智能汽车中的无线通信取代导线[19]。
3.物联网软件平台
物联网硬件需要操作系统和通信协议才能与人（用户）和其他设备进行交互。有中间件组件可以促进设备之间的通信和信息交换。在物联网架构中，集成层在组合和集成从数千个设备获取的信息并向用户呈现这些信息方面发挥着重要作用。在本节中，我们将回顾物联网系统内部的一般软件结构。
在设计物联网软件平台时，应考虑可扩展性，异构设备及其业务模型之间的可扩展性和互操作性。另外，物联网支持技术（硬件）可能会在地理位置上移动，因此需要以实时模式与其他人进行通信。这种操作需要分散和事件驱动的软件架构[20]。
面向服务的架构（SoA）确保了异构技术在一个平台上的可扩展性和互操作性。在通用SoA中定义了四层[21]，[22]：1）传感层使用集成硬件来感知事物的状态; 2）将物体连接起来并收集来自硬件基础设施的数据的网络层，3）服务层创建并管理用户或应用程序所请求的服务; 4）界面层支持与应用程序或用户的交互方法。
在物联网中间件的SoA中，对象（配备传感器的东西）和应用程序之间的软件应通过安全网络提供对象抽象，服务管理和服务组合。基于SoA的物联网中间件体系结构如图3所示。
图3基于[22]的物联网中间件的面向服务的体系结构
作为面向SoA应用的应用示例，在SEEMPubS项目中，我们实施了一个HVAC系统，其中根据建筑物中用户的存在来控制冷却和加热系统。在这种控制策略中，连接到数据库的软件应用程序使用占用信息，剩余空间温度，室外温度和设备容量来在白天和夜晚将建筑物温度保持在舒适区域。这种控制策略只能使用物联网系统，在这种系统中，来自不同授权级别的用户可以随时控制室内温度并在任何地方形成。尽管如此，自动控制策略也适用于使用智能设备收集的信息来提供节能，以便打开/关闭家用电器。有关这些智能设备技术的描述将在第4节中给出，Atzori等人提供了更多细节。 [23]。作为SEEMPubS智能ICT服务系统的一部分，实际开发的自适应HVAC系统已经成功应用于监测和控制现有建筑物中的环境条件。在这种控制策略中，预设的时间表允许在房间未被占用时关闭加热，除非检测到存在。但是，用户可以通过用单独的切换器更改风机盘管的设定点温度来始终覆盖系统。我们在[17]和[24]中更详细地解释了这种控制策略。对于一项实验性案例研究，在夏季的三天测试期间平均节能达到了71％。对于年度和整体案例测试建筑物，还提出了模拟结果：对于这些情况，照明节能量可达40％，加热节能达35％，冷却节能达30％。图4显示了采用新控制策略获得的加热，冷却和照明所节省的百分比传统（手动）控制（节省参考房间的测试房间）。 一年的结果已通过模拟确定。
图4作为物联网智能家居中的用户应用，开发的能源控制策略的冷却，加热和照明所获得的节能（以％计）。
4.物联网硬件支持技术
在IoT系统中，硬件负责对象识别，感知对象（事物）上的所需参数，在IoT内传递信息以及在信息中进行主要处理和计算[25]。对于对象识别，基于互联网协议（IP），如IPv4，IPv6和6LoWPAN [26]，[27]使用不同的寻址方法。为了识别，应该通知对象的识别和地址是不同的。虽然可以在本地识别对象，例如在6LoWPAN网络中，但全局网络中的对象使用公共IP作为地址。识别方法旨在为网络内的任何物体制定明确的标识。感测是指将测量的信息（例如智能家居中的温度或电子健康中的心率）转换为电信号的致动器和传感器。然后电子信号可以被电子电路理解用于进一步处理并通过通信链路传输到数据库。在传感器和执行器设计领域，许多工作已经在精确的，有创/无创和小型化传感器的设计和实现中提出[22]。
通信链路技术应提供连接智能设备（传感器节点）的基础设施。 IoT传感器节点应该在严格的设计规范（包括低功耗，以及在嘈杂的环境中运行）下正常工作。目前，WiFi，IEEE 802.15.4，蓝牙，Z-Wave，LTE-advanced，ZigBee，IrDA等物联网应用可以使用不同的通信协议。不同的技术可以在几MHz到几十GHz。频段由当地和国际官方监管机构确定。每种技术的通用设计规格都针对特定应用进行了优化。例如，健身手链只需要低能量和短距离通信范围，因此蓝牙技术作为短距离和低数据速率标准被用于将健身手环连接到智能手机。另一个例子是汽车内部/外部的网络连接。在这种情况下，需要移动4G等高性能技术才能在高速行驶的汽车中运行。对于智能家庭，可以看到ZigBee，Wi-Fi和有前途的解决方案（如UWB）的组合。所有这些应用程序都需要特定的硬件设计和软件应用程序来将各种无线协议嵌入到“事物”中。
作为物联网主要用途的对象识别技术的第一个先驱实现使用射频识别（RFID）技术[28]。在EPC-GEN2 RFID技术中，在标签和读取器之间实现了机器到机器（M2M）通信，其中RFID读取器向标签发送查询信号并接收来自标签的反射信号（通常是无源标签） ，然后将其传递给数据库。数据库连接到一个处理中心，并根据反射信号识别物体。 RFID标签可以配备所谓的电池，有源标签，或基于无源电路实现，称为无源标签，或两者的组合称为半主动/被动。通常，有源RFID标签应该消耗非常低的功率，以便能够从能够转换环境能量类型的清除器供应。射频信号到直流电源。设计RFID标签的另一个重要特征是实施成本。对于物联网中的大多数识别应用，例如仓库中的物体识别，标签应该非常容易插入。幸运的是，使用CMOS技术可以实现低成本的RFID标签，但与基于条形码的识别技术相比，其价格要高得多。 RFID系统可以工作在不同的频段。对于低频（LF），它工作在125 - 134.2 kHz，对于高频（HF）频段它工作在13.56 MHz。对于定义EPC-GEN2协议的超高频（UHF）频段，它工作在850 - 960MHz。
工作在13.56 MHz频段的近场通信（NFC）协议基于支持高达424 kbps的RFID技术。 NFC通信的距离约为10厘米。该技术基于ISO 180000-3空中接口协议，仅提供点对点网络。这项技术正在为下一代支付系统而发展[29]。这种非接触式通信协议已经开发用于非常短距离的应用，并且已经集成到市场上的许多智能手机中。
超宽带（UWB）通信技术是另一种适用于短距离应用的物联网启用技术，特别是在需要精确定位时。这是UWB信号在时域中短脉冲信号的独特功能。由于传输信号的脉冲式特性，它也消耗非常低的功率。在要求低功耗和高位置精度的物联网应用中，UWB技术可能是一项有用的技术[30]，[23]。
WiFi是另一种通信技术，广泛用于家庭和办公室环境中支持WiFi的设备之间的数据交换。与诸如蓝牙和ZigBee之类的协议相比，WiFi以更高的能耗为代价提供更长的距离和更高的数据速率。配备WiFi的传感器节点应该非常频繁地收费（每天或每隔几天，具体取决于数据使用情况）。所以，对于许多低功耗和自主应用来说并不合适。
蓝牙是一种通信技术，针对低功耗优化的短程应用提供适度的数据速率[31]。最近，蓝牙和蓝牙低功耗是这种协议的两种类型，它们提供IP连接以支持物联网[32]。
IEEE 802.15.4标准的特点是对具有几个月至几年电池寿命的低数据速率设备进行研究，实现复杂度低[33]。它在传感器节点的未授权频段中运行。 2.4GHz ISM频段中的16个信道，915MHz中的10个信道和868MHz频段中的一个信道被分配给该标准。 IEEE 802.15.4定义了标准兼容设备的通用物理层和媒体访问控制层要求。该标准是ISA100，ZigBee和WirelessHART的基础。通过开发未在标准中规定的上层，它们每个都进一步延伸。该标准的主要应用目标是低功耗低功耗无线个人局域网（WPAN）。许多IEEE
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