文摘

在过去的几十年里,一些进步领域的智能环境获得的重要性,因此,专家可以分析思想基于嵌入式系统的智能建筑以减少费用和节约能源。因此,对智能建筑推动智能家居的概念,一些挑战,沟通,和传感器的连接可以看到。这样的挑战扭曲不同技术之间的互联互通,如蓝牙和无线个域网,从而能够提供连续的连接在不同的对象(如传感器、致动器、家用电器和手机。因此,本文提出了基于嵌入式系统的智能建筑的概念,提高低功耗移动传感器传感离散事件在嵌入式系统中。该方案包括系统架构,欢迎所有的移动传感器相互通信使用单一平台服务。该系统提高了智能建筑的概念(即三个阶段。、可视化、数据分析和应用程序)。低功率移动传感器,我们提出了一个通信模型,它提供了一个共同的交流媒介。最后,结果表明,该系统架构有效的流程,分析,和集成不同的数据集高效、触发行动,为老年人提供安全测量,病人,和其他人。

1。介绍

最近,智能建筑的概念开发和研究人员和其他专家正在努力提供最好的服务的人住在这样的建筑。因为很难提供他们最好的设施在实时环境中由于高成本的家用电器1],许多研究人员正在使用模拟环境,降低测试的成本,设计,和环境2,3]。以智能建筑设计,移动传感器的快速增长需要彼此连接在互联网的帮助下创建物联网。这样的网络生成大量的数据,通常称为大数据。同样,支持无缝连接与现有网络和积极的行动基于不同因素(上下文感知计算)在物联网是强制性的。物联网的目的是让计算机识别信息不需要人工交互。然而,这取决于三个因素,如(1)理解用户和设备,(2)架构和沟通,和(3)分析工具来支持智能行为。物联网和云计算可以被认为是两个主要的技术,已开发的为了延长嵌入式计算。嵌入式计算与日常生活不同的技术集成。同样,以人为中心的嵌入式计算侧重于特定领域通过谁应该受益。无线设备连接有能力作为嵌入式传感器使用微机电系统和无线通信。 These devices are known as nodes in a mobile wireless sensor network (MWSN). Cloud computing uses the Internet to provide scalable, reliable ubiquitous computing by acting as a receiver of data from ubiquitous sensors.

物联网定义以多种方式由多个利益集团物联网中间件的结合,传感器,和知识4]。然而,根据射频识别(RFID),物联网可以被定义为一个网络访问对象的唯一通过标准协议(5]。此外,东西都是互相关联的帮助下物联网能够感知和分享信息而无需人工干预。因此,来自不同领域的研究者描述了物联网的互连设备通过标准在不同平台之间共享信息平台。这些设备可以实现通过无处不在的传感、数据分析,等等各种实体参与射频识别、传感器网络,他们的寻址方案,数据存储和分析。

使物联网更吸引人,传统的应用程序,即智能建筑,被认为是嵌入式设备(传感器和制动器等)被认为是自主和遥控我的互联网的手段。提到技术用于授权监视应用程序的安全特性。使用嵌入式设备用户活动和控制电器根据这些收集的信息设备。这样的发展使我们对智能建筑的概念,信息加工处理,分析,预测或给予响应外部刺激根据接收到的信息按照一定的规则。引发的规则的行为可以作为条件的形式发出的行动。例如,一个操作可以定义为“在办公室工作在一个明亮的光,和所有的灯都打开,灯光会自动变暗。“在设计智能建筑系统,规则是重要的组件,提供灵活的控制。这些规则的基本ide是区分逻辑和数据,这有助于使维护地区独立。因此,在文献中,许多规则引擎设计用于减少的设计,开发和交付软件(6- - - - - -9]。例如,在传统的无线传感器和致动器网络,不同的嵌入式传感器部署用于收集环境数据。每个设备配备了致动器接收控制命令的能力。因此,结果造成大量的规则集。这些规则通常很复杂的大数据处理巨大的体积;这个不能直接应用于智能建筑系统。

理解嵌入式设备的可行性和潜力,在本文中,我们进一步推动智能家居的概念范围和上下文感知的概念介绍低功耗移动传感器传感离散事件在嵌入式系统中。在拟议的系统中,移动传感器部署在一个建筑感官离散事件(如温度、用户活动和身体医疗区域网络)和共享这些信息使用相同的传播媒介,互联网。支持共享媒介网络各种设备相互连接。这些设备的本质是异构的,这就需要一个独特的平台交换有用的信息。此外,为了实现这一点,一个架构也提出了一个高效的各种嵌入式设备间的通信发生在一个智能建筑基于上下文信息。可以认为,这些设备(如智能手表,医疗保健,Kinect Xbox 360,互联网的车辆,和GPS)持续监测的物理实体,以及在需要时,自动或控制物理系统给了特定事件提醒改善医疗、安全、事故、消防系统,等等。这个系统是连接到互联网的帮助下wi - fi (IEEE 802.11)和第三代(3 g)移动电话。

本文的其余部分组织如下。部分2提出了一个详细描述的背景和相关的研究。节3,我们描述了物联网的一些特点。部分4提出了提出了上下文感知系统架构低功耗移动传感器传感离散事件。节5,详细的分析和仿真分析,提出了论文的结论。

2。背景和相关研究

在本节中,我们提供的背景知道,可以结合物联网以及相关研究领域的物联网和智能家居。大部分的研究工作已经完成的智能建筑和智能家居领域。然而,仍然短洞有来填补这一缺口。因此,研究人员仍在努力使建筑更聪明,以智能和智能决策的任何突发事件和灾害。

Asimakopoulou和Bessis10]在传感的建设和群众工作为了处理灾害和严重的问题发生。灾害管理。他们把众包的概念,利用它在智能建筑和城市为了有效地管理灾害。其他一些研究实验室和组织试图构建一个智能建筑的实际实验来测量和建筑物的内部环境。试验台的地方在南加州大学的11]选择建设因其不同性质的混合空间和教室使用和调度。试验台是通过先进的室内传感器执行器和智能建筑管理系统,适合广泛的研究活动。构建完整的通信基础设施来管理整个传感器和一个集中的服务器之间传输。集中式服务器控件的致动器发送信号。传感器部署的数量要与建筑环境相关的真实数据和其他的东西,如照明条件下,气流、温度、和有限公司₂和其他有毒气体。同样,李et al。12)和Ahmad et al。13,14]也设计一个智能建筑和智能社会通过专注于能源方面在考虑智能电网建设。他们调查和控制数据访问智能建筑中的能源资源通过智能电网基础设施。然而,他们不关注能源服务接口(ESI),这被认为是智能建筑的主要通信网关。他们提供的插图电网基础设施之间的互动能源服务和智能建筑。

一些作者还提供智能建筑和智能家居的概念模拟。Bidhandi和他的研究的同事(15他们的模拟过程分为两个阶段。在初始阶段,人可以设计规划本国或建筑楼手动或通过CAD软件。后来他们的设计允许添加家电和设备建筑设计。下一阶段,第二阶段,他们提供了仿真两种方法同时定义场景和分析建筑反应在不同的场景。他们声称增加灵活性和可用性增加的特性为用户方便地模拟任何类型的智能建筑与各种特性和想法通过减少总成本。此外,在[16),作者开发了新的模拟器基于智能家居的上下文信息关注上下文感知系统设计的主要目标。在[3,17- - - - - -19)也提出了一种多用途模拟器基于智能住宅的场景气氛这也是面向对象,可以定义各种传感器和放置在建筑物的平面图。用户也能够画房子的计划。在[18智能家居系统),一个可配置的环境敏感模拟器,开放服务网关协议的考虑在智能住宅的框架。这样的框架,我们可以确保完成的时间和连接到外部世界。支持远程控制、故障诊断和管理。在[20.),有一个完整的,确凿的调查关于面向服务的体系结构模拟器智能住宅管理。这是一个面向服务的制造和使用模拟器的观点建立在现实和虚拟集成设备的角度构建模型。

在基于规则的系统在智能建筑中,广泛的工作已经完成,尤其是在处理方案(21,22]。在规则引擎的条款,他们主要包括两个方面:膜层算法和复杂事件处理机制。网是一个惯例规则引擎算法由Forgy [23,24)第一次从事生产系统和更多M2M V2V事件引擎应当考虑后(25- - - - - -27]。

3所示。基于上下文感知低功耗移动传感系统

在本节中,我们讨论了故障的系统分为两部分,即通信模型和体系结构环境敏感低功耗移动传感器传感离散事件在嵌入式系统中。前推进对环境敏感的体系结构低功耗移动传感器传感嵌入式系统离散事件,值得建议的体系结构的概述。

3.1。概述

提出的上下文感知低功耗移动传感器传感离散事件在嵌入式系统中包括三个主要单位,如应用程序单元,数据分析单元,和可视化单元,如图1。应用程序单元组成的医疗保健系统,家庭安全系统,智能建筑系统。在医疗保健系统中,我们使用了源ID /定位6 lowpan身体无线区域网络移动性管理方案,如图2。在体系结构中,一群6 lowpan传感器被认为是依附于人体。在这组传感器,有一个协调员与主要用于交换控制信息的移动设备(PMD)。每个PMD和传感器有一个128位的全球唯一的设备标识符(GDID) [28]。GDID建立端到端通信链路层地址的访问提供的标识符(援助)。GDID有国内域名的信息。然而,当地定位器(LLOC)和全球定位器(GLOC)识别位置域内的pmd回家。自从GLOC表示访问网关的IP地址(索引),用于interdomain沟通。在给定的场景中,每个索引包含家庭GDID和访客GDID登记。HGR包含映射信息GDID-LOC和参观了pmd VGR GDID-LLOC包含映射信息。

在建议的体系结构,只有一次性路由器征集(RS)和路由器广告(RA)消息被发送通过协调器,从而减少大量的控制消息。最初,PMD与记者PMD (C-PMD)在前面的索引(p-AGW)域。现在,PMD移动到一个新的索引(n-AGW)。最后,提出了智能建筑配备电子电器、彼此相互连接的蓝牙和无线个域网技术的帮助。

3.2。通信模型

我们提出两种不同的通信技术在智能家居。无线个域网技术是用来覆盖整个智能家居,因为比IEEE 802.11 n无线个域网技术被认为是在提供局域网服务和无线个域网的优势包括嵌入式系统低功耗和低的责任。因此,在相同的方式,我们使用蓝牙低能量(bie)设备在智能家居覆盖整个房间。用祝福的实际目的是有效地适合个人区域网络(PAN)。因此,我们现在的通信模型的概述技术下面。

3.3。蓝牙低能量(祝福)

蓝牙低能量(bie)被认为是最新的版本的蓝牙v4.0,为低功耗设计的设备,如传感器和可穿戴设备。蓝牙低能量(bie)由两层组成,上部和下部。上层提供错误控制和流量控制的功能和较低的层处理比特在物理媒介的传播。上层又分为三种类型,即逻辑链路控制和适应协议(L2CAP),通用访问配置文件(GAP)和通用属性协议(GAP)。逻辑链路控制和适应协议(L2CAP)用于大型数据包分片和重组,从上层数据的多路复用。蓝牙低能量(bie)是使用自适应跳频扩频(AFHSS),这是类似于古典蓝牙。然而,祝福使用40通道,每个2 MHz, 1 Mbit / s的比特率,传输能量等于10兆瓦。BLE使用1 MHz的比特率,它不能提供语音功能。因为这些特性,幸运的是在低能量的设备(如手机和可穿戴设备。

BLE吞食90% (0.01 - 0.05 W)活力的广告和检查过程中,尽管我们详细谈论广告和研究过程。祝福工作在三个不同的方面,即注意BLE的设备,访问设备的过滤,并开始连接,一点也不像古典蓝牙。幸福有三个独特的广告渠道,即37、38、39。祝福有40通道的三个通道用于促销的目的。因此,利用ADV_IND祝福继续发送消息包数据信息单位在活动期间在三个通道。利用任意测量的延迟通知之间的通道,以避免两个广告商之间的碰撞。BLE标准特征的广告间隔的三个频道,并通知应该大约20 - 10.24女士有不同数量的0.625 ms。同样的,应该在10毫秒延迟(29日]。一旦广告阶段结束,祝福会听访问设备的反应在同一个频道。沿着这些线路,小工具添加阶段后进入过滤模式。扫描仪对广告信息。10.24年代的标准特征窗口时间过滤设备访问。保持这些祝福创新的属性,我们提出的智能建筑设计中使用它。

3.4。无线个域网协议

内部无线个域网协议是基于IEEE 802.15.4标准提供服务,可以用来传输数据在10到100米的距离。此外,无线个域网被认为是低功率设备通信,因为它需要更少的能量。相应地,无线个域网传输数据消耗更多的能量。类似于祝福,无线个域网也有2.5 GHz,也就是说,没有执照的乐队在世界范围内,它使用16通道5 MHz空间和2 MHz带宽。无线个域网采用直接序列扩频(DSSS)编码技术。此外,有两种类型的通信模式,为数据传输存在,也就是说,beacon-enabled non-beacon-enabled。对于beacon-enabled方法,网络协调员定期广播信标消息在锅里网络。锅里的设备网络协调器在接收到信标同步消息。在non-beacon-enabled通信的情况下,随机广播信标消息。如果一个设备发送数据,等待一个随机时间,然后感觉(CSMA-CA)通道; if the channel is available, it starts the data sending; otherwise it switches to waiting state. The framework of the beacon-enabled and non-beacon-enabled communication is shown in Figures3和4分别为(30.]。beacon-enabled通信的情况下,潘协调员定期广播信标帧。然而,在non-beacon-enabled沟通的情况下,潘协调员随机发送信标帧。锅设备等到频道可在空闲状态;否则它将等待一个随机的时间。

每当设备是不发送数据,无线个域网协议关掉无线电接口保存能量。同样,一个节点可以在活动状态无论何时发送信标消息。灯塔间隔取决于数据速率,通常是介于15.36和251.65女士女士在250 kbits / s。保持在查看通信模型,我们提出的bie是一个很好的选择在房间里使用它覆盖在使用无线个域网整个房子。

3.5。提出了智能建筑系统

拟议的系统体系结构是由不同的嵌入式设备,如移动传感器,医疗系统,和安全系统,位于一个大的地理区域。此外,这些嵌入式设备部署在家里,警察局,和火和旅中心。这些设备是相互联系相互在互联网的帮助下使用短程通信技术,也就是说,蓝牙和无线个域网,或远程技术如WLAN和细胞,如图5。

在图5的帮助下,不同电器互联网络。这些电器也与主服务器有助于将数据存储为我们分析的目的。电器包括对老年人的医疗保健系统,可穿戴设备、社交网络和Kinect Xbox的保障体系。在给定的图中,这些设备连接到传动装置与无线个域网的帮助。无线个域网设备然后传输这些信号到国内服务器。在我们提出的系统架构,致动器作为一个智能设备,提供了一个沟通的媒介在各种电器使用无线个域网或蓝牙。例如,各种电器、智能电表等用水米,和灯光,是连接到驱动器。这些电子设备执行相应当用户是否在家。此外,此外,它描述了水的水平,每个用户使用一个家。同样,所有的电器都是远程控制。 For instance, if a user is not in a home, the user can access home server with the help of 3G/4G data network and can send instructions to the devices to perform a particular task. Moreover, a surveillance system is designed for elderly people and small kids in a home. In the case of elderly people, wearable devices are used that could detect the body gestures of the object and could decide the position of the object using body area network in integration with BLE. Similarly, for small kids in a home, our designed system could be used to find out the current location of the kids. To elaborate the finding of the small kids in a home, the following technique could be applied, which shows the registration phase among coordinator, PMD, and AGW.

描述,如图6协调与PMD, PMD发送路由请求(RS)消息。RS信息协调程序ID (GDID)和链路层地址(艾滋病)。PMD发送一个响应消息发送给协调器收到RS信息,然后生成RA消息再次回到协调员。随后,PMD发送位置更新请求(LUR)索引如表所示1。

与索引建立连接后,PMD发送设备ID请求索引。之后,索引验证是否GDID符合相同的域。GDID以来国内信息领域,验证后,发现消息发送到c-AGW位置。之后,c-AGW将首先检查HGR索引映射表,然后将生成响应包含位置发现消息。接收到此消息时,索引将这些信息添加到它的映射表,然后向PMD发送设备ID的消息。因此,数据消息转发给C-PMD如图7。

提出智能建筑系统架构配备医疗嵌入式系统,有助于帮助用户在aj回家。有各种各样的健康条件,从不同的数据集,被认为是糖尿病患者,血压,和其他活动,如爬楼梯;这些嵌入式传感器连接到人体不断监测人体的各种参数,如糖尿病和体温。提出的系统架构欢迎传入的数据,帮助处理数据的设计算法。例如,如果一个病人情况下降或提升超过某一阈值,则系统生成警报和警告消息。这些消息和警报发送到主服务器;主服务器连接到互联网将数据发送给相关部门。传感器连接到病人的身体局部使用BLE技术交流。此外,与主服务器通信是使用无线个域网技术来完成的。同样,主服务器的数据被发送到远程部门使用WIFI或蜂窝技术。 The concerned department initiates the emergency conditions upon receiving the alert and sends the ambulance or doctor to the patient location. Similarly, other emergency conditions such as in the case of fire, gas leakage, and water pipe leakage can be controlled using the same architecture. The web server plays a vital role in this situation by sending the information to the other web servers for more efficient recovery and timely services.

4所示。分析结果和讨论

提出的系统架构提供的算法有助于监测火灾在家里。此外,设计的系统也可以用于监测病人心跳率在一个家。最初,手电筒的系统提供的信息和温度自该信息用于设置初始阈值检查系统是否生成警报或不吃它收到嵌入式传感器的值。对于我们的分析,我们已经测试了该算法多次以检查系统的准确性。我们注意到,该系统生成零度假警报。此外,如果系统是测量范围内的时间更长,那么系统计算均值、标准差、最大值读数。同样,采取相应的行动而考虑上面的值。同样的分析结果已经以慢性病人的情况。的阈值设置上下极限的血压。的血压升高或降低血压与阈值比较,生成报警并发送至相关部门。 A pseudocode is given in Algorithm1。

对于我们的分析,不同的数据集被认为是,如温度数据集(118 MB),心电图数据集(227 MB),和心跳率1.7 GB的数据集。这些数据集是来自[29日,31日- - - - - -33]。我们已经通过考虑MapReduce函数使用Hadoop生态系统进行分析。除了这些,其他参数,如活动参数和医疗健康参数,考虑在单一的数据集。为了验证提出的系统架构,我们已经完成上述数据集的分析检查吞吐量和处理时间,如图8。在这个图中,温度数据集的大小是作为最低;因此,更大的吞吐量是注意到。然而,如果我们增加数据集的大小,设计系统的吞吐量急剧下降。

为了扩展我们的仿真分析,进一步程度上,我们已经考虑一个场景的房子有5个成员。平均能量消耗的祝福和无线个域网传感器连接到不同的设备计算时间12小时的时间(占空比为100%)。的工作周期是无线电接口仍处于活跃状态。节能通信栈有责任周期小于1%。然而,我们想要充分利用效果的技术;因此我们总是让收音机界面状态。传感器嵌入在每个设备作用于一对AA电池(3000 mAh)。BLE-enabled传感器所使用的马6的数量目前处于活跃状态。同样,无线个域网消费是一个数量的13 mA电流。房子的成员随机绕着房子和随机开关开/关设备可用。 The BLE is only used in the room environment while the ZigBee is used in the entire house. The security system and door opening and closing are also controlled through remote control operating via ZigBee. Similarly, different appliances like TV, refrigerator, washing machine, light bulbs, microwave oven, and so forth are also controlled through sensors both using ZigBee and BLE (only rooms). The communication in the range of 50 m is carried out using BLE and more than 100 m using the ZigBee. The average energy consumption values of both technologies for 12-hour time (50% duty cycle) are graphed in Figure9。同样,这两种技术的总能源消耗在12小时的时间工作周期(100%)也计算如图10。

不同类型的嵌入式传感器部署在不同的位置,比如在一个厨房,为人体和安全服务。我们已经计算出每个传感器的能量概念如图11。传感器通常部署在一个房间里消耗更少的能量由于这些传感器使用的收发器减少持续时间由于日光,而这些传感器的使用增加了在晚上,通常导致增加电池使用的传感器。然而,也有一些特殊时期的传感器处于睡眠状态。在这一点上,传感器节点不消耗能量。此外,传感器的工作循环图所示12。在这个图中,图表明,更少的能量消耗的传感器由于日光。因此,传感器关闭其收发器。然而,随着灯光变暗,增加传感器的工作周期。

5。结论

在本文中,我们提供了一个新的智能建筑的概念,提出了集成的概念基于互联网使用低功耗移动物联网传感器。此外,我们定义了一个共享数据通信模式使用相同的媒介。通信的通信模型提供了一个公共媒介的所有异构设备。此外,系统架构也提出了基于互联网的应用程序。互联网应用的概念是用来通过网络发送或接收消息的行动。该建议的体系结构提供了应用程序、分析和可视化方面,各种设备集成各种电子设备。系统架构的性能测试在Hadoop使用UBUNTU 14.04 LTS核心™i5机3.2 GHz处理器和4 GB内存。同样,能耗的传感器安装在该智能家居也计算。该建议的体系结构的传感器使用的能源消耗明显降低。最后的评估表明,提出的网络体系结构的性能满足所需的用户连接到它的欲望,输入数据是否实时和离线实时而采取行动。对于未来的工作,我们计划开发一个系统在智能建筑灾害管理。灾害管理将基于用户和设备的数据。该系统将决定如何引导用户在灾难的时候。

相互竞争的利益

作者宣称,格兰特,奖学金,和/或融资中提到确认不会导致任何利益冲突。此外,作者声明没有利益冲突有关的出版。

确认

这项工作是支持的信息与通信技术促进研究所(IITP)由韩国政府拨款(MSIP)(没有。10041145,自组织的软件平台(SoSp)福利设备)。这项工作还支持韩国国家研究基金会(NRF)授予由韩国政府(MSIP) (NRF - 2013 r1a2a1a01014020)。