مدیریت موثر انرژی در خانه‌های هوشمند مبتنی بر اینترنت اشیاء

سهرابی فرید, علیرضا; بازرگانی, مهدی; قره باغی, فرهاد; رحمانی, پریسا; فارغ زاده, نفیسه

doi:10.22034/apj.2025.723061

مدیریت موثر انرژی در خانه‌های هوشمند مبتنی بر اینترنت اشیاء

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

علیرضا سهرابی فرید ¹ ^¶

مهدی بازرگانی ²

فرهاد قره باغی ²

پریسا رحمانی ³

نفیسه فارغ زاده ⁴

¹ گروه مهندسی کامپیوتر، دانشگاه آزاد اسلامی، واحد علوم و تحقیقات، تهران، ایران

² گروه مهندسی کامپیوتر، دانشگاه آزاد اسلامی، واحد زنجان، زنجان، ایران

³ گروه مهندسی کامپیوتر، دانشگاه آزاد اسلامی، واحد پردیس، تهران، ایران

⁴ گروه مهندسی کامپیوتر، دانشگاه آزاد اسلامی، واحد خدابنده، زنجان، ایران

10.22034/apj.2025.723061

چکیده

اخیرا با افزایش روزافزون نیاز به مصرف بهینه منابع انرژی، مدیریت هوشمند انرژی در خانههای هوشمند بر بستر اینترنت اشیاء، از اهمیت ویژه‌ای برخوردار شده است. در این راستا، شناسایی معیارها و پارامترهای مؤثر به‌عنوان گام نخست جهت طراحی، پیاده‌سازی و ارزیابی سامانه‌های موفق، ضروری است. در این مقاله، به بررسی دقیق این معیارها پرداخته و تأثیرات آن‌ها را از منظر عملکرد فنی، امنیتی و مدیریتی بررسی و تحلیل مینماییم. نتایج پژوهش نشان می دهد، مدیریت انرژی در خانه‌های هوشمند مبتنی بر اینترنت اشیاء مستلزم تلفیق دقیق معیارهای فنی، مدیریتی، ارزیابی و محیطی است. استفاده از سنسورهای دقیق، انتخاب مناسب پروتکل‌های ارتباطی، بکارگیری پردازش‌های ابری و لبه، و همچنین به‌کارگیری الگوریتم‌های پیش‌بینی و بهینه‌سازی از مهم‌ترین پارامترها در بهبود کارایی سیستم‌ها است. همچنین، توجه به امنیت، حریم خصوصی، انعطاف‌پذیری و هماهنگی با تجهیزات مصرف‌کننده می‌تواند نقش بسزایی در ایجاد یک سامانه هوشمند و بهینه داشته باشد. از سوی دیگر، ارزیابی مداوم عملکرد و استفاده از شاخص‌های کیفی کلیدی به مدیران امکان می‌دهد که با دریافت بازخورد مناسب و بکارگیری الگوریتم‌های خودسازمان‌ده، سامانه را به‌طور مستمر بهبود بخشند. چنین رویکرد جامعی نه تنها بهینه‌سازی مصرف انرژی را تضمین می‌کند بلکه زمینه‌ساز توسعه پایدار، ارتقای امنیت و افزایش کیفیت زندگی در محیط‌های خانه‌های هوشمند خواهد بود.

کلیدواژه‌ها

مدیریت انرژی

خانه هوشمند

اینترنت اشیاء

بهره وری

معیار ارزیابی

عنوان مقاله English

Effective Energy Management in Smart Homes Using Internet of Things

نویسندگان English

Alireza Sohrabi Farid ¹

Mahdi Bazargani ²

Farhad GharehBaghi ²

Parisa Rahmani ³

Nafiseh Fareghzadeh ⁴

¹ Department of Computer Science, Islamic Azad University, Science and Research Branch, Tehran, Iran

² Department of Computer Science, Islamic Azad University, Zanjan Branch, Zanjan, Iran

³ Department of Computer Science, Islamic Azad University, Pardis Branch, Tehran, Iran

⁴ 3 Department of Computer Science, Islamic Azad University, Khodabandeh Branch, Zanjan, Iran

چکیده English

Recently, with the increasing need for optimal energy consumption in resources, effective energy management in smart homes, based on the Internet of Things (IoT) has become an importance research area. In this regard, identifying major performance metrics and parameters is essential in designing, implementing, and evaluating successful systems. In this research, we will investigate the problem and major dimensions, in detail and analyze executional effects from technical, security, and performance perspectives. The results of the research presents that energy management in smart homes based on the IoT requires integration of technical, supervisory, evaluation, and environmental criterias. The use of accurate sensors, appropriate selection of communication protocols, application of cloud and edge processing, applying prediction and optimization algorithms are the most important parameters in improving the efficiency of systems. Moreover, attention to security, privacy, flexibility, and coordination with consumer equipments can play a significant role in creating a smart and optimal system. On the other side, continuous performance evaluation and the use of key quality indicators allow managers to continuously improve the system performance, by receiving appropriate feedback and using self-organizing algorithms. Such a comprehensive approach will not only ensure the optimization of energy consumption, but also pave the way for sustainable development, improved security, increased quality of service, and effective energy management in smart homes.

کلیدواژه‌ها English

Energy Management

Smart Home

Internet of Things

Productivity

Evaluation Criteria

[1] Sun J, Gan W, Chao HC, Yu PS, Ding W. Internet of behaviors: A survey. IEEE Internet of Things Journal. 2023 Feb 22;10(13):11117-34.

[2] Laghari AA, Wu K, Laghari RA, Ali M, Khan AA. A review and state of art of Internet of Things (IoT). Archives of Computational Methods in Engineering. 2021 Jul 14:1-9.

[3] Nguyen DC, Ding M, Pathirana PN, Seneviratne A, Li J, Niyato D, Dobre O, Poor HV. 6G Internet of Things: A comprehensive survey. IEEE Internet of Things Journal. 2021 Aug 9;9(1):359-83.

[4] Ejaz W, Naeem M, Shahid A, Anpalagan A, Jo M. Efficient energy management for the internet of things in smart cities. IEEE Communications magazine. 2017 Jan 19;55(1):84-91.

[5] Tastan M. Internet of things based smart energy management for smart home. KSII Transactions on Internet and Information Systems (TIIS). 2019;13(6):2781-98.

[6] Rajesh P, Shajin FH, Kannayeram G. A novel intelligent technique for energy management in smart home using internet of things. Applied Soft Computing. 2022 Oct 1;128:109442.

[7] Ehsanifar M, Dekamini F, Spulbar C, Birau R, Khazaei M, Bărbăcioru IC. A sustainable pattern of waste management and energy efficiency in smart homes using the internet of things (IoT). Sustainability. 2023 Mar 13;15(6):5081.

[8] Ruiz DP, Vasquez RA, Jadan BV. Predictive Energy Management in Internet of Things: Optimization of Smart Buildings for Energy Efficiency. Journal of Intelligent Systems & Internet of Things. 2023 Nov 15;10(2).

[9] Aliero MS, Qureshi KN, Pasha MF, Jeon G. Smart Home Energy Management Systems in Internet of Things networks for green cities demands and services. Environmental Technology & Innovation. 2021 May 1;22:101443.

[10] Natarajan A, Krishnasamy V, Singh M. Occupancy detection and localization strategies for demand modulated appliance control in Internet of Things enabled home energy management system. Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2022 Oct 1;167:112731.

[11] Koltsaklis N, Panapakidis I, Christoforidis G, Knápek J. Smart home energy management processes support through machine learning algorithms. Energy Reports. 2022 Jun 1;8:1-6.

[12] Alzoubi A. Machine learning for intelligent energy consumption in smart homes. International Journal of Computations, Information and Manufacturing (IJCIM). 2022 May 28;2(1).

[13] Pinthurat W, Surinkaew T, Hredzak B. An overview of reinforcement learning-based approaches for smart home energy management systems with energy storages. Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2024 Sep 1;202:114648.

[14] Deepa N, Devi T, Rakesh Kumar S, Gayathri N. A Novel‐Based Smart Home Energy Management System for Energy Consumption Prediction Using a Machine Learning Algorithm. Sustainable management of electronic waste. 2024 Feb 19:79-95.

[15] Khoa TA, Nhu LM, Son HH, Trong NM, Phuc CH, Phuong NT, Van Dung N, Nam NH, Chau DS, Duc DN. Designing efficient smart home management with IoT smart lighting: a case study. Wireless communications and mobile computing. 2020;2020(1):8896637.

[16] Affum EA, Agyeman-Prempeh K, Adumatta C, Ntiamoah-Sarpong K, Dzisi J. Smart home energy management system based on the internet of things (IoT). International Journal of Advanced Computer Science and Applications. 2021;12(2):722-30.

[17] Taghizad-Tavana K, Ghanbari-Ghalehjoughi M, Razzaghi-Asl N, Nojavan S, Alizadeh AA. An overview of the architecture of home energy management system as microgrids, automation systems, communication protocols, security, and cyber challenges. Sustainability. 2022 Nov 29;14(23):15938.

[18] Shahinzadeh H, Azani Z, Al-Hameedawi SF, Zanjani SM, Mehrabani-Najafabadi S, Hemmati M. Smart Home Connectivity: Identifying the Best IoT Application Layer Protocols. In2024 14th International Conference on Computer and Knowledge Engineering (ICCKE) 2024 Nov 19 (pp. 472-482). IEEE.

[19] Zaidan AA, Zaidan BB, Qahtan MY, Albahri OS, Albahri AS, Alaa M, Jumaah FM, Talal M, Tan KL, Shir WL, Lim CK. A survey on communication components for IoT-based technologies in smart homes. Telecommunication Systems. 2018 Sep;69:1-25.

[20] Shen Z, Jin J, Zhang T, Tagami A, Higashino T, Han QL. Data-driven edge computing: A fabric for intelligent building energy management systems. IEEE Industrial Electronics Magazine. 2021 Nov 10;16(2):44-52.

[21] Mansouri SA, Ahmarinejad A, Nematbakhsh E, Javadi MS, Jordehi AR, Catalao JP. Energy management in microgrids including smart homes: A multi-objective approach. Sustainable Cities and Society. 2021 Jun 1;69:102852.

[22] Ruiz DP, Vasquez RA, Jadan BV. Predictive Energy Management in Internet of Things: Optimization of Smart Buildings for Energy Efficiency. Journal of Intelligent Systems & Internet of Things. 2023 Nov 15;10(2).

[23] Stojkoska BL, Trivodaliev KV. A review of Internet of Things for smart home: Challenges and solutions. Journal of cleaner production. 2017 ;140:1454-64.

[24] Wang D, Zhong D, Souri A. Energy management solutions in the Internet of Things applications: Technical analysis and new research directions. Cognitive Systems Research. 2021 Jun 1;67:33-49.

[25] Yudidharma A, Nathaniel N, Gimli TN, Achmad S, Kurniawan A. A systematic literature review: Messaging protocols and electronic platforms used in the internet of things for the purpose of building smart homes. Procedia Computer Science. 2023 Jan 1;216:194-203.