《Internet of Things》：Configuration and Execution of a Scalable IoT Architecture for Smart Home Automation
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本研究设计并实现了基于NB-IoT、MQTT和AWS Lambda的智能冰箱系统，通过实验验证了其低延迟（中位值<1秒）和高可靠性。系统采用应用层MQTT QoS-1改进机制适配NB-IoT网络特性，整合语音交互和加密认证，支持多设备扩展及OTA升级，为资源受限的物联网应用提供了可复用的架构方案。
Mohammad Bozorgi|Gabriel J. Assaf|Constantine J. Katsanis
加拿大蒙特利尔高等技术学院（éTS）
摘要
本文介绍了一种可扩展的、与云端连接的智能冰箱系统的设计、实现和评估。该系统利用窄带物联网（NB-IoT）、消息队列遥测传输（MQTT）和无服务器云功能，实现了智能控制、实时监控和语音交互。针对对低功耗、始终联网的智能家电日益增长的需求，所提出的架构结合了轻量级通信协议和托管在亚马逊网络服务（AWS）上的无服务器后端，整合了Lambda函数、IoT Core和DynamoDB，以实现灵活的、基于事件的运营。该系统通过支持MQTT的应用程序和自定义的Amazon Alexa技能，支持移动和语音接口，使用户能够与冰箱无缝交互。安全性通过加密认证芯片得到保障，而固件更新则通过Amazon S3进行。本研究的一个关键贡献是使用NB-IoT在室内环境中实现可靠的远程通信，通过实验测试分析了延迟、CPU负载、消息丢失和确认行为。定量分析证实，在频繁的消息交换下，该架构能够可靠运行，大多数情况下的中位延迟低于一秒，并且在网络压力下仍表现出可接受的性能变化。这些结果表明，尽管由于NB-IoT的调度导致延迟偶尔波动，但整体响应性仍适合近实时的智能家电控制。该系统展现了强大的鲁棒性、能效和可扩展性，使其成为下一代智能冰箱的有效解决方案。与之前仅简单结合NB-IoT、MQTT和无服务器功能的实现不同，本研究实现了针对NB-IoT延迟特性的MQTT QoS-1确认处理的应用层适配，并通过实证实验进行了评估。此外，还基于实验测量结果对延迟与CPU之间的关系进行了实证分析，以评估在现实网络压力下的性能，证明了可靠性和响应性的提升。这些贡献为超越传统智能家居集成的能效高、延迟低的物联网部署奠定了可复现的基础。
引言
现代住宅环境中智能设备的迅速普及带来了生活方式的变革，将自动化、效率和远程控制引入了日常生活[32]。随着物联网（IoT）的不断发展，智能家居系统变得越来越复杂，包括照明系统、暖通空调单元、监控摄像头、家用电器和环境传感器等相互连接的设备[23]。这些设备需要无缝通信、强大的可扩展性和实时响应性，所有这些都依赖于底层系统架构[11,25]。本文探讨了以下核心研究问题：如何设计和实现一种基于云的原生无服务器物联网架构，使用轻量级协议和低功耗广域连接，为智能家居设备提供可扩展、能效高且延迟低的控制？为了解决这个问题，我们提出了一个智能家居自动化框架，该框架整合了MQTT消息传递、NB-IoT通信和AWS无服务器服务，以实现实时、安全和模块化的设备管理。因此，设计和实现一种可扩展且灵活的物联网架构对于支持智能家居自动化的扩展功能和期望至关重要。开发此类系统的主要挑战之一在于管理异构的智能设备，同时确保互操作性和效率[16,18]。由于每个设备可能运行在不同的平台和标准上，缺乏统一的通信协议可能会阻碍协调和集成。为此，标准化和轻量级的通信协议（如MQTT（消息队列遥测传输）和CoAP（受限应用协议）变得尤为重要[28]。这些协议促进了高效、低带宽的通信，特别适合资源受限的物联网设备。它们的采用确保了智能设备能够在统一的、供应商中立的框架内可靠地交换数据并运行[5]。
然而，随着智能家居设备数量和复杂性的增加，处理数据、管理用户交互和执行自动化规则所需的计算需求也在增加[8]。传统的基于服务器的架构虽然功能齐全，但在动态工作负载下往往难以高效扩展[9]。它们需要手动配置，存在资源利用不足或过度配置的问题，并可能产生高昂的维护成本[6]。此外，延迟问题和集中式故障点可能会影响用户体验和系统可靠性。为了克服这些限制，无服务器计算作为一种有前景的范式出现在基于云的应用开发中。无服务器计算，通常称为函数即服务（FaaS），将服务器管理从开发人员手中抽象出来，提供了自动化的可扩展性、事件驱动的执行和细粒度的资源分配[30]。这使其特别适合像智能家居这样的动态环境，其中设备交互通常是异步的、用户驱动的，并且强度随时间变化。通过利用无服务器架构，开发人员可以专注于构建功能，而底层云提供商会根据需求自动管理资源，减少空闲容量[24]。像亚马逊网络服务（AWS）Lambda这样的领先平台开创了无服务器计算，并证明了其与物联网需求的强大契合[34]。AWS支持与IoT Core、MQTT消息传递、API Gateway和DynamoDB的深度集成，形成了一个高度响应且可扩展的智能家居应用栈。研究和实际部署表明，AWS不仅在物联网场景中满足了关键性能指标，而且经常超越这些指标，包括吞吐量、容错性和运营成本效益。
在本文中，我们提出了一个集成云计算和物联网技术的智能家居自动化框架，强调可扩展性、易于部署和对终端设备的透明度。该架构利用无服务器计算进行动态资源分配和事件驱动的执行，并结合了轻量级的MQTT协议，以实现智能家电与云之间的高效通信。与HTTP等较重的协议相比，MQTT的极小开销和灵活的有效载荷处理使其非常适合资源受限环境中的实时机器对机器交互。该框架还利用了窄带物联网（NB-IoT），这是一种专为大规模物联网部署设计的低功耗广域蜂窝技术，具有强大的覆盖范围和低能耗。为了评估所提出系统的有效性，作者开发了一个通过基于云的功能和语音命令控制的智能冰箱原型。使用实验测试平台评估了使用NB-IoT进行消息传输时的延迟性能，考虑了自动语音识别和云功能执行引入的额外延迟。结果证明了该系统在现实世界应用中的可行性，验证了其在通过物联网优化的无服务器架构管理智能家居任务方面的响应性和效率。虽然NB-IoT、MQTT和AWS Lambda各自都很成熟，但它们针对延迟敏感、能源受限的消费类设备的联合优化仍较少被探索。之前的系统通常将这一堆栈视为通用的物联网管道，而没有解决NB-IoT固有的传输变异性或设备级安全限制。本研究通过引入一种存储转发确认机制，在间歇性的NB-IoT条件下保持消息顺序和完整性，并通过将网络行为与无服务器执行性能联系起来进行定量评估，推进了这一领域的发展。我们的具体贡献有四点：（1）设计和部署了一个结合了NB-IoT、MQTT和AWS Lambda的智能冰箱系统原型；（2）在真实世界的NB-IoT条件下对延迟、CPU使用率和消息可靠性进行了实验评估；（3）通过Amazon Alexa集成语音交互并通过加密芯片实现安全认证；（4）开发了一个支持空中固件更新和跨各种智能家电扩展的模块化架构。
与其提出新的通信协议或正式的优化算法，本研究更侧重于在现实的NB-IoT智能家电背景下对现有技术的实现层面适应和实证表征。自适应确认和缓冲行为作为MQTT QoS-1语义的应用层增强，而延迟与CPU的分析则作为一种基于测量的实证研究，而不是预测建模框架。同样，基于硬件的认证遵循了既定的最佳实践，其贡献在于其在所提出架构中的集成和评估。
尽管大多数家用冰箱由市电供电且通常位于Wi-Fi范围内，但本研究中选择NB-IoT反映了面向可扩展性和部署灵活性的设计决策。与Wi-Fi或蓝牙相比，NB-IoT在穿透墙壁和密集建筑材料方面的性能更优越，确保了在商业厨房、存储设施或多户住宅单元等Wi-Fi覆盖可能不稳定的环境中实现可靠的通信。此外，该架构被设计为适用于低功耗物联网设备的通用框架，包括在缺乏Wi-Fi基础设施的地点运行的冷链存储单元和自动售货机。因此，由市电供电的冰箱原型能够在没有能源限制的情况下持续测试NB-IoT通信特性，同时保持对更广泛低功耗物联网场景的相关性。
本文的其余部分如下：第2节背景概述了理论基础和相关工作，第3节方法论描述了使用的方法和技术，第4节实验评估介绍了测试的设置和程序，第5节结果讨论了发现及其含义，第6节结论总结了工作并提出了未来方向。
节选
背景
智能和连接型家庭环境的发展依赖于轻量级通信协议、可靠的网络基础设施和可扩展的后端服务的组合。NB-IoT、MQTT和AWS共同构成了一个强大的技术堆栈，解决了智能家居自动化中的关键挑战，如能效、实时响应性和动态资源扩展[10]。这些技术在资源受限和高密度设备中尤为重要
方法论
所提出的智能冰箱框架旨在适应各种厨房环境，提供可以轻松定制以适应不同设备配置的模块化设置。在其核心，系统使用MQTT作为通信协议，因其轻量级特性和高灵活性而被选中。智能手机应用程序充当MQTT发布者，允许用户向冰箱设备发送命令，而设备本身则发布其状态更新
实验评估
为了评估所提出的智能冰箱架构的实际性能，设计了一个实验设置来测量通过NB-IoT网络发送MQTT消息时涉及的延迟。该实验的主要目标是量化从客户端到智能对象发送MQTT消息时引入的时间延迟，以及反过来发送消息时的延迟，模拟了发送用户命令（例如，通过语音界面）或接收状态更新（例如，温度状态）等场景。
结果
实验结果突出了通过NB-IoT通信与AWS Lambda重复交互时开发的智能冰箱应用的延迟性能。
尽管NB-IoT传统上不是为高吞吐量应用设计的，但它对于智能冰箱典型的低数据量操作来说是足够的。偶尔出现的峰值可能源于网络拥塞或蜂窝物联网基础设施固有的调度延迟。尽管如此，性能仍然一致
结论与未来工作
本研究提出了一个可扩展的物联网架构的设计和实现，该架构集成了NB-IoT通信、MQTT消息传递和基于AWS Lambda的无服务器处理，用于智能家电控制。在受控实验室条件下的实验评估表明，所提出的框架在大多数交换中的消息延迟中位值低于一秒，证实了其适用于近实时监控和用户触发交互。然而，偶尔仍会出现
资助
本研究未从任何公共、商业或非营利部门的资助机构获得特定资助。
CRediT作者贡献声明
Mohammad Bozorgi：撰写——原始草稿、软件、资源、项目管理、形式分析、数据整理、概念化。Gabriel J. Assaf：撰写——审阅与编辑、撰写——原始草稿、可视化、验证、监督、方法论、概念化。Constantine J. Katsanis：撰写——审阅与编辑、可视化、验证、软件、资源、方法论、调查。
