ارائۀ یک چارچوب مدیریت مصرف انرژی در بستر اینترنت اشیا و شهرهای هوشمند

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 گروه مهندسی کامپیوتر، دانشکده مهندسی، دانشگاه گلستان، گرگان، ایران،

2 گروه مهندسی کامپیوتر، دانشکده مهندسی، دانشگاه گلستان، گرگان، ایران

چکیده

در سال‌های اخیر پژوهش در حوزۀ شهرهای هوشمند و مؤلفه‌های مربوط به آن بسیار رواج یافته است. یکی از چالش‌های اساسی در مدیریت شهرهای هوشمند در بستر اینترنت اشیا، میزان انرژی مصرفی است که ازطریق انرژی الکتریکی تأمین می‌گردد. در این تحقیق ضمن معرفی مزایا و چالش‌های اینترنت اشیا در شهرهای هوشمند، یک چارچوب پیشنهادی برای مدیریت مصرف انرژی در شهرهای هوشمند ارائه شده است. برای این منظور معیار فاصلۀ بین انواع دستگاه‌های (گره) شبکه در شهر هوشمند به‌عنوان یک پارامتر اساسی برای مدیریت انرژی در نظر گرفته شده است. همچنین به‌منظور مدیریت هوشمند مصرف انرژی از پارامتر میزان انرژی باتری گره ارسال‌کننده کمک گرفته می‌شود تا با توجه به مقدار فاصله و مقدار شارژ باتری، تصمیم مناسب برای انتخاب گره برای ارسال اتخاذ شود. میزان فاصله و مقدار شارژ باتری گره‌ها توسط یک منطق فازی مورد بررسی قرار می‌گیرد و با اختصاص عددی بین صفر تا صد به هر گره، بهترین گره به‌عنوان کاندید از میان گره‌ها مشخص می‌شود. در کل شبکه، گره‌هایی به‌عنوان عامل انتخاب می‌شوند که وظیفۀ ارسال اطلاعات خود و گره‌های همسایه‌ را بر عهده می‌گیرند. انتخاب این گره‌های عامل از بین کل گره‌ها یک چالش اساسی است که پیچیدگی محاسباتی بالایی دارد. برای این منظور از الگوریتم بهینه‌سازی گرگ خاکستری برای یافتن بهینۀ عامل‌ها استفاده شده است. مسئلۀ انتخاب چند عامل در شهر هوشمند برای ارسال داده‌ها، یک مسئلۀ چندعامله است که با تعریف اهداف مختلفی ازجمله پهنای باند، توان عملیاتی و زمان ارسال، به یک مسئلۀ چندهدفه تبدیل می‌شود. در انتها با مقایسه‌های متعدد نشان داده می‌شود که نتایج روش پیشنهادی برای سناریوهای مختلف تعریف‌شده عملکرد بهتری را به همراه دارند. به‌این‌ترتیب میزان انرژی باقی‎ماندۀ باتری با در نظر گرفتن فاصله و استفاده از یک سیستم چندعامله و چندهدفه می‌تواند نتایج قابل قبولی را در حوزۀ مصرف انرژی در شهرهای هوشمند به‌خصوص برای مقابله با چالش کمبود تولید انرژی ارائه دهد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


[1] Dahmane, W.M., Ouchani, S., Bouarfa, H., "Smart cities services and solutions: A systematic review", Data and Information Management. Vol. 9, No. 2,    100087, 2025 . https://doi.org/10.1016/j.dim.2024.100087
[2] Zeng, F., Pang, C., Tang, H., "Sensors on internet of things systems for the sustainable development of smart cities: a systematic literature review", Sensors, Vol. 24, No. 7, p. 2074, 2024,  https://doi.org/10.1109/MCE.2016.2556879.
[3] Fallahi, A., Faraji, A., Gharibi, A., "Analysis of Key Barriers to the Use of the Internet of Things in Iranian Smart Cities (Structural Analysis Method)", Business Intelligence Management Studies. Vol. 10, No. 38, pp. 137-171, 2021. https://doi.org/10.22054/ims.2021.63159.2037,
[4] Bellini, P., Nesi, P., Pantaleo, G., "IoT-enabled smart cities: A review of concepts, frameworks and key technologies", Applied Sciences .Vol. 12, No. 3, p. 1607, 2022,  http://doi.org/10.3390/app12031607 .
[5] Al Sharif, R., Pokharel, S., "Smart city dimensions and associated risks: Review of literature", Sustainable Cities and Society, Vol. 77, 103542, 2022,  https://doi.org/10.1016/j.scs.2021.103542.
[6] Zhou, I., Makhdoom, I., Shariati, N., Raza, M.A., Keshavarz, R., Lipman, J., Abolhasan, M., Jamalipour, A., "Internet of things 2.0: Concepts, applications, and future directions", IEEE Access,  Vol. 9, , pp. 70961-71012, 2021,  https://doi.org/10.1109/ACCESS.2021.3078549.
[7] Li, Y., Xie, S., Wan, Z., Lv, H., Song, H., Lv, Z., "Graph-powered learning methods in the Internet of Things: A survey", Machine Learning with Applications, Vol. 11, 100441, 2023 https://doi.org/10.1016/j.mlwa.2022.100441.
[8] Syed, A.S., Sierra-Sosa, D., Kumar, A., Elmaghraby, A., "IoT in smart cities: A survey of technologies, practices and challenges", Smart Cities. Vol. 4, No. 2, pp. 429-475, 2021, https://doi.org/10.3390/smartcities4020024.
[9] Mehmood, Y., Ahmad, F., Yaqoob, I., Adnane, A., Imran, M., Guizani, S., "Internet-of-things-based smart cities: Recent advances and challenges", IEEE Communications Magazine, Vol. 55, No. 9, pp.16–24, 2017, https://doi.org/10.1109/mcom.2017.1600514.
[10]         Alotaibi, A., Aldawghan, H., Aljughaiman, A., "A review of the authentication techniques for internet of things devices in smart cities: opportunities, challenges, and future directions", Sensors, Vol. 25, No. 6, 1649, 2025, https://doi.org/10.3390/s25061649
[11]         Zaman, M., Puryear, N., Abdelwahed, S., Zohrabi, N., "A review of IoT-based smart city development and management", Smart Cities, Vol. 7, No. 3, pp. 1462-1501, 2024,  https://doi.org/10.3390/smartcities7030061
[12]    Manickam, S., Kooy, A., "Internet of things for smart cities: Challenges, security and privacy issues", Security and Privacy Issues. Vol. 17, pp. 37-49, 2021, http://doi.org/ 10.2139/ssrn.3713677.
[13]         Karimi, Y., Haghi Kashani, M., Akbari, M., Mahdipour, E., "Leveraging big data in smart cities: A systematic review", Concurrency and Computation: Practice and Experience. Vol. 33, No. 21, e6379, 2021, https://doi.org/10.1002/cpe.6379.
[14]    Mutule, A., Domingues, M., Ulloa-Vasquez, F., Carrizo, D., García-Santander, L., Dumitrescu, A.M., Issicaba, D., Melo L., "Implementing smart city technologies to inspire change in consumer energy behavior", Energies. Vol. 14, No. 14, pp. 1-15, , 2021,  http://doi.org/10.3390/en14144310.
[15]    Venkatesan, V.K., Izonin , I., Periyasamy, J., Indirajithu, A., Batyuk, A., Ramakrishna, M.T., "Incorporation of energy efficient computational strategies for clustering and routing in heterogeneous networks of smart city", Energies, Vol. 15, No. 20, p. 7524, 2022, https://doi.org/10.3390/en15207524.
[16]         Cruz, P., Couto, R.S., Costa, L.H., "An algorithm for sink positioning in bus-assisted smart city sensing", Future Generation Computer Systems. Vol. 93, pp. 761-769, 2019, http://doi.org/ /10.1016/j.future.2017.09.018.
[17]    Zainal, N.B., Habaebi, M.H., Chowdhury, I., Islam, M., Daoud, J.I., "Gateway sink placement for sensor node grid distribution in LoRa smart city networks", Indonesian Journal of Electrical Engineering and Computer Science. Vol. 14, No. 2, pp. 834-842, 2019, http://doi.org/10.11591/ijeecs.v14.i2.pp834-842
[18]    Ejaz, W., Naeem, M., Shahid, A., Anpalagan, A., Jo, M., "Efficient energy management for the internet of things in smart cities", IEEE Communications magazine, Vol. 55, No. 1, pp. 84-91, 2017, http://doi .10.1109/MCOM.2017.1600218CM
[19]    Humayun, M., Alsaqer, M.S., Jhanjhi, N., "Energy optimization for smart cities using iot", Applied Artificial Intelligence, Vol. 36, No. 1, p.2037255, 2022, https://doi.org/10.1080/08839514.2022.2037255
[20]         Lakra, A.V., Yadav, D.K., "Multi-objective tasks scheduling algorithm for cloud computing throughput optimization", Procedia Computer Science, Vol. 48, pp. 107-113, 2015, https://doi.10.1016/j.procs.2015.04.158.