◇上海中建海外發(fā)展有限公司 郭振濤

澳創(chuàng)國際工程設(shè)計(jì)（深圳）有限公司北京分公司 朱云曉

日益增長(zhǎng)的能源成本和需求促使許多科研人員尋找監(jiān)測(cè)、控制和節(jié)約能源的新方法。智能能源管理系統(tǒng)（EMS）可以在滿足能源需求的同時(shí)降低成本。物聯(lián)網(wǎng)（IoT）和大數(shù)據(jù)等新興技術(shù)可用于更好地管理建筑能源消耗。基于物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)技術(shù)，本文研究了一種智能家居的能源管理系統(tǒng)。

在智能家居中高效地使用能源可以節(jié)省資金，提高可持續(xù)性，并大大減少碳排放。因此，智能家居和智能城市對(duì)智能能源管理的需求正在上升[1]。然而，由于缺乏低成本、易部署、低維護(hù)的技術(shù)，這在一定程度上限制了此類系統(tǒng)的大規(guī)模應(yīng)用。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以提供一個(gè)計(jì)算平臺(tái)[2]，對(duì)家電能耗進(jìn)行監(jiān)控和控制。大數(shù)據(jù)技術(shù)也可以用來收集和分析大量數(shù)據(jù)?？梢酝ㄟ^預(yù)測(cè)分析和先進(jìn)的算法進(jìn)行監(jiān)測(cè)、收集和分析數(shù)據(jù)，以報(bào)告、圖表和圖片的形式表達(dá)信息。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與大數(shù)據(jù)分析的結(jié)合提出了一種能源管理解決方案[2]。此外，物聯(lián)網(wǎng)的使用還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)家庭設(shè)備的無縫遠(yuǎn)程訪問控制，例如用戶可以通過計(jì)算機(jī)或手機(jī)在線訪問家用電器的開/關(guān)使用模式。

本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)智能能源管理系統(tǒng)（EMS）系統(tǒng)。本文采用了基于物聯(lián)網(wǎng)的MQTT通信協(xié)議，使得電子產(chǎn)品成為可擴(kuò)展的系統(tǒng)。此外，該系統(tǒng)可對(duì)收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行有效分析并通過儀表板顯示分析結(jié)果，使用基于大數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)確保了系統(tǒng)的可擴(kuò)展性，從而為業(yè)主和公用事業(yè)供應(yīng)商提供能源管理服務(wù)。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

本系統(tǒng)的軟硬件架構(gòu)如下所示。

1.1 硬件架構(gòu)

（1）傳感器和執(zhí)行器。固態(tài)繼電器是由微控制器控制的，可相應(yīng)地打開/關(guān)閉設(shè)備。電流傳感器用于測(cè)量交流電流以計(jì)算功耗。

（2）高端微控制器。SoC高端微控制器用作管理HVAC單元的邊緣設(shè)備數(shù)據(jù)采集模塊。小型化、高速化、輕量化的SoC適合于住宅小區(qū)。

（3）服務(wù)器。在所提出的架構(gòu)中，服務(wù)器是高端PC機(jī)，也可以部署在云上以實(shí)現(xiàn)廣泛的可訪問性。安裝的服務(wù)器包括：MQTT代理、高度可擴(kuò)展的存儲(chǔ)服務(wù)器、分析引擎服務(wù)器和Web服務(wù)器。開發(fā)和使用的每臺(tái)服務(wù)器的功能將在軟件體系結(jié)構(gòu)部分進(jìn)行說明。

1.2 軟件架構(gòu)

軟件架構(gòu)包括兩個(gè)主要構(gòu)建模塊：邊緣設(shè)備上的數(shù)據(jù)采集模塊、中間件模塊。

（1）數(shù)據(jù)采集模塊。數(shù)據(jù)采集模塊具有監(jiān)控功能和控制功能。監(jiān)控功能連續(xù)讀取環(huán)境溫度、濕度和交流功耗，并通過MQTT協(xié)議將讀數(shù)傳輸給中間件模塊。這些參數(shù)以標(biāo)準(zhǔn)的MQTT格式定期被格式化并報(bào)告給中間件。控制功能用于接收來自中間件模塊的命令，從而相應(yīng)地打開/關(guān)閉交流單元。

（2）中間件模塊。中間件模塊由MQTT服務(wù)器組成，如下所述。

MQTT服務(wù)器為邊緣設(shè)備和中間件之間的通信提供了一種媒介[3]。在代理端，執(zhí)行了訪問控制，以防止未經(jīng)授權(quán)訪問某些內(nèi)容。只有具有權(quán)限的用戶才能讀取正在發(fā)布的內(nèi)容。

采用高度可擴(kuò)展的存儲(chǔ)服務(wù)器作為數(shù)據(jù)庫，存儲(chǔ)邊緣設(shè)備的傳感器數(shù)據(jù)和用戶信息。它可以處理從住宅單元生成的大數(shù)據(jù)，也可以擴(kuò)展到將來可以添加的更多住宅區(qū)。需要一個(gè)高性能、可擴(kuò)展的數(shù)據(jù)庫來存儲(chǔ)與用戶、用戶-房屋關(guān)系和房屋-設(shè)備關(guān)系相關(guān)的信息。選擇在現(xiàn)有可擴(kuò)展存儲(chǔ)服務(wù)器上運(yùn)行的操作數(shù)據(jù)庫。

1.3 分析引擎服務(wù)器

利用現(xiàn)成的商業(yè)智能軟件工具，從收到的大數(shù)據(jù)中做出最優(yōu)的決策。例如：測(cè)量數(shù)據(jù)根據(jù)每戶的溫度、濕度和耗電量進(jìn)行分類。此分類用于生成報(bào)告、圖形和圖表，以確定住宅區(qū)中房屋的消費(fèi)模式。這使每個(gè)業(yè)主都能根據(jù)環(huán)境條件看到自己的用電模式。

業(yè)主可以基于這些信息打開/關(guān)閉設(shè)備。這些報(bào)告和圖表將通過web服務(wù)器呈現(xiàn)給客戶端應(yīng)用程序。

1.4 網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器

客戶端應(yīng)用程序通過使用JavaScript實(shí)現(xiàn)的不同web服務(wù)訪問操作數(shù)據(jù)庫。這些服務(wù)用于在數(shù)據(jù)庫之間傳輸數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)發(fā)送回請(qǐng)求者?？蛻舳藨?yīng)用程序使用Web服務(wù)來驗(yàn)證監(jiān)視和控制設(shè)備、查看已注冊(cè)的屬性、查看已注冊(cè)的設(shè)備、每月賬單查看/支付以及查看適合用戶級(jí)別的圖表。HTTPS協(xié)議用于設(shè)計(jì)web服務(wù)來加密流量。

圖1顯示了從家庭設(shè)備到最終用戶應(yīng)用的雙向數(shù)據(jù)流的總體序列圖；一種用于監(jiān)視設(shè)備消耗細(xì)節(jié)，另一種用于最終用戶的遠(yuǎn)程訪問控制。

圖1 總體序列

2 試驗(yàn)分析

為了驗(yàn)證該系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)、制造了一個(gè)原型系統(tǒng)，并在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了測(cè)試。在本節(jié)中，系統(tǒng)原型中使用的硬件和軟件組件詳細(xì)描述如下所示。

2.1 硬件

硬件由傳感器陣列、高端微控制器和繼電器組組成。傳感器陣列由RFID閱讀器、溫度、濕度和電流傳感器組成。這些傳感器收集設(shè)備狀態(tài)并定期向微控制器報(bào)告。RFID模塊由RFID標(biāo)簽和每個(gè)家庭設(shè)備的讀卡器組成，家庭所有者通過讀卡器刷卡標(biāo)簽來對(duì)設(shè)備進(jìn)行本地控制。微控制器是邊緣上的高端單SoC，它收集來自傳感器的信息，并通過MQTT代理將其轉(zhuǎn)發(fā)給服務(wù)器進(jìn)行進(jìn)一步處理。由于微控制器不能提供足夠的功率，因此采用固態(tài)繼電器組為電器提供功率驅(qū)動(dòng)電路。為了在實(shí)驗(yàn)室中實(shí)現(xiàn)，風(fēng)扇被用來模擬暖通空調(diào)機(jī)組。根據(jù)不同的流程，可以對(duì)微控制器進(jìn)行編程，使其在每種情況下發(fā)揮不同的功能。對(duì)于功耗分析，通過對(duì)微控制器編程來從傳感器收集溫度、濕度和功耗數(shù)據(jù)。圖2顯示了在實(shí)驗(yàn)室中搭建的模擬平臺(tái)。

圖2 硬件平臺(tái)

2.2 軟件

軟件實(shí)現(xiàn)包括基準(zhǔn)測(cè)試和數(shù)據(jù)分析技術(shù)，使用商業(yè)智能工具實(shí)時(shí)生成圖形、圖表和報(bào)告。隨后開發(fā)了一個(gè)移動(dòng)應(yīng)用程序，將生成的圖形、圖表和報(bào)告呈現(xiàn)給最終用戶。這些軟件模塊的描述如下所示。

（1）基于BI平臺(tái)的基準(zhǔn)測(cè)試與數(shù)據(jù)分析。數(shù)據(jù)挖掘的主要分析技術(shù)之一是基準(zhǔn)測(cè)試。對(duì)數(shù)據(jù)集進(jìn)行基準(zhǔn)測(cè)試有助于確定哪些房屋或住宅區(qū)應(yīng)作為制定最佳能源管理目標(biāo)和政策的重點(diǎn)。商業(yè)智能軟件工具是一個(gè)最佳的平臺(tái)，用于基準(zhǔn)化實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和生成用戶交互圖表和報(bào)告。業(yè)主可以使用基準(zhǔn)服務(wù)來比較他們的電力消耗與其他住房單位有類似的設(shè)置。對(duì)于社區(qū)利益相關(guān)者，他們有權(quán)監(jiān)控各自社區(qū)所有房屋的用電情況。有兩種類型的設(shè)置涉及：第一，基準(zhǔn)每年每平方英尺的電力消耗每個(gè)房子的電力消耗。第二，根據(jù)每個(gè)房屋的年耗電量和房屋年齡進(jìn)行分類。此外，他們還可以查看不同社區(qū)每月和每年的平均耗電量。圖形數(shù)據(jù)將用于根據(jù)過去的記錄創(chuàng)建基準(zhǔn)，以進(jìn)行根本原因分析，這是前面提到的業(yè)務(wù)流程之一。

（2）客戶端應(yīng)用程序。開發(fā)了一個(gè)跨平臺(tái)應(yīng)用程序，根據(jù)每個(gè)利益相關(guān)者的權(quán)限，為他們提供不同的數(shù)據(jù)分析視圖。一旦用戶登錄，服務(wù)將運(yùn)行以獲得用戶權(quán)限和用戶界面組件，他/她將能夠看到這些組件。

為了評(píng)估系統(tǒng)的可擴(kuò)展性、速度和安全性，開發(fā)了一套標(biāo)準(zhǔn)?？缮炜s性是MQTT服務(wù)器和Web服務(wù)器主要關(guān)注的問題，以適應(yīng)國家級(jí)的所有客戶。速度對(duì)于在存儲(chǔ)服務(wù)器或操作數(shù)據(jù)庫之間進(jìn)行查詢也很重要。值得一提的是，擬議系統(tǒng)的安全方面正在開發(fā)中。

3 結(jié)束語

本文提出的基于物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)能源管理系統(tǒng)可以監(jiān)測(cè)家庭用電設(shè)備的電能損耗，可以在手機(jī)客戶端遠(yuǎn)程控制設(shè)備的開啟、關(guān)閉，為不同的用戶設(shè)置相應(yīng)的權(quán)限，使之能獲得相應(yīng)信息。該系統(tǒng)為能源管理開辟了新的途徑。