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附录A 译文
基于物联网和大数据分析的智能家居能源管理系统
摘要 不断增长的成本和能源需求让很多组织找到了智能的方法来监测，控制和节约能源。智能能量管理系统(EMS)可有助于降低成本，同时仍满足能量需求。互联网上的新兴技术和大数据可以用来更好地管理住宅，商业和工业领域的能源消耗。本文介绍了一种智能家居能源管理系统(EMS)。在这个系统中，每个家庭设备都与一个数据采集模块进行交互，该模块是一个具有唯一IP地址的物联网对象，从而产生一个大的网格无线网络设备。芯片上的数据采集系统(SoC)模块收集每个智能家居设备的能耗数据，并将数据传输到中央服务器进行进一步的处理和分析。这些来自所有居民区的信息都以大数据的形式存储在公用事业的服务器中。拟议中的EMS利用现成的商业智能(BI)和大数据分析软件包，以更好地管理能源消耗并满足消费者需求。由于空调在阿拉伯海湾国家的电力消耗中所占的比重达到了60%，因此以暖通空调机组为例在实验室中建造并测试了一个原型，以模拟小型住宅区域HVAC系统验证该系统的可行性。
关键词 商业情报、数据分析、能源管理系统、HVAC、物联网、MQTT、片上系统
介绍
在智能家居中有效利用能源节省了资金，提高了可持续性，大大减少了碳足迹。因此，智能家居和一般智能城市的智能能源管理的需求正在上升。然而，由于缺乏低成本、易于部署和低维护技术，这在一定程度上限制了此类系统的大规模部署。在一个国家的不同城市收集的大量数据在数据存储、组织和分析方面都面临着多重挑战 。物联网（IOT）技术和大数据是应对这些挑战的自然选择。物联网技术可以提供一个无处不在的计算平台，用于大规模感知、监控和控制家用电器的能耗。这些数据是使用安装在住宅单元中的许多不同的无线传感器收集的。同样，大数据技术可以用来收集和分析大量的数据[1]。数据分析使用商业智能(BI)平台[2]在能源管理决策中对房主和公用事业公司都起着至关重要的作用。数据可以通过预测分析和先进的方法以报告、图表的形式进行监测、收集和分析。因此，实时分析的数据可以帮助房主、公用事业公司和公用事业生态系统供应商对智能住宅的能源消耗有重要的了解。能源服务提供商可以使用分析引擎提供的电力消耗数据，提供灵活和按需供应，并提供适当的能源营销策略。消费者意识到自己的消费行为，与电力公司有密切的互动，可以调整和优化自己的用电，降低电费。为了建立一个有效的成本节约体系，根据预期时段的总功耗、峰值功耗、天气/大气条件的影响和消费板率对住宅负荷运行进行监控和控制是非常重要的。这就是物联网技术、大数据分析和BI的结合，在地方和国家层面上实施能源管理解决方案。最后，作为额外的优势，使用物联网还可以实现家庭设备的无缝远程访问控制，用户可以通过个人电脑或移动电话在线访问家用电器的ON/OFF使用模式。
论文的其余部分如下所示。接下来介绍了使用家庭能源管理系统(HEMS)的工作。接下来是提出的系统需求。接下来将介绍系统架构，并对实现细节进行描述。对评价和测试进行了描述，并得出结论。智能家居环境下的能源管理包括三个方面:智能设备、无线传感器网络(WSN)和家庭能源管理系统(HEMS)。HEMS要求使用WSN建立可靠的通信网络，该网络能够定期传输消耗细节和用户负载行为。在[3,4,5]中，利用ZigBee模块在无线传感器网络中实现HEMS单元，与传感器节点通信。系统监控设备消耗数据，并在高峰负载时向终端节点发送控制信号。然而，由于在网络中部署了新的传感器，WSN网络的生命周期会随着时间而恶化。此外，Han等人在[6]中引入了一个以ZigBee为通信协议的WSN中监控功耗的系统。然而，在这个系统中，数据仅由家庭服务器收集和聚合，这可能导致系统故障时的数据丢失。此外，在ZigBee和TCP / IP堆栈之间的桥接器将被要求将这个系统连接到家庭的社区。
以上提到的WSN网络已经扩展到更广泛的物联网模式，利用GSM/GPRS网络远程控制终端设备。在将物联网环境应用于暖通空调控制和调度方法以优化暖通空调能耗的研究中，有各种各样的研究[9,10,11]。在[12]中描述了一种层次化的智能家居服务体系结构，它与用于用户界面的多个在家显示一起使用。在本研究中，与设备传感器交互的家庭控制器系统[12]负责将所有设备的总能量报告给家庭用户。对于社区代表，社区中介服务器与不同的家庭网络设备整合在一起，比如社区里的监控摄像头。此外，还对消息队列遥测传输协议(MQTT)和超文本传输协议(HTTP)进行了比较分析，以确定哪种协议在提供家庭控制服务[12]方面更有效。然而，所提出的架构的设计缺少大数据的结合，该大数据有助于处理和分析从多个家庭传感器网络收集的大量数据。
作者强调了基于物联网的直流供电系统，以开发一种直流配电系统，包括所有基于居住的基于DC的负载，这些负载相互作用。然而，由于缺乏标准化的协议和规范，在考虑智能直流供电的住宅作为交流电力系统的合适替代品时，存在着主要的挑战。利用IoT可以克服挑战，即在高效的能量分配中提供集成平台用于DC供电的技术。
多个家庭显示系统(ihd)和自动抄表系统(AMR)的上下文中讨论了提供能源管理信息[14]。根据环境条件，智能家居系统可以选择电视、智能手机或平板电脑等显示设备，并相应地选择合适的用户界面。然而，该体系结构缺乏一个标准的用户界面，用于所有能够实现多显示器需求的家庭设备。提出了一种利用电力线通信的裙摆结构。利用智能电表数据，该中心可以监控和提供实时的家庭能耗信息，并在线访问设备状态，从而允许客户远程控制设备。建议的设计基于标准的HTTP协议，不支持像MQTT这样的轻量级通信协议，这对于扩展系统以适应多个居住区域是非常重要的。在[16]中，一个住宅网关控制器由一个中央管理系统开发，该系统根据天气情况为家庭网络中所有连接的节点生成一个操作计划。设备状态和功耗细节通过可扩展标记语言(XML)接口传输到web服务器。由于XML文件在浏览器和服务器之间的数据传递中往往很重要，因此在跨网络[16]发送这些大型文件时，体系结构将面临巨大的带宽挑战。
此外，研究人员提出了一种基于优化的能源管理模型的成本建模方案，该模型旨在降低消费者的能源消耗。在应用程序的实时定价中，考虑了一些场景，如本地发电能力、设备的峰值负载小时、每个设备的周期长度和使用时间(TOU)电价。在每一种情况下，与没有能源管理解决方案相比，报告的应用减少了能源费用。EMS可用于实现可持续和显著的减少。通过认证的能源管理系统[18]，可以长期节省20%以上。另一项研究发现，家庭能源管理系统可以减少16-19%的电力消耗，可能带来可接受的不适感。因此，家庭能源管理系统可以很好地为业主提供附加功能，在降低能耗的同时，也可以更可持续。
文献综述表明，无线传感器网络中的各种通信协议已经被用于智能住宅的EMS中。然而，为了实现所有住宅设备的无缝集成，需要一个开源的轻量级通信协议。这将促进可拓展系统的互操作性。安装家庭EMS可以帮助业主了解每个设备对他们收到的总电费的贡献。此外，大多数以前的工作主要集中在单个智能住宅上，缺乏地区公用事业供应商或国家一级公用事业中心的能源管理规定。从家庭传感器网络收集大量数据的技术是可行的，但是，有效地管理收集到的数据并从中提取更深刻的见解仍然是一个挑战。现有的EMS范式和成本节约模型是在离散单元上实现的，而提出的模型可以构建在现有体系结构之上，以满足从消费者到社区涉众的分布式EMS平台。
本文介绍了一个解决这些缺点的EMS的设计和实现。本文提出的系统采用了基于物联网的通信协议，该协议基于完善的标准，如MQTT，使系统具有可扩展性。除此之外，所提议的系统还具有分析和业务智能(BI)功能，通过仪表板可视化和报告为收集的数据提供有意义的视角。此外，使用基于大数据的数据存储技术确保了系统的可拓展性，从而保证了对业主和公用事业供应商的餐饮能源管理服务。
提出系统需求
系统的功能需求被指定为一般的功能需求和特定的系统需求。一般的需求是系统的功能，具体的需求是不同的业务流程。系统属性的非功能需求包括可扩展性、安全性、隐私性等。
系统的功能要求如下:
- SoC应定期收集功耗信息和环境状态信息，并将其发送到中央服务器。
- 服务器应该解析信息并将读数传输到中央数据存储系统或数据库。
- 这些存储的数据应该被分析引擎用来处理并生成报告，图表和图表。
- 客户端应该能够通过跨平台移动应用程序查看生成的图形。
- 客户机应用程序使用轻量级架构风格Web API与服务器交互，以促进使用Web服务的通信。
- 根据用户权限的不同，应用程序应该为每个用户呈现不同的服务，比如查看报告、设备状态和设备或账单支付的远程控制。
具体的功能需求可以描述为系统提供的业务流程。要提出这些要求，业务流程的六个部分如下:
- 消费分析监测
- 资产效率分析
- 根本原因分析
- 预测分析
- 远程和本地设备控制
- 比尔跟踪实用程序
系统的非功能性需求表明，系统是可拓展的、可靠的、安全的、可维护的、易于部署的和远程访问的。可扩展性、安全性和隐私性是拟议系统中三个重要的非功能性方面，讨论如下:
可扩展性
这些数据是在一个国家层面上收集和分析的，它包含了四个不同层次的利益相关者:业主、社区代表、州代表和国家代表。每个涉众对所提供的数据和服务有各自的看法。上面提到的六个业务流程应该根据需要应用于每个涉众。为了满足客户的这些级别，系统应基于易于扩展的体系结构。
安全性
系统的安全性是非常重要的，因为系统设计中的一个小缺陷会导致灾难性的灾难。必须实现多个级别的安全性，例如使用https的安全web服务调用，以确保系统的受保护通信。
私密性
服务器和终端设备之间的通信应该是私密的。应该利用两种因素身份验证和适当的加密技术进行访问控制，以防止非法用户窥探数据。
系统架构
基于上述系统需求，提出的系统软硬件架构如下:
- 硬件体系结构
如图1所示，系统的硬件架构由以下构件组成:
图 6 硬件架构
传感器和执行器
由于所提出的系统是对交流单元进行监视和控制，因此将一个集成的温湿度传感器与微控制器相结合来测量环境条件[20]。
此外，固态继电器由微控制器控制，从而相应地开关设备。电流传感器用于测量交流电流，以计算功耗。
高端单片机
一个SoC高端微控制器作为边缘设备数据采集模块，用于管理HVAC单元[21]。体积小、速度快、重量轻的SoC适用于居民区。表1显示了本研究中使用的微控制器的规格。
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组件 |
描述 |
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数字端口 |
18个I/O端口 |
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模拟端口 |
8 ADC和2 DAC |
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内存 |
1mb闪存，128kb RAM |
表 2 微控制器规格
软件架构
软件体系结构由三个主要的构建模块组成;边缘设备、中间件模块、客户端应用模块的数据采集模块:
- 数据采集模块
数据采集模块具有监控功能和控制功能。监视功能不断读取环境温度、湿度和交流功耗，并通过MQTT协议将读数传递给中间件模块。这些参数以标准的MQTT格式定期地框架并报告给中间件。例如，数据帧具有用户ID、家庭ID、设备ID和传感器值。控制函数用于接收来自中间件模块的命令，从而相应地打开/关闭ac单元。
中间件模块
中间件模块由几个不同服务的软件工具和服务器组成，如下所述:
MQTT服务器
MQTT服务器(代理)[11]，为edge设备(如AC-Unit)和中间件之间的通信提供了一种媒介。在代理端，为了防止未经授权地访问某些主题，强制执行了访问控制。一些主题，如消费报告主题和设备状态更改报告主题被配置为仅写。只有那些拥有必要特权的人才可以阅读正在发布的内容。像控制命令这样的主题被配置为只读，这样就可以防止对设备的未经授权的控制。
存储服务器
一个高度可拓展的存储服务器被用作数据仓库，用于存储边缘设备的传感器数据和用户信息[1]。它可以处理从住宅单元生成的大数据，也可以扩展到未来可以增加的更多住宅区域。需要一个高性能和可拓展的数据库来存储与用户、用户关系和设备关系相关的信息。选择运行在现有可拓展存储服务器之上的操作数据库[23]
数据分析服务器
使用现成的商业智能软件工具来从收到的大数据[2]做出智能决策。例如:测量数据根据每个房子的温度、湿度和功耗进行分类和分类。这种分类用于生成报告、图表和图表，以识别住宅区房屋的消费模式。
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