基于物聯網和大數據分析法的智能家居能源管理系統

◇上海中建海外發展有限公司 郭振濤

澳創國際工程設計（深圳）有限公司北京分公司 朱云曉

日益增長的能源成本和需求促使許多科研人員尋找監測、控制和節約能源的新方法。智能能源管理系統（EMS）可以在滿足能源需求的同時降低成本。物聯網（IoT）和大數據等新興技術可用于更好地管理建筑能源消耗。基于物聯網和大數據技術，本文研究了一種智能家居的能源管理系統。

在智能家居中高效地使用能源可以節省資金，提高可持續性，并大大減少碳排放。因此，智能家居和智能城市對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、低維護的技術，這在一定程度上限制了此類系統的大規模應用。物聯網技術可以提供一個計算平臺[2]，對家電能耗進行監控和控制。大數據技術也可以用來收集和分析大量數據。可以通過預測分析和先進的算法進行監測、收集和分析數據，以報告、圖表和圖片的形式表達信息。物聯網技術與大數據分析的結合提出了一種能源管理解決方案[2]。此外，物聯網的使用還可以實現對家庭設備的無縫遠程訪問控制，例如用戶可以通過計算機或手機在線訪問家用電器的開/關使用模式。

本文設計并實現了一個智能能源管理系統（EMS）系統。本文采用了基于物聯網的MQTT通信協議，使得電子產品成為可擴展的系統。此外，該系統可對收集的數據進行有效分析并通過儀表板顯示分析結果，使用基于大數據的數據存儲技術確保了系統的可擴展性，從而為業主和公用事業供應商提供能源管理服務。

1 系統架構

本系統的軟硬件架構如下所示。

1.1 硬件架構

（1）傳感器和執行器。固態繼電器是由微控制器控制的，可相應地打開/關閉設備。電流傳感器用于測量交流電流以計算功耗。

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

（3）服務器。在所提出的架構中，服務器是高端PC機，也可以部署在云上以實現廣泛的可訪問性。安裝的服務器包括：MQTT代理、高度可擴展的存儲服務器、分析引擎服務器和Web服務器。開發和使用的每臺服務器的功能將在軟件體系結構部分進行說明。

1.2 軟件架構

軟件架構包括兩個主要構建模塊：邊緣設備上的數據采集模塊、中間件模塊。

（1）數據采集模塊。數據采集模塊具有監控功能和控制功能。監控功能連續讀取環境溫度、濕度和交流功耗，并通過MQTT協議將讀數傳輸給中間件模塊。這些參數以標準的MQTT格式定期被格式化并報告給中間件。控制功能用于接收來自中間件模塊的命令，從而相應地打開/關閉交流單元。

（2）中間件模塊。中間件模塊由MQTT服務器組成，如下所述。

MQTT服務器為邊緣設備和中間件之間的通信提供了一種媒介[3]。在代理端，執行了訪問控制，以防止未經授權訪問某些內容。只有具有權限的用戶才能讀取正在發布的內容。

采用高度可擴展的存儲服務器作為數據庫，存儲邊緣設備的傳感器數據和用戶信息。它可以處理從住宅單元生成的大數據，也可以擴展到將來可以添加的更多住宅區。需要一個高性能、可擴展的數據庫來存儲與用戶、用戶-房屋關系和房屋-設備關系相關的信息。選擇在現有可擴展存儲服務器上運行的操作數據庫。

1.3 分析引擎服務器

利用現成的商業智能軟件工具，從收到的大數據中做出最優的決策。例如：測量數據根據每戶的溫度、濕度和耗電量進行分類。此分類用于生成報告、圖形和圖表，以確定住宅區中房屋的消費模式。這使每個業主都能根據環境條件看到自己的用電模式。

業主可以基于這些信息打開/關閉設備。這些報告和圖表將通過web服務器呈現給客戶端應用程序。

1.4 網絡服務器

客戶端應用程序通過使用JavaScript實現的不同web服務訪問操作數據庫。這些服務用于在數據庫之間傳輸數據，并將數據發送回請求者。客戶端應用程序使用Web服務來驗證監視和控制設備、查看已注冊的屬性、查看已注冊的設備、每月賬單查看/支付以及查看適合用戶級別的圖表。HTTPS協議用于設計web服務來加密流量。

圖1顯示了從家庭設備到最終用戶應用的雙向數據流的總體序列圖；一種用于監視設備消耗細節，另一種用于最終用戶的遠程訪問控制。

圖1 總體序列

2 試驗分析

為了驗證該系統的體系結構，設計、制造了一個原型系統，并在實驗室進行了測試。在本節中，系統原型中使用的硬件和軟件組件詳細描述如下所示。

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。這些傳感器收集設備狀態并定期向微控制器報告。RFID模塊由RFID標簽和每個家庭設備的讀卡器組成，家庭所有者通過讀卡器刷卡標簽來對設備進行本地控制。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代理將其轉發給服務器進行進一步處理。由于微控制器不能提供足夠的功率，因此采用固態繼電器組為電器提供功率驅動電路。為了在實驗室中實現，風扇被用來模擬暖通空調機組。根據不同的流程，可以對微控制器進行編程，使其在每種情況下發揮不同的功能。對于功耗分析，通過對微控制器編程來從傳感器收集溫度、濕度和功耗數據。圖2顯示了在實驗室中搭建的模擬平臺。

圖2 硬件平臺

2.2 軟件

軟件實現包括基準測試和數據分析技術，使用商業智能工具實時生成圖形、圖表和報告。隨后開發了一個移動應用程序，將生成的圖形、圖表和報告呈現給最終用戶。這些軟件模塊的描述如下所示。

（1）基于BI平臺的基準測試與數據分析。數據挖掘的主要分析技術之一是基準測試。對數據集進行基準測試有助于確定哪些房屋或住宅區應作為制定最佳能源管理目標和政策的重點。商業智能軟件工具是一個最佳的平臺，用于基準化實時數據和生成用戶交互圖表和報告。業主可以使用基準服務來比較他們的電力消耗與其他住房單位有類似的設置。對于社區利益相關者，他們有權監控各自社區所有房屋的用電情況。有兩種類型的設置涉及：第一，基準每年每平方英尺的電力消耗每個房子的電力消耗。第二，根據每個房屋的年耗電量和房屋年齡進行分類。此外，他們還可以查看不同社區每月和每年的平均耗電量。圖形數據將用于根據過去的記錄創建基準，以進行根本原因分析，這是前面提到的業務流程之一。

（2）客戶端應用程序。開發了一個跨平臺應用程序，根據每個利益相關者的權限，為他們提供不同的數據分析視圖。一旦用戶登錄，服務將運行以獲得用戶權限和用戶界面組件，他/她將能夠看到這些組件。

為了評估系統的可擴展性、速度和安全性，開發了一套標準。可伸縮性是MQTT服務器和Web服務器主要關注的問題，以適應國家級的所有客戶。速度對于在存儲服務器或操作數據庫之間進行查詢也很重要。值得一提的是，擬議系統的安全方面正在開發中。

3 結束語

本文提出的基于物聯網和大數據能源管理系統可以監測家庭用電設備的電能損耗，可以在手機客戶端遠程控制設備的開啟、關閉，為不同的用戶設置相應的權限，使之能獲得相應信息。該系統為能源管理開辟了新的途徑。