家庭能效远程监控系统的设计与实现

汪 鹏，侍必胜，祝建军

（国网电力科学研究院 江苏 南京 210061）

家居智能化和家庭能耗管理化的构想很早就已经提出。近年来，随着经济水平的不断发展和科技水平的不断提高，先进的通信、信息和控制技术渗入到人类生活的各个领域，经济水平在不断发展的同时致使人们对电力的需求日益增加，然而居民不合理的用电习惯却导致大量的电能浪费，在我国能源紧张问题早就凸显出来，因此家庭能耗管理越来越引起重视，如何有效管理能耗成为了重要的研究课题。只有以智能电网建设为依托，充分把握电力需求侧管理的要求，增强电网的综合服务能力和智能化水平，才能实现低碳、节能、环保的社会理念和新生活方式[1-2]。

面对智能家居的巨大市场，思科、英特尔、北电、摩托罗拉、朗讯、3Com、IBM、爱立信和LG等公司都纷纷加入这个领域，研发智能信息家电和智能家居系统[3]。2011年，微软发布了一个旨在帮助居民节省能源的网站—Microsoft Hohm，该网站除了能够帮助居民节约能源开支，还能够减少能源消耗对环境带来的影响。Hohm运用复杂的计算法则，来分析由消费者和涉及到的能源公司所提供的数据，这些数据能够让二者更好地掌握能源走向。Google公司推出了PowerMeter工具，用来衡量家用或者商用电器的电能利用情况。Google将依靠其他公司开发Gadgets将信息反馈到PowerMeter，以使得用户了解他们家里各种电器的电能使用状况，引导用户作出更明智的电能分配[4]。

智能家居在我国经历了近10年的起步阶段，前期主要集中在智能家居控制子系统的研究上，随着集成技术、通讯技术、互操作能力和布线标准的发展而不断改进，逐渐实现子系统之间信息共享。海尔推出U-home智能化解决方案，糅合了三网融合的技术、物联网及3G等各种技术的应用，体现出居住环境的人性化、生活化、简单化等特点，带给居住用户巨大的便捷性，牢牢抓住了他们追求高品质、高智能生活的心理，因而一跃而成为房地产行业发展的重要契机[5]。

Adil A.等通过对30户科威特人的电器使用习惯调查，得到下列结论：这些用户有不随手关灯的习惯，夏天习惯把空调温度设定为22℃。接下来通过一定的模拟试验，结果表明，如果用户出门时有随手关灯的习惯，将空调温度设定为24℃，每年家庭能耗可以减少39%[6]；李兆坚对用户空调能耗的调查发现，同一幢楼内大多数住户的空调能耗量低于该楼内空调能耗平均值，但存在少数空调能耗量达到平均值的5～8倍，接下来通过调研发现造成这种大的差别的主要原因是住户使用空调的行为方式存在很大差异[7]；Luis lopes等对日本13户居民开展为期18个月的调研，实际记录各住户的各类能源的使用情况，也针对能源的使用习惯进行了问卷调查，重点考察了居民对家用电器的使用习惯，最后得到的结论为：家庭的能耗与住户的生活方式紧密相关，但是住户对家用电器的待机能耗的认识却普遍不足[8]。

智能用电对居民用户来讲分三大类功能：便利用电、节能用电和安全用电。总结以上的研究成果发现家庭用电在节能方面存在很大的潜力，家庭高能耗的出现与住户无意识采取节能措施紧密相关，住宅具体能耗信息的反馈对于引导居民节能工作有非常积极的意义，针对上述问题目前的主要研究方向是建立能耗模型，通过理论分析设计最优的家庭能耗管理策略，进而通过案例设计研究家庭能耗管理策略的有效性[9]。本文提出的系统从方便用户使用、更好的服务于用户角度来设计，旨在将用户用电从被动参与者转变成主动参与者，更好的参与到合理分配电能。

1 系统功能需求分析

传统智能家居还是独立运行的，居民用电存在的不合理性、缺乏节能工作良性引导造成大量的能源浪费，结合家庭的实际情况，将家庭能耗管理系统划分为3大子系统，即：家电远程控制子系统、用电信息浏览子系统、家庭能效服务子系统。其具体的功能需求如下：

1）友好的系统界面

系统采用B/S架构，随着网络和智能移动终端的普及，方便用户随时随地的使用。同时系统的部署变得简单。实现了智能家居，家庭能效分析，智能用电分析，用电信息查询的人机接口界面。服务器使用SQLServer作为系统数据库，系统的主要功能处理由智能家居运维模块完成。

2）家电信息采集及控制

系统通过WEB浏览器实现用户和家用电器的交互，了解电器用电情况，并达到远端控制电器的目的，对信息家电的调控不是简单地开、关控制，调控选项应达到取代家电遥控器的作用，即达到开关的控制、温度的设置、风速和模式的设置等；对普通家电，系统可以通过智能插座控制其开关。另外，智能插座还负责户内每个电器的用电信息采集，采集的信息主要包括用电总功率、电压、电流、功率因数、用电量、总电量，对采集的信息进行存储，形成家庭用电信息的数据库。

3）家庭用电数据分析

通过算法设计，针对主要用电电器负荷的用电特性，结合电价政策、环境特性，分析家庭主要电器的用电科学性。实现方法主要通过下面几个步骤：

①存储对家庭用电问题给出的专家系统分析结果。

②存储具体结果求解的初始数据和推理过程中涉及的各种信息，如设定范围、平均电价等。

③根据系统采集的电量数据，利用已有的知识，给出相应的分析结果。

建立的专家系统策略库时需要考虑策略库的修改、扩充和完善等维护手段，更有效地提高系统的问题求解能力及准确性。另外通过计算、统计、分析用户的家庭及主要电器的历史用电情况，得出主要负荷的特性参数，模拟采用能效管理及节能算法后的节省情况。

2 系统总体设计

1）家庭网络

家庭网络是智能家居系统的基础。家庭中不同功能的异构网络彼此分离，没有形成通信与互联。通过解决各种家电的互连和控制问题，为家电提供一种标准的交互语言，实现第三方应用程序与家庭网关的通信，完成家庭内部电器的控制及其它的智能家居功能要求[10-11]。

2）Internet接入

家庭能耗管理系统方便用户通过Internet网络远程操控智能家电。可以随心所欲对家居家电进行开关控制，并能对其属性操作；提供居民用户用电信息查询，让能源管理不再受地域和时间的限制，实现用电详情的远程实时分析。

3）家庭网关

家庭网关是整个能耗管理系统的核心。在家庭内，家庭网关通过RF射频将家内的各种电器连接起来，家庭网关自动识别家电设备，采集相关数据并进行控制管理；在家庭外，家庭网关起着在各种外部网络和内部网络之间的中介作用，即不仅负责各种类型子网之间的协议转换和数据共享，而且还要完成家庭智能控制和因特网接入功能；对于能耗管理，家庭网关还具备用电数据采集、存储和处理，能耗管理策略实施等功能。

4）智能家居控制

普通家电通过红外遥控器、无线中继模块、红外转发器等方式，轻松、便捷的就实现对非信息家电的控制。这表示普通家电在家庭中同样可以得到扩展和应用：对于红外家电家庭网关通过与红外转发器通信可以完成红外家电的遥控器功能；对于普通家电家庭网关通过与智能插座通信可以完成普通家电的开关。信息家电自带有网络接口，与能耗管理系统可直接进行无线通讯，能方便对其的控制管理。

对于整个家庭能耗管理系统的通信结构来讲，家庭内部网络节点数量众多，需要传输的信息的数据量少但零碎频发。基于这些特点，家庭网络需要配置灵活、中低速率、低功耗的组网技术，与家庭外部通信采用Internet，具体的系统与通信结构如图1所示。

5）系统工作原理

家庭内部署有智能家居服务器，用户可以通过PC、IPAD移动终端等设备，来控制户内的智能家居设备。智能家居的结构如图2所示，主要包括以下部分。

①应用层

作为人机交互界面，注重界面的友好度与用户的体验度，能将用户的意图反馈给管理层。主要包含移动终端、PC等可视化设备。

②管理层

图1 系统通信结构Fig.1 Communication structure of systerm

图2 智能家居结构Fig.2 Structure of smart home

作为系统核心，负责网络的管理和信息的处理，承接应用层和感知层之间的信息交互。包括智能网关和智能家居服务器。

③感知层

作为动作执行设备，将管理层下发的动作命令执行到位，以实现应用层用户的意图；作为信息获取部分，监控环境的变化，并将相关信息发送给管理层，以便于根据环境信息实现用户意愿。

3 系统软件实现

根据用户使用的具体要求，系统划分为智能家居监控功能、智能家居管理功能、家庭能效服务功能几大模块。

3.1 智能家居的远程控制

在能耗管理系统的WEB页面上根据智能家居的当前状态，对智能家居进行远程调控。实现流程如图3所示。

图3 智能家居监控软件流程图Fig.3 Flow chart of system remote regulation

3.2 家庭能效服务功能

家庭能效业务主要负责智能家居用电信息查询、智能家居的用能分析和家庭用电建议。

WEB支持以日、月、年和时间段的查询方式，查询的用能信息结果以曲线图、棒图、饼图和表格数据的形式展现。查询智能家居的用能比例、用能同比、分时用能、阶梯用能和用能评测，主要包括当月各电器（按种类）用电的总量与占比、各房间用电的总量与占比，近几年每个月总用电量同比，本月与上一个月，主要电器（按种类）的用电总量比较，本月的峰谷总用电量和占比，实现流程如图4所示。

图4 家庭用电信息查询实现流程图Fig.4 Flow chart of energy information queries

在能耗管理系统的WEB页面上查询某个智能家居的用电历史数据时，JAVA用能查询方法被调用。JAVA方法结合当前的查询条件生成查询序列后，由DLL将查询序列发送到共享内存缓冲区，调用家电历史信息查询程序从历史库中获得所需数据后，把数据返回到共享内存。查询的结果返回给能耗管理系统的JAVA查询方法。

4 结束语

围绕家庭能耗管理系统的设计与实现展开，提出基于WEB的能耗管理系统远程控制软件构架，明确WEB远程浏览控制软件的作用和地位。根据实际需求对能耗管理系统进行了模块化分析和设计。系统能够有效提高能源利用效率和减少能源浪费，推动低碳电力、低碳能源乃至低碳经济的发展，以达到各方状态的优化，本文系统的设计方案、设计过程和管理效果为家庭智能用电建设提供了重要参考。

[1]马其燕，秦立军.智能电网发展状况及其实现建议[J].电力需求侧管理，2010，12（3）：34-37.MA Qi-yan，QIN Li-jun.Development status and implementation suggestions of smart grid[J].Power Demand Side Management，2010，12（3）:34-37.

[2]彭金华，舒少龙，林峰，等.家庭能耗管理系统研究综述[J].电力需求侧管理，2011，13（1）：35-38.PENG Jin-hua，SHU Shao-long，LIN Feng，et al.Summary of homeenergy management system[J].Power Demand Side Management，2011，13（1）：35-38.

[3]马培粤.智能家居WEB远程浏览控制软件的设计与实现[D].武汉：华中科技大学，2006.

[4]侍必胜.家庭能耗管理系统的设计与实现[D].南京：南京信息工程大学，2012.

[5]马季.智能家居远程监控系统的研究与实现 [D].青岛：中国海洋大学，2009.

[6]Adil A.Occupants behavior and activity patterns influencing the energy consumption in the Kuwaiti residences[J].Energy and Buildings，2003（35）：549-559.

[7]李兆坚.我国城镇住宅空调生命周期能耗与资源消耗研究[D].北京：清华大学，2007.

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[9]Wong S S，Hong S H，Bushby S T.A Simulation Analysis of BACnetLocalAreaNetworks [J].NationalInstitute of Standards and Technology，October 2003.

[10]叶朝辉，杨士元.智能家庭网络研究综述[J].计算机应用研究，2001（9）：1-6.YE Chao-hui，YANG Shi-yuan.Intelligent home network:a servey[J].Application Research of Computers，2002（6）：38-40.

[11]叶朝辉，杨士元.智能家庭网络研究与开发[J].计算机应用研究，2002（6）：38-40.YE Chao-hui，YANG Shi-yuan.Research and development of the intelligent home network[J].Application Research of Computers，2002（6）：38-40.