家庭能耗管理系統(tǒng)研究綜述

彭金華，舒少龍，林 峰，黃志強(qiáng)

（同濟(jì)大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，上海 200092）

家庭能耗管理系統(tǒng)是智能家居不斷發(fā)展的產(chǎn)物，也是智能家居眾多子系統(tǒng)之一。社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展致使人們對(duì)電力的需求日益增加，鑒于發(fā)電過(guò)程帶來(lái)的環(huán)境污染問(wèn)題和用電側(cè)的電能浪費(fèi)現(xiàn)象，如何有效地控制能耗是重要的研究課題。隨著民用能源需求的不斷增大，家庭能耗管理越來(lái)越引起重視。

傳統(tǒng)上，家庭電力能耗信息是以每月電費(fèi)賬單的形式反饋給家庭成員。電費(fèi)賬單只告知用戶一定時(shí)期內(nèi)的總用電量而不能給予用戶詳細(xì)的能耗構(gòu)成。家庭能耗管理系統(tǒng)則可以為用戶提供詳實(shí)的家庭能耗信息，在此基礎(chǔ)上，家庭能耗管理系統(tǒng)為用戶建立家庭能耗信息數(shù)據(jù)庫(kù)，幫助用戶分析家庭能耗構(gòu)成以使用戶了解自身行為習(xí)慣對(duì)于家庭能耗的影響，從而引導(dǎo)用戶自覺(jué)地采取節(jié)能措施并養(yǎng)成節(jié)能行為習(xí)慣。家庭能耗管理系統(tǒng)還可為用戶提供個(gè)性化的家電節(jié)能控制策略服務(wù)，包括預(yù)設(shè)控制、負(fù)荷控制、家電能耗分級(jí)控制、待機(jī)管控等，實(shí)現(xiàn)家電的智能監(jiān)控和管理。

Boivin JY較早提及家庭能耗管理系統(tǒng)概念［1］，提出用電側(cè)需要提高電力利用率，采取措施鼓勵(lì)用戶幫助平抑負(fù)載，并認(rèn)為如果在能耗較大的家用電器上增加智能和通信的功能，就可以對(duì)變化的電價(jià)做出響應(yīng)，這樣，家庭自動(dòng)化不僅可以加強(qiáng)家庭能耗管理也可以為用戶省錢。目前，家庭能耗管理系統(tǒng)的研究?jī)?nèi)容主要集中于家庭能耗管理系統(tǒng)架構(gòu)和家庭能耗管理策略2方面。

1 家庭能耗管理系統(tǒng)架構(gòu)

家庭能耗管理系統(tǒng)的架構(gòu)研究包括家用電器接入方式、組網(wǎng)通信與數(shù)據(jù)采集、軟件協(xié)議環(huán)境、服務(wù)提供與數(shù)據(jù)呈現(xiàn)等內(nèi)容，目前已經(jīng)得到了較多的研究成果。

文獻(xiàn)［2］提出家庭能耗管理系統(tǒng)應(yīng)以家庭網(wǎng)關(guān)為中心，把能源監(jiān)控設(shè)備作為家電和網(wǎng)關(guān)之間的橋梁，采用多種組網(wǎng)方式提高系統(tǒng)的適用性，并把家庭網(wǎng)關(guān)作為聯(lián)系家庭內(nèi)外的低功耗通信設(shè)備。文獻(xiàn)［3］指出家庭能耗管理系統(tǒng)需要有網(wǎng)絡(luò)接入能力的家電和家庭網(wǎng)絡(luò)的支持，該架構(gòu)由網(wǎng)絡(luò)適配器、家庭網(wǎng)關(guān)和中心服務(wù)器組成，由中心服務(wù)器提供遠(yuǎn)程服務(wù)。對(duì)于普通家用電器，文獻(xiàn)［4］提出設(shè)計(jì)無(wú)線電力控制插座模塊，它集成了多個(gè)交流電源插座、微控制器、通信模塊和電力測(cè)量模塊，能夠?qū)Σ逶谄渖系募矣秒娖鬟M(jìn)行管理，從而實(shí)現(xiàn)家電的網(wǎng)絡(luò)接入能力，并能夠通過(guò)英特網(wǎng)、掌上電腦和全球移動(dòng)通信系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行遠(yuǎn)程訪問(wèn)。文獻(xiàn)［5］提出了融合家庭網(wǎng)絡(luò)、外部網(wǎng)絡(luò)和節(jié)能應(yīng)用軟件的系統(tǒng)架構(gòu)，旨在更好地配置和管理家用電器的能源消耗。文獻(xiàn)［6］搭建了融合電力線通信和ZigBee（IEEE 802.15.4協(xié)議）的家庭能耗管理系統(tǒng)，建立傳感器網(wǎng)關(guān)來(lái)管理整個(gè)家電傳感器網(wǎng)絡(luò)和提供Web登錄等遠(yuǎn)程服務(wù)。在智能家電與家庭網(wǎng)關(guān)的任務(wù)分配上，文獻(xiàn)［7］提出了集中管理、分散控制的策略，每個(gè)家電都帶有本地觀測(cè)/控制單元，它負(fù)責(zé)與家庭網(wǎng)關(guān)通信。家庭網(wǎng)關(guān)的觀測(cè)層負(fù)責(zé)采集家電數(shù)據(jù)和接收外部信號(hào)并作出預(yù)測(cè)，其控制層負(fù)責(zé)向家電下達(dá)規(guī)則，其后的操作由家電本地控制層控制。

總結(jié)以上的研究成果，可以發(fā)現(xiàn)家庭能耗管理系統(tǒng)架構(gòu)存在以下特點(diǎn)：①要解決家用電器能耗信息采集的問(wèn)題，即家電的信息化，需要信息家電［2］的發(fā)展；②需要選擇合適的組網(wǎng)方式將家用電器網(wǎng)絡(luò)化；③能耗管理和相關(guān)服務(wù)以及與外部的聯(lián)系由單個(gè)多功能部件——家庭網(wǎng)關(guān)［2］實(shí)現(xiàn)；④家庭網(wǎng)絡(luò)通過(guò)家庭網(wǎng)關(guān)與外部網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息交互，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程服務(wù)功能。綜上所述，一個(gè)家庭能耗管理系統(tǒng)的架構(gòu)主要由4個(gè)部分組成：信息家電、家庭網(wǎng)絡(luò)、家庭網(wǎng)關(guān)和遠(yuǎn)程服務(wù)，如圖1所示。

圖1 家庭能耗管理系統(tǒng)架構(gòu)

1.1 信息家電

信息家電［8］是家庭能耗管理系統(tǒng)的最底層，也是家庭網(wǎng)絡(luò)的終端節(jié)點(diǎn)載體。一方面，它為家庭成員提供具體的服務(wù)，實(shí)現(xiàn)其作為傳統(tǒng)家電的功能；另一方面，它將自身運(yùn)行狀態(tài)信息數(shù)字化并提供給它的網(wǎng)絡(luò)上層，這些信息包括功耗、運(yùn)行狀態(tài)、運(yùn)行時(shí)間等。信息家電同時(shí)具有家電、信息產(chǎn)品和網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的特點(diǎn)。作為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的信息家電產(chǎn)品，需具備網(wǎng)絡(luò)化、智能化、實(shí)時(shí)性、兼容性和節(jié)能化等特點(diǎn)［9］，應(yīng)可提供遠(yuǎn)程控制、查詢和維護(hù)、智能控制與管理、家電信息服務(wù)等功能［10］。目前信息家電的發(fā)展仍需要解決相互操作、即插即用、安全機(jī)制和協(xié)同服務(wù)等一些問(wèn)題［11］。

1.2 家庭網(wǎng)絡(luò)

家庭網(wǎng)絡(luò)［12］是整合信息家電的信息化平臺(tái)。家庭網(wǎng)絡(luò)以可靈活配置的家庭總線系統(tǒng)為基礎(chǔ)，連接各種家庭信息終端和家用電器，提供集成的音頻、視頻、計(jì)算、通信控制和管理等功能，使信息在家庭內(nèi)以及家庭與外部網(wǎng)絡(luò)間充分流通和共享，家庭能耗管理系統(tǒng)離不開(kāi)家庭網(wǎng)絡(luò)的支持。家庭網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)技術(shù)是家庭網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)重要研究課題。對(duì)于家庭能耗管理系統(tǒng)來(lái)講，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)量眾多，需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)主要包括家電設(shè)備信息、運(yùn)行狀態(tài)信息、用電功耗信息和控制信息等，這些信息的數(shù)據(jù)量少但零碎頻發(fā)?；谶@些特點(diǎn)，家庭能耗管理系統(tǒng)需要組網(wǎng)靈活、布線便捷、中低速率、低功耗的組網(wǎng)技術(shù)，如：以太網(wǎng)、X-10協(xié)議（以電力線為連接介質(zhì)對(duì)電子設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制的通信協(xié)議）、HomePNA（一種家庭網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算機(jī)互聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)）、現(xiàn)場(chǎng)總線、無(wú)線局域網(wǎng)、ZigBee等多種解決方案。目前存在有線和無(wú)線2種組網(wǎng)方式，有線方式中的一些技術(shù)已經(jīng)比較成熟，在行業(yè)中已經(jīng)具有一定的標(biāo)準(zhǔn)型和通用性，但以太網(wǎng)、電話線、電力線等有線組網(wǎng)技術(shù)普遍存在布線麻煩、增減設(shè)備需要重新布線、影響美觀、安裝和維護(hù)成本高以及移動(dòng)性差等缺點(diǎn)。無(wú)線傳輸最大的優(yōu)點(diǎn)是省去了大量的線纜，移動(dòng)性好，可以隨時(shí)增加鏈路，安裝和擴(kuò)容方便。但是目前無(wú)線通信的質(zhì)量還遠(yuǎn)低于有線通信，其信號(hào)衰減要比同距離的有線通信大很多，而且傳輸信道容易受到干擾，可靠性沒(méi)有有線方式好。目前，家庭網(wǎng)絡(luò)往往采取多種組網(wǎng)方式來(lái)彌補(bǔ)各自的不足和滿足不同應(yīng)用的需要。文獻(xiàn)［11］較完整地分析和比較了各種組網(wǎng)技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)。

1.3 家庭網(wǎng)關(guān)

家庭網(wǎng)關(guān)［13］是家庭網(wǎng)絡(luò)與家庭外部網(wǎng)絡(luò)之間的網(wǎng)關(guān)設(shè)備，信息家電可以通過(guò)家庭網(wǎng)關(guān)與外部網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息交互，也可以進(jìn)行信息家電之間的信息交互。家庭網(wǎng)關(guān)作為家電信息的整合者，為用戶提供人機(jī)交互界面和家庭能耗管理服務(wù)。家庭網(wǎng)關(guān)的主要功能有：①自動(dòng)識(shí)別信息家電設(shè)備，負(fù)責(zé)它們的動(dòng)態(tài)注冊(cè)，采集相關(guān)數(shù)據(jù)并進(jìn)行控制管理；②與外部網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)交換和協(xié)議轉(zhuǎn)換；③家庭內(nèi)部各種不同通信協(xié)議的轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)共享；④提供QoS（一種網(wǎng)絡(luò)安全機(jī)制，用來(lái)解決網(wǎng)絡(luò)延遲和阻塞等問(wèn)題的一種技術(shù)），針對(duì)不同業(yè)務(wù)應(yīng)用對(duì)網(wǎng)絡(luò)傳輸速率的要求，合理分配帶寬；⑤對(duì)外公布信息的Web服務(wù)功能；⑥實(shí)現(xiàn)訪問(wèn)控制，提供安全功能，如：防火墻、身份認(rèn)證、消息傳輸加密及消息認(rèn)證或消息簽名機(jī)制、對(duì)家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)信息家電的訪問(wèn)的安全控制、訪問(wèn)控制、權(quán)限管理、日志記錄和審計(jì)跟蹤功能；⑦對(duì)新業(yè)務(wù)的支持能力，具有可拓展性［11］。對(duì)于家庭能耗管理系統(tǒng)，家庭網(wǎng)關(guān)還需具備信息呈現(xiàn)和推送、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和處理、能耗控制策略實(shí)施等功能。

1.4 遠(yuǎn)程服務(wù)

遠(yuǎn)程服務(wù)是家庭能耗管理系統(tǒng)的遠(yuǎn)端應(yīng)用，包括供電公司服務(wù)器站點(diǎn)和用戶遠(yuǎn)程終端等。家庭網(wǎng)關(guān)通過(guò)和供電公司服務(wù)器進(jìn)行交互來(lái)獲得電能資費(fèi)、用戶賬單等數(shù)據(jù)以及進(jìn)行軟件更新和維護(hù)等。用戶遠(yuǎn)程終端如：遠(yuǎn)程Web客戶端、手機(jī)、掌上電腦等為用戶提供對(duì)家庭能耗管理系統(tǒng)的遠(yuǎn)程訪問(wèn)服務(wù)。家庭能耗管理系統(tǒng)的遠(yuǎn)程服務(wù)需要通過(guò)一定的接入方式與家庭網(wǎng)關(guān)進(jìn)行信息交換，接入方式包括家庭寬帶接入技術(shù)和移動(dòng)通信技術(shù)等［14］。寬帶接入技術(shù)包括ISDN（綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)）、ADSL（非對(duì)稱數(shù)字用戶環(huán)路，是一種新的數(shù)據(jù)傳輸方式）和FTTH（光纖到戶）等接入方式。移動(dòng)通信技術(shù)有GPRS（通用分組無(wú)線服務(wù)技術(shù)）、3G（第三代移動(dòng)通信技術(shù)）、4G（第四代移動(dòng)通信技術(shù)）等。

2 家庭能耗管理策略研究

家庭能耗管理策略研究目前存在2個(gè)不同的研究方向：一是通過(guò)對(duì)能耗管理系統(tǒng)建立能耗模型，通過(guò)理論分析設(shè)計(jì)最優(yōu)的家庭能耗管理策略；另一個(gè)研究方向是通過(guò)案例設(shè)計(jì)進(jìn)而研究家庭能耗管理策略的有效性。

在家庭能耗管理策略理論分析方面，文獻(xiàn)［15］描述了利用住宅異步電力線通信網(wǎng)絡(luò)與類似家庭網(wǎng)關(guān)的能源調(diào)制解調(diào)器以及若干家電控制器組成的能耗監(jiān)控系統(tǒng)，并可以進(jìn)行遠(yuǎn)程通信，其特點(diǎn)是盡量利用現(xiàn)有設(shè)施搭建整個(gè)系統(tǒng)。在此基礎(chǔ)上研究建立能源消耗和效率的模型，設(shè)計(jì)如何優(yōu)化能源利用的算法。

文獻(xiàn)［16］提出建立一個(gè)具有網(wǎng)絡(luò)接入能力的設(shè)備工作狀態(tài)的通用能源消耗模型，引入管理信息庫(kù)機(jī)制來(lái)對(duì)網(wǎng)絡(luò)接入設(shè)備進(jìn)行管理，以使能耗最小化。

文獻(xiàn)［17］針對(duì)住宅能源管理系統(tǒng)中通過(guò)用戶干預(yù)進(jìn)而減少能源需求的方法不夠有效的問(wèn)題，提出了模糊控制器的設(shè)計(jì)，以最小的能源消耗維持用戶設(shè)定的控制參數(shù)，并在理論上進(jìn)行了建模和仿真。

文獻(xiàn)［18］建立基于多代理系統(tǒng)（multi-agent system，MAS）的家庭自動(dòng)化系統(tǒng)，然后理論上將住宅需求側(cè)負(fù)載管理分為3個(gè)層次：預(yù)測(cè)層、反應(yīng)層和設(shè)備層。通過(guò)對(duì)預(yù)測(cè)層進(jìn)行建模來(lái)建立預(yù)測(cè)機(jī)制以分析其能源分配計(jì)劃，進(jìn)而設(shè)計(jì)提供定時(shí)或恒定服務(wù)機(jī)制，達(dá)到用戶舒適度最大和能源消耗最小的目的。因?yàn)槟Ｐ褪荖P難題，文章引入Tabu搜索算法［19］來(lái)解決此問(wèn)題。

在通過(guò)案例設(shè)計(jì)研究家庭能耗管理策略方面，現(xiàn)階段工作主要集中于能耗信息反饋和家庭成員行為模式對(duì)家庭節(jié)能的影響。英國(guó)巴斯大學(xué)的研究人員通過(guò)觀察家庭成員行為模式來(lái)探究創(chuàng)新家庭節(jié)能產(chǎn)品的可行性，他們提出“理論最小能源水平”的概念，將其與人員活動(dòng)相結(jié)合來(lái)確定有節(jié)能潛力的行為模式和產(chǎn)品設(shè)計(jì)［20］。

文獻(xiàn)［21］搭建了一個(gè)實(shí)驗(yàn)性的系統(tǒng)，該系統(tǒng)安裝在一套公寓中，能夠監(jiān)視用電量并加以顯示，可以在用電量接近規(guī)定用電水平時(shí)提醒用戶。這套系統(tǒng)在一個(gè)月的運(yùn)行期內(nèi)，總用電量比預(yù)測(cè)值減少了17.55%。

文獻(xiàn)［22］描述了一個(gè)為期2個(gè)月的示范性試驗(yàn)項(xiàng)目，該項(xiàng)目的目的是檢驗(yàn)韓國(guó)智能電能表系統(tǒng)中的關(guān)鍵組成部分——家庭內(nèi)部顯示器（in-home display，IHD）在減少家庭能源消耗方面的作用。2個(gè)城市中總共77戶不同家庭參與了該項(xiàng)目，在清州市的53戶家庭中有48戶的每日能源消耗平均減少了15.9%，而在首爾的24戶家庭中有22戶每日能源消耗平均減少了7.5%。

文獻(xiàn)［23］檢驗(yàn)了用電信息反饋方法在家庭節(jié)能方面的作用，31個(gè)參加試驗(yàn)的家庭平均節(jié)能15%，進(jìn)而研究了不同的信息反饋方式在激勵(lì)家庭成員采取節(jié)能行為方面的效果。

文獻(xiàn)［24］肯定了家電用電信息反饋對(duì)節(jié)約能源利用的作用，但同時(shí)指出很少有方法能精確地估量這種影響。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文詳細(xì)介紹了家庭能耗管理系統(tǒng)的架構(gòu)及其管理策略研究情況，指出一個(gè)家庭能耗管理系統(tǒng)應(yīng)該包含信息家電、家庭網(wǎng)絡(luò)、家庭網(wǎng)關(guān)和遠(yuǎn)程服務(wù)4個(gè)組成部分。已有的研究和試驗(yàn)結(jié)果表明，實(shí)施初級(jí)的能耗管理措施，比如家電能耗信息反饋和設(shè)置能耗上限等，可以比較有效地達(dá)到節(jié)能的目的。更為高級(jí)的能耗管理策略需要更進(jìn)一步的研究，以期將來(lái)成熟有效的家庭能耗管理系統(tǒng)為用戶帶來(lái)諸多利益的同時(shí)也為公共事業(yè)作出貢獻(xiàn)。

［1］ Boivin JY.Demand side management：The role of the power utility［J］.Pattern Recognition，1995，28（10）：1493-1497.

［2］ Tompros S，Mouratidis N，DraaijerM，etal.Enabling ap-plication of energy saving applications on the appliances of the home environment［J］.IEEE Network，2009，23（6）：8-16.

［3］ Inoue M，Higuma T，Ito Y，et al.Network architecture for home energymanagement system［J］.IEEE Transac-tionson Consumer Electronics，2003，49（3）：606-613.

［4］ Chia Hung Lien，YingWen Bai，Ming Bo Lin.Remote-controllable power outlet system for home powermanage-ment［J］.IEEE Transactions on Consumer Electronics，2007，53（4）：1634-1641.

［5］ Capone A，Barros M，Hrasnica H，etal.A new architec-ture for reduction of energy consumption of home appli-ances［R］.Brussels ：European Conference of the Council of the EU，2009.

［6］ Mineno H，Kato Y，Obata K，etal.Adaptive home/build-ing energy management system using heterogeneous sen-sor/actuator networks［C］.Las Vegas：IEEE Consumer Communicationsand Networking Conference，2010：1-5.

［7］ Becker B，Allerding F，Reiner U，etal.Decentralized en-ergy-management to control smart-home architectures［J］.Lecture Notes in Computer Science，2010，5974：150-161.

［8］ 瞿紹軍，劉宏，唐贊玉.信息家電體系結(jié)構(gòu)研究［J］.計(jì)算機(jī)技術(shù)與發(fā)展，2007，17（6）：224-227.

［9］ 鐘錫昌.信息家電與嵌入式軟件［J］.家用電器科技，2000（6）：28-29.

［10］ 孫曉宇.信息家電的研究與設(shè)計(jì)［D］.大連：大連理工大學(xué)，2005.

［11］ 肖驍.信息家電與家庭網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的研究及實(shí)現(xiàn)［D］.長(zhǎng)沙：湖南師范大學(xué)，2008.

［12］ 韓江洪.智能家居系統(tǒng)與技術(shù)［M］.安徽：合肥工業(yè)大學(xué)出版社，2005.

［13］ Satich Gupta.Home gateway［D］.USA：Wipro Technolo-gise，2005.

［14］ 敖立，張文鉞.寬帶接入技術(shù)的綜合應(yīng)用［J］.電信網(wǎng)技術(shù)，2010（3）：26-29.

［15］ Nguyen D，Negnevisky M，Danchi Jiang，etal.A mod-el of domestic energy management enabling low-cost technology［C］.Sydney ：Australasian Universities Pow-er Engineering Conference，2008：1-6.

［16］ Jain V，Parr G P，Bustard DW ，et al.Deriving a ge-neric energy consumptionmodel for network enabled de-vices［C］.Chennai：NationalConference on Communica-tions，2010：1-5.

［17］ Sierr E，Hossian A，Britos P，etal.Fuzzy control for im-proving energymanagementwithin indoor building envi-ronments［C］.Morelos：Electronics，Robotics and Auto-motiveMechanicsConference，2007：412-416.

［18］ Long Duy Ha，Ploix S，Zamai E，etal.Tabu search for the optimization of household energy consumption［C］.Hawaii：IEEE International Conference on Information Reuse and Integration，2006：86-92.

［19］ Fred Glover.Tabu search：A turorial［J］.Interfaces，1990，20（4）：74-94.

［20］ Elias EW A，Dekoninck E A，Culley S J.The potential for domestic energy savings through assessing user be-havior and changes in design［R］.Tokyo：5th Interna-tional Symposium on Environmentally Conscious Design and InverseManufacturing，2007.

［21］ Rojchaya S，Konghirun M.Developmentof energyman-agementand warning system for resident：An energy sav-ing solution［C］.Chonburi：International Conference on Electrical Engineering/Electronics，Computer，Telecom-munications and Information Technology， 2009：426-429.

［22］ Tae-Seop Choi，Kyung-Rok Ko，Seong-Chan Park，et al.Analysis of energy savings using smartmetering sys-tem and IHD（In-Home Display）［C］.Seoul：Transmis-sion&Distribution Conference&Exposition：Asia and Pacific，2009：1-4.

［23］ Wood G，Newborough M.Dynamic energy-consumption indicators for domestic appliances：environment，behav-iourand design［J］.Energy and Building，2003，35（8）：821-841.

［24］ Danny Parker，David Hoak，Alan Meier，et al.How much energy arewe using？ Potentialof residentialener-gy demand feedback devices：Proceedings of the 2006 summer study on energy efficiency in buildings［R］.Cal-ifornia：America Council for an Energy Efficient Econo-my，2006.

（本欄責(zé)任編輯 劉嘉婧）