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一个用户驱动能量消耗的智能家居系统
介绍. 目前的智能家居和自动化系统降低了系统的通用性并且使用模块化，使得用户在功能方面拥有局限性。本文提出了一种新的系统结构，并对其进行了描述：这是一个以用户为中心的智能家庭网关，支持家庭自动化、能源使用管理和减少能源消耗以及使用智能电网的操作。这是通过公用的API的服务中间控制启用的，它允许对涉及该技术的家庭网络设备和信息进行操作。此外，系统将用户作为主要对象，这反过来又会使用户更愿意合作并安装系统。网关通过以用户为中心的机器来学习并支持组件，这能够提取用户的行为模式并将其反馈到网关。文中给出的结果证明了网关的高效运行。两个著名的机器学习算法，用于识别用户能源消耗行为中的模式。甚至可以识别能量。这个特性可以提高其性能。
关键词：智能网关，中间控制，系统架构，机器学习，能源管理。
1.介绍
智能家居和自动化技术正日益流行。这不仅包括人们口中的自动部分，而且还包括能源生产者、电网运营商以及能量分布器。例如，智能电表的大规模推出有希望能改变住宅能源消耗领域，特别是在英国这样的国家这也将是碳排放的协议内容。根据能源和气候变化部的统计数据，英国50%的排放来自于建筑，其中三分之二来自于住宅碳排放。此外，美国住宅用电占到37%，欧盟用电占到29% [24]。 研究人员和工业参与者正在寻找能够监测并且能够远程控制能源消耗的新技术。有许多关于住宅和建筑能源管理系统的新的建议。突出的例子包括Google的SmartSmartApproach和UnitedAlliance[28]。然而，在大多数方法中，最终用户被认定为是能源和信息链的最后一环。在实践中，用户被认为只追求产品的功能和他们自己的需求，他们扩展或改变HEMS的能力是有限的。
这项工作的主要内容是未来的智能家居应该把用户置于系统架构的核心，尤其是在住宅能源管理方面，简单地实施节能操作而忽略了系统所涉及的个人的行为以及他们的舒适度等级试不可行的。
对于任何一个系统的成功，用户的主动参与和个性化的反馈都将成为关键因素。此外，外部实体存储将接受所有用户的交流信息，为人们采用智能家居技术提供足够的动力[3]。
本文介绍了一种新型智能家居系统的设计与实现。该系统是数字网络代理的核心技术之一。减少用户能量的数字代理网络 (DANCER)旨在实现持久的行为变化与减少家中的能源同时保持舒适的水平，并且本工程的ary版本已发布[23]，描述了拟议系统的高级体系结构。目前的工作更详细地介绍了DANCER的两个重要系统、家庭网关(HG)和行为模式提取器。系统的这两个部分允许用户与之交互，提供家庭自动化功能，并最终启用系统学习并适应用户的行为模式。本文的贡献是：首先，对系统的总体结构进行了简要的说明，重点介绍了系统的总体结构，以及用户的基本模式和舒适度。其次，对该系统的软件设计和实现进行了分析，包括数据库结构、软件服务(例如策略引擎)的运行和开发的大部分公开应用程序接口(API)的中间件.他允许服务从中间件请求上下文和操作，而不需要知道最终端点的结果。因此，用户可以将各种技术的设备集成到家庭网络中，并在其上定义个人行为扩展相应的智能家居设备。最后给出了机器学习机制，一个专门的组件(Crc)负责收集数据，并使用众所周知的自动机器学习以提取被输入的模式学习，然后反馈给用户更多的使用体验。与其他简单的强制节能措施相比，本工程更愿意采用能够更好地实现节能、 更个性化的反馈的经济学方法和管理政策。本文的结构如下。第二节回顾了有关这一领域和现有市场解决方案的最重要文献。第三节介绍了DANCER的总体结构。
而下面第4节更详细地描述了辅助软件组件和服务。这包括策略描述语言(策略描述语言)，它支持中间件和API，允许用户输入自己的自动程序.然后，在第五节中描述了机器学习的实现和反馈机制。第6节和第7节给出了当前测试中可实现的一组结果，说明了所提出的解决方案的可行性和能力。最后第8节结束了这项工作
2、回顾研究领域
DANCER项目是英国一项很重要的项目，目的是改变能源需求管理，并引入HEMSs/BEMSs.这促使了一个EPSRC的网络出资建立的TEDDINET，由目前DANCER的工作人员和另外的21个人组成。TEDDINET的目标是确保它强大的输出和输入被检测到。随着研究的进展，研究人员发现信通部门在该领域越来越活跃，而且每年都有很多新产品被发明出来并加以使用。
大多数现有平台都将重点放在互相操作能力和中间件的支持上以开发新的智能应用程序。开源OpenHAb4项目是该类别的主要示例。所以来自行业部门的产品，如谷歌(Google)的超级智能(SMART)和德国电信(DeutscheTelecom)的产品，在互操作性方面更为有限。然而，他们得到了支持。 与竞争对手相比，硬件和最低限度的兼容性方面存在些许问题。一般生产商将大部分的生产代码提供给开源社区，它却可以提供一个更令人满意的平台这是另一个介于这两者之间的解决方案。所有这些系统都为我们提供了一定水平的家庭服务，其中大部分甚至还提供了更多的服务。该平台允许用户插入其操作首选项。然而，机器学习技术仅在机器学习平台上实现，主要由其他平台的硬件限制，另一方面该平台依赖一个可用的辅助连接，并将所有用户信息存储在网上，因为用户在研究中表示的是供应商[3]所以这对智能能源管理系统来说可能是个问题。表1概述了所讨论的特性。
Table 1
Review of existing HEMS Platforms
OpenHAB Ninja Blocks Nest Qivicon
|
开放式源代码 |
是 |
是 |
否 |
否 |
|
自动化 |
是 |
是 |
否 |
是 |
|
可扩展性 |
高 |
高 |
低 |
低 |
|
可编程序性 |
是 |
有限 |
否 |
有限 |
|
机器学习能力 |
否 |
否 |
是 |
否 |
|
存储数据 |
本地 |
本地 |
远程 |
远程 |
智能家居平台的可用性和机对机(机对机)通信能力使研究人员能够研究如何将先进的基础设施扩展到子系统。 [10]关于缩小智能家居与即将到来的智能电网之间的差距最突出和最重要的影响之一是“自动响应”协议，[16]，拟议中作为智能能源配置文件的补充。
家庭网关(HGS)是HEMS/Bemss的核心组件，因此他们已经吸引了研究人员大量的兴趣。诸如家庭网关倡议(HGI)7等标准化通过努力已经已经在市场上生产出产品。家庭网络由多种不同的设备组成.这种能够将这些设备连接在一起的新技术的出现，使重新提取并提供改进的可管理方式成为可能[21]，只有在互操作性和用户界面上的最新研究才是最可行的。BJEL-ICA等[2]提出了一个支持启用的网关，他所提出的用户界面(UI)是一个基于云的应用程序，它通过XML消息使用户更加满意。这是由 Crugrave;z- Sagrave;nchez等人提出的。[8]另一方面，一种适用于智能家居辅助的多协议也在类似的方法中，并[1]提出了一种基于支持性的评价方法。主要框架是在文献中发现的[11]并允许开发和取消运行时新的服务。 此外还支持多种互操作性标准，例如多媒体家庭平台(DHIM)、转码、普通即插即用(ACK)，这使家庭网络能同时拥有众多的变焦产品和新颖的产品。
他们不断增强的处理能力使他们能够通过环境智能和机器学习技术自动预测用户的喜好。一个极好的概述环境情报技术所能发挥的作用的报告是由Cook等人提供的。[6].较老的技术通常用于有限数量的学习过程中的上下文变量上。 3]。在另一种方法中[12]考虑了多用户偏好之间的一致性问题。本文给出了一种组合贝叶斯的方法，通过网络和博弈论对用户偏好进行建模，实现冲突的解决。然而，用户必须在每一次事件中对系统进行评估，以便更新该系统，此外，关于能源管理系统中的信息量，先前的支持只提供了部分的解决方案，例如家用热特性[22]和空调。 [7].Moreno等人[18]提出了一种基于数据库的系统，使用大数据算法来管理和评估建筑物的能耗，这种更全面的方法， 仅在每栋楼/每间房的基础上调查这一问题，采用主成分分析法(PCA)来降低采集到的传感器数据的维数。当试图预测能量变化时会显示室外温度、湿度和压力，虽然作者成功地预测了能源消耗，但他们并没有考虑到上述变量对用户使用能源的相关行为的影响。对于住宅场景，个性化的能源管理配置需要更多的研究和扩展，此外，在新能源管理中，需要一种新的能源管理技术，它不仅提供了表1所示的特性，而且还能够支持超自动化技术和个性化学习技术。特别是在住宅部署中，不能应用使任一个大小都适合的原则，并且每个用户或者每个设备的考虑都是必要的。最后, 简化的系统使用户可以轻松扩展其功能，是真正管理住宅能源管理的方式，这超越了当前的方法。联合这两种方法可能会出现联系，使电力分配成为双向信息流。
Fig. 1. High level architecture the DANCER system.
这项工作试图解决所提出的问题，并打算将用户置于系统设计的中心这一概念加以巩固。
3.系统结构
DANCER是基于用户的传感器系统，用于监视和减少房屋的能耗。它的效率和它的实现，是以它的全面性为基础的。 用户可以通过部署不同的场景与其进行交互。与大多数基于网络的产品不同的是，即使在没有网络连接仅在本地数据的情况下它也能够运行(尽管功能有限)，对于现实的场景部署来说，这是一种非常强的能力，因为有的系统可能完全不合适无网情况的。AIN功能位于放置在每个用户住所中的家庭网关(HomeGateway)设备中。给出了DANCER系统体系结构的总体框架。系统结构图说明了系统设计的两个核心原则可以添加/删除各种组件，以更改系统的操作或退出- 用它的能力。例如，如第1节所示，家庭网络可以由各种不同的设备组成。智能和旧设备、传感器节点、UWB平台、用户界面和HV 交流设备是一些主要的例子。
分机应该具有通过有线或无线连接到所有这些设备的能力。然而，对于网络开发的可利用性，还不可能有更好的应用。 冰。因此，互操作性是一个关键目标。在DANCER中，引入了中间件层来掩盖运行在上面的服务的所有细节。它允许 通过一组动态动作库对本地数据库进行操作，并对连接的设备进行控制。通过提供的api，中间件公开了这个通用资源库(C)。 在多个应用程序服务上运行，并控制授权过程。有关开发的中间件的更多信息，请参见第4.2节。
它能够通过互联网连接到一个基于公共的、虚拟专用网的虚拟专用网，VPN连接允许访问一个名为远程能源消耗点的中央存储组件，这个中央存储组件以一种安全可靠的方式存储或分配每个家庭的能源交换信息。这样就可以进行自动行为模式提取操作，而不会浪费HG有限的资源。从收集到的数据中衍生出来的累积行为数据可以用来制定节能策略而这些策略又可以反馈给HG，整个操作还可以提高全局(而不仅仅是局部)的能源利用率。行为模式抽取器-重述，如图所示。如在1中所看到的，这一技术的基本模式可以移植到相应的产品中，在没有互联网连接的情况下可以将其作为另一项服务移植到HG。在这两种情况下，输出都是一组与居民行为模式相匹配的规则，这些规则可以在与能源有关的任务中进行交流计算。同时，在制定节能政策时，用户的舒适度和习惯也可以被计算在内以达到共同的目的。消费和储蓄之间以及个性化的反馈，可以将所述转接的VPN连接用于附加目的。它允许用户远程连接到家庭网络，即使家庭网络受到防火墙的保护。如图1所示，这是通过位于recap组件中的公共web接口实现的。
4.DANCER门
该软件涉及到很多个服务，运行在DANCER中间件上。
Fi
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